水电厂自动化技术新进展

王德宽，刘同安，杨叶平，龚传利，陈小松，陶 林

（北京中水科水电科技有限公司，北京 100038）

0 引言

我国水电厂自动化事业从无到有，从进口到自主知识产权的技术和产品，从常规单机自动化到流域梯级集中控制，为三峡、瀑布沟、溪洛渡、向家坝等巨型电站提供成套自动化装备，走向国外，在硬件技术、软件技术和应用水平等方面已居国际领先行列。与此同时，电站运行管理模式也从“无人值班”（少人值守）向无人值班、调控一体化的目标迈进，智能水电厂也已成为业内热门话题，为水电厂自动化技术的发展提出了新的目标。

本文主要介绍北京中水科水电科技有限公司（以下简称：中水科技）近年在水电厂计算机监控系统、水轮发电机调速器以及智能化水电厂等领域新技术研发与推广应用情况。

1 H9000 V4.0与三峡右岸电站计算机监控系统

H9000 V4.0系统是针对三峡右岸等巨型水电站而开发的高端水电站计算机监控系统。该系统在广泛吸收国内外先进技术的基础上，借鉴了三峡左岸电站监控系统和三峡梯调自动化系统的优点，独立自主地构建了完全自主知识产权的三网四层系统总体结构（见图1），研制了全新的H9000 V4.0应用软件系统。该系统于2007年6月在三峡右岸电站顺利投运，2008年10月全部12台机组投运，2012年5月三峡地下电站6机组全部投运。到目前为止，系统已稳定运行5年多。运行情况表明，H9000 V4.0系统操作维护方便，实时性好，可靠性高，人机联系友好，得到三峡运行及维护人员的一致好评。和左岸进口的监控系统相比，右岸系统技术上毫不逊色，在很多方面甚至超越了进口系统，比国外产品更符合中国国情。系统总体达国际同期先进水平，在系统总体结构设计、系统可靠性设计、人机联系、数据通讯、自动发电控制等方面居国际领先水平，代表了当今国际水电站计算机监控技术和应用的最高水平。获得2010年度大禹水利科学技术一等奖。

H9000 V4.0系统已经在三峡右岸、瀑布沟、溪洛渡、向家坝、梨园、青海积石峡、缅甸瑞丽江、缅甸耶瓦等60多个电站、金沙江下游梯级成都区调、五凌电力等流域梯级集控系统、广东清远抽水蓄能电站等工程获得应用，显示了该系统广阔的推广应用前景。溪洛渡、向家坝、金沙江下游梯级成都区调三大自动化系统构成目前世界上巨型机组台数最多、装机容量最大的梯级电站群远方实时控制系统，三峡集团公司的目标是实现梯级调控一体化，梯级集控中心为主控模式。为了实现调控一体化的目标，H9000 V4.0系统在三峡右岸电站监控系统成果的基础上，进一步升级创新，开发了一系列新功能，努力满足巨型梯级电站远方调控一体化对实时性、安全性和可靠性的要求，提高系统的可维护性。

图1 三峡右岸及地下电站计算机监控系统结构图

H9000 V4.0系统的主要技术进步体现在以下几方面。

1.1 强大的数据采集与智能数据处理报警功能

针对特大型电站海量数据的高可靠与高实时性采集，H9 000V4.0系统采取的主要技术措施包括：同时采用主进程、多子进程及多线程技术；按数据类型的多重TCP/IP连接并行工作模式；PLC数据扫描周期的多重数据传送请求与处理；采用PLC冗余优化策略，实现网络和LCUCPU的快速自动切换。

在数据处理方面的主要改进包括：高精度、宽数据表示范围；数据属性更加丰富；三态点的处理更加灵活；数据记录区的分类更加合理；利用条件闭锁系统，实现了分区报警和智能报警，将前台报警信息精简到最少，信息直观综合，提高事故判断的速度和准确性，减轻运行人员的劳动强度；完善重复报警处理机制以及数据趋势报警功能等，使系统使用更加符合运行人员的习惯，操作更加便捷。

