大金坪水电站和洪一水电站集控方案探讨

付绍勇,杨炳全

(四川松林河流域开发有限公司,四川石棉,625400)

1 电站概况

大金坪水电站位于四川省雅安地区石棉县境内、大渡河中游右岸一级支流松林河上,距成都市338km,距雅安市 218km,电站厂房距石棉县城16km。电站总容量 129MW,保证出力 28.6MW,年利用小时数 4930h,年发电量 6.36×108kW·h。电站装设三台 43MW混流式机组,工程规模属中型,首台机发电时间为 2007年6月30日,2007年8月5日第三台机组并网发电。电站运行方式:丰水期带基本负荷运行,枯水期承担部分峰荷任务。

洪一电站位于四川省雅安地区石棉县与甘孜州九龙县交界的松林河次源 -洪坝河上,首部枢纽位于九龙县境内,发电厂房位于石棉县境内,是一座引水式电站,隧洞全长 5663m。洪一电站是松林河流域“一库九级”梯级开发方案中洪坝河干流河段最下游的梯级水电站,下游与大金坪电站相连,上游与已建成的滨东水电站相连。洪一电站通过一回 220kV线路送电至大金坪水电站,接入石棉 500kV变电站。电站装机 2台 40MW机组,首台机于 2009年5月24日并网发电,2009年5月30日第二台机组发电。

2 大金坪电站计算机监控系统现状

大金坪水电站计算机监控系统分为电站层及现地层两级。电站层设备包括:主机/操作员工作站、工程师工作站、远程通讯工作站、厂内通讯工作站、ON-CALL及语音报警工作站、打印处理服务系统、GPS卫星时钟装置、电站层网络设备、电站层 UPS设备等。电站层配置为 6套 HP级工作站,2台打印机,1套 GPS,2套 UPS和 2套网络设备。现地层设备包括:3套机组现地控制单元(LCU1～LCU3),1套全厂公用现地控制单元(LCU4),一套开关站现地控制单元(LCU5)。现地控制单元 PLC配置的是施奈德 Quantum系列设备 PLC和同档次的 I/O模件,10.4″GP触摸屏,深圳智能自动准同期装置,交流采样表,功率变送器等设备。

四川松林河大金坪水电站是 2007年6月正式投入运行的,投运至今两年多来,计算机监控系统主要存在以下不足:(1)除主机/操作员站外,其他工作站 CPU类型为 intel奔腾 4处理器,内存仅为 512M,不能满足改造后作为集控中心运行的要求;(2)原监控系统不能自动接收调度 AGC、AVC指令,而是通过 RTU接收,人为调节机组出力,不利于合理分配机组运行率,节省能源,降低成本;(3)原监控系统不能接入省调度数据专网,同时交换机容量已经饱和,不能接入新投产洪一水电站的信息;(4)由于监控系统的原因,造成投运以来常出现系统不稳定、死机等不利于电网的安全稳定运行问题。

根据目前的具体情况,拟对其进行技术改造,在保留目前硬件配置基本不变的前提下,更换其它厂家成熟的计算机监控系统,提高其运行可靠性。计算机监控系统改造后,将极大提高电站的自动化水平,减少运行维护工作量,提高设备的自动化水平和安全可靠性,从而创造较大的经济效益。

3 大金坪、洪一水电站集控的必要性

大金坪水电站的计算机监控系统由成都卓越科技工程公司提供,性能一般。洪一水电站监控系统由南京南瑞自控有限公司提供,运行良好。两水电站设计初期,由国家电力公司西北勘测设计院负责统筹设计,后期由于其他原因,洪一水电站交由成都市水利电力勘测设计院负责设计。当时为松林河控股单位的阿水公司,对松林河的远景规划为三步走战略,即先各站控制,再梯调集控,最后远控。正因如此,导致两站设计理念及控制模式发生变化,致使现在大金坪、洪一水电站两站是分开控制。

随着水电厂“无人值班”(少人值守)成为大趋势,以及计算机监控技术的飞速发展,对计算机监控系统提出了新的要求,有必要改造现有监控系统,实现大金坪、洪一水电站集中控制。

