五凌电力多流域梯级电站集中监控系统设计与应用

魏志鹏，万 元

（五凌电力有限公司，湖南 长沙 410007）

0 概述

五凌电力有限公司（简称五凌电力）先后在沅水流域建成五强溪、凌津滩、洪江、碗米坡、三板溪和挂治六座梯级水电站，在建的白市、托口两座水电站见表1。沅水流域已建在建电厂的总装机容量435万kW，湘江流域已建近尾洲水电厂6.3万kW，资江流域的马迹塘、东坪、株溪口水电厂共20.15万kW。贵州黔东火电厂（2×60万kW）已于2008年投产发电，位于长沙市北郊的黑麋峰抽水蓄能电厂（4×30万kW）于2010年10月投产发电。公司目前共有13座大坝，14个电厂，已投产容量579.46万kW，在建装机容量125万kW。

沅水全长1 050 km，落差1 035 m，流域面积90 000 km2，多年平均降雨量1 440 mm，年径流量643亿m3，径流量年际变化大，年径流量最大达1 012亿m3，最小仅363亿m3，同时年内来水分配不均，主汛期5～7月来水占全年的50%，月平均流量最大达4 363 m3/s，而最小仅为589m3/s。资江、湘江和澧水流域水文特性与沅水相似，对充分利用水能资源影响很大。

表1 五凌电力流域梯级电站特性表

1 建设必要性和可行性

五凌电力梯级水电站分散分布在湖南、贵州两省及沅水、资江、湘江流域，大都处于偏远山区，交通不便，员工回长沙基地路途较远。为改善员工工作条件，整合人力资源，提高企业凝聚力，实现流域电厂集中调度，提高经济效益，有必要实行电厂“无人值班、远程集控”的管理模式。五凌电力集控中心设置在公司总部长沙市，选择条件较好的碗米坡电厂作为试点，积累经验后再逐步推广，争取5年内全部接入。

国内从上世纪90年代中期开始进行“无人值班”（少人值守）水电站的建设与推广工作至今，经过十几年的建设和发展，“无人值班”技术已趋于成熟，电站基础自动化程度得到明显提高，越来越多的电站已具备按照“无人值班”（少人值守）的运行管理模式运行。近年来，随着流域电站光纤通信系统的建设，梯级电站与公司总部的电力或电信光纤通信带宽和可靠性得到了保证。目前，为充分利用水能，提高发电效益，减轻运行值班人员劳动强度，提高安全可靠运行水平，三峡调度中心、黄河上游、湖北清江、贵州乌江梯级、云南澜沧江、四川田湾河、国电大渡河等流域水电公司已先后建立了梯级集控中心或梯调中心，实现远方集中监控或调度，电站现场实现“无人值班”（少人值守）。

五凌电力梯级电站（除马迹塘电厂外）在设计上按“无人值班”（少人值守）进行设计，发变电设备运行稳定，自动化设备运行可靠，从电站投产发电以来一直实行“机、电、水”一体化运行值班。公司母体电站五强溪水电厂1999年12月通过国家电力公司“无人值班”（少人值守）验收，2000年9月被命名为“全国一流水电厂”。五凌流域梯级电站具备实施“无人值班、远程集控”良好的基础，系统建设借鉴流域水电公司先进的经验，并有一定创新，取得了显著成效。

2 集控中心工作定位与目标

五凌电力梯级电站集控中心按照华中网调，湖南省调，衡阳、益阳地调的调度要求以及沅水、资江、湘江多流域梯级电站“无人值班、远程集控”管理模式进行设计与应用，实现对黔东火电厂远程安全监视；代表公司与水文部门、气象部门、防汛部门、电信运营商等单位联系、协调；向中电投集团公司报送各类生产运营信息以及各类生产报表。系统建设预留小水电、风电等接入接口。

通过完成集控中心计算机监控系统、通信系统、电厂接入系统等的建设，实现对电厂信息的实时采集与处理、运行监视和远方集中控制，满足电厂现场“无人值班”，远方实时安全监控、经济运行和日常运行管理需要。2010年11月，碗米坡电厂率先实现了“无人值班、远程集控”，争取在三年内公司所属13座水电厂实现“无人值班、远程集控”，电站实现少人值守，夜间关门运行。

3 系统具有功能

集控中心功能主要包括对流域内各梯级电站的运行进行远方监视、控制和日常运行管理，各电站总负荷的经济分配（站间AGC/EDC功能），水资源的优化调度等。

集控中心自动化系统主要包括集中监控系统和流域梯级水调自动化系统，流域梯级水调自动化系统主要根据梯级来水情况及防洪、航运等其他要求，实现梯级水库的水务综合管理、流域水文预报、水库联合调度、梯级经济运行等。集中监控系统主要实现流域梯级电站的信息采集与处理、运行监视和控制（SCADA）、经济调度EDC、梯级AGC，自动电压调整（AVC）等，满足水电站操作控制、生产调度、集中监控需要；并满足有关调度部门通过本系统完成梯级各水电站的五遥（遥信、遥测、遥调、遥控和遥视）功能；接受上级调度下发的控制指令，实现梯级水电站及水电站群发电实时优化调度。

