基于無線移動技術(shù)的低壓水電站綜合自動化系統(tǒng)

周忠育

（浙江省瑞安市林溪水電站，浙江溫州325213）

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基于無線移動技術(shù)的低壓水電站綜合自動化系統(tǒng)

周忠育

（浙江省瑞安市林溪水電站，浙江溫州325213）

摘要：針對目前很多低壓水電站的自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、系統(tǒng)技術(shù)落后、無法實現(xiàn)“無人值班、少人值守”等問題，開展了基于無線移動技術(shù)的設計與研究，將無線移動技術(shù)應用到低壓農(nóng)村水電站技術(shù)監(jiān)控、上位機監(jiān)控、LCU監(jiān)控等，實現(xiàn)了移動手機與上位機的信息通訊。該系統(tǒng)應用于浙江省瑞安市林溪水電站，取得很好的效果，值得其他農(nóng)村水電站的遠程監(jiān)控借鑒。

關(guān)鍵詞：低壓水電站；無線移動技術(shù)；綜合自動化系統(tǒng)；LCU

1　引言

隨著云技術(shù)、移動信息化技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等的發(fā)展，低壓的農(nóng)村水電站有望首先實現(xiàn)“無人值班、少人值守”的運行模式。實現(xiàn)對小水電的可移動遠程四遙（遙測、遙信、遙控、遙調(diào)）；可遠程對小水電進行發(fā)電計劃設置；對小水電內(nèi)部重要信號進行告警，及時通知相關(guān)人員進行處理；實現(xiàn)對小水電發(fā)電數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，給運維提供指導等。

但是總體設計需要遵循以下一些原則：①遵循小水電監(jiān)控系統(tǒng)的要求［1］，充分利用現(xiàn)有的工作基礎，減少系統(tǒng)建設過程中的工作量。②在遠程集中監(jiān)控運維系統(tǒng)建設過程中，系統(tǒng)平臺采用基于統(tǒng)一模式的全局管理，并且在整個分布的通信節(jié)點上采用授權(quán)方式，豐富系統(tǒng)管理方式，提高系統(tǒng)的易用性和安全性。③按照“全局規(guī)劃，分步實施”的設計原則，在系統(tǒng)平臺設計上充分考慮系統(tǒng)的開放性、可靠性、安全性和可擴展性，采用分層分布式體系結(jié)構(gòu)。④系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模型基于統(tǒng)一信息模型建立，規(guī)范化的系統(tǒng)模型為系統(tǒng)信息的提取提供有力的手段，方便在其上進行導入導出工作。系統(tǒng)的功能模塊按照組件框架設計，支持在SOA總線之上獲取服務及接口。⑤系統(tǒng)按照通用平臺的思路設計，將管理層接口和數(shù)據(jù)獲取層接口按照一定的標準開放，使系統(tǒng)的通用性和可接入性大大增強，不再局限于僅能接入某個廠家的小水電監(jiān)控系統(tǒng)。⑥前置設計了規(guī)約基類和通訊設備基類，規(guī)約和通訊設備的實現(xiàn)在基類的基礎上繼承，并以動態(tài)接口庫的方式給出。系統(tǒng)給出“插槽”，新增設備和規(guī)約都可以實現(xiàn)即插即用。⑦使用非常靈活，易于擴展。系統(tǒng)對接入的小水電系統(tǒng)提供了有效的保護，以后所有其他系統(tǒng)同該小水電系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的需求都通過遠程監(jiān)控和運維系統(tǒng)完成，有效的消除了小水電系統(tǒng)在同其他多個系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互時所帶來的額外負擔和安全隱患。

