流域梯级水电站集中监控设计模式的探索

王劲夫,林峰,李伶

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川成都610072)

1 流域梯级水电站开发的战略意义

根据中国电力企业联合会统计信息部2008年1月发布的统计资料显示，截止2007年底，全国发电装机容量在2006年达到创记录的20.3%增长速度，总装机达到62200万kW的基础上，同比继续大幅增长14.36%，达到71329万kW。其中，水电装机达到14526万kW，占总容量的20.36%，同比增长11.49%；火电达到55442万kW，约占总容量77.73%，同比增长14.59%；水、火电占总容量的比例同比分别下降0.53和上升0.16个百分点。

发电量的统计数据显示，2007年发电量为32559亿kW·h，同比增长14.44%。其中，水电发电量4867亿kW·h，约占全部发电量的14.95%，同比增长17.61%；火电发电量26980亿kW·h，约占全部发电量82.86%，同比增长13.82%；核电发电量626亿kW·h，约占全部发电量1.92%，同比增长14.05%。

水电装机占总容量的比例从2004年的24.6%下降到2007年的20.36%，是前几年高耗能企业产能过剩，电力相对短缺情况下追求短、平、快提高供给能力的结果。国家发改委2007年9月发布了我国的《可再生能源中长期发展规划》，其中明确水力发电作为目前最成熟的可再生能源发电技术，规划到2010年，全国水电装机容量要从2005年的1.17亿kW提高到1.9亿kW，并在2020年达到2.7～3亿kW，约占电力总装机容量的29%。发电的直接效益相当于节约标准煤4.2亿t，可减少排放二氧化碳11.7亿t、二氧化硫750万t以及大量其他有害气体，对降低大气污染、减少温室效应会起到不可估量的作用，具有巨大的环境效益。

大力开发水电，不仅仅是环保、减少温室效应的需要，更是涉及到中国能源供应安全的战略问题。我国常规能源探明总资源量约8230亿t标准煤，探明剩余可采总储量1392亿t标准煤，约占世界总量的10%，但人均资源量仅为世界的40%，远低于世界平均水平。能源剩余可采总储量的构成是:原煤占58.8%为1145亿t，原油3.4%，天然气1.3%，水能36.5%。若按照2020年我国的能源需求预测量估算的话，煤炭、石油和天然气的资源保证程度则只有30年、5年和10年。中国自1993年成为原油净进口国以来到2003年，石油进口量达到了9739万t，比1993年增加了10倍，石油对外依存度不断增大。中国煤炭消费也已占全球消费总量的40%之高，中国已经由世界第一大煤炭出口国，向煤炭净进口国逐渐转变。保障能源安全已是维护经济安全和国家安全、实现现代化建设战略目标的必然要求。

同煤炭、石油和天然气等资源相比，我国水力资源蕴藏量居世界首位，不可谓不丰富。根据2003年的水力资源复核的成果，中国水力资源理论蕴藏量为年发电量6.08万亿kW·h，平均功率为6.94亿kW，技术可开发容量5.42亿kW，年发电量2.47万亿kW·h，经济可开发容量4.02亿kW，年发电量1.75万亿kW·h。根据《可再生能源中长期发展规划》，作为可再生能源发展重点的水能、生物质能、风能和太阳能，最主要的开发方式就是可再生能源电力建设的开发。报告提出到2020年水电装机要达到2.7亿kW，也就是开发程度达到68%。目前发达国家水电的平均开发程度已在60%以上，其中美国水能资源开发利用程度约为82%，日本约为84%，法国约为80%，德国约为73%，奥地利约为69%，加拿大约为65%。与这些国家相比，我国水电开发程度仍处于较低水平，尚有较大的开发潜力。

国家能源局自组建以来，就水电发展战略问题明确表示“优先发展水电，是我国能源发展的重要方针”。而水电发展的方针首要的就是推进水电流域梯级开发，使水电开发率有较大幅度提高。