3.1 监视与控制

3.1.1 数据采集及处理

（1）直接采集各现地单元级LCU的各类实时数据，每个电厂侧配置两台集控接口通信机，集控接口通信机与电厂操作员站配置成一个采集队列，优先级高的负责采集并在局域网内广播，所有工作站网络同步接收，保证数据采集实时同步。电厂侧集控接口通信机通过IEC60870-5-104规约将采集到的数据送至集中监控系统远程通信机，远程通信机收到数据后在局域网内广播，操作员工作站等同步接收。

（2）自动生成各种实时数据库、历史数据库。

（3）事件自动记录处理。对各种事故进行自动辨识与记录，并将辨识的事故通过报警、报表等方式实时反馈给值班人员。

3.1.2 安全监视

能够对公司所属水电厂的水轮发电机组、机组辅助设备、调速器系统、励磁系统、变压器、断路器、隔离开关及接地开关、线路保护、公用设备、厂用电、进水口闸门、计算机监控系统设备及通信通道等的运行状态进行全面监视。

3.1.3 控制与调节

集控中心可实现远程开停机，负荷调整，开关、刀闸分合及重要辅助设备、AGC/AVC等控制与调节。

3.1.4 区域集控

集控中心设置五个操作员站，根据需要须实现13个电厂（设计达20个以上）监控功能,因此采用“区域集控”模式。考虑上、下游电站水力联系及效益最大化、电站装机台数、控制可靠性最高等要求，集控中心对现已建、在建13个水电厂拟分成五个区域进行集控：

1）三、挂、白区域：负责三板溪、挂治、白市电厂

2）托、洪区域：负责托口、洪江电厂

3）五、凌区域：负责五强溪、凌津滩电厂

4）东、株、马区域：负责东坪、株溪口、马迹塘电厂

5）碗、近、黑区域：负责碗米坡、近尾洲、黑麋峰电厂

集控中心的“区域值班员”对“区域”内的电厂进行远程集控，实现“一人一席一厂”到“一人一席多厂”的转换，集中监控系统的人机交互界面、综合报表、事故显示及筛选的设计均按照“区域集控”模式实施，功能上完全满足“区域集控”的要求。

3.2 系统通信

（1）与电力调度通信中心的通信

调度通信中心与集控系统实现信息交互，集控中心将各个电厂的运行信息实时地反馈给电力调度通信中心，并且接受调度通信中心的AGC、AVC及其他控制指令。

（2）与单元级各LCU进行通信

与梯级电站LCU通信，实现“遥测、遥信、遥控、遥调”功能。

（3）与其他系统通信

实现与流域梯级水调自动化系统、继电保护运行及故障信息管理系统、电能量计量系统、安全稳定控制管理系统、发电及检修计划决策系统、状态监测及分析系统、集中式生产管理系统等各总站系统通信，实现信息交互与共享。

与视频监控系统通信实现“遥控”与“遥视”智能联动。

3.3 集控AGC/AVC

根据电网调度机构指令，对集控电厂机组的有功/无功出力进行自动分配，实现经济优化运行。

集控AGC有三种方式：

（1）调度下达电厂总负荷到集控中心，集控AGC分配负荷至机组，集控系统下发到电厂机组执行。五强溪、三板溪等网调直调电厂采用此方式实现。

（2）调度下达电厂总负荷直接到电厂，电厂AGC分配负荷到机组，集控中心负责电厂AGC的操作（如AGC功能、机组成组的远程投/退等操作）。碗米坡、挂治等省调直调电厂采用此方式实现。

（3）调度下达流域总有功到集控中心，集控EDC/AGC分配负荷到流域各电厂机组，集控系统将指令下发到各电厂机组执行。远期拟采用此方式。

集控AVC有如下两种方式：

1）调度下达电厂母线电压给定值等指令到集控，集控AVC分配无功值到机组，集控系统下发到电厂机组执行。五强溪、三板溪等网调直调电厂采用此方式实现。

2）调度下达各电厂母线电压给定值等指令直接到各电厂，电厂AVC计算分配无功值到机组，集控中心负责电厂AVC远程投/退等操作。碗米坡、挂治等省调直调电厂采用此方式实现。

