流域梯级集控中心自动化系统智能化建设总体规划设计

王德宽，张 毅，余江城，张建明，孙建会，余 茜

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

1 概述

经过多年的不懈努力，我国各流域水电公司已先后建立了梯级集控中心自动化系统，实现流域梯级水电资源的优化控制管理，流域梯级电站监控、水情水调、机组状态监测及远程诊断、继电保护、大坝监测、计量等自动化系统获得广泛应用，技术已趋于成熟，为流域各电站实现“无人值班”(少人值守），提高流域梯级水电厂的安全运行和自动化管理水平发挥了重要作用，为智能化建设打下了良好的基础。

流域智能化水电厂建设涉及生产、运行、维护管理等各个方面，组织开展流域智能化建设总体规划设计，明确下一步的重点规划工程和实现目标，梳理存在的问题和技术难点，对有效实现流域各系统的智能化建设与管理，保证智能化建设的高起点和高水平，避免重复建设，提高流域水资源效益是十分必要和有意义的。

流域智能化建设通过先进的传感和测量技术、网络通信技术、可靠的硬件设备以及高度智能化的决策支持系统的应用，实现流域水电机组状态检修、梯级水电站群经济运行、大坝安全监测、电站自动化系统、梯级远方集控中心自动化系统、基础自动化、通信网络等方面的智能化，实现各系统之间的无缝连接，建立一体化系统信息平台，实现数据共享与互动，不仅能全面提升流域的安全稳定经济运行水平，实现发电厂安全、可靠、经济、高效和环境友好的目标，提升电网、电厂智能协调水平，同时又能为我国水电厂的智能化建设积累宝贵经验，必将对我国水电自动化技术进步产生深远的影响。

目前智能化已成为水电厂自动化系统技术发展趋势，随着智能化技术的成熟、水电厂智能化设备和系统的研制开发，建设全流域信息统一数据平台，实现信息资源整合共享，集中管理并综合运用的需求将越来越强烈。开展流域梯级集控中心自动化系统智能化建设，实现水库群联合调度、流域梯级水电厂远方集中控制、机组优化运行，对于提高流域整体安全稳定运行管理的智能化决策水平，提高经济效益，意义十分重大。

2 流域梯级水电厂智能化建设规划目标

根据流域智能化建设需求和现状，立足于解决目前流域水电建设中存在的问题和不足，统一规划设计，以建设流域梯级数据一体化平台为中心，全面提高流域发电生产及管理的智能化程度，提高设备的安全稳定运行水平，提高流域经济效益，加强厂网协调控制和与智能电网的互动，实现梯级电站远方智能集中控制、梯级水库智能化联合调度，提高流域洪水控制、防汛管理及经济运行水平，实现对发电一次设备及水工建筑物的在线状态监测诊断，以及主设备的状态检修与远程诊断。

流域梯级集控中心自动化系统智能化的主要任务是：

（1）组建流域梯级集控中心调度数据专网，实现与各梯级电站和相关系统的可靠通信连接；

（2）实时采集与处理流域各梯级电厂设备运行，发电控制，以及各梯级电站控制流域的水文、水情、气象、库区环境、枢纽建筑物运行工况等信息；

（3）建设流域梯级水电厂数据统一平台，实现信息资源整合共享，集中管理并综合运用；

（4）满足流域梯级水电厂现地无人值班，远方集中监视、控制和优化运行管理需要；

（5）实现流域梯级水电厂的统一联合优化调度与智能决策。

3 流域梯级水电厂智能化建设总体架构

3.1 流域梯级水电厂自动化系统总体结构

根据目前现有的流域水电厂运行方式，流域水电厂自动化系统采用分层、分区的模块化总体架构设计，由一系列具有特定功能的智能化应用系统的有机集成构成全流域分层分区的系统总体结构，其中分层是从系统总体架构上进行划分，分区则是根据系统安全防护的等级进行划分。

从系统总体架构的角度，自下而上，流域梯级自动化系统总体结构上可分为三个层次，即：流域集控中心层、厂站层和设备现地层。在控制层面上可分为：上级调度部门控制、集控中心控制、水电站监控系统控制和设备现地控制四个层次。

电监安全《电力二次系统安全防护总体方案》，将电力企业基于计算机和网络的应用系统原则上划分为生产控制大区和管理信息大区，生产控制大区又分为控制区（又称安全区I）和非控制区（又称安全区II）。

