“区域值班员”模式关键技术研究与工程应用

胡春林，万 元,2，魏志鹏，谌斐鸣

（1.五凌电力有限公司，湖南 长沙 410004；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

0 引言

五凌电力有限公司（以下简称：五凌公司）主要负责沅水流域梯级电厂开发的规划、建设、经营及湖南抽水蓄能电厂、湖南核电和部分火电的开发建设，已经先后在沅水流域建成五强溪、凌津滩、洪江、碗米坡、三板溪和挂治六座水电站，沅水流域在建的有白市、托口两座水电站，湘江流域已建近尾洲水电厂，资江流域马迹塘、东坪、株溪口三个水电厂。位于长沙市北郊的黑麋峰抽水蓄能电厂于2010年9月全部投产发电，另有开发建设的位于贵州省的黔东火电厂。目前，五凌公司已建在建水电厂13个，1个火电厂，图1为五凌公司电源开发分布图。

图1 五凌公司电源开发分布图

显然，五凌公司的电厂具有“绝对数量多，地域分布广，跨流域、跨调度机构，电源类型多样”的特点，为了提高发电运行人员的工作效率，在积极建设跨流域远程集控系统的同时，五凌公司在国内创新性地提出了“区域控制”与“区域值班员”的概念，由一个值班员实现多个水电厂的远程监控，突破传统远程集控中“一人一席一厂”的模式，实现五凌特有的“一人一席多厂”的“区域值班员”模式，本文重点介绍“区域值班员”模式的集控系统若干关键技术的研究思路。

1 五凌公司集控系统结构

1.1 总体结构

五凌公司跨流域远程集控系统采用开放分层分布无主式系统结构，可分为生产信息查询层、控制层、非控制层和接入层，相应的集控系统也由四个局域网组成，分别是：生产控制网（安全I区）、生产非控制网（安全II区）、生产管理信息网（安全III区）和接入网[1]。各安全区之间的安全防护措施满足国家电监会关于“电力二次系统安全防护”的规定。系统的总体结构见图2。

图2 五凌跨流域远程集控系统总体结构图

生产控制层采用以太网双网结构，控制网上的服务器和工作站等设备均采用热备用冗余配置方式。其中历史服务器与磁盘阵列主要实现13个电厂海量数据的存储，应用服务器主要完成各电厂AGC软件的运行，生产非控制层为以太单网结构，用以连接报表管理工作站、远程维护和诊断服务器等。生产管理信息层配置千兆以太网交换机，主要连接WEB发布服务器、WEB数据服务器及梯级水调自动化系统外网交换机等有关设备，并通过防火墙与管理信息系统连接，实现远程集控系统WEB发布。为实现信息安全，生产控制网与生产非控制网使用防火墙隔离，生产管理信息网则通过网络安全隔离设备与生产控制网连接。

接入层包括与调度数据网及远程电厂的接入网，均采用百兆以太网双网结构，为了确保远程通信安全，在集控中心站与通信对侧（远程水电厂、电网调度）均安装了纵向加密认证装置[1]。

1.2 集控数据网

集控数据网络（结构见图3）用于集控中心与各电厂之间计算机监控系统、泄洪闸门监控系统、电能量计量系统、水情及水调自动化系统、继电保护运行及故障信息管理系统、消防监控系统等实时、非实时数据交换。集控数据网络采用主、备用通道传输数据。电力光纤传输通道作为主通道，电信光纤传输通道作为备用，优先级低于电力光纤传输通道。当电力2 Mbps点对点光纤传输通道中断时，电信光纤传输通道在设计时间内切换为主运行通道运行，一旦电力2 Mbps点对点光纤传输通道恢复正常时，电信光纤传输通道将自动还原为备用。

图3 五凌集控数据网网络结构

集控数据网划分为实时VPN和非实时VPN，实时VPN传输发电、泄洪闸门等实时数据，非实时VPN传输水情、水调、电能计量、故障录波等非实时业务数据，优先保证实时数据传输。正常情况下，实时VPN数据通过主用电力光纤专用通道传输，非实时VPN数据通过备用电信光纤专用通道传输。

