巨型梯级水电站群远程集中监控系统的设计与实现

谭 华，张明君，刘 俊，洪 浩，翟少军，曾旭川，海 晨

（三峡梯调通信中心成都调控中心，四川 成都 610041）

金沙江河段全长约783 km，落差约729 m，下游河段水量大、落差集中，是金沙江流域乃至长江流域水能资源最丰富的河段，由上至下依次规划建设乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝4个梯级大型水利枢纽，4个梯级枢纽总装机容量约4000～4600万kW，年发电量约1960亿kW·h，是我国重要的水电能源基地。

通过对国内、外流域梯级水电站调度管理模式的调研、分析、比较，结合溪洛渡、向家坝水电站的调度运行特点及生产管理方式，中国三峡集团公司提出在成都建立远程集中调控中心，采用 “调控一体化”调度管理模式，实现梯级电站安全、经济运行和科学管理。如何结合当今先进的科学技术在可靠、安全的前提下，构建好一个创新、高效、全面的超大型梯级水电站群集中监控系统以保障梯级电站 “调控一体化”调度管理模式的顺利实施，是需要深入研究的重要课题。

1 成都远程集控中心系统建设的特点和难点

（1）所辖电站规模庞大，系统地位突出。成都调控中心所调控的金沙江下游梯级枢纽溪洛渡电站设计装机容量1386万kW，向家坝电站设计装机容量640万kW，均为超大型水电站，其安全、稳定运行直接影响国家电网和南方电网的稳定运行，系统地位极为突出。

（2）数据通信规模庞大。溪洛渡水电站监控系统数据通信测点规模预计为15万点，向家坝电站监控系统数据通信测点规模预计为5万点，成都调控中心监控系统 （以下简称:成都监控系统）数据通信点的规模将超过20万点，海量的数据通信对系统的实时性、运行监视和历史数据的存取均提出了全新的挑战。

（3）“调控一体化”调度管理模式。为了保证“调控一体化”调度管理模式的可靠运行，成都监控系统以 “信息上得来、信号看得住、设备控得稳”的技术要求为主线，全面满足梯级枢纽电站远程集中监视、控制、调度对可靠性、实时性、安全性、准确性的高度要求。

（4）复杂的调度运行要求。成都监控系统在满足 “调控一体化”的基本要求 “调度、监视和重点控制”的同时，还要面对溪洛渡电站 “一厂两调”、“孤岛运行”以及向家坝枢纽苛刻的航运要求等众多复杂难题。

2 设计与实现

2.1 功能设计

成都监控系统的任务是对梯级枢纽内各电站及泄洪闸等设施的运行情况进行远方监视及控制，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。成都监控系统采用全开放的分层分布式网络结构，全分布式无主对等数据库管理体系，系统各节点功能应能灵活地分配与调整，即监控系统功能分布在系统不同的功能节点计算机中，每个功能结点严格执行指定的任务，并通过局域网 （LAN）实现联结。对于重要的功能节点，计算机采用冗余配置。监控系统结构示意见图1。

2.2 主要技术实现

成都监控系统的主要功能有:数据采集及处理、安全监视与智能报警、控制与调节、发电调度与经济运行、系统通信、系统诊断、离线开发与仿真培训等。

2.2.1 多通道、多规约、多数据源的集群通信技术

成都监控系统与梯级电站面对近20万个点的数据通信需求，以及近万点的控制命令的巨型规模要求，结合金沙江梯级巨型电站海量数据的特点，在国内率先提出了 “多通道、多规约、多数据源”集群通信技术，以保证海量数据的安全、高效、可靠地传输，在大幅提高通信可靠性的同时，节约了投资成本上百万元。监控系统集群通信结构见图2。

图1 成都监控系统结构示意

（1）多通道。成都监控系统采用多通道与溪洛渡电站、向家坝电站计算机监控系统进行数据通信:两条主用通道 （即A/B通道）采用金沙江光传输环网的两条完全独立的传输通道，带宽100 Mb/s光纤通道，信息传输采用100 Mb/s以太网接口；备用通道采取租用四川省电力通信网带宽的方式，且租用电路所使用光缆与金沙江光传输网采用不同路由，租用的带宽独立于金沙江光传输网运行，称之为C通道，带宽100 Mb/s光纤通道，信息传输采用100 Mb/s自适应以太网接口；应急通道采用集团公司内部组建卫星通信系统，利用该系统，将溪洛渡、向家坝电站和成都调控中心之间的数据信息实时进行传递，称之为D通道，即卫星通道，采用IEC60870-5-104规约，信息通过网口传输。正常情况下，值班通道作为主通道传送数据，备用通道做为主用通道的比较数据，用于和主用通道数据进行校验纠错，当主用通道中断时，该通道数据即升级为主用数据。