2　總體構(gòu)架

本系統(tǒng)主要包含網(wǎng)絡通訊管理機、網(wǎng)絡、服務器和工作站4個部分（如圖1所示）。其中網(wǎng)絡通訊管理機是小水電系統(tǒng)到集中監(jiān)控平臺的適配器［2］，他將各個異構(gòu)的小水電監(jiān)控系統(tǒng)配到統(tǒng)一的集中監(jiān)控平臺，從而讓平臺能夠屏蔽同各種不同的小水電監(jiān)控系統(tǒng)的差異，以統(tǒng)一的方式進行管理，提高了系統(tǒng)的效率和安全性。網(wǎng)絡部分主要解決以太網(wǎng)傳輸和通過移動網(wǎng)絡（GRPS/CDMA/3G/4G等）進行傳輸問題，為系統(tǒng)的通信提供一個統(tǒng)一的管理方式，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。服務器是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心，具體來說包括前置服務器、通信服務器、SCADA服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、報表服務器等，所有的平臺采用分布式構(gòu)架，所有的服務器功能可以部署到一個或者多個物理節(jié)點上。工作站是系統(tǒng)平常工作的人機界面，從工作角色上，可劃分為維護工作站（對系統(tǒng)本身的運行狀態(tài)進行信息收集和維護）、管理工作站（對系統(tǒng)進行操作和管理）、報表工作站（制作、生成、打印系統(tǒng)報表）。

圖1　總體構(gòu)架圖

3　主要功能

水電站計算機監(jiān)控的上位機、LCU等傳統(tǒng)的功能已有很多文獻介紹，本文只介紹一些特色功能。

3.1運行工況監(jiān)視

主接線圖、計算機系統(tǒng)設備運行狀態(tài)圖；電站廠用電、控制電源電氣接線圖、輔機工況圖（機組、進水閥及其油、氣、水系統(tǒng)實時狀態(tài)模擬圖）、公用部分監(jiān)視圖、機組開、停機過程狀態(tài)轉(zhuǎn)換順序流程圖（帶轉(zhuǎn)換時間）、機組監(jiān)控圖、實時溫度總匯圖、報警記錄、歷史曲線、棒圖、電度統(tǒng)計畫面、各查詢統(tǒng)計表、操作指導畫面包括正常操作和事故操作指導，如根據(jù)電站主設備運行狀態(tài)［3］，提出運行操作和調(diào)整的指導性意見畫面，電站主設備異?；虺霈F(xiàn)事故時，提出對策和操作的指導性意見畫面，運行及生產(chǎn)管理方面的顯示畫面等。

3.2電站運行指導

運行指導將電站的一些重要而復雜的操作條件以及進行這些操作形成的專家經(jīng)驗輸入計算機系統(tǒng)，當進行這些操作時，計算機根據(jù)當前的狀態(tài)進行條件判斷，提出操作指導意見。主要包括：機組開/停機操作指導、主要隔離刀閘操作聯(lián)鎖指導、主要電氣操作票、主要事故、故障原因提示及處理指導。

3.3報警

①報警查詢：實時報警和歷史報警查詢。包括模擬量的越限報警、復限提示以及有關(guān)參數(shù)的趨勢報警，事故、故障順序記錄，相關(guān)量記錄以及監(jiān)控系統(tǒng)自診斷報警等。②語音報警：發(fā)生報警事件時，循環(huán)語音播放報警。③短信告警：置外部短信發(fā)送模塊。

3.4報表

①報表定制：電度年、月、日報表（同時也可按8 h 或12 h以班組為單位統(tǒng)計電度）、溫度、日報表、電氣報表（電壓、電流等）；②報表打?。簩ΡO(jiān)控畫面、報表、曲線、各種操作、記錄等的打印功能。打印分為：定時打印和召喚打印。

3.5監(jiān)控系統(tǒng)自診斷

監(jiān)控系統(tǒng)能進行在線和離線自檢計算機和外圍設備的故障內(nèi)容并指出故障模件位置，檢測結(jié)果應打印記錄。可在線和離線診斷自檢各種應用軟件和基本軟件故障，當程序死鎖或失控時，能自動啟動或發(fā)出冗余切換請求，并具備自恢復功能。

3.6數(shù)據(jù)通信

①數(shù)據(jù)采集與通訊：監(jiān)控系統(tǒng)應具有通信工作站與調(diào)度實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信［4］。監(jiān)控系統(tǒng)還應能與水情報系統(tǒng)、電力系統(tǒng)安全自動裝置、電量計費系統(tǒng)等之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。②監(jiān)控系統(tǒng)時鐘同步：監(jiān)控系統(tǒng)具有時鐘同步能力，使系統(tǒng)時鐘與衛(wèi)星時鐘同步。

3.7運行維護管理

電站監(jiān)控系統(tǒng)能自動統(tǒng)計電站主設備的運行小時數(shù)，主要操作、事故和故障次數(shù)，主要設備運行參數(shù)或狀態(tài)等數(shù)值，建立歷史數(shù)據(jù)庫存檔備查。

