二郎壩梯級(jí)水電站集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁 爽

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

二郎壩水電工程屬跨流域引水的梯級(jí)開(kāi)發(fā)水電開(kāi)發(fā)工程。工程位于陜西寧強(qiáng)水田坪鄉(xiāng)西流河天生橋段，建設(shè)成了天生橋水庫(kù)，水庫(kù)總庫(kù)容0.78 億m3。通過(guò)10.53 km 引水洞、渠，采用形成的418 m 落差，建成天生橋（3 臺(tái)×0.4 萬(wàn)kW）、二郎壩（3 臺(tái)×0.25 萬(wàn)kW）、臥龍臺(tái)電站（2 臺(tái)×0.4 萬(wàn)kW＋2 臺(tái)×1.125 萬(wàn)kW），三座水電站總裝設(shè)10 臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組、共計(jì)5 萬(wàn)kW[1]。

在寧強(qiáng)縣城建設(shè)遠(yuǎn)程集控中心，以實(shí)現(xiàn)三座電站“遠(yuǎn)程監(jiān)控、少人值守、無(wú)人值班”的管理運(yùn)行模式、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)AGC/AVC功能[2]；完成遠(yuǎn)程進(jìn)行測(cè)量、控制、調(diào)節(jié)、信號(hào)和視頻工作，實(shí)現(xiàn)“五遙”功能。

1 設(shè)計(jì)原則

1）采用以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通訊技術(shù)為基礎(chǔ)的流域集中監(jiān)控方式，集控中心實(shí)現(xiàn)“五遙”功能,遙信、遙調(diào)、遙視、遙測(cè)、遙控，滿足“調(diào)控一體化”要求。

2）集控中心的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用分布式系統(tǒng)，根據(jù)功能要求，各功能子系統(tǒng)的設(shè)置相對(duì)獨(dú)立。

3）各子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力及可靠性強(qiáng)。

4）集中控制系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間功能交互、信息共享。

2 梯級(jí)電站集控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

為了達(dá)到三座電站安全、可靠的生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，按照遠(yuǎn)控、少人管理生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)形式[3]，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，各級(jí)電站應(yīng)該滿足的集中監(jiān)控調(diào)度、分布式控制的需求，設(shè)計(jì)在寧強(qiáng)二郎壩水電公司內(nèi)（縣城）設(shè)置梯調(diào)監(jiān)控中心，對(duì)三座電站進(jìn)行集中控制，統(tǒng)一管理[4]；實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、調(diào)整、操作、測(cè)量、信號(hào)，合理利用水能資源，確保電能的品質(zhì)，降低運(yùn)維成本,實(shí)現(xiàn)要求，完善運(yùn)維方式。

2.1 調(diào)度要求

二郎壩梯級(jí)水電站調(diào)度模式為：電站由陜西電網(wǎng)調(diào)度控制中心間接調(diào)度，同時(shí)，梯級(jí)電站應(yīng)滿足漢中地區(qū)調(diào)度中心的集中監(jiān)控方式。

依據(jù)以上需求，二郎壩梯級(jí)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)以下調(diào)度控制、運(yùn)營(yíng)的需求：梯級(jí)電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)方動(dòng)作信號(hào)直送陜西電網(wǎng)調(diào)度控制中心，接收陜西電網(wǎng)調(diào)度控制中心的調(diào)度控制命令。

2.2 控制、調(diào)節(jié)方式

二郎壩梯級(jí)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制模式包含現(xiàn)地控制模式和梯調(diào)中心控制模式，調(diào)節(jié)模式包含電站調(diào)節(jié)模式和梯級(jí)電站監(jiān)控中心調(diào)節(jié)模式。

電站各現(xiàn)地控制單元（LCU）設(shè)置“遠(yuǎn)程/ 現(xiàn)場(chǎng)”轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。在現(xiàn)場(chǎng)控制模式下，各LCU 只接收經(jīng)過(guò)現(xiàn)地單元人機(jī)界面、現(xiàn)地操作設(shè)施等發(fā)出的控制及調(diào)整指令，站控層設(shè)施及遠(yuǎn)方集控中心只能采集、監(jiān)視來(lái)自現(xiàn)地的運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)和參數(shù)，而不能直接對(duì)各LCU 的控制對(duì)象進(jìn)行遠(yuǎn)方操作與調(diào)整[5]。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件配置

三座梯級(jí)電站采用遠(yuǎn)控、少人管理運(yùn)行方式，梯級(jí)電站集中控制中心按照“集中監(jiān)控”管理模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采取全開(kāi)放型、分層式、分布式的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)分層分布式結(jié)構(gòu)圖

梯調(diào)中心監(jiān)控層，即寧強(qiáng)縣城遠(yuǎn)程集控中心，負(fù)責(zé)整個(gè)梯級(jí)水電站的監(jiān)視操作與控制，完成對(duì)三座梯級(jí)電站的遠(yuǎn)方測(cè)量、信號(hào)、調(diào)節(jié)、控制和視頻任務(wù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)“五遙”功能；電站控制單元層，即三座電站的微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，擔(dān)任本電站的主動(dòng)監(jiān)督和操作。