同时,为实现中水四川公司梯级电站的经济调度。在满足电网调度要求的前提下,合理分配梯级各电站的发电出力,为实现电力调度的优化奠定基础。集控中心控制模式采用流域集控与厂站监控相结合的控制模式,实现梯级各电站的“无人值班”(少人值守),降低生产管理成本,适应竞价上网需要,增强公司核心竞争力。

4 松林河流域集控方案

根据大金坪、洪一水电站的实际情况及流域特点,对改造现有监控系统提出了以下几种改造方案。

4.1 完善大金坪水电站计算机监控系统自身改造方案

本方案主要针对大金坪水电站计算机监控系统进行改造,全部更换上位机软件系统,采用国内资质较高的厂商监控系统软件,并更换所有的PLC控制程序和触摸屏画面,以及与各系统之间的通讯程序等。

该方案改造范围仅局限于大金坪水电站自身系统,与洪一水电站及集控中心无关。从长远发展来看,此方案不可取。

4.2 将洪一电站监控系统信息接入大金坪电站分开控制

本方案主要内容为在上一方案的改造基础上,再将洪一电站信息接入大金坪水电站控制。但控制模式为两站操作员站分别控制,相当于将洪一电站中控制操作员站延伸至大金坪中控室。该方案虽然名义上实现了远控,但本质上仍属分层控制。

4.3 一厂多站集中监控(监控信息汇聚点模式)

本方案主要内容为在第一方案改造基础上,再将洪一电站监控信息接入大金坪水电站集中控制,相当于将洪一电站作为大金坪电站的扩大厂站模式运行,洪一电站现地 LCU作为大金坪电站扩展LCU运行,通过网络配置,实现大金坪电站对洪一电站 LCU的监视和控制。洪一电站监控系统上位机可以监视到洪一电站的运行数据,在正常运行情况下,洪一电站监控系统上位机控制权被闭锁,只有在两站之间的网络出现中断情况下,恢复洪一电站上位机系统对现地 LCU的控制权。

增强型扩大厂站模式(含扩大厂站模式)控制技术已非常成熟,国内已成功实施并投运了多个增强型扩大厂站模式的集控中心。如,浙江珊溪集控中心、浙江华光潭集控中心、四川白水江集控中心、四川田湾河集控中心、重庆巴山集控中心(正在投运)等。这些集控中心在使用过程中效果良好,有力地提高了整个流域梯级电站的综合自动化水平和管理水平,完全能满足流域梯级电站“无人值班”(少人值守)的要求。

综合比较硬件成本(本方案不用增加多余的硬件)、安全性、可靠性、维护方便性和实施难度及工期等因素,可以看出增强型扩大厂站模式结构为比较理想的接入方案。

4.4 松林河公司基地建梯调中心(集控分中心模式)

本方案主要工作为在松林河公司基地重新建立一个梯调中心,集控中心的上位机与大金坪、洪一电站上位机组网,通过网络配置,实现集控中心与电站上位机系统对大金坪电站、洪一电站 LCU的冗余监视和控制。

松林河集控中心能对大金坪、洪一电站的机组、公用开关设备进行独立控制和独立的数据纪录存储,直接采集相关设备的数据保证数据的准确性、可靠性和实时性,方便集控中心和电站上位机单独对相关数据处理。

5 两种方案最优比较

下面分析比较监控汇聚点和集控分中心方案。

5.1 一厂多站集中监控方案(监控信息汇聚点模式)

5.1.1 计算机监控系统结构概述。全厂计算机监控系统由大金坪水电站、洪一水电站计算机监控系统构成。整个系统可采用分层分布式的双光纤网络系统;双机容错、客户 /服务体系结构,选用成熟的实时多任务、多用户操作系统(UNIX,WINDOWSNT),IEEE802.3网络规约;采用光纤实现与各站上位机的双向通讯。采用以网络交换机为中心的星型拓扑结构,系统共分两层:(1)电站控制层。完成对本站的控制和监视;(2)现地控制层。完成对本设备单元的数据采集和当地控制,并完成对上下位机间的双向数据通讯的要求。

