梯级电站集控中心监控系统设计方案研究

梯级电站集控中心监控系统设计方案研究杨非等1梯级电站集控中心监控系统设计方案研究杨非李东风（国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏省南京市210003）摘要：目前，国内已经开发了较多的梯级集控中心，大型水电基地和流域水电开发的步伐正在加快,大型流域或梯级水电站集控中心的自动化系统建设也变得越来越重要。针对不同的梯级集控中心监控系统要求，对梯级集控中心的前期方案进行研究及设计，以确定最佳的设计方案，并完成梯级电站监控系统的具体设计工作。文中参考了云南华能澜沧江流域梯级电站、云南大唐国际集控中心、四川大渡河集控中心、贵州乌江流域梯级电站等典型的梯级集控中心方案，为相关设计人员提供了设计建议方案。关键词：大型集控类型；集控通讯方式；集控控制方式；AGC；EDC1梯调的发展现状梯级水电厂集控自动化系统相关领域的科学技术迅猛发展，如计算机的硬件和软件技术不断成熟，水电厂可以实现无人值班或者少人职守，电力体制改革后，流域开发公司相继的成立，很多项目梯级集控中心立项开工建设，这些都促使了梯级集控中心在水电站建设中发展迅速，同时梯级集控中心可以协调水调、电调间存在的调度矛盾，促进水资源高效利用的要求。目前，梯级水电厂集控自动化系统由国内公司供货的比较多，仅有少数几个梯调自动化系统由国外公司提供，这是因为国产集控自动化系统已达到实用水平，能满足梯级电厂集控的需要，同时梯级集控的要求常有变化，这与我国的管理体制和产权所属等有关，如梯级水电厂是独立成立梯调中心，还是由上级大区、省、或地调来集控，有时当电站容量较大时，一个梯级电站的各级分属不同公司的情况也是存在的，如天生桥一级和天生桥二级，当然也有各自独立，不设梯级总厂，如新安江和富春江。2梯调的主要作用2.1监控和管理维护层梯调决策系统水库调度电力调度经济运行报价分析决策支撑系统实时监控SCADA历史数据库安全监测事故分析专家系统状态评估和检测管理系统诊断和可靠性管理多媒体应用Internet/Intranet服务支撑软件外部通讯仿真培训系统网络管理2009全国水电自动化技术学术交流研讨会暨全国水电厂自动化技术信息网成立30周年纪念座谈会论文集22.1.1SCADA系统:完成各电厂的实时监视、控制2.1.2历史数据:历史数据的保存、计算、检索、备份2.1.3SCADA支持软件:提供系统中数据库、画面、报表、控制流程等的组态、编码、修改的各种适用工具2.1.4安全监测:对大坝、库区环境、通信系统、火灾报警等子系统的信息进行采集和监测2.1.5外部通信:完成与省调等各外部系统的数据通信2.1.6系统诊断和可靠性管理:对系统中的软/硬件设备进行诊断，并维护系统和数据的安全可靠性2.1.7网络管理:对梯级网络进行配置和在线管理、维护2.1.8Internet/Intranet服务:提供不同安全层次的Web访问服务，可让外部/内部客户获取梯调的系统信息，支持远程诊断和维护2.1.9多媒体应用:提供实时、自动的工业电视监视、语音服务、自动电话报警查询、On-call和大屏幕投影，以及图像、语音识别等多媒体功能2.1.10事故分析专家系统:对现场事故数据进行综合分析和推理、确认事故的发生及产生原因。2.1.11状态检测及评估系统:分析设备运行的实时数据，对设备的健康状态作出评估，为设备检修安排作出指导性意见。2.1.12仿真与培训:对电力设备及其运行系统进行仿真，并执行人员培训。2.2调度层2.2.1水库优化调度：根据水情信息、气象信息等进行水库中、长期调度计划、防洪调度以及短期用水计划，完成协调运行。2.1.2经济运行：根据水库优化调度的数据及上级调度面临时段对梯级出力的要求，对梯级所辖各级水电站根据水量平衡原则进行优化分配。2.1.3电力优化调度：根据经济运行的结果和调度指令及各种约束条件（含机组、线路……）进行各厂或各机组的经济负荷分配。