3.1 集控中心網(wǎng)絡(luò)及硬件配置

3.1.1 集控中心網(wǎng)絡(luò)

集控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)包括主生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)和非生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)系統(tǒng)采用2 臺(tái)核心工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，主干網(wǎng)絡(luò)為環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的1000 Mbps 超級(jí)冗余交換式以太網(wǎng)系統(tǒng)，星型結(jié)構(gòu)。圖2 為遠(yuǎn)程集控中心監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖2 遠(yuǎn)程集控中心監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 硬件配置

整個(gè)系統(tǒng)由1 套冗余的歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、1 套冗余AGC/AVC 服務(wù)器、2 套操作員工作站、1 套工程師/維護(hù)工作站、1 套調(diào)度通訊服務(wù)器、1 套大屏顯示設(shè)備等。

3.2 集控中心與梯級(jí)電站通訊

集控中心采用2 臺(tái)核心交換機(jī)和各級(jí)電站遠(yuǎn)動(dòng)工作站通信，通過(guò)電站遠(yuǎn)動(dòng)工作站作用到各LCU，完成遠(yuǎn)方控制、調(diào)節(jié)、測(cè)量、信號(hào)等性能，不直接控制到各電站LCU。

梯級(jí)電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)采取雙鏈雙芯光纖環(huán)網(wǎng)方式，主干層與站控層、站控層與現(xiàn)地控制單元采取光纖環(huán)形銜接，現(xiàn)地控制單元與智能設(shè)施采取現(xiàn)場(chǎng)MB+模式，現(xiàn)地通信處理器里存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，由通信處理器經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)上傳至主干層。圖3 為梯級(jí)水電站通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

主干層與廠站層采用雙鏈雙芯光纖環(huán)網(wǎng)。通過(guò)環(huán)形以太網(wǎng)交換機(jī)，主控工作站采用雙機(jī)熱備用方式，現(xiàn)場(chǎng)LCU 的PLC 均采用兩個(gè)電源、雙CPU、雙通信熱備用方式[6]。

圖3 梯級(jí)水電站通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)的主要功能

二郎壩各梯級(jí)電站根據(jù)設(shè)計(jì)原則，正常工作時(shí)由置于梯調(diào)集中控制中心的操作員站對(duì)每座電站實(shí)行遠(yuǎn)方的數(shù)據(jù)采集、操作、監(jiān)視及控制運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、調(diào)節(jié)、信號(hào)、測(cè)量、視頻任務(wù)[7]，完成電力工業(yè)“五遙”性能。

集中控制中心操作員站能夠操作到機(jī)組和主要開(kāi)關(guān)，以及公用和輔助等設(shè)施的開(kāi)啟、關(guān)閉。

其主要性能有：采集和處理數(shù)據(jù)、監(jiān)視運(yùn)行和報(bào)警事件、對(duì)各水電站的集中控制、AGC/AVC 功能等[8]。

4.1 數(shù)據(jù)采集和處理功能

數(shù)據(jù)采集：集控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要通過(guò)通信服務(wù)器采集各電站監(jiān)控系統(tǒng)收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；接收省調(diào)下達(dá)的計(jì)劃及各種命令信息；采集電能量計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，故障信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)處理：完成采集到的數(shù)據(jù)分析處理和統(tǒng)計(jì)。

4.2 對(duì)各水電站的集中控制功能

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心監(jiān)控系統(tǒng)能夠直接操控每一級(jí)電站的發(fā)電機(jī)組和重要設(shè)施，運(yùn)行人員能夠在監(jiān)控中心發(fā)布控制指令到現(xiàn)場(chǎng)控制單元（LCU）[9]。

4.3 自動(dòng)發(fā)電控制功能（AGC）

系統(tǒng)能夠根據(jù)上級(jí)調(diào)度部門(mén)的調(diào)度要求，以及下達(dá)的AGC命令和日負(fù)荷曲線，按照安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的原則，對(duì)各梯級(jí)電站的運(yùn)行作出計(jì)劃安排，以保證各級(jí)電站可靠、穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.4 自動(dòng)電壓控制功能（AVC）

系統(tǒng)根據(jù)上級(jí)調(diào)度部門(mén)要求的設(shè)定值及安全運(yùn)行約束條件，確保電站升高電壓母線的電壓變化在給定的范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

二郎壩梯級(jí)電站遠(yuǎn)控監(jiān)控系統(tǒng)的建立，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)在集控中心對(duì)三座水電站生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)、管理和控制，以及調(diào)度自動(dòng)化的要求，還能實(shí)現(xiàn)整個(gè)流域系統(tǒng)梯級(jí)水電站“遠(yuǎn)程集控、無(wú)人值班、少人值守”的“五遙”功能，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)水電站運(yùn)行管理的自動(dòng)化。