1.2 高可控性的无主设计

H9000 V4.0系统采用国际上独一无二的无主设计概念，各硬件节点之间并不存在相互依赖的逻辑上的主机，使系统具有无与伦比的可控性。

系统的电站控制层具有多台计算机节点，重要硬件节点均采用冗余配置，可靠性就已经相当高。采用无主设计后，当任何一个硬件节点（包括冗余节点）故障时，通过自动切换或授权调整可进行功能的重新分配，用其它节点替代某故障的节点（如该节点双机均故障）。如正常运行时，工程师站不具备现场设备的操作控制权，但经过权限修改后，即可具有操作员站的权限进行控制操作。由此可见，三峡右岸电站监控系统的计算机同时出现故障的概率近似等于零，可以认为H9000系统永远是可控的，系统自2007年投运以来系统可用率保持为100%。成都区调与溪洛渡、向家坝电站间通信通道的可靠性在梯级调控一体化系统的可靠性方面举足轻重，关系到系统的成败，梯调与电站之间通道不仅考虑冗余专用光纤高速通道，还设有卫星通道，在地面通道全部故障的情况下，仍可通过卫星通道实现监视和控制。

1.3 完善的安全性与可靠性措施

为确保系统高可靠性，各层的重要设备均采取双重冗余配置。冗余配置时，主备之间应可实现无扰动自动切换。并采用负荷平衡管理与互备冗余技术，正常运行时，各数据采集服务器双机热备，各承担50%的负荷；系统异常时，一套服务器可承担全部数据采集负荷。因此，与常规的主备冗余配置相比，系统的可靠性得到进一步提高。针对特大型电站控制设备多和操作分散的特点，增加了操作员站控制范围设定功能及操作对象锁定功能。控制命令均增加了时标闭锁条件检查。

1.4 用户友好的人机联系系统

采用最新的GTK图形标准，程序代码运行效率高，同一源程序可在Unix和Windows平台下运行，不仅保持了H9000应用图形系统兼容的特点，而且实现了源代码级的跨平台兼容。

新版OIX软件界面新颖美观大方，人机界面非常友好，保持了H9000系统面向对象操作的特点，支持多屏、多窗口显示，全鼠标驱动，图形可无级缩放，支持矢量汉字，数据状态等信息可采用丰富的色彩库、三维符号图形库、字符库、动态曲线、表格等方式表示，立体三维、实时动画等多媒体图形功能更加丰富多彩，还可方便地采用模拟仪表、发电机P-Q图、闸门水位图等专业图形。

针对特大型电站信息量大的特点，报警处理记录充分考虑运行人员的习惯，将事故信息与其他信息自动分开显示，并提供多种跟踪查询搜索功能及调试手段。在重要设备操作时，不仅可以进行有关操作过程监视，而且可以通过逻辑图直观地监视影响这些操作的条件。增加了控制对象数据类型，在操作员站上可以很方便完成设备控制操作，查看到与控制对象相关的所有实时信息。

1.5 自动发电控制

针对AGC调频方式难以给出确定的频差系数的问题，调频和调压采用自适应系数，具有自学习、自适合的功能，可有效确保系统安全调节稳定；对于超大型机组AGC有功调节的安全性问题，采用功率跟踪和功率补偿措施；负荷曲线方式引入分步调节算法，减少对电网冲击；能根据水头－出力－效率－流量曲线尽可能提高电厂效率；对于电厂效率优化问题，采用修正等容量比例负荷分配。这些措施提高了电厂运行效率，保证了电网安全。2007年9月20日，三峡右岸电站AGC正式投运，标志着国产监控系统AGC首次成功应用于700 MW水电机组。

1.6 开放的报表定制技术

HReport报表子系统以Microsoft Excel自动化技术、OleDb数据库访问技术以及XML技术为基础，用.Net构建Excel插件，利用Excel完成报表静态部分的编辑，通过将查询变量关联到Excel的样式，完成表格动态数据格式的定制。报表定制简单，用户界面友好，管理查阅方便。报表与Excel电子表格和SVG文档兼容，可通过Excel访问，或通过WEB信息发布系统向外发布。

1.7 历史数据管理系统

HistA子系统完成H9000 V4.0系统的历史数据存储、查询与维护管理功能，以Oracle等为后台数据库，B/S与C/S相结合的体系结构，不仅可提供各类报表日志，而且可形成各类报警记录历史数据，如各类报警信息、温度趋势分析记录、相关量记录信息、重要运行工况转换记录、各种历史曲线等。

2 DVG2000系列水轮机调速器

DVG2000系列（原型号为CVT系列）水轮机调速器是中水科技（水科院自动化所）于1999年在研制成功的基于快速开关阀的逻辑插装式水轮机调速器。该调速器在国际上独家采用高速开关阀（也称数字阀）和逻辑插装阀为核心部件，由高速开关阀实现先导级的控制，实现全容错与直接数字控制，在可靠性、可控性、灵活性等方面实现突破性的变革。

