流域梯级水电站“无人值班、关门运行、综合自动化”的新模式和新内容——火溪河流域电站综合自动化系统的设计与实践

曹 伟

(四川华能涪江水电有限责任公司,四川成都 610041)

1 概 述

20世纪 90年代初期,基于我国水电站装备制造能力的水平,流域梯级水电站实现“无人值班、关门运行、综合自动化”的主要瓶颈还是计算机监控系统和基础自动化设备,综合自动化涉及的范围有限,其时要实现“无人值班、关门运行”的途径复杂、代价大、周期长。进入新世纪,随着水电站装备制造水平的全面提升,计算机网络和通讯技术的快速发展,为流域梯级水电站“无人值班、关门运行、综合自动化”的实现提供了新的思路和手段。2002年开工建设的华能火溪河流域梯级电站利用现代网络、通讯、自动化监控等科技产品的进步,通过合理确定技术路线、整体规划、分步实施,在短短 5年时间内实现了流域四个电站的“无人值班、关门运行”和全流域的综合自动化,创建了新的实现模式,赋予了新的实现内容。

流域梯级电站实现“无人值班、关门运行”除了必须具有稳定可靠的计算机监控系统和基础自动化设备外,综合自动化其他各子系统也不可或缺,如工业电视系统、火灾自动消防报警系统、周界安全防范系统是实现“无人值班、关门运行”不可缺少的辅助手段,水情测报系统对于电站防洪和梯级优化运行意义重大,电能量采集系统、保护管理信息系统为技术管理的集中和高效提供了有力帮助。综合自动化各子系统还需有机联系、共享数据、相互联动,才能实现“无人值班、关门运行”的高度自动化和高度可靠性。

2 传统实现模式的缺点分析

要实现“无人值班、关门运行”的高度自动化和高度可靠性,必须仔细分析按传统模式实现流域梯级水电站 “无人值班、关门运行、综合自动化”的不足之处,并在此基础上提出新的实现模式。传统模式重点着眼于提高计算机监控系统和基础自动化设备的可靠性,对于实现“无人值班、关门运行”必不可少的其他子系统建设缺乏统一规划和有效实现手段,如系统建设初期只考虑计算机监控系统的网络建设,系统间的通讯和数据共享最多也仅考虑到监控系统和调速器、励磁等自动装置的接口,对综合自动化其他子系统虽然也有建设计划和通讯接口、数据共享的设想,但由于没有有效的技术手段,致使其实现途径复杂;又如梯级电站建设初期,由于缺乏统一规划,仅为监控系统单独设置了通讯通道,虽然实现了监控系统在流域内的局域网互联,但随后建设的工业电视系统则不得不重建光纤通道,并在实际使用中独占光纤通道,随后建设的其他子系统也面临类似问题。通讯通道的重复建设造成投资大、决策审批时间长、建设周期长,导致综合自动化系统整体开发完成时间大大延长。传统模式在实现系统互联、数据共享、系统联动方面没有很好的解决办法,最终运行的各子系统是一个个孤立的系统,从而使综合自动化系统的自动化水平大打折扣。因此其建设成本高、周期长、子系统之间技术标准不统一、数据共享难、联动性差、自动化水平不高,这些均是传统模式实现“无人值班、关门运行、综合自动化”的缺点,也使流域梯级电站“无人值班、关门运行”的实现周期变长,运转效率不高。

3 火溪河流域电站“无人值班、关门运行、综合自动化”实现的新模式

2002年开始建设的火溪河流域梯级电站以全新的思路和模式建设了流域梯级电站综合自动化系统,通过该系统的高效构建、辅以可靠的机电设备运行和先进的生产管理模式,最终实现了全流域电站的“无人值班、关门运行”和成都远控。

系统的建设首先根据该流域四个电站地理位置相对集中(40km范围内、各个梯级电站彼此之间的距离均在 10～15km内)、装机规模不大(总装机容量 400MW)、电站之间交通方便(九环线公路经过全部四个电站)的特点,提出了“无人值班、关门运行、数字电站、网络控制”的建设目标,并确立了全新的“扩大厂站”模式,即将流域四个梯级电站视为一个物理距离扩大的厂站,梯级内的各个电站取消了常规模式中设置在电站内的中控室和各自独立的电站办公、现场生活设施、库房、机修车间等,各种保护、控制等二次设备均布置在一次设备和现地附近,取消了副厂房,集中设置了流域维护管理中心并将其作为流域总控室,负责流域电站的集中监控和流域电站集中管理、维护、办公和生活基地,对流域内的四个梯级电站进行日常的运行、管理工作。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。