5.1.2 一厂多站集中监控系统结构。汇聚点监控中心控制层网络,由控制层监控设备、机组LCU、公用 LCU、电站开关站 LCU组成双网星型。该系统的网络结构为光纤以太网,网络传输速率大于或等于 100Mbps,传输速率为自适应式,采用TCP/IP协议,遵循 IEEE802.3标准。

大金坪电站与洪一电站监控系统主网络采用光纤双通道结构(100/1000M通道 2×2专用光芯),通过大金坪、洪一电站的主交换机直接相连。主交换机作为两电站连接的核心,大金坪电站可以对洪一电站进行运行远程监视和控制操作。

一厂多站监控系统结构(见图 1)和功能如下:(1)主控计算机两台:管理梯级上各电站的运行,具有自动发电控制(AGC)、自动电压控制(AVC)、历史数据保存、统计分析运行数据、通过交换机与各电站通讯等功能;(2)操作员工作站两台:作为梯调值班人员的操作控制台(双屏),配置工作站两台,互为备用,是运行人员与计算机人机联系的接口,以完成对大金坪和洪一两站的远方控制和监视;(3)工程师工作站一台:对全厂监控系统进行在线或离线维护,网络的管理;(4)调度通讯服务器两台:通讯工作站采用 SUN公司高性能服务器,集控中心设置 2台调度通讯工作站,直接接入监控系统以太网,以实现调度信号的直采直送;(5)集控通讯工作站两台:集控通讯工作站采用 SUN公司高性能服务器,负责和洪一电站的通讯,实现对洪一电站实时、可靠的远程监视和控制操作。

图 1 大金坪、洪一集控中心计算机监控系统结构

5.1.3 洪一水电站监控系统接入汇聚点方案。洪一电站计算机监控系统由南瑞自控公司完成,采用 SSJ-3000计算机监控系统,目前洪一水电站已连续安全稳定运行很长时间。为了安全、可靠地完成集控中心对洪一电站的远程监视和控制,洪一电站目前配置的魏德米勒交换机需要更换为赫斯曼 POWERMICE型三层工业级交换机(支持路由和环网),并且增加两台集控中心通讯机(SUNU24),改造完成后,洪一电站上位机配置简单实用而可靠,现地 LCU性能稳定,网络设备工作稳固,这为建设功能强大齐全的集控中心打下坚实的基础。

从洪一电站交换机接出到大金坪电站,仅需对大金坪、洪一电站交换机作简单的路由配置及网络协议配置,就可以使大金坪电站和洪一电站的系统相通,并能屏蔽洪一电站与集控中心间的广播风暴,从而实现大金坪电站直接对两个电站机组 LCU、公用开关站 LCU安全、可靠地通信,最终实现对洪一电站的直采直控。同时,整个网络连接清晰、安全、可靠。

为了保证洪一水电站具有很高的运行可靠性,对其进行了增强型扩大厂站模式配置。增强型扩大厂站模式与扩大厂站模式的主要区别在于:前者在洪一电站侧保留了目前的上位机系统,这样当出现网络中断,洪一电站可以通过完整的上位机系统完成生产运行;后者在电站侧未配置上位机系统。大金坪电站和洪一电站的上位机并列监视和控制各电站的现地 LCU,通过设置控制权,确定同一时刻,仅能在电站侧或集控侧进行负荷调节和控制操作。

5.1.3 实施难度及工期。因为洪一电站监控系统设备无变化,大金坪电站和洪一电站主机与 LCU通信的软件完全一致,所以接入工作容易、安全、可靠,且实施工期短。

5.1.4 优点。监控信息汇聚点能对大金坪、洪一电站的机组、公用开关设备进行独立控制和独立的数据纪录存储,直接采集相关设备的数据保证数据的准确性、可靠性和实时性,方便集控中心和电站上位机单独对相关数据处理。电站的机组也是集控的机组,这种增强型的扩大厂站模式尤其适用于整个流域电站机组台数不是很多的集控中心。集控中心上位机担负主要的运行工作,电站上位机承担维护,检验试操作以及与特殊情况下运行的任务。