具体特点如下：（1）取消了主配压阀、电液转换器等部件，利用插装阀优化组合，实现主配压阀的功能，无需“中间位置”，耐油污，从结构上消除了调速器发卡的机理。（2）采用标准件，元器件的互换性好，密封可靠，无连接杆件、管路，无泄漏现象。（3）运行稳定，调节质量高，调整方便，实现了免维护。（4）快速开关阀动作时间为3～5 ms，调节迅速可靠，精度高，实现了速度和精度的完美协调统一，有利于发挥大型机组在电网安全稳定中的作用。（5）油压装置油泵动作次数明显减少，启动间隔时间比目前其它最好的调速器平均长20倍以上，具有显著的节能、降耗、增寿、环保等优点。（6）设备紧凑，可根据现场条件灵活设计布置，如将调速器、事故配压阀、分段关闭阀等组合成一体结构，安装调试十分便捷。

2004年5 月水利部科技司对该产品组织了技术鉴定，认为成果首次提出了全新的机械液压柜模式，其核心部件为高速开关阀和逻辑插装阀，由逻辑插装阀组件实现主配压阀的功能、无需“中间位置”、而作为先导级的控制元件则由高速开关阀组件实现，实现了全容错、直接数字控制，取消了传统的电液转换元件，在设计理念上是一次根本的变革，使调速器技术取得了突破性进展。鉴定委员会一致认为该项技术达到了国际领先水平。该技术2000年获国家实用新型专利授权。2005年获大禹水利科学技术二等奖。

表1 不同电站机组接力器尺寸(容量）比较

DVG2000系列调速器的研制成功，得到广大业内人士的瞩目和首肯，业绩已由2001年的黑河西沟电站18 MW的小机组，发展到2008年福建水口电站200 MW的大型轴流机组，已在柘溪、凤滩、水口、新安江等电厂300多台机组获得成功应用，并出口到缅甸、越南、土耳其及巴拿马、叙利亚等国，总装机台数已近400台套，有口皆碑，产品系列已涵盖了混流、轴流、冲击、贯流等机型。2010年在叙利亚迪士林（Tishrin）水电站6台105 MW水电机组获得应用，成功解决了困扰该厂10多年的抬机问题。黑河西沟电站调速器自2001年改造后从未检修，2009年预防性检查发现阀门磨损仅为预估量的20%，目前运行仍正常。表1列举了几个采用DVG2000系列调速器的电站以及三峡左岸电站机组调速器特性参数的比较。

3 OTS2000培训仿真系统

随着水电流域滚动开发和水电建设不断发展，水电厂新员工的培训任务越来越重。如何在不影响发电生产的前提下，使新员工能有更多的实际操作机会，提高培训效率，降低培训成本，早日上岗，水电站培训仿真系统是一个重要技术手段。目前国内培训仿真系统技术的总体发展水平仍十分落后，远未形成标准化的产品与系统，设计开发周期长，运行维护修改困难，与水电建设蓬勃发展的局面不相适应，与水电厂的监控系统在总体设计思路上也差距甚远。

为了解决上述水电建设过程中存在的问题，中水科技自主研发了OTS2000操作员培训仿真系统。该系统首先建立了一套标准化的水电站计算机监控系统被控对象的仿真模型，并定义了被控对象的描述语言SimuLog，开发了仿真语言的编译系统SimuGen和仿真器SimuEngine，实现了水电厂现场设备的仿真。SimuLog语言不仅可以仿真简单的状态量变化过程，也可仿真连续系统和非线形系统，并支持仿真任务的监视、管理与调度。OTS2000系统以H9000系统为前台，完成所有的人机联系，SimuEngine仿真器为后台，完成所有的发电生产过程的仿真。

OTS2000系统可以作为H9000监控系统的一个独立功能子系统，也可成为独立的培训仿真系统。根据系统的硬件结构，可分单机和多机模式。根据仿真器的配置情况，可分为纯数字仿真、现场仿真两种模式。如图2所示。

图2 OTS2000系统的配置模式示意图

纯数字模式的仿真器功能包括现场及LCU仿真，不需要另配LCU设备。现场仿真模式的仿真器只仿真现场设备的特性，仿真器以I/O的方式与LCU及监控系统进行互动。

纯数字仿真又包括分布模式和集中模式。分布模式是指仿真器按被仿真对象单元分布，如按机组单元、开关站单元以及厂用电及公用系统单元分别设置仿真器。集中式是指全厂设备的仿真均由一台仿真器完成。