其次,根据当时的技术发展水平和流域规划特点,制定了合理的技术路线和实现途径。计算机网络和光通信技术的迅猛发展和日益融合,为我们提供了制定“统一规划、分步实施”的技术基础,以 IP为代表的计算机网络技术和以 SDH为代表的光通讯传输技术一直以来是不相融合的两个专业,其在电力系统中的应用亦有严格的区分,IP技术用于组建以太网络,支持所有基于 TCP/IP协议的应用,对应用系统具有很好的兼容性和很广泛的适用性,但其在长距离组网方面必须依赖光端机和独立的光纤及网络设备,一个应用系统就要占用一对独立光纤和一套网络设备,资源消耗很大,对于光纤资源有限的流域电站靠这种方式难以建完所有的子系统;另外,以太网的不确定性和无保护功能不能保证实时性要求很高的语音、视频应用的使用效果和整个系统的可靠性。SDH技术可为每个应用提供独立的、以 2M电路为基础的传输通道,并且所有电路均可以复用,具备了建立统一传输平台、提供确定性传送品质和保护功能的能力,却不支持 TCP/IP协议,限制了其很多应用。火溪河流域电站建设初期,出现了一种被称为 MSTP、能承载 IP应用的 SDH传输技术,该技术既能全面支持基于 TCP/IP协议的应用,还具备 SDH可提供统一传输平台、具有确定性和保护功能的优势,能满足流域电站所有综合自动化系统的传输要求。我们认识到这是实现流域梯级综合自动化的有力手段,通过与设计院、相关厂家进行充分论证,确定了建设构建于流域光纤环网之上的 MSTP传输网络,并以此网络作为综合自动化各子系统的统一传输平台,“建设以MSTP技术为基础的统一传输平台,各应用子系统基于 TCP/IP协议开发”成为火溪河综合自动化系统建设的主要技术路线。

在技术路线确定后,我们利用 220kV送电线路的 OPGW光缆、并沿已有的 35kV施工线路杆塔新建了 ADSS光缆,构建了连接流域各电站、电站大坝和梯级控制中心的流域光纤环网,依托该光纤环网,建设了流域计算机监控系统网络和 2.5GMSTP多业务传输网络(节点遍布各电站厂房、大坝、集控中心),除计算机监控系统独占一对光芯组成环网外,将火溪河流域的四个梯级电站和白马寨梯级集控中心各综合业务作为一个整体进行统一规划、实施完整的综合自动化系统。与传统的流域梯级电站综合自动化系统建设过程中各子系统独占光纤通道建设成本高、建设周期长所不同,该系统首先建设了全流域公用传输平台,该平台构建于两对光纤环之上,形成了具备 1+1保护的流域光通讯环网,各子系统建设不需独占光纤,只需利用传输设备提供的标准接口及通过网管划分的带宽,新应用即可立即实现全流域组网;另外,该系统除具有 SDH技术支持 TDM业务、具备完整保护功能外,还能有效承载诸如IP、VPN等各种新业务,支持 TCP/IP协议的应用能很容易地组网传输,而 TCP/IP协议是国际公开开放协议,几乎综合自动化系统涉及到的所有应用都支持该协议,在子系统的建设中不用特别考虑应用的组网、传输需求。因此,利用 MSTP技术作为综合自动化各子系统的传输平台,具有接口公开透明、接入成本低、接入周期短的优势。正是由于采用了该项技术,使火溪河流域电站在短短 5年内全面实现了综合自动化。

4 火溪河流域电站“无人值班、关门运行、综合自动化”的新内容

火溪河流域电站综合自动化系统除了成功建成计算机监控、工业电视、水情测报、火灾报警、电话通讯等子系统外,还赋予了流域综合自动化系统新的内容:为适应无人值班的需要,建设了周界安防及门禁系统;为响应节能减排、切实降低厂用电,建设了智能照明系统;利用在全流域无处不在的网络,建设了涵盖水电站生产管理各个环节的办公自动化和生产管理信息系统;依托发达的信息网络和数据公开共享的网络结构,充分发挥流域梯级总负荷调度的优势,建设了流域梯级优化调度系统以及电量采集、继电保护信息管理、网络电话、巡检系统等。

