二郎坝梯级水电站集中监控系统设计方案

吉隆朝，戚永建，曹 波

（二郎坝水力发电公司，陕西 汉中 724400）

针对某河段上的各梯级水电站，设置梯级调度中心 （简称梯调中心），利用计算机、远动和通信技术，对各级水电站 （包括梯级联合开关站、变电站）进行集中监控，可以实现梯级水电站的科学经济调度和自动经济运行。梯级水电站之间，一般水流关系十分紧密，其出力、过流面及水头等运行参数相互间有许多相关约束因数，只有以整个梯级电站为对象，通过集中监控，联合实时经济调度、自动经济运行，才能做到充分利用水能资源，最大限度地提高各级水电站的运行效率。

1 二郎坝梯级水电站概况

二郎坝水力发电公司辖有3座梯级电站和一座水库枢纽，梯级电站有四个发电运行车间，三个户外变电站，共有三条35kV出线 （卧天联络线、卧宁线、卧Ⅰ卧Ⅱ线），两条110kV出线（卧阳线、卧王线），公司距水库枢纽38km，其间分布着三个梯级电站。水库枢纽总库容7760万 m3，兴利库容 5250万m3，年调节水量 2.14亿m3。梯级电站装机共10台，总装机容量为5万kW，其中一级站天生桥电站为3×4000kW，二级站二郎坝电站为3×2500kW，三级站卧龙台Ⅰ期电站 2×4000kW，卧龙台Ⅱ期电站为 2×11250kW。除卧龙台Ⅰ期电站外，其它电站监控系统均按照 “计算机监控为主，常规为辅”的原则进行规划设计和设备选型。梯级电站工程建设分为两个阶段完成，一期工程卧龙台Ⅰ期电站两台机组于1988年底建成发电，控制方式为常规控制；二期工程8台机组于1999年底建成发电，控制方式为计算机控制为主，常规控制为辅。梯级电站的主接线如图1所示。

2 梯级水电站集中监控设计方案

2.1 总体方案

依据二郎坝水力发电公司梯级电站实现集中监控的要求，并结合各梯级电站设备的实际和充分考虑投资回报等情况分步实施技改，因此首先应建立梯级电站集中监控中心系统的结构与配置，然后逐级进行被控电站自动化的改造，实现对被控电站集中监控的目标。

根据二郎坝水力发电公司梯级电站的特点，按梯级电站集中控制、被控电站 “无人值班 （少人值守）”进行规划，用3至5年的时间分步实施技改，逐步实现梯级电站集中监控的目标。

（1）梯调设办公楼内，按集中控制设计，梯调计算机监控系统直接与各梯级电站的现地单元联系，系统可采用PLC直接接入总线，此方式可以大大提高网络的可靠性，避免PLC经过一体化接入以太网的瓶颈，使各个设备具有安全独立性。梯调的主控层以太网采用光纤以太网方式，实现通信通道热备用冗余，突出系统高可靠性。梯级调度系统能够实现自动发电控制 （AGC）、 自动电压控制 （AVC）、有功功率联合控制、经济运行 （EDC）趋势分析、人工智能故障分析，以及完成事故处理、仿真培训等任务。

（2）被控电站按现地、远方监控的指导思想进行总体设计和配置。电站的所有生产过程的控制由计算机监控系统实现。

（3）各被控电站按 “无人值班，少人值守”的原则进行设计，控制方式有梯调控制和现地控制两种。梯调控制是主要运行方式，在此方式下，电站的日常监视、操作由梯调值班人员负责；电站值班人员一般仅负责设备的巡视检查、日常维护以及紧急事故处理等。现地控制是在梯级计算机监控系统发生故障或被控电站与梯调失去联系的情况下的采用的控制方式，在此方式下，电站日常监视操作改由电站值班人员负责，电站中央控制室应保留必要的监控设备。

（4）梯调的计算机监控系统采用双机冗余系统结构，梯调与被控电站之间的通信通道双重化。目前各梯级电站之间的12芯单模光纤已铺设完成。

（5）梯调计算机监控系统严格执行国家经贸委 “电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护规定”和国家电监会 “电力二次系统安全防护规定” “电力二次系统安全防护总体方案”，进行安全防护。