对于松林河流域这种中型集控中心来说,增强型扩大厂站模式是一种比较理想又行之有效的选择。如果采用通讯机来作为数据交换的介质,为保证数据交换的可靠性,需再配置一套通讯机构成冗余通讯机,这样不仅增加了设备成本,加重了设备维护负担,同时又降低了实时性,增加了故障点。而汇聚点集控中心直采直控现地机组LCU、公用开关站 LCU将不存在前述问题。

5.2 松林河公司基地建梯调中心方案(集控分中心模式)

5.2.1 计算机监控系统结构概述。全厂计算机监控系统由松林河集控中心和大金坪水电站、洪一水电站计算机监控系统构成。整个系统可采用分层分布式的双光纤网络系统;双机容错、客户/服务体系结构,选用成熟的实时多任务、多用户操作系统(UNIX,WINDOWSNT),IEEE802.3网络规约;采用光纤实现与各站上位机的双向通讯。采用以网络交换机为中心的星型拓扑结构,系统共分三层:(1)集控中心层:完成对大金坪和洪一两站的远方控制和监视;(2)电站控制层:完成对本站的控制和监视;(3)现地控制层:完成对本设备单元的数据采集和当地控制,并完成对上下位机间的双向数据通讯的要求。

图 2 松林河集控中心计算机监控系统结构

5.2.2 梯调(集控)中心结构。松林河集控中心控制层网络由各工作站经由住交换机组成双网星型。该系统的网络结构为光纤以太网,网络传输速率大于或等于 100Mbps,传输速率为自适应式,采用 TCP/IP协议,遵循 IEEE802.3标准。

松林河集控中心与大金坪、洪一电站监控系统主网络采用光纤双通道结构(100/1000M通道2×2专用光芯),通过通讯工作站相连,主交换机作为这两个电站连接的核心;集控中心可以对大金坪电站、洪一电站进行运行远程监视和控制操作。

梯调(集控)中心监控系统结构(见图 2)和功能如下:(1)主控计算机两台:管理梯级上各电站的运行,具有自动发电控制(AGC)、自动电压控制(AVC)、历史数据保存、统计分析运行数据、通过交换机与各电站通讯等功能;(2)操作员工作站两台:作为梯调值班人员的操作控制台(双屏),配置工作站两台,互为备用,是运行人员与计算机人机联系的接口,以完成对大金坪和洪一两站的远方控制和监视;(3)工程师工作站一台:对全厂监控系统进行在线或离线维护,网络的管理;(4)WEB工作站:完成生产管理信息的发布;(5)ON-CALL及语音报警工作站:完成语音报警及电话短信报警等功能;(6)与调度通讯服务器两台:通讯工作站采用 SUN公司高性能服务器,集控中心设置 2台调度通讯工作站,直接接入监控系统以太网,以实现调度信号的直采直送;(7)集控通讯工作站两台:采用 SUN公司高性能服务器,负责和大金坪、洪一电站的通讯,实现对两站实时、可靠的远程监视和控制操作。

此次改造主要工作包括:在松林河流域开发有限公司石棉基地建设松林河集控中心,作为成都中水集控分中心运行;另外涉及大金坪水电站上位机系统和现地 LCU改造,以及将大金坪、洪一电站接入到集控中心的工作。

5.2.3 大金坪、洪一电站接入集控中心方案。同 5.1.3,洪一电站目前配置的魏德米勒交换机需要更换为赫斯曼 POWERMICE型三层工业级交换机(支持路由和环网),并且增加两台集控中心通讯机(SUN U24)。集控中心的上位机与大金坪、洪一电站上位机组网,通过网络配置,实现集控中心与电站上位机系统对大金坪电站、洪一电站 LCU的冗余监视和控制。