2 流域梯级集中监控的设计模式

由于资金匮乏，耗电水平相对较低，上世纪90年代以前我国的水电开发主要以单点开发形式为主，仅开发了部分流域上综合条件较优的个别大电站，未充分考虑流域的梯级整体开发。除了电力市场的电价由政府统一制定且电价未体现丰水期－枯水期、峰－谷电价差异等因素以外，最主要的原因在于政府的过度干预，电站的建设和运营管理主体分离，政府部门用行政的办法确定电站的建设单位，建成后移交给另一个单位进行运营管理，导致电站的运营管理单位只能是被动地接受建设完成的电站，而不能根据自身的利益选择何时、何地、何种形式开发建设和运营管理电站。

随着改革的深化，在计划经济向市场经济过渡、政企分开过程中，业主负责制与建设监理制和招标承包制推行开来，企业的经营自主权逐渐得到落实，才可能基于企业的自身发展、发电效益的最大化等目标来合理选择电站的开发地点、开发方式和开发顺序，流域梯级电站的滚动开发也逐渐受到重视并得以推广。

由同一个业主连续滚动开发的形式，其主要优点包括:

(1)统一规划、充分利用水能资源，协调电站的选址和负荷分配。

(2)统一规划使用流域内的输电走廊、施工及备用电源、通信通道。

(3)统一规划梯级电站的运行方式及生产、生活设施，以及人力资源。

流域开发由一个业主统一规划、连续开发的形式，对于投资方和政府都是一种非常好的方式，同时可以做到水资源的充分、有效、合理地利用。近十年来，四川省内部分流域的开发现状也有力地证明了这一论点。

伴随着流域梯级电站的滚动开发，现代企业管理理论及应用水平的提高和管理制度的健全和完善，水电站监控方式从“以常规设备为主，计算机为辅的监控方式”(水规机〔1993〕008号文)到“全计算机监控方式”甚至“无人值班(少人值守)”的渐进式发展，以及计算机远程控制、网络通信技术的飞速发展和推广普及，流域梯级电站集中监控的思路逐渐变得清晰，并受到业主单位的重视，得以逐渐推广。

以下结合我院近十几年在流域梯级电站集中监控项目上的经验，就流域梯级电站集中监控的三种设计模式以及当时的技术水平、管理水平进行探索，以期能够抛砖引玉，共同推动我国流域梯级水电站集中监控设计的发展。

2.1 调度中心模式

最初的流域梯级水电站集中监控中心的称谓，可能主要是沿用了电网调度的名称，例如上世纪90年代中后期投运的四川华能宝兴河流域梯级调度中心和龚嘴水力发电总厂沙湾调度中心。

宝兴河梯级开发一期工程完成了干流上的第五级铜头水电站(4×20MW)和第八级雨城水电站(3×20MW)的建设，计算机监控系统采用瑞典ABB公司的HPC300系统。同步投运的梯调中心设置在雨城电站附近，采用芬兰ABB公司的SPIDERMicroSCADA系统。由于受到当时的通信技术水平限制，梯调中心至电站的通信通道采用电力线载波方式，通信速率为1200/600bps，通信规约为RP570。

由于通信带宽的限制以及其他技术原因，早期的调度中心主要作为电站的总体调度指挥，完成所辖电站的统筹运行和负荷分配等，功能相对简单，而非电站所有机电设备的全面监测和控制。各梯级电站控制功能相对独立，上送梯调中心的数据量少。以宝兴河梯调中心为例，其输入/输出量要求如下:

(1)模拟量

电站发电总有功功率和总无功功率；

发电机有功功率和无功功率；

主要变压器高压侧有功功率和无功功率；

联络变压器高压侧和中压侧有功功率；

220kV线路的有功功率、无功功率和有功、无功电能量、电流；

110kV线路的有功功率和电流；

发电机有功、无功电能量；

各高压侧母线的电压和频率；

各电站上、下游水位、流量等；

闸门的启、闭过程和开度位置。

(2)开关量的采集和事件顺序记录:

机组运行状态；

10kV及其以上断路器的位置；

反映发电机机端电压及其以上电压系统运行状况的隔离开关的位置；

分析事故所需的主要保护及自动装置动作的信号；

总故障及总事故信号；

影响主设备安全运行的越限信号；

监控系统自身的故障信号；

溢洪闸门的位置信号。

(3)遥控:

梯调系统控制方式:

a)间接控制

梯调人员发命令到厂站级计算机，通过厂站级计算机实现对机组的调控。

b)直接控制

梯调人员直接调控到机组；

断路器和隔离开关的操作。

(4)遥调:

实时设置各被控电站和机组的有功功率和无功功率的给定值；

调节主变压器的分接头位置。

2.2 集中控制中心模式

至21世纪初，全计算机监控已成为水电站监视控制的主流方式，无人值班(少人值守)运行管理模式逐渐得到推广，《水力发电厂值班方式工程设计导则》(征求意见稿2001.2)的发布更使我们的设计有理可循。信息量少、功能简单的梯级调度中心模式，已不能满足流域梯级电站业主对无人值班、减人增效、远程诊断维护等一系列新的需求。现场总线技术和100 Mbps快速以太网的推广普及、ADSS和OPGW光纤通信技术的成熟应用，流域梯级电站采用集中控制中心模式逐渐成熟。

在我们的观点中，集中控制中心模式更像是伴随通信带宽和计算机处理能力的增加而对梯调中心的升级，能够将覆盖到电站全部机电设备的、相比梯调中心方式更多的信息量采集到流域控制中心，以满足业主对各电站生产信息的全面掌握，更好地完成对所辖梯级电站的安全监视和操作控制，监控更趋功能完整。与同期的集控中心相比，华能涪江公司火溪河流域的梯级集控具有一定的代表性。

火溪河是涪江上游左岸最大的一级支流，位于四川省绵阳市平武县西北部。梯级开发方式为“龙头”水库下接一系列引水式梯级电站，自上而下为水牛家、自一里、木座、阴坪，4级电站总装机容量约400MW，全梯级联合运行保证出力14.69万kW，多年平均发电量16.33亿kW.h。

四个梯级电站集中在40km范围内，电站和梯级中心之间通过冗余的光缆(包括220kV线路的OPGW和35kV线路的ADSS两条光缆路由)构成高度冗余可靠的通讯通道，因此我们设计采用了一种基于火溪河流域梯级电站的分层分布式的整体解决方案，总体设计方案如下:

(1)四个梯级电站视为地理位置扩大的一个电厂的理念(即扩大厂站)，各个电站根据机组台数、公用设备和开关站、闸首的分布等情况设置现地控制单元LCU，LCU具备其监控范围内的完整功能，可脱网独立运行，并具有人机界面和较长时间(例如数小时甚至更多)的历史数据存储功能。

(2)采用扩大厂站模式，电站控制层与流域梯级集控中心的梯级调度层合并为扩大厂站的电厂级控制层布置在梯级集控中心，各梯级电站内均不设置站级计算机。

(3)设置在梯级集控中心的厂级计算机，主要配置系统服务器、操作员工作站、工程师工作站等，可直接对各梯级电站的所有LCU进行集中监控、管理和水资源调度。

(4)在白马寨设置梯级集中控制中心(即全厂总控制室)和管理、维护及办公基地，对流域内的四个梯级电站进行日常的运行、管理工作。

(5)整个流域梯级电站和集控中心的计算机监控系统采用一家公司的系统，以确保整体的兼容性和协调性，同时可以大大降低需配置的其他设备的数量、软件开发费用、备品备件的数量、系统维护人员的数量和劳动强度等。

采用这种设计方案，白马寨梯级集控中心与四个梯级电站即构成了一个物理距离扩大的厂站，四个梯级电站按照“无人值班”的运行管理模式，值班人员统一在白马寨梯级集控中心待命、休息，定期去电站进行巡视检查、日常维护以及检修管理等工作。

流域总体的计算机监控系统主要由各个梯级电站的现地控制单元(LCU)，以及梯级集控中心的厂级计算机(系统服务器、操作员工作站、工程师工作站、网关计算机等)设备为主，构成一个全计算机监控的计算机网络系统。从网络结构来看，系统采用全数字化的、基于网络的分层分布式系统结构，从下到上，包括现场级的总线通信网络、电站级网络和梯级集控中心的电厂级网络。

采用现场总线和以太网技术，将LCU中相对较独立的部分功能例如油压监控、空压机监控、渗漏排水监控、厂用电监控、直流系统监视、闸门监控等，从LCU中剥离出来，配以相应的电源、执行元件等单独构成控制屏、箱，以分布式IO(DIO)和远程IO(RIO)的形式，直接布置在辅机、公用、启闭机等设备附近，控制器硬件和编程软件均统一由计算机监控系统供应商提供。为了同现地控制单元区分，我们将新增加的这一层称为现场功能控制层。现场功能控制层采用现场总线技术，与对应的上层设备－机组或公用、开关站、大坝等LCU通信，实现信息的采集上送和控制命令的接受。