多机模式下，可以形成多种互动仿真，如教员-学员互动、学员-学员对抗性互动等，使仿真培训更具有趣味性。

根据用户需要，OTS2000系统还可配置物理仿真设备，如在仿真系统中一台机组采用物理仿真，其他采用数字仿真。物理仿真可配置逼真的微型水轮发电机组、调速器、励磁系统、同期装置、保护、电网、油水风系统设备等，也可简化，如发电机用同步发电机代替，水轮机用电动机代替，油水风系统用可编程控制器代替等。采用物理仿真时，监控系统需配置机组现地控制单元一套，采集该机组有关设备的信号，并进行控制调节。

为满足不同用户的需求，实际的系统配置模式可以是上述模式的各种任意组合的混合模式。

OTS2000培训仿真系统已在三峡、白山获得应用。

4 SMA2000状态监测分析系统

SMA2000状态监测分析系统是中水科技2008年最新开发的产品，可作为H9000 V4.0功能子系统，也可与其它厂家的监控系统或监测数据采集设备配套使用。该产品密切结合水电厂安全运行及事故分析的需要，作为电力生产安全监视与记录的“黑匣子”，可广泛应用于水电厂、调度中心、火电厂、变电站等电力生产调度部门的安全纪录与故障分析，为电力系统事故原因分析提供了强有力的技术手段。

该状态监测分析系统以H9000 V4.0为基础，以Oracle 10g为后台数据库，采用B/S与C/S混合结构。该系统通过各机组、公用及开关站的数据采集监测及分析系统，在线监测设备的运行状况，分析设备的运行趋势，提供检修指导。监测与分析可在电站局域网内进行，也可通过互联网远程访问。具有特征值分析、比较分析、相关量分析、虚拟曲线分析以及数据挖掘技术等数据分析手段。

SMA2000系统在三峡右岸电站、三峡梯调中心等已投入运行（见图3），以其人机界面灵活友好、海量数据访问迅速获得一致好评，已成为三峡电厂运行监视和事故分析的得力帮手。

图3 SMA2000图形化数据界面示例

5 BSS-3卫星时钟同步系统

BBS-3系列卫星时钟同步系统支持GPS和北斗卫星系统，采用一、二级时钟系统的方案，支持双主机、双CPU配置，可满足大型发电企业及其他工矿企业对于时钟同步系统的输出接口规模及系统可靠性要求，已在三峡、葛洲坝、公伯峡、白山等电站获得应用，其中葛洲坝电站卫星时钟管理系统结构如图4所示。

图4 葛洲坝电厂全厂BSS-3时钟管理系统结构

三峡右岸电站监控系统设置一套全厂统一的BSS-3卫星时钟同步系统，不仅管理监控系统厂站层和各LCU的时钟同步，还向调速器、励磁调节器、保护等其它智能设备提供对时信号，在国内首次实现了水电厂众多智能设备和各种系统的时钟统一管理。一级时钟首次采用了双机热备冗余配置，在国内首次采用NTP网络方式完成监控系统有关设备的对时，如电站控制层各服务器、工作站，各LCU PLC的主时钟等，时钟精度达到10 ms。各LCU设置一台二级时钟，通过光纤接受一级时钟的时钟同步脉冲信号，为PLC的SOE提供脉冲编码和脉冲对时信号，满足SOE1 ms的要求，同时向调速器、励磁等其它智能设备提供对时信号。

为了满足智能化水电厂的技术要求，BSS-3系列卫星时钟目前开发的基于PTP的网络精确时钟对时技术，已在白山电厂智能化改造、800 kV糯扎渡电站至广东直流输电工程中获得应用。

6 结语

近年来，我国的水电自动化事业不断取得骄人的业绩，自主研发完成了以三峡右岸及地下电站为标志的700 MW巨型机组特大型电站计算机监控系统，溪洛渡、向家坝等巨型电站计算机监控系统正在开发的关键阶段，在水电自动化设计、开发、集成和应用技术方面，我们已经站在了世界水电自动化领域的前沿。但我们必须时刻保持清醒的头脑，中国的水电建设又迎来了新的建设高潮，“调控一体化”、“水电城市化”、智能化水电等新概念层出不穷，以计算机应用为特征的信息化技术、通信技术、智能技术更是日新月异，未来的竞争仍犹如逆水行舟，不进则退，需要不断开拓思路，不断探索创新，加强标准的研究，在水电厂状态检修、流域水能资源调度与高效利用、水电站控制新技术等领域进一步突破，为我国的水电建设和现代化事业做出应有的贡献。