因此从系统安全防护等级的角度，流域智能化系统分属三大安全区域，通过流域通信网络系统，在统一数据信息平台的协调下实现互动，实现水电厂生产过程控制、运行决策与生产管理的智能化，使水电厂的经济效益最大化。

流域集控中心层承担梯级电站集中控制管理职能，是流域各梯级电站的集中控制、优化调度与经济运行中心；是设备运行、继电保护、自动化、通信、信息专业技术管理中心，并通过统一数据信息平台实现流域电站各应用系统数据共享、集中管理，为各种智能化高级应用提供一体化的支撑平台，全面提升流域梯级各电厂的智能化和信息化水平，实现安全经济运行、统一优化调度和状态检修。

流域集控中心层主要包括电调自动化系统、水调自动化系统、远程状态检修与故障分析诊断系统、流域公司办公自动化系统等。其中电调自动化系统属于生产控制大区中的安全I区，水调自动化系统属于生产控制大区中的安全II区，远程状态检修与故障分析诊断系统属于管理信息大区中的安全III区，流域公司办公自动化系统属于管理信息大区中的安全IV区。

集控中心水调自动化系统根据梯级电站水流量的平衡性要求进行水库的优化调度（发电调度、水库调度、防洪调度），制定短期发电计划曲线，实现发电与水库调度的最优组合。电调自动化系统通过综合数据平台与水调进行数据交换和共享，接受有关部门的调度决策，实现梯级电站的远方集中控制、联合优化调度和经济运行。

厂站层主要由水电厂各类应用系统（如计算机监控系统、水情水调自动化系统、继电保护系统、在线状态监测系统、大坝监测系统等）的厂站上位机系统等组成，完成各应用系统全厂级的功能；设备现地层主要包括水电厂各类设备、传感器、各类应用系统的现地控制单元等，主要负责现地级指定设备和系统的数据采集、处理与监控功能。

3.2 流域梯级集控通信网络系统

通信网络系统是实现流域各梯级电站应用系统互连、数据交换、信息共享的基础，是建设流域各梯级水电厂统一信息平台的基础支撑系统，有必要对计算机通信网络进行统一规划设计，以满足建设流域各梯级水电厂统一信息平台的需要。

高速光纤网络和通信系统等基础支撑系统的建设，应根据梯级电站各应用系统业务的数据传输、交换和存储需求，以及业务类型、功能和性能指标等要求，确定需要的网络通道和传输容量，并配置相应的通信和计算机网络接口设备，建立跨越三级安全区域的计算机网络系统，满足统一信息平台与各应用系统的数据互连与交换需要。

流域梯级集控中心层与所属各梯级电站厂站层通过梯级电站专用光纤通信网进行连接；同时通过电力调度数据网与上级网/省调中心互连。

为满足可靠性和实时性要求，需采用宽带光纤网络通信方式，并配置冗余通道。主用通道采用电力光纤组建梯级调度专用数据通信网，备用通道可采用电信光纤传输通道通信方式，并根据需要配置卫星应急通信通道。

（1）电力光纤组网通信方式：核心光纤网络采用基于SDH的MSTP环网结构；

（2）电信光纤传输通道通信方式：通过1路或多路E1（G.703）接口形成1或N×2 Mb/s点对点光纤传输通道；

（3）卫星应急通信通道，64 kb/s～2 Mb/s。

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。

流域梯级集控中心与所属各梯级水电厂通信网组网互联架构图如图1：

图1 流域集控中心与电站监控系统通信组网

3.3 流域智能化梯级水电厂自动化系统总体构成

流域智能化梯级水电厂建设具体体现在一系列高度智能化的生产过程控制、运行决策和生产辅助管理自动化系统的建设。这些系统相对独立，功能明确，界限清晰，完成各自的特定功能，相互之间又有机互联，通过统一规划的一体化信息平台实现数据共享互动配合，完成全流域智能化目标。

流域智能化梯级水电厂自动化系统总体构成如图2所示。

三大安全区域各有一个数据共享平台，负责整合本区各自动化系统，实现数据互联、共享和互动。

系统间互联初期可在具备条件的系统间采用IEC 61850规约，后期应逐步推广采用IEC61850规约和统一规范的数据模型，实现无缝连接。

图2 流域智能化梯级水电厂自动化系统总体构成示意图

3.4 流域智能化梯级水电厂自动化系统层次结构

流域智能化梯级水电厂建设涉及生产、运行、维护管理等各个方面，具有规模大、结构复杂、研发内容多、技术难度大、建设周期长等特点，是一项开创性的系统工程，需要研究解决的技术关键问题很多，为保证智能化建设的高起点和高水平，有效实现全厂各系统的统一运行管理，避免重复建设，必须进行统一部署，按照“统一规划、分步实施”的建设原则，对流域智能化建设进行总体规划。