与传统模式各子系统通讯接口、通讯规约不一致、数据格式不统一、数据共享难、系统之间联动性差所不同,新模式下由于各子系统均构建于以太网上,均支持 TCP/IP协议,通讯接口、通讯规约一致,数据交换、数据共享容易,系统间联动的实现较为简单。目前,除了完整地建设了综合自动化各子系统外,还通过建设综合联动平台,实现了工业电视、火灾报警、周界安防及门禁、智能照明等子系统的联动,进一步提高了“无人值班、关门运行”的自动化水平;实现了水情测报、计算机监控、优化调度系统的数据交换和数据共享,完善了各子系统的功能,提高了系统的整体性能。通过建设完善的二次安全防范系统,使各子系统按二次安防规范严格布置于相应分区,各分区间按要求通过安全装置互联,确保了系统的安全性。

除了在系统级构建的模式上与传统模式不同之外,新模式下子系统的建设也有所创新。作为系统核心的计算机监控系统,传统模式是流域开发的首批电站和流域梯调中心监控系统选用一个厂家的系统,而其后续电站由于建设周期和招投标等因素往往选用不同的系统;辅机监控鉴于当时的技术水平所限并出于成本考虑,选用了不同于主机监控的系统,造成了同一个流域(电站)多套系统并存、不同系统的互联接入成本高、维护难度、成本加大、备件储备成本大、生产数据集中度差、运行人员监视操作难度大等弊病。新模式下的计算机监控主辅机系统统一设计、统一采购、选用同一厂家同一系列产品,整个流域所有电站和集控中心、远控中心计算机监控系统统一规划、统一招标、分批采购,从而极大地确保了全流域只使用一套系统,产品型号集中、备件储备量大大减少,少量的维护人员只需掌握一个电站的维护技能就能开展全流域所有电站的维护工作,降低了人员成本和维护难度,更不存在传统模式下不同系统的互联接入成本。传统流域电站设立了单独的消防值班室,消防报警信息仅送本站值班室,而在新模式下实现了消防监控系统全流域组网,消防报警信息除送本站消防值班室外,还上送集控中心和远控中心,运行人员对全流域电站的消防报警进行 24h不间断监视,辅以与工业电视、智能照明、门禁安防系统高度自动化联动,确保了流域电站“无人值班、关门运行”的正常运转。

优化调度和生产管理信息系统不属于传统模式下综合自动化的范畴。新模式下,由于流域范围内网络无处不在,数据共享和数据交换更容易实现,这两个系统成为了系统发展的自然延伸。随着综合自动化的完整实施、“无人值班、关门运行”的高效实现,水电企业追求管理现代化以达到生产过程的安全可控和水能资源的充分利用已成为更高的需求,凭借已实现的综合自动化系统的有力支撑,流域梯级优化运行和生产管理信息化的实现也就水到渠成了。火溪河流域电站投运之初,电站的调度方式是由四川省调分别对每一个电站下达单独的负荷,但由于省调值班员难以对每个流域电站的水情、水库水位、设备状况情况做到及时、详细的掌握,致使火溪河流域各电站下达的负荷经常不太匹配,运行中机组效率不高、水库弃水压力大,电站运行人员要花费大量精力、时间向调度申请负荷调整,但往往是申请调整比较困难,既使申请到也经常错过最佳调整时机。面对这一难题,我们通过仔细调研,发现火溪河流域四个电站由两回 220kV线路送出,两回线路接入电网的并网点在同一个变电站——江油天明变电站,如果电网对流域四个电站下达总负荷,流域电站总出力只要满足总负荷要求,将不影响电网潮流的分布,不影响电网安全稳定运行,同时,流域集控中心对流域水情和设备运行情况能够及时详细掌握,可以将总负荷及时、合理地分配到每个电站。基于这一认识,通过我们积极促进和各方的共同努力,2007年 8月,电网同意火溪河流域四个电站开始实施流域总负荷调度,通过总负荷调度,电站的运行效率得以提高,设备运转安全压力和汛期弃水压力降低,水能资源利用率得到了进一步提高。而最初的总负荷调度采用运行人员人工分配的方式,人工工作量较大,受人工经验和计算能力限制,负荷分配的及时性和机组运转效率的提高相对有限,从 2008年开始,我们着手开发了年调节水库和总负荷条件下的流域梯级水电站优化调度系统,系统不仅对龙头水库全年的蓄水、消落按全流域电站发电收益最大化进行中长期规划,更利用了总负荷调度的优势,对调度下达的总负荷根据流域来水、水库水位、电站设备状况,按每日发电后梯级蓄能最大化的原则,由计算机根据预先制定的策略,迅速计算出分配到各电站的实时负荷,依托计算机的强大计算能力和预置策略的全面性、科学性和稳定性,较人工分配方式下机组运转的效率更高,负荷分配更及时、更合理,使水资源得到了更充分的利用(根据模拟运行结果,优化程度优于人工分配 3%以上),也更能发挥总负荷调度和年调节水库的优势,从而确保了优化调度中长期规划目标的落实。