①操作記錄。對電站主要設備發(fā)出的手動或自動操作命令，如機組開、停，斷路器的分、合等操作均進行記錄，并匯總形成當天（或當班）的操作統(tǒng)計記錄，可供運行人員查看，匯總記錄可自動定時打印，也可隨機召喚顯示或打印。②主要動力設備運行統(tǒng)計記錄。a.機組：統(tǒng)計機組開、停機次數(shù)，本次運行小時數(shù)，累計運行小時數(shù)，檢修次數(shù)及時間，利用小時數(shù)，停機備用小時數(shù)，檢修小時數(shù)等。b.斷路器：累計合閘次數(shù)，正常跳閘次數(shù)，事故跳閘次數(shù)，斷路器分閘延遲時間的數(shù)值等。c.公用設備：排水泵、空壓機等啟停次數(shù)及運行時間。d.事故、故障參數(shù)越復限統(tǒng)計記錄。對電站的所有事故、故障信號進行記錄，并匯總形成當天（或當班）事故、故障統(tǒng)計記錄，可供運行人員查看設備運行情況，匯總記錄可自動定時打印，也可隨機召喚顯示或打印。

4　核心技術(shù)

4.1水電鏈路監(jiān)控器的開發(fā)與應用

該設備負責管理同遠方小水電系統(tǒng)通訊的整體工作，包括建立、維護和中斷同小水電系統(tǒng)的連接。這其中包括所有鏈路（包括主備節(jié)點）狀態(tài)的監(jiān)視和控制，同后臺節(jié)點的通訊，主備節(jié)點上監(jiān)控子系統(tǒng)由于故障發(fā)生的切換和正常通訊。鏈路監(jiān)控器的主要功能包括：提供一個網(wǎng)絡管理界面控制小水電接入的狀態(tài)，動態(tài)的定義或刪除一個節(jié)點；通知網(wǎng)管代理小水電系統(tǒng)的運行和恢復；提供透明訪問遠方小水電系統(tǒng)；自動選擇變化路徑，避免通訊失敗，自動選擇最優(yōu)路徑；支持點對點通訊和一點對多點的通訊；自動統(tǒng)計小水電系統(tǒng)狀態(tài)。當發(fā)生信息傳輸故障或通道故障時，它會根據(jù)數(shù)據(jù)采集器傳送過來的系統(tǒng)運行狀態(tài)信息，進行告警或者根據(jù)專家?guī)炖锏慕?jīng)驗，進行自動化處理；接收變化模擬量、變化開關(guān)量、SOE數(shù)據(jù)等，經(jīng)過適當處理形成事件發(fā)送給數(shù)據(jù)系統(tǒng)接口，然后保存到系統(tǒng)參考數(shù)據(jù)庫。接收定時系統(tǒng)信息：電度量、全數(shù)據(jù)（遙測量、遙信量），經(jīng)過適當處理形成事件發(fā)送給系統(tǒng)接口節(jié)點，然后保存到系統(tǒng)參考數(shù)據(jù)庫［5］。

4.2水電站掃描器的開發(fā)與應用

電站掃描器負責執(zhí)行通訊請求并將獲得的結(jié)果轉(zhuǎn)換后返回到水電監(jiān)控器，電站掃描器負責通知鏈路監(jiān)控器鏈路狀態(tài)改變。負責統(tǒng)計每個連接上的狀態(tài)，包括發(fā)送包數(shù)目、接收包數(shù)目、超時數(shù)目、無效包數(shù)目、校驗和錯誤的數(shù)目，當需要的時候這些狀態(tài)將通知到網(wǎng)管代理。

電站掃描器通過周期性的問答來得到電站上的當前的遙測和遙信數(shù)據(jù)，自上次掃描后變化的數(shù)據(jù)將在下次掃描時上報，掃描的時間間隔可以設定。電站掃描器的主要功能如下：根據(jù)需要建立和中斷與廠站的通訊連接，進行規(guī)約的轉(zhuǎn)換和處理；根據(jù)制定的掃描周期通過建立的連接掃描廠站，維護統(tǒng)計鏈路的狀態(tài)；提供規(guī)約庫，支持常用的遠動規(guī)約（IEC104、SCI 1801、CDT等），通知主機鏈路狀態(tài)改變，統(tǒng)計未通過校驗的信息字，并做相應的報警處理。