智能化建设规划应根据进度要求、现场实际需求、具备的技术条件等，对包括基础设施、应用支撑平台、电站各应用系统等建设内容，以及相应的组织管理和技术保障等方面，按照系统总体层次架构进行规划设计，通过多学科、多技术的相互支撑，整合各子系统，分阶段、分层次开发建设，以实现各系统的有序耦合。

基础设施是完成各类信息从数据采集、传输、处理、存储和展示全过程的软硬件设备及所需的实体环境，是智能化水电厂建设的基础。包括数据采集系统、通信系统、计算机网络系统、数据储存与管理等系统。

通信网络系统是各类自动化系统的连接交换平台，应根据各个应用系统对网络实时性、安全可靠性和带宽要求建设计算机网络。为提高网络安全性和可扩展性，计算机网络采用层次化结构，划分为控制专网、业务内网和业务外网。网络互联时通过安全隔离设备实现网络防护和隔离。

通信系统为计算机网络系统提供基础传输通道，其性能决定了计算机网络系统的性能。通信传输系统应采用光纤自愈环组网，组网设备采用智能光网络设备。提高网络的安全性和先进性。

统一信息平台为智能化水电厂提供统一的信息支撑管理应用环境，通过统一规范的传输规约和网络接口，整合离散的各个应用子系统，建设数据交换和中心存储设备，形成全厂数据信息中心，实现全厂监控、信息、通信、水情、监测等跨安全分区的各应用系统之间的数据的统一交换与存储共享，满足流域梯级电站远方集控、水库联合优化调度、经济运行、设备在线监测与状态检修等系统、大坝安全监测系统的应用需求。

应用系统是与电厂运行维护管理直接相关的各业务子系统，主要包括：流域梯级集控中心自动化系统、流域各电厂计算机监控系统、水情水调自动化系统、在线监测与状态检修系统、大坝安全监测系统以及保护量测等系统，是智能化建设的主要内容。

4 建设内容

4.1 流域梯级电厂集控中心专用数据网建设

组建流域梯级集控中心调度专用数据网，实现集控中心系统与各梯级电厂之间的可靠通信，是集控中心自动化系统实现功能的基础和保障。实现流域各梯级电站集中控制与联合优化调度，电厂现地无人值班，意味着在集控中心必须实时监控到电站运行的所有重要信息，数据量非常庞大，可靠性和实时性的要求也很高，因此集控中心系统与各梯级电站计算机监控系统通信宜采用传输性能很好的宽带光纤网络通信方式才能满足需要，并尽量采用冗余通道。

应根据流域各梯级电厂的实际情况，灵活采用相应的网络通信方式实现与集控中心的连接。

4.2 流域梯级水电厂信息统一平台建设

在完成计算机通信网络系统、统一信息平台运行实体环境等基础支撑系统建设的基础上，建设流域各梯级水电厂数据交换和中心存储设备，通过统一规范的传输规约和网络接口，根据工程实际进度进行各应用系统的智能化建设，整合离散的各个子系统，建立满足二次安全防护要求的流域各梯级水电厂信息统一平台，形成流域各梯级电厂数据信息中心，实现流域各梯级水电厂监控、信息、通信、水情、监测等跨安全分区的各应用系统之间的数据的统一交换与存储共享，消灭信息孤岛，为智能化水电厂提供统一的信息支撑管理应用环境，满足流域梯级电站远方集控、水库联合优化调度、经济运行、设备状态在线监测与诊断等系统的应用需求，全面提升流域各梯级水电厂自动化运行管理水平和综合经济效益。

4.3 流域梯级电厂集控中心电调自动化系统建设

建设流域梯级集控中心电调自动化系统，梯级电调自动化系统采用分层分布式体系结构，整个电调自动化系统分为三层：上级调度层、梯级集控中心层和厂站层。在流域梯级集控中心层设一套梯级电调自动化系统，其下各厂站层分设电站计算机监控系统。