同样,从大金坪、洪一电站交换机接出到松林河集控中心,仅需对大金坪、洪一电站交换机作简单的路由配置及网络协议配置,就可以使集控中心和大金坪、洪一电站的上位机系统相通,并能屏蔽大金坪、洪一电站与集控中心间的广播风暴,从而实现了集控中心系统服务器通过大金坪电站、洪一电站交换机直接与大金坪电站、洪一电站机组 LCU、公用开关站 LCU安全、可靠地通信,最终实现对洪一电站的直采直控。同时,整个网络连接清晰、安全、可靠。

5.2.4 实施难度及工期。因为洪一电站监控系统设备无变化,大金坪集控中心和洪一主机与 LCU通信的软件完全一致,所以接入工作容易、安全、可靠,但实施工期长。

5.2.5 优缺点。松林河集控中心能对大金坪、洪一电站的机组、公用开关设备进行独立控制和独立的数据纪录存储,直接采集相关设备的数据保证数据的准确性、可靠性和实时性,方便梯调集控中心和电站上位机单独对相关数据处理。此外,利用梯调中心的建设光纤通道,公司及两站之间办公自动化通道也将随之形成。缺点是施工工期长,投资较大。

6 松林河流域集控效益分析

6.1 提高电站安全运行水平

计算机监控系统能迅速采集和处理大量信息,弥补了人的能力局限性,因而能迅速发现异常,及时采取措施,防止事故的发生或扩大,大大提高了水电厂安全运行水平。计算机监控系统的成功应用,大大提高了设备运行可靠性,它能直观指出系统或设备存在的问题,增强了故障判断能力,减少了排除故障时间,增加了各电站机组的可运行小时。通过对历史统计数据进行综合分析,可对设备的健康状况变化趋势进行判断,从而对各个电站设备的运行、检修做到有的放矢,为设备进行诊断检修提供依据。

6.2 减少运行值班人员,降低生产成本

实现大金坪电站设流域集控中心后,运行值班人员可减少 8人。实现流域梯调中心后,运行值班人员可减少 4～6人。

实现大金坪水电站“集中控制”、洪一水电站“少人值守”。两站人员将精简至 46人,人员减少 8～10人,人力成本将节约 80～100万元 /年。

实现松林河梯调中心“集中控制”、大金坪水电站、洪一水电站“少人值守”。两站人员将精简至 36人,但梯调中心集控人员将增加 10人,总体来看人员减少 4～6人,人力成本将节约 50～60万元 /年。

6.3 社会效益

6.3.1 提高了梯级各电站运行的安全性。梯级电站联合运行之后,电站的规模更大,运行方式复杂,在配备了全图形工作站的调度控制台上,集控中心值班人员可以纵观全局,实时监视流域各电站的运行情况,科学地指挥流域梯级电站的安全、经济运行。当发生事故时,电站的计算机监控系统会把遥测量越限及遥信变位信号在 2s～3s之内传输到集控中心,并辅助以声光报警,帮助值班员及时分析和处理事故,缩小停电范围和停电时间,减少停电损失。

电站或由电站引起的电力系统事故造成的国民经济直接损失和间接损失都是十分巨大的,利用现代化的控制手段,可以在电站或局部电网发生事故时,通过先进可靠的自动化手段进行事故紧急处理,缩短停电时间,保证电站和电网的安全和国民经济生产的正常进行。

6.3.2 保证电能质量。电压和频率是电能质量的两个重要指标。集控中心计算机监控系统或发电优化系统投运后,按照电网调度的命令执行电网自动发电控制和自动电压控制的功能,可以有效地将电网的频率和系统的电压控制在规定的范围内。电网的频率和电压质量的提高,将对整个社会产生积极的影响。

6.3.3 减轻值班人员劳动强度。集控中心计算机监控系统能自动记录各电站运行状况,包括正常运行和故障信息(事件顺序记录和事故追忆)。这将大大减轻电站值班人员监盘抄表的重复劳动,并逐渐减少电站的运行值班人员直至达到“无人值班”(少人值守)的目的,尤其是具有良好人机界面的全图形工作站的应用,给集控中心值班人员监视电站的运行带来了极大的便利。