2 “区域值班员”模式及其关键技术

2.1 “区域控制”与“区域值班员”的概念

为了实现高效的远程控制，满足五凌公司多流域集控系统建设的具体要求，提出“区域控制”与“区域值班员”的概念，即将五凌公司的水电厂群划分为若干个“区域”，一个“区域”包含多个电厂，任意区域均被视为一个调度和控制的整体，由一个运行值班员（“区域值班员”）实现对“区域”内所有电厂的远程监视与集中控制，从而突破了传统远程集控中“一人一席一厂”的模式，实现了“一人一席多厂”的水电厂管控模式。

要实现“区域值班员”模式，不仅要求生产管理制度上的创新，还要求突破若干关键技术问题。具体包括：①“区域”划分策略；②“区域值班员”模式下人机交互平台、运行报表、事件及报警筛选等的优化设计；③“区域”上下游电厂经济匹配运行模型。

2.2 “区域”划分策略

根据“区域控制”的概念，结合五凌公司实际情况，将五凌公司电厂初步划分为5个区域，分别为五-凌区域、三-挂-白区域、托-洪区域、碗-近-黑区域以及东-株-马区域，黔东火电厂近期只实现监视，不进行远程控制，另外考虑其他中小水电监控接入。各区域所包含的电厂及“区域”内机组台数见表1所示。

表1 “区域”包含的电厂及机组台数

区域划分不是各个子电厂简单组合，而是按照效益最大化、上下游水库梯级调度、控制可靠性最高、自然环境最适宜，厂间匹配最便利等要求的有机整合。区域划分根据电厂地理位置的相关性、相邻近及易于综合调度等特征，充分考虑不同电厂发电机组类型的差异，按照效益最大化、控制可靠性最高的原则。

为了提高综合效益与值班员的控制可靠性，“区域控制”模式下“区域”划分应遵循三个原则：

（1）“区域”内各电厂一般存在直接的水力联系，便于电厂间经济匹配运行；

（2）各“区域”所含的发电机台数不宜差距过大；

（3）“区域”内各电厂的地理位置尽量邻近，有利于水电厂真正实现“无人值班，关门运行”后，“区域检修中心”位置的选择。

结合以上原则，五凌公司“区域控制”模式下“区域”的划分主要按照以下几个方面考虑：

（1）各个“区域”内机组数目分配基本合理，其中三-挂-白区域 10台（4+3+3），托 -洪区域 12台（4+2+6），五 -凌区域14台（5+9），东-株-马区域11台（4+4+3），碗-近-黑区域10台（3+3+4）。除了五-凌区域的机组台数稍偏多以外，其他“区域”机组台数分布较为均匀，从而各“区域”的“区域值班员”对电厂远程监控难度差距不大。

（2）在沅水流域干流上，主要根据电厂在流域上的顺序、水库的调节特性、上下游水力联系来确定其所属“区域”，具体原因包括：①当五凌公司实现“远程集控”后，由于按照沅水干流的顺序划分“区域”，同“区域”的电厂彼此位置邻近，便于水电厂实现“无人值班，关门运行”后，在“区域”的居中位置建立“区域检修中心”；②为了便于电厂间匹配经济运行，优化流域综合调度，提高发电效益，在“区域”的划分时，尽量考虑上下游电厂的水力联系与联合匹配经济运行的可能性，一般，“区域”上游水库为“月调节、季调节、年调节甚至多年调节水库”的大型水库，“区域”下游水库为“日调节或周调节”的小型水库，这样“区域”内上游水库的下泄流量，能够直接指导制定“区域”下游水库电厂的发电计划，从而有利于水库间的匹配运行与联合优化调度。

（3）东坪电厂、株溪口电厂、马迹塘电厂均分布在湖南资江流域上（单个流域上），三个电厂位置非常邻近，且全部为“日调节”性能水库，当上游柘溪水电厂下泄流量确定时，该三厂被划成一个“区域”，便于联合调度与优化控制，有利于联合制定最优的发电计划，同时所有三厂的机组类型均为“低水头灯泡贯流式”机组，机组特征及结构差异不大，有利于“区域值班员”高可靠的监视与控制。