2.1.4电厂实时报价分析决策支持系统：综合梯级运行实况及电力市场的信息数据进行预测及实时报价，以获得最大的经济效益。2.3决策层2.3.1完成全梯级管理、调度、决策的综合协调的模糊决专家系统，以保证梯级的安全运行。3设计原则3.1功能完善为了提高流域梯级电站的运行管理水平，适应各电站“无人值班（少人值守）”的要求，自动处理流域梯级电站发生的异常，要求综合控制系统功能完善，满足整个流域梯级电站的实际要求，并提供更多的高级功能，特别是远方控制和调节梯级各电站机组以及梯级电站EDC，以便提高各电站及整个梯级的安全经济运行水平。3.2高可靠性监控系统的整体可靠性要保证任何部件故障不能影响流域各电厂机电设备的正常运行；任何部件故障不影响监控系统整体和其它部件正常工作。监控系统具有详细的故障登录和自诊断功能。3.3实时性强监控系统的响应速度应满足电力系统对流域各电厂监视的实时性要求。3.4友好的人机接口通过丰富的人机联系手段，使运行人员能清晰方便地了解生产过程的全貌，并且有效地对梯梯级电站集控中心监控系统设计方案研究杨非等3级各电厂主要机电设备及辅助设备和综合控制系统本身进行各种控制和管理。3.5可扩充性具有对系统各部分的组态和扩充功能，可适应系统规模的变化和功能的扩充。3.6维护方便监控系统具有离线和在线的诊断手段，以便及时发现和排除系统内部的故障，提高系统可利用率。3.7技术上的先进性监控系统应满足在一段时期内保持其先进性的要求，并达到国内领先水平。3.8规范监控系统应满足：3.8.1《水电厂计算机监控系统基本技术条件》DL/T578-95标准;3.8.2《水电厂计算机监控系统设备基本技术规范》DL/T5065-1996标准。4梯调设计方案的关键技术和特点梯调计算机监控系统结构与配置主要分为集控系统层、网络通信层、电站控制层，以下将围绕这些方面具体介绍。4.1梯调和各电站的网络连接方式4.1.1广域网结构广域网结构即梯级水电厂集控自动化系统在广域范围内与梯级内各电站计算机监控系统连接，与省调、气象预报系统、中心消防监控系统、水情预测系统等连接，设计时应该考虑网络通讯方式、网络拓扑结构。4.1.1.1与梯级内各电站通讯方式（1）串口方式a.电力载波：是电力系统特有的通信方式，电力载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。集控载波方式通讯是通过调制解调器采用FSK调制方式，与电力载波机配合使用，全双工传送一路或两路中、低速远动信息，缺点是数据传输的可靠性和带宽不高。设计时可作为集控通讯的后备通讯方式，通常采用IEC101通讯规约。与调度中心的连接方式（2）网络方式a.数字通讯网通讯：是通过电力数据网或者电信数据网的综合专线传输通道，将集控电站层的数据送至集控中心，这种方式为目前较为常用的集控通讯方式。通常采用的方式为集控电站通过集控通讯机将电站主机广播的电站四遥数据经路由器及规约转换器发送至数据网，数据网通常为环网结构，各集控电站实际都挂在数据网内，集控中心亦接入该数据网通过针对各集控电站的规约转换器、路由器和通讯机接受集控电站发送的数据，通讯规约通常采用IEC104、DL476规约。2009全国水电自动化技术学术交流研讨会暨全国水电厂自动化技术信息网成立30周年纪念座谈会论文集4在设计中，可采用双通讯通道互为冗余方式，如一路采用电力数据网，一路采用电信数据网，适用与单独设置集控中心且集控中心远离各集控电站，采用电力数据网或者电信数据网可以相对减少业主在设备的前期投资，并且这种方式的带宽可以达到2Mbit/s以上，适用大数量传输的集控方案，数据通讯方式安全可靠。与调度中心的连接方式3b.集控层电站和集控中心直连通讯：通过三层交换机或者路由器及集控通讯机通过网络方式将集控层电站直接和集控中心连接通讯，由于三层交换机的出现，现在很多小规模集控方式都是直接采用三层交换机实现集控方案。通常采用的方式为由集控通讯机完成四遥数据的通讯及控制权切换，通讯规约通常采用IEC104、DL476规约。