基于多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的水電廠運(yùn)行安全防護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

魏靖涵

（國網(wǎng)新源水電有限公司富春江水力發(fā)電廠，浙江 杭州 311500）

0 引言

富春江水電站距上游新安江水電站約60km，下游距杭州約110km。電站是一座低水頭、大流量、河床式水電站。水庫最大庫容8.76 億m3，屬日調(diào)節(jié)水庫。電站以發(fā)電為主，擔(dān)負(fù)華東電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻及事故備用任務(wù)，并兼有防洪減災(zāi)、航運(yùn)、灌溉、城市供水、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合效益。電站裝機(jī)6 臺(tái)，總裝機(jī)容量360MW。電廠始終保持電站的安全生產(chǎn)和穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定和保證供電質(zhì)量起到了重要作用。目前，水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)本著安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，選用開放式、全分布、模塊化、結(jié)構(gòu)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具備良好的實(shí)時(shí)性和抗干擾能力，適應(yīng)電站的現(xiàn)場環(huán)境[1]。具備數(shù)據(jù)采集和處理、安全運(yùn)行監(jiān)視、事件順序記錄、事故/故障報(bào)警及記錄、事故追憶和相關(guān)量記錄、控制操作和負(fù)荷調(diào)節(jié)、運(yùn)行操作指導(dǎo)、ONCALL、數(shù)據(jù)通信、歷史數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)自診斷與冗余切換等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)水電站遙測、遙信、遙控、遙調(diào)的四遙功能。

1 技術(shù)原理

在工業(yè)過程控制自動(dòng)化中主要應(yīng)用了三大控制系統(tǒng)， 分別是：采用計(jì)算機(jī)或可編程邏輯器件（Programmable Logic Controller，PLC） 形 成 的集中式控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）和 現(xiàn) 場 總 線 控 制 系 統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）。 其 中， 傳 統(tǒng)的PLC 屬于集中控制、集中管理的控制裝置，但隨著通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，性能不斷完善的新型PLC 和遠(yuǎn)程帶通信功能的智能I/O 組件為控制系統(tǒng)的分布、分散處理成為發(fā)展趨勢。新型PLC 滿足了數(shù)字化、模塊化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展需要，既能形成性能優(yōu)異的DCS，又能構(gòu)建靈活善變的PLC 控制系統(tǒng)。后來，隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展以及具備現(xiàn)場總線的智能數(shù)字化設(shè)備的研制應(yīng)用，在DCS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展出FCS 系統(tǒng)。FCS 將DCS、PLC 控制系統(tǒng)中分散在現(xiàn)場的控制器（控制站）和I/O 組件的數(shù)字通信功能延伸到現(xiàn)場的測量控制儀表及執(zhí)行器上，實(shí)現(xiàn)了控制功能的徹底分散。目前，在一個(gè)大型復(fù)雜的過程控制系統(tǒng)中，PLC 控制系統(tǒng)、DCS、FCS 可能同時(shí)存在，以滿足系統(tǒng)中傳統(tǒng)儀表和數(shù)字化儀表混合使用的實(shí)際狀況。

上述三大控制系統(tǒng)，主要是面向工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用；此外，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory ControI And Data AcquiSition System，SCADA），是一種使用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信和圖形用戶界面進(jìn)行高級(jí)過程監(jiān)控管理的控制系統(tǒng)架構(gòu)，面向廠站自動(dòng)化應(yīng)用的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。SCADA 可以對(duì)現(xiàn)場的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能。SCADA 可以應(yīng)用于電力、冶金、石油、化工等等諸多領(lǐng)域，其中在電力系統(tǒng)自動(dòng)化中的應(yīng)用尤為廣泛，技術(shù)發(fā)展也較為成熟[2-3]。

2 關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)

作為水電站智能化自動(dòng)控制和管理的手段，要求統(tǒng)一信息平臺(tái)支持多業(yè)務(wù)的協(xié)同，信息不僅從站端流向調(diào)度，站端也需要同時(shí)獲得調(diào)度和其他側(cè)的相關(guān)信息，具備信息資源的實(shí)時(shí)在線互操作能力，動(dòng)態(tài)處理能力和協(xié)同能力[4-5]。在此基礎(chǔ)上，用戶可利用電力系統(tǒng)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，在監(jiān)控中心和辦公計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)所轄前端水電站的監(jiān)控，不僅大大減輕日常巡視人員的工作量，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)隱患，而且能夠主動(dòng)與遠(yuǎn)端客戶端交互數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測和事故報(bào)警，使事故損失最小化，并記錄實(shí)時(shí)信息，必然能為水電站穩(wěn)定運(yùn)行帶來安全可靠的保障。

視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要用于水電廠重要區(qū)域的視頻監(jiān)視[6-7]，可以將各監(jiān)視點(diǎn)的圖像采集后傳輸?shù)街锌厥掖鎯?chǔ)并實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)視器上。運(yùn)行人員可以通過視頻監(jiān)視系統(tǒng)直觀的監(jiān)視和記錄水電廠的生產(chǎn)情況，也可以調(diào)用任意時(shí)間段的視頻進(jìn)行回放。