2.2 系统结构与配置

2.2.1 系统结构

梯级调度的监控系统按控制层次和控制对象，分为梯调控制级和现地控制级。梯调控制级与现地控制级采用双星形以太网结构。现地控制级为4个电站和1个水库站。现地控制级选用高性能的可编程控制器，按被控制对象 （水轮发电机组、开关站、公用设备、闸门等）由多台现地控制单元 （LCU）组成，具有独立运行和监控功能。

2.2.2 系统配置

梯调监控系统网络采用双高速以太网，配置两台以太网交换机，将服务器、操作员工作站，工程师工作站和通讯工作站有机地结合在一起，构成按功能分工协作的综合监控系统。作为服务器及操作员站，实现数据采集与处理、报警、打印及管理、操作与监视等功能。

被控电站网络采用双高速以太网，配置网络交换机2台和通讯管理机2台。网络交换机负责将各被控电站的遥信、遥测量传送至梯调网络交换机，并将接收的梯调监控的遥调、遥控命令传送至被控电站。双以太网配置双网络交换机，独立工作，互为备用。通讯管理机负责完成与现场励磁系统、调速器、直流系统、保护等的数据交换。

2.2.3 系统通讯

除系统内部各设备间的数据通讯外，系统的通讯工作站还可以完成与省调数据网络、远动、电量采集系统以及信息管理 （MIS）系统、工业电视监视系统、水情测报系统和火灾报警系统之间的数据通讯任务，实现梯级电站综合自动化。

本系统与其它系统间的通讯方式以及规约、速率和接口，可根据具体情况确定。

2.2.4 监控流程

各被控电站的通讯管理机将遥信、遥测、遥调、遥控量通过SDH单模光纤分别送至网络交换机，网络交换机与梯调三层交换机进行数据交换。梯调三层交换机应用VLAN技术根据不同的MAC地址与服务器、操作员工作站、工程师工作站和通讯工作站进行数据链路，完成各梯级电站和水库枢纽的综合监控功能。

通讯工作站实现与被控电站水情测报系统、视频监控、火灾报警系统的通讯，根据省调数据网络、远动、电量采集系统的要求，对生产数据经加密后送至省调数据网络交换机，实现“四遥”功能；对生产信息经正向隔离装置送至梯调信息管理系统 （MIS）。梯调配置一台大屏幕投影仪，作为系统实时画面监视。投影仪可接收通信站信号及视频信号，实时显示计算机监控系统画面或工业电视视频信号。

2.2.5 设备功能

三层交换机：主要使用其MAC（介质访问控制）地址的VLAN划分方式，构建虚拟网络，根据管理人员权限划分可访问区域，保证整个调度网络的安全可靠。三层交换机具有丰富的管理功能，它是整个调度网络的关键，具有吞吐量大以及支持网关功能等特点，不但使整个梯级调度系统网络更为可靠，而且使局域网内部数据交换速度更快。三层交换机具有高可扩性，在连接多个子网时，子网只是与第三层交换模块建立逻辑连接，而不是象传统外接路由器需要增加端口，从而减少了用户对网络的投资，并满足应用快速增长的需要。

主控站 （兼操作员站）：梯级调度系统对计算机监控的实时性和工作可靠性要求很高，因此主控站采用冗余双微机系统，选用国际知名品牌工作站，设备之间采用双总线连接。

工程师站：由微机和开发运行组态软件组成，主要实现系统软件参数配置、数据库修改及维护、组态软件和控制软件的下载，并可以完成在线运行监控、管理等功能。

通讯管理站：由微机和相关通信软件组成，主要实现本系统与其他系统的数据交换。通讯接口支持RS232、RS422／485、以太网等。

数据库服务器：正常情况下，由上位机收集监控数据进行运行分析，数据处理及储存则由数据库服务器完成。数据库服务器实时记录生产数据，定期自动完成运行日报表、经济技术指标报表等表格填写，并存储为电子档以备查阅。为保证数据安全，可配置磁盘阵列系统，定期转移备份数据。现场配备网络打印机，可以完成报表即时打印任务。