在设计中，可采用双通道通讯互为冗余方式，通讯介质通常采用光纤，通常采用集控电站层监控系统作为集控中心或者独立的集控中心距离各集控电站电站的距离相对较近，此种方式适用于小规模型的集控方式，数据通讯方式安全可靠。与调度中心的连接方式4三层交换机调度中心水电站监控系统三层交换机梯级电站集控中心监控系统设计方案研究杨非等5例如：广西长洲集控侧以下简称内江电站（集控），监控系统的上下位机均采用冗余的星形网，主机采用两台互为冗余的SUNV490服务器，集控通讯机采用SJ30-642工作站（研华无盘工控机），交换机为MACH3002三层网络交换机2套，每台交换机上配置1块1000兆单模光纤通讯模块和外江电站交换机级联，形成冗余网络结构。集控层电站即外江电站监控系统的上下位机同样采用冗余的星形网，考虑到今后的监视控制都是在集控侧电站完成，所以上位机的配置相对简单，主机为SUNUltra45主机兼操作员站，和集控中心通讯的通讯机也采用SJ30-642工作站（研华无盘工控机），交换机为MACH3002三层网络交换机2套，每台交换机上配置1块1000兆单模光纤通讯模块和集控电站交换机级联，形成冗余网络结构。内江电站（集控）和外江电站的所有LCU侧PLC的IP地址和内江电站（集控）上位机划分在同一个网段，即内江电站（集控）可以不通过路由控制2个电站的所有LCU。外江电站的上位机系统划分另一个网段，在外江电站的每台MACH3002交换机上配置1块路由模块用于和内江电站（集控）级联以及和外江电站LCU通讯，这样的设计方案可以大大节省在集控设备上的投资，且通讯方式简单直接，便于维护，适合集控中心就设置在电站侧小型的集控方案。（3）卫星通道VSAT（VerySmallApertureTerminal，小口径卫星终端）是一种先进的卫星通信技术，和其他通信技术相比，不但具有不受距离和地理环境限制、通信容量大和可提供多种综合业务传输等特点，而且投资少，建设周期短。调度中心可根据自身要求做网络大小配置，但总体框架及单元站配置是一样的，中心调度部门做地区卫星数据中心站，连接各集控层电站的卫星站，构成星状网络，中心卫星站设备一次建设，初期远端可是一个点或少数点与中心进行通信；将来进一步扩容时，只需增加远端站的个数，无须改造中心站，通讯规约通常采用IEC104、DL476规约。在设计中，可在集控中心架设一套SSA超小型卫星地面站，并配置多端口接入设备一个，端口数由远端站的个数而定(可为8～32个)；在远端每个电站侧架设一套SSA超小型卫星地面站，并配置两端口通道接入设备(通道控制器)；每套标准SSA超小型卫星站含：1.2m天线一副，室外功放一套，室内单元(IDU)一台(包括数据接口，以太网接口及话音接口)，可作为集控的备用通讯方式。与调度中心的连接方式5以上方案，设计时可同时采用以上多种连接方式，利用冗余技术提高通道可靠性。例如：乌江流域梯级电站远程集控系统采用2路2Mbps点对点传输通道作为同一链路热备用,1路64kbps卫星传输通道作为不同链路的备用，其中任何1路通道中断都不影响这条链路的正常使用。1路64kbps卫星传输通道能够在设计时间内切换至主运行通道；一旦2Mbps点对点传输通道恢复正常，1路64kbps卫星传输通道将还原为备用。值得注意的是，在2008年的雪灾中，乌江流域梯级电站的卫星传输通道在网络通道中断的情况下发挥了独特的优势，保证了与调度的通讯正常。2009全国水电自动化技术学术交流研讨会暨全国水电厂自动化技术信息网成立30周年纪念座谈会论文集64.1.2集控局域网对外通讯：4.1.2.1与MIS系统通讯MIS系统为安全第三区生产管理区，由监控系统中的厂内通讯服务器负责通讯，通讯服务器将监控系统主机广播的数据通过正向隔离装置单向发送给外围的MIS系统。与MIS通讯方式1以下方式通讯服务器如果为双网卡，只有一个网口接在监控侧交换机上，无法实现通讯服务器在监控系统的双网冗余，但是此种方式可以节省在路由器上的投资。与MIS