系统具有远程诊断和维护功能。可以诊断到全系统任意一个CPU卡、通讯通道、I/O板的使用状况和运行情况，直至通道一级。对于典型的故障还可提出维修建议，可以在线修改、下载参数和下载控制程序。

同时，由于信息量的完整和集中，能够通过在集控中心配置水电联合优化调度软件包，对梯级电站的多库联合调度运行，实现对所辖电站的优化调度和经济运行。

同期我院完成的类似工程项目还有白水江流域集控中心、美姑河流域集控中心、田湾河流域集控中心、中水公司成都集控中心等。集控中心的系统配置已不仅仅局限于计算机监控系统，还包括大屏幕显示系统、水情自动测报系统、水电联合优化调度系统(或软件包)、继电保护及故障录波信息管理系统、电能量采集和报(竞)价系统、工业电视系统、消防监控系统等多个生产系统，以满足电站日常运行和检修维护的需要。

2.3 运营管理中心模式

上述两种流域梯级集中监控，主要以满足梯级电站生产的迫切需要，随着相关领域的技术进步而发展起来的集控模式。而随着中国与西方发达国家的交流日益增多，大量国外先进的管理知识被介绍到国内，一些先进的企业管理制度和管理理念被部分规范化发展的大公司所采纳，以期能在今天全球化的市场竞争中立于不败之地。在这种背景下，流域梯级集控中心的任务已不再满足于单纯的电力生产，而是在计算机监控系统,大屏幕显示系统、水情自动测报系统、水电联合优化调度系统(或软件包)、继电保护及故障录波信息管理系统、电能量采集和报(竞)价系统、工业电视系统、消防监控系统等多个生产系统基础之上，通过对多个生产子系统的信息共享和挖掘，使生产、营销、人力、财务能够有效整合的运营管理中心模式。

运营管理中心除了配置必要的各个生产子系统之外，还有大量的管理、决策子系统－类似大坝及水工建筑安全监测系统、生产报表管理及Web发布系统、发电及检修计划决策系统、报价决策系统、状态检修及备品备件管理系统、管理信息系统，以及人力资源管理、财务管理等系统。

运营管理中心模式是为了满足公司管理决策的需要而发展起来的一种全新模式，在满足电力生产的同时，通过公司生产物资管理、电量计划及营销、财务管理、信息统计等手段，实现对所辖梯级电站的安全监视、经济运行、统一管理、优化决策。运营管理中心模式通过采用先进的管理措施，提高公司的盈利能力，提升公司的竞争能力。

运营管理中心模式作为梯级集控设计模式的一种新生事物，尚存在诸多的技术难点，例如如何有效整合从各系统获取的数据、如何根据获取的数据反映出企业的整体运营状况、如何提高各项业务决策的及时性和准确性等，目前还未有一致公认的、成熟的解决办法，可喜的是已有部分企业在相关行业上有类似的、局部的应用，包括采用IEC 61850-7-410、IEC61970等标准和中间件等技术的案例。

就目前来说，我们建议在运营管理中心的设计项目上，根据各业主的流域规模、管理水平等，进行统一规划、系统性地配置，在实施过程中根据各子系统成熟状况、实施条件分期分批实施。

我院目前正在设计实施的运营管理中心项目包括华能四川水电有限公司成都区域水电控制中心、国电大渡河流域水电开发有限公司大渡河流域集控中心、二滩水电开发有限责任公司雅砻江流域集控中心，其中部分生产子系统已招标采购并投入试运行。

3 结束语

回顾我院近十多年在流域梯级水电站的设计历程，我们首先要感谢一个个项目的业主，正是由于他们在管理层面和技术层面的不断提出高的要求，才驱使我们不断的创新和前进；同时，也要感谢国内外计算机监控系统的集成商，由于他们及时地将各种成熟的技术、产品引入到流域集中监控这个领域，才能使我们的设想一步步成为现实。

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