视频监控：水库站、二郎坝电站前池、卧龙台电站前池及卧龙台Ⅰ期厂房宜配置监控探头，利用光端机的视屏接口，将视频信号传至梯调监控三层交换机，由视频监控服务器采集并储存各电站的视频监控信息备查，为事故分析和处理提供依据。

2.3 系统网络的安全分区

梯调监控系统严格执行电力二次系统安全防护的总体原则： “安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”，确保监控系统和电力调度数据网络的安全。

计算机监控系统划分为三级安全区，安全区Ⅰ为远动终端 （RTU）和测量系统 （PMU）的生产数据，安全等级最高；电量和保护为安全区Ⅱ；MIS生产信息采集系统和水库水雨情测报系统为安全区Ⅲ。

在生产控制大区与管理信息大区之间，应设置获得国家安全权威机构安全检验证明、并通过电力行业的电磁兼容性检测的电力专用安全隔离装置，用于与梯调中心MIS系统交换数据的安全隔离。

电力专用安全隔离装置是电站监控系统与梯调中心MIS系统之间信息交换的唯一出、入口，可根据安全策略 （允许、拒绝、监测）控制出入网络的信息流，其本身具有较强的抗攻击能力，可以限制内部对外部的非授权访问，特别是限制安全级别低的系统对安全级别高的系统的非授权访问。

2.4 远方黑启动

梯级调度采用直接监控，各被控电站实行“无人值班”或 “少人值守”，因此，梯调监控系统对被控电站实行远方黑启动不仅十分重要而且意义重大。

各梯级电站均具备单机带厂用的功能,由于三站的联络线连接卧龙台电站、二郎坝电站、天生桥电站，因此可考虑由二郎坝电站单机运行使35kV联络线恢复带电，则三站的厂用均可恢复运行，根据调度要求负荷完成远方黑启动。

2.5 系统电源

梯调控制级规划配置直流系统。正常运行方式为直流系统，一方面对蓄电池充电，另一方面通过逆变装置对设备供电；事故情况下，蓄电池通过逆变装置提供设备电源。

被控电站网络设备和LCU均配置有交、直流电源两路供电，保证事故处理和恢复运行时正常的用电需求。

2.6 电网故障诊断

故障录波信息的电网故障诊断系统，兼有故障录波信息管理和故障录波信息分析的功能。

每个电站内配置一套故障录波装置，每套录波装置均和现场GPS通讯，实现全公司录波时标一致。录波装置能够记录设备故障发生前后电气量和状态变化过程信息，完整地反映故障后的瞬间变化及继电保护的动作行为，并有数据存档和数据再分析的能力，为事故信息综合分析和快速处理提供保障。

2.7 GPS时钟

系统配置卫星时钟设备，以接收全球卫星定位系统GPS的标准授时信号，对系统内各有关设备的时钟进行校正。

GPS时钟与上位机 （包括系统主机兼操作员工作站等）采用串行通讯方式，与现地控制单元采用脉冲连接对时。GPS时钟向被控电站的微机自动装置、微机保护装置、故障录波装置等发送同步信号。

3 结语

本文根据小型梯级电站 “无人值班，少人值守”运行管理模式的需要和可靠性要求，结合梯级电站集中监控设计规范和小型梯级电站的实际，提出了二郎坝梯级电站集中监控的设计方案。据不完全的统计，通过对流域内中小型水电站群进行集中调度和控制，可以实现对整个梯级电站进行经济调度，不但能够提高梯级水电站群的综合管理水平，而且能够提高年均发电量1%～2%，二郎坝梯级电站年均发电量1.8亿kWh，年均发电量增加180万kWh至360万kWh。进一步优化和提高水能资源利用率，使梯级引水式水电站群生产规模和生产能力不断扩大，经济效益不断提高。

[1]SL 193-1997小型水电站技术改造规程[S].

[2]但富中，温柳，朱静华.拉西瓦水电站计算机监控系统的设计及优化[J].电力设备，2008（10）：20-24.

[3]李灿庆.“无人值班”梯级电站远方黑启动方案研究[J].小水电.2009（6）：14-16.

[4]王明贵，尹秀莲.小水电站群实现综合自动化的探讨[J].吉林水利，2005（11）：18-19.