3.4 历史数据及WEB、趋势分析功能

安全I区配置两套历史数据库系统（采用ORACLE 11g），通过数据库表优化设计及数据压缩技术，系统能保存一年以上秒级数据量。

安全II区配置报表工作站，安装HReport报表软件及SMA2000状态监测软件，通过硬件防火墙安全访问安全I区历史数据库。HReport可快速生成电厂生产报表，并对其进行方便、有效的管理及查阅。SMA2000状态监测分析系统是一个海量历史数据存储、管理分析系统，实现电站设备运行状态的在线监测，故障分析与追忆，及时发现设备可能存在的安全隐患，为检修决策与故障分析提供依据。

安全III区配置WEB数据服务器及WEB发布服务器，实现web发布功能。系统画面可自动转换为SVG格式在WEB站点上展示及动态缩放，可提供多种动态效果。

4 系统总体结构

4.1 系统总体结构设计

五凌电力实现“无人值班、远程集控”的支撑系统主要包括：通信网络系统、计算机监控系统、流域水库调度自动化系统、电能量计量系统、安全稳定控制管理系统、继电保护及故障录波管理系统、视频监控系统、状态监测系统、集中式生产管理系统等。各系统按照电力二次系统安全防护要求分属在不同安全区域。其总体结构图见图1：

图1 系统总体结构图

4.2 集控中心站结构

集控中心计算机监控系统采用开放分层分布式系统结构，可分为生产信息查询层、控制层、非控制层和接入层，相应的集控中心监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。网络安全与设置完全满足国家经贸委与电监会“关于电力系统二次安防”的规定。

生产控制网采用千兆以太网双网结构，配置2台千兆以太网交换机，生产控制网内的服务器和工作站等设备采用热备用冗余配置的方式与两台交换机连接。生产非控制网配置1台1 000 M以太网交换机，用以连接仿真培训和专家系统站、语音报警及ON-CALL系统工作站、报表管理工作站、远程维护和诊断服务器及流域梯级水调自动化系统内网交换机等。生产管理信息网配置1台1 000 M以太网交换机，主要连接WEB发布服务器、WEB数据服务器及流域梯级水调自动化系统外网交换机等有关设备，并通过防火墙与公司管理信息系统连接，实现电站监控WEB发布功能。

为了实现安全隔离与信息安全，生产控制网与生产非控制网配置2套防火墙装置隔离，生产管理信息网通过网络安全隔离设备与集控中心生产控制网连接。

接入网包括与调度数据网及远程集控电厂的接入网，均采用100 M以太网双网结构，接入交换机共4套，其中2套与中心站远程通信机相连，实现与远程集控电厂的数据通信，另外2套分别与远程调度系统相连，实现与上级调度机构数据通信。为了确保远程通信安全，在集控中心站与通信对侧（远程集控电厂、电网调度）均安装了纵向加密认证装置。集控中心计算机监控系统电站接入网采用主、备用通道传输数据，主用通道采用1×2Mbit/s电力光纤专用通道（E1 G.703接口），备用通道采用1×2 Mbit/s电信光纤专用通道（E1 G.703接口）。

作为远程集控的核心系统，包括实时监视子系统、经济安全运行子系统、信息交互子系统等。其中：

（1）实时监控子系统--实现对远程水电厂实时数据采集、综合数据计算、开/停机控制、顺序控制、负荷调节、事故追忆等。

（2）经济安全运行子系统--根据调度机构的要求，实现水电厂远程自动发电控制（AGC）与自动电压控制（AVC）；根据电厂保护信息、机组振动区等，优化机组负荷分配，在确保安全的基础上，提高经济效益；力争实现上下游电厂匹配经济运行与流域联合经济调度。

（3）信息交互子系统--与流域水调自动化系统通信，实现水电厂及流域经济运行；与集中式视频监控系统通信，实现“遥控”与“遥视”智能联动；与状态监测系统通信，实现数据共享与集成数据分析。

4.3 集控数据网结构

集控中心与电厂之间利用集控数据网进行数据通信。集控数据网采用二层结构，核心层设在集控中心，采用两台高性能的核心路由器；接入层在各个电站，每个电站配置两个接入路由器。集控数据网络采用主、备用专用通道传输数据，主用通道采用电力光纤1×2 Mbit/s专用通道（E1 G.703接口），备用通道采用电信光纤1×2 Mbit/s专用通道（E1 G.703接口），电信光纤传输通道优先级低于电力光纤传输通道，当电力专用通道中断时，电信专用通道在设计时间内切换为主运行通道运行，一旦电力光纤专用通道恢复正常，电信专用通道自动还原为备用。

集控数据网传输集控中心与各电厂的计算机监控系统、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子站等业务应用系统。划分为实时VPN和非实时VPN两个通道，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（见图2）。