4.3網(wǎng)管代理技術(shù)

網(wǎng)管代理模塊主要是用來維護實時庫，它封裝了實時庫的管理接口，所有有關(guān)集中監(jiān)控系統(tǒng)的鏈路、設備、RTU等實時信息都是通過網(wǎng)管代理來進行更新。網(wǎng)管代理主要功能包括：維護和更新系統(tǒng)配置庫，并負責將更新后的配置庫復制到其他備用服務器上的系統(tǒng)配置庫上，保證整個系統(tǒng)中的所有系統(tǒng)配置庫的一致性和完整性；負責為系統(tǒng)配置人機界面子系統(tǒng)在線的控制和修改系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫提供服務接口；負責將從通訊監(jiān)視器接收到的系統(tǒng)運行狀態(tài)信息以及遠動通道的故障及恢復信息通報給報警和事項子系統(tǒng)，以產(chǎn)生警報；周期性地搜集統(tǒng)計數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存入到系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫中；處理數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)初始化時的下載參數(shù)請求。

4.4專家?guī)旒夹g(shù)

專家?guī)熘邪水斍靶∷娺\維管理過程中的經(jīng)驗信息和專家信息，它被網(wǎng)管代理所完全擁有，所有的管理都是通過網(wǎng)管代理來完成的。專家?guī)焓且粋€標準的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，分為靜態(tài)和動態(tài)兩部分。靜態(tài)部分描述了系統(tǒng)的組態(tài)信息，拓撲信息，資產(chǎn)數(shù)據(jù)等，還包含了它們之間的關(guān)系。動態(tài)部分包含著這些對象的當前狀態(tài)。專家?guī)焓怯删W(wǎng)管代理來更改的，對復制庫的傳播也是由網(wǎng)管代理來實現(xiàn)的。為了減少傳播的數(shù)據(jù)量，所以分為靜態(tài)和動態(tài)兩部分。

5　案例分析

林溪水電站位于瑞安市金潮港支流湖嶺鎮(zhèn)三十一溪上游，水庫集雨面積52.5km2，水庫總庫容1945萬m3（現(xiàn)狀規(guī)模為1 450萬m3），屬林溪水庫配套工程，是一座低水頭混流式壩后電站。電站始建于1958年4月，1965年7月竣工投產(chǎn)，當時總裝機為830 kW。2010年9月，正式啟動技改，于2011年12月25日完成所有技改項目。該站現(xiàn)裝機3臺630 kW機組（低壓機組），總?cè)萘繛? 890 kW，設計平均年發(fā)電量達450萬kW·h。

林溪水電站基于無線移動技術(shù)的低壓水電站綜合自動化系統(tǒng)按照“無人值班，少人值守”原則進行總體設計和系統(tǒng)配置。該系統(tǒng)按全分布開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計，以計算機監(jiān)控為主、常規(guī)控制為輔，計算機監(jiān)控系統(tǒng)為容錯設計，任何一臺監(jiān)控設備發(fā)生故障不會引起系統(tǒng)誤操作而降低系統(tǒng)其他性能。設備現(xiàn)地控制LCU單元也不會因主控級發(fā)生故障而影響設備各自的監(jiān)控功能。該系統(tǒng)由站級計算機工作站、設備現(xiàn)地控制LCU單元、微機保護裝置組成。

6　結(jié)束語

本系統(tǒng)綜合運用了自動化控制技術(shù)、通訊技術(shù)，使系統(tǒng)功能齊全、可靠，配置靈活、經(jīng)濟，操作方便，實現(xiàn)了水電站的“無人值班，少人值守”和安全經(jīng)濟運行等，從各方面滿足了安全運行的需求。特別是在低壓機組的使用，極大的提高了水電站的自動化水平和穩(wěn)定運行率，為水電站的日常管理、電力調(diào)度、設備保護等提供了更多的保障。

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作者簡介：周忠育（1969-），男，工程師，研究方向：水電站運行與管理。

基金項目：浙江省農(nóng)村水電安全監(jiān)管監(jiān)控系統(tǒng)建設可行性研究（RC1421）

收稿日期：2016-01-18

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.04.005

中圖分類號：TV736

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2016）04-0017-04