視頻監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)支持在本地或遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)地視頻進(jìn)行鏡頭控制（焦距、光圈）；對(duì)云臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。支持畫面分割，任意組合、放大和縮小，并能切換其中任一幅圖像。系統(tǒng)具有視頻報(bào)警功能，可在顯示器上設(shè)置敏感區(qū)域，敏感區(qū)內(nèi)一旦有異常即發(fā)生報(bào)警。視頻的控制采取統(tǒng)一的多優(yōu)先級(jí)管理機(jī)制，系統(tǒng)設(shè)置全局統(tǒng)一的優(yōu)先級(jí)別，各級(jí)視頻工作站自動(dòng)判斷當(dāng)前用戶的優(yōu)先級(jí)別，從而保證某個(gè)攝像機(jī)在特定時(shí)刻只有一個(gè)用戶能夠擁有控制權(quán)。

門禁系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)通道進(jìn)出權(quán)限的管理，應(yīng)能夠?qū)ο鄳?yīng)區(qū)域的進(jìn)出口通道打開或關(guān)閉操作，根據(jù)人員權(quán)限對(duì)通行人員、通行時(shí)間等進(jìn)行控制，并形成通行記錄供日后進(jìn)行記錄查詢及追溯。門禁系統(tǒng)應(yīng)可支持多種通行方式，包括感應(yīng)卡門禁，指紋，虹膜，面部識(shí)別等多種方式。當(dāng)檢測到發(fā)生強(qiáng)行開門、強(qiáng)行關(guān)門、長時(shí)間未關(guān)門、使用失效或失竊卡等非正常操作時(shí)，應(yīng)立即發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，發(fā)出報(bào)警信息，提醒安防人員及時(shí)進(jìn)行處理。

早期水電廠采用馬賽克屏的方式顯示電廠電氣主接線，主要設(shè)備如機(jī)組，斷路器、隔離刀閘的運(yùn)行狀態(tài)及電廠主要運(yùn)行參數(shù)如負(fù)荷，水位等重要信息。隨著DLP/LCD 大屏顯示技術(shù)的成熟，大屏顯示系統(tǒng)已逐步取代馬賽克屏成為水電廠主要的大屏顯示方式。與傳統(tǒng)的馬賽克屏形式相比，大屏顯示系統(tǒng)可以更清晰的顯示全廠設(shè)備運(yùn)行情況和運(yùn)行參數(shù)；相對(duì)于馬賽克屏的固定顯示方式，大屏顯示可以顯示多路不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與畫面，如監(jiān)控系統(tǒng)、視屏監(jiān)視系統(tǒng)、水情系統(tǒng)等，并且可以根據(jù)需要任意劃分、分割或合并顯示區(qū)域。在必要時(shí)，運(yùn)行人員還可以通過大屏顯示系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備操作。

智能化水電廠需要全面采集電廠各個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于常規(guī)水電廠，因此應(yīng)配置DLP/LCD 大屏顯示系統(tǒng)以充分展示相應(yīng)的畫面和數(shù)據(jù)[8]。

3 成果推廣后的直接和間接效益

水電是目前為止最好的調(diào)峰、調(diào)頻電源，在風(fēng)電、太陽能等間歇性能源大發(fā)展的背景下，水電將迎來快速發(fā)展期，為成果產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用提供了良好的機(jī)遇。項(xiàng)目成果可提高電站安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，促進(jìn)可再生能源發(fā)展，提高水資源綜合利用水平和生態(tài)保障能力，促進(jìn)地區(qū)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。成果在全國推廣應(yīng)用，以發(fā)電量提高1%保守計(jì)算，每年將增發(fā)電量100億千瓦·時(shí)，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤400 萬噸，減少二氧化碳排放1000 萬噸，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。

4 結(jié)論

目前國內(nèi)外對(duì)水電廠運(yùn)行安全防護(hù)各子系統(tǒng)（視頻監(jiān)視系統(tǒng)、五防）研究的較多，而對(duì)各子系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)模式及聯(lián)動(dòng)策略、多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)技術(shù)規(guī)范等問題較少關(guān)注。因此，本項(xiàng)目部分課題的研究和探索具有一定技術(shù)難度和創(chuàng)新性。結(jié)合本項(xiàng)目的研究任務(wù)，其主要關(guān)鍵和難點(diǎn)在于：（1）水電廠運(yùn)行安全防護(hù)各子系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)模式及聯(lián)動(dòng)策略；（2）水電廠運(yùn)行安全防護(hù)多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)技術(shù)規(guī)范；（3）一體化多組態(tài)的水電廠運(yùn)行安全防護(hù)多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)策略管理。

基于多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的水電廠運(yùn)行安全防護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用，通過構(gòu)建一體化平臺(tái)軟件框架，梳理各功能模塊及相互間的信息交換、任務(wù)交互機(jī)制和流程，建立合理的程序架構(gòu)體系。建設(shè)符合用戶日常操作習(xí)慣及電力安全生產(chǎn)規(guī)范的一套流程，通過相互間的消息通信完成整個(gè)聯(lián)動(dòng)過程。構(gòu)建完整、能兼容各聯(lián)動(dòng)子系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求的聯(lián)動(dòng)策略庫，形成多組態(tài)水電廠運(yùn)行安全防護(hù)多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)策略管理軟件。通過上述研究工作，實(shí)現(xiàn)研究成果產(chǎn)品化，為科研成果的產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用提供軟件技術(shù)及產(chǎn)品支撐，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、五防、門禁多系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)功能，提高水電生產(chǎn)運(yùn)行的安全性和可靠性，提高工作效率，最大限度地節(jié)省資金投入和日常管理維護(hù)費(fèi)用。