（4）碗米坡电厂属于沅水支流酉水流域，近尾洲电厂属于湘江流域，黑麋峰电厂为抽水蓄能电厂，虽然电厂间关联性相对较弱，基本不存在水力联系，且电厂间位置也比较远，但以上三厂均属于湖南省调或省调委托地调调度，调度关系较为单一，且三个电厂中碗米坡电厂与近尾洲电厂属于常规水电厂，控制难度较小，而黑麋峰为抽水蓄能电厂，工况切换多，控制难度大，三个电厂形成“区域”后与其他“区域”相比综合控制难度相差不大，基于以上考虑，将该三个电厂划分成一个“区域”。

2.3 “区域值班员”模式下人机交互平台

人机交互平台是实现“区域控制”与“区域值班员”模式的关键技术之一，其设计必须尽量参考水电厂运行值班员的实际经验，并根据运行值班人员的需求不断更新与优化，“区域值班员”模式下的人机交互界面不仅要求美观大方，还必须要求在监视信息量大的环境中，做到操作便利，界面之间切换简单，因此，“区域值班员”模式下人机交互平台优化设计应遵循以下原则：

（1）为提高“区域值长”的远控机组及设备的效率，存在对“区域”所有机组进行负荷调整，远程开/停机等操作，重要开关操作的综合界面；

（2）反映“区域”运行状况的界面应囊括“区域”内所有电厂的重要信息量，且重复信息少，信息展示方式合理；

（3）尽量降低“区域”内部各电厂之间界面的切换难度与步骤。

2.4 “区域值班员”模式下报表优化设计

“区域值班员”要求对“区域”内多个电厂进行远程监视与控制，因而“区域值班员”模式下报表设计的基本原则是在最大程度上降低“区域值班员”的劳动强度，提高“区域值班员”的劳动效率，因此，按照以下原则优化设计“区域”内电厂的报表系统：

（1）在“集控层”与“电厂层”之间设置“区域层”，“区域层”的报表能反映“区域”内所有电厂的重要运行信息量，包括发电量、综合厂用电量等信息；

（2）设计能反映“区域”内所有电厂机组的特征运行参数的报表，包括所有发电机定子电压、定子电流，母线电压，励磁电流等在某一阶段的最大值、最小值与平均值等。

（3）为了满足对辅助设备运行健康状态评价的需要，设计对“区域”内电厂辅助设备启、停规律进行统计的报表，具体对“区域”电厂的高压气机、低压气机、GIS气机、各机组的调速器压油泵、各机组调速器漏油泵、渗漏排水泵、大坝廊道排水泵、检修排水泵、厂区排水泵、顶盖排水泵等的在一段时间内的运行时间、停止时间间隔进行统计，并生成体现某段时间内辅助设备运行时间、停止时间间隔最大值的报表，“区域值班员”能利用报表对辅助设备的健康状态进行评价，提高了“区域”电厂的自动化维护水平。