通过流域梯级集控中心电调自动化系统的建设，实现对流域梯级枢纽内各电厂及泄洪闸等设施的运行情况进行远方监视及控制，与南方电网等电力调度部门的通讯等功能，并按照上级调度指令，对梯级枢纽的泄洪、蓄水、发电等进行统一联合调度，对梯级枢纽实行统一的调度管理。

根据梯级水电厂现地无人值班的任务要求，电调自动化系统应具有对梯级各厂站子系统进行数据采集与处理、安全运行监视、运行调度、操作控制和管理等功能，同时负责接受上级调度系统下达的各项指令，向上级调度传送所需的数据，以便对整个梯级枢纽进行有效的远方集中监视、调度、控制、联合优化调度及管理。

4.4 流域梯级电厂集控中心水调自动化系统建设

建设流域梯级集控中心水调自动化系统，系统采用分布式结构，分为水调主系统、防汛/水文接口子系统等部分。系统各功能分布在网络的各节点上，每个节点严格执行指定的任务并通过网络与其它节点进行通信。水调主系统实现水情测报信息采集、数据存储、水文预报、水库调度规划及与南方电网等电力调度部门的通讯等功能，属于安全Ⅱ区。水调主系统与防汛/水文接口子系统之间通过综合数据平台实现安全连接，完成数据交换功能。

通过集控中心水调自动化系统建设，及时、准确地自动采集流域水情测报信息，收集梯级水库调度所需要的水情信息、气象信息、枢纽运行信息、防汛指挥部门的防洪调度信息、电力调度部门的电调信息和航运部门的航调信息。对这些信息进行计算、分析和综合处理。根据水情和气象信息，作出水文预报。根据水情信息和水文预报，按照枢纽综合利用的要求，进行水库调度方案（发电调度、水库调度、防洪调度）的计算和分析比较。在保证流域防洪要求和各枢纽本身安全的前提下，进行水库的优化调度，制定短期发电计划曲线，实现发电与水库调度的最优组合，为水库调度提供决策支持。以满足运行人员工作需求，减轻劳动强度，实现智能监测、智能预报、智能调度、智能管理的梯级经济运行目标。

4.5 流域梯级电厂自动化系统的智能化建设规划设计

流域梯级电厂自动化系统的智能化建设规划主要包括：基于IEC61850标准体系和建模原则，完成智能化自动控制系统总体设计；根据水电厂内各种设备和系统的物理特性抽象出物理和信息模型，建立智能化水电厂信息模型；通过采用先进的传感器、电子、信息、通信、控制、智能分析软件等技术，建设新一代水电厂自动控制系统平台。

通过流域梯级电厂自动化系统的智能化建设，可全面提升智能化水平，提升发电站的安全稳定经济运行水平、提高机组的可观可控可调性，实现并网接入快速化、安全化、标准化和智能化，强化电厂对电网的支撑能力，提升网厂智能协调水平。

4.6 流域远程状态监测与故障分析诊断自动化系统

以流域梯级电厂机电主设备为实施对象，建立流域发电厂设备远程状态监测、故障诊断与状态检修决策系统，具有智能化功能，简称流域发电厂远程故障诊断中心。根据在建与已规划发电厂的设备布置方位及配置、机型特点、机组参数、厂站间通信状况及在电网中的地位等因素，以及国内外设备状态监测技术发展水平，确定系统的结构体系、网络结构体系以及监测对象、监测手段，选择具有国内或国际先进技术水平的硬件、软件系统平台，通过在线监测与离线监测（或巡检）以及测试数据的有机结合，实现对设备运行状态的远程实时在线监测与分析。

4.7 应急调度指挥系统智能化建设

建设流域应急调度指挥系统，配套相应的指挥调度场所，包括：指挥调度大厅、会商室、机房和值班室，提供实体运行环境，安装部署基础软件、数据库软件，并根据应急调度指挥需求开发应用软件，通过应急通信系统、计算机网络系统、图像监控系统、视频会议系统等硬件基础支撑系统的建设，实现应急系统与信息统一平台和其它系统的无缝连接，为全面提升流域预防和处理突发事件能力提供完善的技术保障和工具。

5 结束语

在实现流域电厂智能化的同时，开展流域梯级集控中心自动化系统智能化建设，通过全流域统一的数据一体化平台，实现水库群联合调度、流域梯级水电厂远方集中控制、机组优化运行，对于提高流域梯级电厂运行管理的智能化决策水平，减轻运行人员劳动强度，提高经济效益，意义十分重大。