管理的现代化离不开管理的信息化,依托无处不在的网络,我们建设了一套生产管理信息系统,可使相关人员共享生产管理信息,生产管理的各项制度和要求也通过系统预置的流程、权限得以落实和保证,大多数生产活动留下的痕迹可以有效追述;建立了设备全寿命周期的动态台帐,设备的技术资料、运转状况可动态管理;通过与计算机监控等其他子系统进行数据交换、数据共享,可有效开展技术管理的自动化和信息化。

5 火溪河流域电站综合自动化实现新模式、新内容的意义

火溪河流域电站建设探索的“流域梯级电站无人值班、关门运行、综合自动化新模式和新内容”具有其较为深远的影响和意义:首先,节约了工程造价,降低了建设成本。通过采用“扩大厂站”模式,电站取消了副厂房及各站单独配置的生活设施、生产配套设施,取消了计算机监控上位机系统,利用已有的 OPGW光纤和 35kV线路杆塔构建流域光纤环网,综合自动化各子系统共用通讯平台等创新手段达到该目的;其次,创新了建设模式,有别于传统模式综合自动化各子系统孤立建设,新模式对整个系统“统一规划、分步实施”,跟踪通讯、自动化新技术,选择了合适的技术路线,建成了统一的传输平台,实施模块化设计,标准化接口,方便各子系统的接入、组网,大大加快了系统完建的速度;第三,兼顾了企业的经济效益和社会效益。新模式下,综合自动化系统的建设更容易,“无人值班、关门运行”的自动化水平更高,实现更便捷。火溪河流域电站 2002年开建,2008年就完全实现了“无人值班、关门运行和成都远控”,生产人员的生活基地建在大都市,运行人员在成都远控中心运行值班,电站现场仅保留少量必要的维护人员,且维护人员生产、生活采用大倒班,生产人员多数时间在都市工作、生活,实现了都市水电,改善了职工工作、生活条件,稳定了职工队伍;智能照明和总负荷模式下优化调度系统的投运,一方面降低了企业成本、增加了企业收入,更为重要的是响应了“节能减排、建设节约型社会”的号召,节约了能源,充分利用了水能资源,履行了企业应尽的社会责任;第四,拓展了流域梯级水电站综合自动化的内涵。新模式下的“无人值班、关门运行”通过综合自动化系统整体快捷完建,也变得易于实现。“无人值班、关门运行”不再是水电企业通过综合自动化系统追求的终极目标,而是将系统拓展到更能提升企业价值的流域优化调度、生产管理信息化、现代化、设备状态检修专家支持等的应用上;第五,新模式在流域梯级电站建设中具有一定的推广价值:流域电站在接入系统规划中,应尽量争取全流域电站一点接入电网,以便为今后争取流域总负荷调度和真正实现流域实时优化调度创造条件;流域电站综合自动化宜统一规划,有条件的流域可采用“扩大厂站”的模式;计算机网络和通讯技术日新月异、发展很快,跟踪新技术的发展,选择合适的技术路线,将使无人值班和流域综合自动化的实现事半功倍;流域综合自动化传输平台的建设,形成无处不在的网络,方便形成了流域电站从建设到生产全过程的管理信息化。