2.5 “区域值班员”模式下事件及报警查询优化

提高水电厂事件的查询效率，有利于提高值班人员监视与控制的可靠性，本文研究了“区域值班员”模式下事件显示与查询的优化设计方法，具体包括以下几个方面：

（1）在“集控层”与“电厂层”之间设置“区域层”，“区域值班员”不仅能根据厂站名、设备逻辑名等方式，还能根据“区域”名实现对事件及报警进行查询；

（2）支持事件模糊智能匹配查询方法，不需要输入事件的全部名称，仅需要部分字段便能对事件进行定位；

（3）智能提示重复报警信息，“区域值班员”可根据需要取消重复报警信息的显示，防止在一段时间内重复报警占满整个报警窗口。

2.6 “区域”上下游电厂经济匹配运行模型

在沅水流域干流上，主要根据电厂在流域上的顺序、水库的调节特性、上下游水力联系来确定其所属“区域”，因此，对于沅水流域上的“区域”来说，上游水库一般为“月调节、季调节、年调节甚至多年调节水库”的大型水库，“区域”下游水库一般为“日调节或周调节”的小型水库，“区域”上下游电厂经济匹配运行模型主要采用“以水定电”的方式优化下游“小水库”的运行，即下游电厂根据上游电厂的下泄流量及其他支流的注入流量，结合自身的库容特性、机组容量、机组振动区特性等，提出最优的运行负荷方案。在上游电厂下泄流量较多时，及时腾空库容，力争最大程度的利用水资源。

3 工程应用

目前，五凌公司跨流域水电厂群集控系统采用的“区域值班员”模式已完成“区域”划分、“区域值班员”模式下人机界面设计与开发等关键技术的研究，并投入试运行，本文对其中部分典型人机界面进行展示。

3.1 区域主接线

区域主接线界面主要展示“区域”各电厂的线路拓扑图，显示电厂及相应高压线路、区域内所有机组的运行状态，显示电网调度对区域内各电厂的给定负荷情况与电厂AGC/AVC投/退情况，“区域值班员”能使用区域主接线界面在界面上对各电厂一次主接线上的重要开关设备（比如机组GCB、TCB等）进行操作，对区域内所有机组进行开/停机、增/减负荷操作。图4为五凌公司“碗-近-黑”区域主接线界面。

图4 五凌公司“碗-近-黑”区域主接线界面

区域主接线界面的设计采用“去繁就简”的设计思路，仅显示“区域”内部各电厂主接线的断路器设备，而对于其他应用于线路或机组检修状态的线路刀闸、地刀则不予显示，从而在确保界面的简洁性的基础上，展示最多的内容。同时，区域主接线界面中蕴含了切换到“区域”电厂监控目录的主按钮，只需要一步便能从区域主接线界面上切换到“区域”内各电厂的监控目录，切换步骤少。

3.2 区域运行状态监视

区域运行状态监视界面综合显示“区域”所含电厂及所有机组的运行状况，能对“区域”电厂的运行参数（包括总有功、总无功、上/下游水位）及所有机组的基本运行参数（包括开/停机状态，控制权限，有功，无功，频率，导叶开度等）进行综合显示，便于“区域值班员”在整体上实时了解“区域”的当前运行状态。图5为“三-挂-白”区域的运行状态监视界面。

3.3 区域AGC控制模式

区域AGC控制模式界面体现了“区域”包含电厂的AGC的投/退情况、执行方式，所有机组的AGC控制方式及运行模式。“区域值班员”使用区域AGC控制模式界面能全面了解“区域”内各机组的振动区特性，调度对电厂的考核参数，机组及电厂AGC运行模式等重要信息，并能进行AGC相应的投/退操作。图6为“五-凌”区域的AGC控制模式界面。

图5 五凌公司“三-挂-白”区域的运行状态监视界面

图6 五凌公司“五-凌”区域的AGC控制模式界面

4 结语

为了提高运行人员的工作效率，在建设跨流域远程集控系统的同时，五凌公司首次提出了“区域控制”和“区域值班员”的概念，并积极开展其中若干关键技术的研究，提出了突破各项关键技术的研究思路。目前，五凌公司已完成了“区域值班员”模式下“区域”划分与人机交互界面设计与开发，并投入试运行，取得良好的应用效果。远程集控的“区域值班员”模式下关键技术的研究不仅成功解决了五凌公司建设多流域远程集控系统过程中面临的电厂数量多、分布跨流域等难题，也将为其他电厂数目多、分布区域广阔的发电企业实现“远程集控”提供一种较好的解决方法。

[1]王德宽，袁宏，王峥瀛，等.H9000 V4.0计算机监控系统计算特点概要[J].水电自动化与大坝监测，2007,31(3)：16-18.

[2]王德宽，王桂平，等.水电厂计算机监控技术三十年回顾与展望[J].水电站机电技术，2008，(3):1-8.