图2 集控数据网结构图

4.4 电站接入系统结构

电厂计算机监控系统通过集控数据网主、备通道与集控中心连接，实现远程网络通信。每个电站配置2套远控通信站（分别为：主用A站与备用B站）、3台接入网交换机、2台接入路由器、2台纵向加密认证装置、1台硬件防火墙等设备实现安全接入。其中，纵向加密认证装置实现实时VPN数据的加密认证，硬件防火墙实现非实时VPN数据的纵向安全隔离。为保证数据传输的安全性，电厂接入系统数据传输的优先级依次为：A站电力专用通道、B站电力专用通道、A站电信专用通道、B站电信专用通道。

5 系统特点

（1）五凌电力集控中心具有“跨省、跨调度、跨流域、多电源类型”的特点，且电厂数目众多（共14个电厂接入），在国内没有任何先例可以借鉴。

（2）采用“区域值班员”的概念，系统共设5个“区域值班员”，单个值班员可监控隶属不同调度关系的2-3个电厂。

（3）集中监控系统与电站监控系统、泄洪闸门控制系统统一采用IEC60870-5-104规约通信，解决不同电站监控系统（南瑞自控公司EC2000系统、奥地利ELIN公司SAT250系统、西门子SPA-3000系统、ABB公司AdvantOCS控制系统等）及泄洪闸门控制系统的兼容性问题。利用集中监控系统实现电厂泄洪闸门的远程监控。

（4）系统硬件平台建立完全遵循国家经贸委及电监会关于“电力系统二次安防”的规定，并以“安全分区，网络专用，横向隔离，纵向认证”为原则，核心服务器加装了UNIX操作系统核心加固软件，利用硬件防火墙实现安全Ⅰ区、Ⅱ区的隔离，利用正反向物理隔离装置实现安全Ⅰ、Ⅱ区与安全Ⅲ区的隔离，利用纵向加密认证装置实现与电网调度和电厂通信的信息加密，提高了系统病毒免疫力，并加上系统本身安全可靠的操作控制策略，从硬件及软件上保证了系统的安全可靠性。

（5）系统采用多TCP/IP连接并行工作模式及主进程+多子进程+多线程等多种技术，具有强大的SCADA数据采集功能、安全可靠的操作控制策略与完善的系统应用功能，满足电网以及电厂各种需求；拥有灵活的智能报警功能与完善的重复报警处理机制，所有系统内计算机间通过通信协调完成系统全部任务，降低了单个计算机设备软件维护与管理的复杂度。

（6）集控中心操作员站采用高可靠性的无主对等模式，集控中心与电站通信机采用双机冗余热备用及电力、电信双冗余专网通道；全冗余的双光网络通信，通过自动冗余切换实现主备设备间安全无缝切换，保证集控任何节点只要有一个网络正常即可实时收到全部数据和控制，确保了整个集中控制系统的稳定性和可靠性。

（7）首次采用粒子群人工智能模型进行AGC/EDC有功优化分配及采用自适应自学习算法求解有功频率调差系数和无功电压调差系数等方法，提高发电效率3%以上。

6 总结

五凌电力多流域梯级电站集中监控系统采用分层分布式结构，易于扩充与维护，与多个生产信息系统通信，实现信息共享与集成。采用高可靠性无主对等集成模式，确保单个系统发生故障时其他系统不受其影响。系统具有“跨省、跨调度、跨流域、多电源类型”的特点，2010年4月，完成集控中心站软硬件系统安装调试，2010年5月至8月，相继完成碗米坡、三板溪、挂治、五强溪等电厂接入设备安装与初步调试工作。碗米坡、挂治、三板溪水电厂分别于2010年11月、2011年4月、2011年5月实现“无人值班、远程集控”试运行。预计2012年五凌电力所属13个水电厂全部实现远程集控功能后，共可减人130余人，在实际应用过程中将取得了良好的运行效果。

[1]谭文胜.关于推行水电厂“无人值班、集中控制”若干问题的思考[J].水电站机电技术，2010.(3)

[2]施 冲，朱 辰，方辉钦，等.水电厂计算机监控系统技术发展趋势分析[J].水电自动化与大坝观测，2002，26（6）：1-4.

[3]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.

[4]魏志鹏.五凌电力流域梯调系统建设经验点滴[J].水电站机电技术.2008.(3):58-59.

[5]刘晓波.水电厂计算机监控系统发展趋势探讨[J].水电厂自动化,2007,(04).

[6]DL/T578-2008.水电厂计算机监控系统基本技术条件.[S].

[7]国电发[2002]685号文.国家电力公司水电厂无人值班的若干规定[Z].

[8]国电安生（1996）484号文.电力部水电厂“无人值班”（少人值守）的若干规定[Z].