（2）多规约。成都监控系统与所属梯级电站监控系统之间数据通信A/B主用通道采用IEC60870-5-104规约，备用C通道采用TASE.2规约，卫星应急通道采用IEC60870-5-104规约。

（3）多数据源。主通道数据作为成都监控系统的工作数据源，其他通道数据做为备选数据源。

（4）数据采集服务器集群技术。对每一数据源定义一组不同的服务器队列，正常情况下由队列中的第一台服务器完成通信功能。当其故障时，依次由队列中的服务器接替工作。这样将同一厂站不同通道和不同厂站的通道动态均分在多台服务器上以实现负载均衡。各台服务器同时工作，分担负荷，相互热备。

2.2.2 智能监视与报警技术

金沙江梯级电站有效监视点将近20万，规模巨大，如按传统做法对事件与报警信息不采取智能措施，出现遗漏重要信息的可能性很大，对梯级电站调控一体化的运行管理将带来极大的不安全因素。对此，针对远程监视的安全职责要求，以及对海量数据，特别是重要信号的有效监视要求，同时又满足减轻值班人员值班监视的劳动强度要求，成都监控系统采取多种技术和措施，如监视分级、自动巡检、智能报警、智能检索、动态着色、流程监视、工况识别、事故回放等，来完善值班人员对设备运行的安全监视职能。

（1）运行监视分级。成都监控系统根据值班管理的要求，通过权限的分配设置，将一部分操作员站应用于梯级电站设备的综合监控与运行管理，另一部分操作员站专用于溪洛渡或向家坝电站设备监控与运行管理，以达到安全、高效的生产管理目标。

（2）自动巡检功能。值班人员可以根据生产需要，自定义巡检内容及巡检周期，主要对值班人员所关心的重要设备故障事故报警、控制调节操作、人工强置数据、测点投退、报警屏蔽等信息进行检测，并自动生成巡检记录。

图2 成都监控系统集群通信结构示意

（3）智能报警平台。智能报警平台根据既定策略对 “前台报警”信息进行智能化处理，如采用相关量分析与报警控制策略，首先将生产过程按设备单元或系统以及服务对象划分为组，在组内的设备运行状态与参数信息具有相关性，这些具有相关性的信息称之为相关量。相关量分析与报警控制策略即按照设备监控的目的，将相关信息按照源发、伴生和结果进行分类并赋予它们不同的报警控制级别，在一定的时间区间内，报警控制将按照优先级别进行 （特别是语音报警），低级别故障信息只进行记录，从而有效提高报警信息质量。设置专用报警信息窗或报警信息显示器，仅对值班人员关注的设备故障事故信息进行有效报警。

（4）工况跟踪。机组特性曲线图画面可以实时显示机组的当前运行区间 （禁止运行区、限制运行区和稳定运行区等，自动计算当前机组效率和全厂效率。

目前成都监控系统已接入溪洛渡、向家坝电站总数据的一半左右，40 min内产生监视事件6000条，到梯级电站完全投运时，监视信息量将在目前基础上翻倍，实际运行效果良好。

2.2.3 控制与调节

成都监控系统每天的控制操作将达到上百次，这对系统控制与调节功能的安全性、可靠性提出相当苛刻的要求。系统对于所有命令操作，在下发指令前都要进行控制调节权限判断。电站侧增加 “厂控/集控”权限判断，现地控制单元 （LCU）增加“厂站控制/集控控制/调度控制”控制权限及 “厂站调节/集控调节/调度调节”调节权限判断。当全厂控制权切 “集控”，集控可以对控制权和调节权进行切换。LCU控制权切 “集控”，集控才能对该机组进行控制；机组调节权切 “集控”，集控才能对机组进行调节。控制和调节权满足后，操作还需进行闭锁条件判断，只有闭锁条件满足，命令才能下发。

电站侧通信服务器接受到集控命令，需进行权限及闭锁条件判断，只有满足条件的命令，才会下发到LCU执行，如果条件不满足，该命令被丢弃。

成都监控系统以溪洛渡、向家坝梯级电站监控系统的调节控制功能为基础实施远程控制和调节。其主要控制范围包括机电设备中的发变组及其辅助设备、GIS及出线；公用排水系统；水工建筑中的机组进水口闸门、泄水闸门。调节范围包括全厂负荷、左/右岸电站负荷、单机负荷 （包括有功和无功）。

2.2.4 梯级AGC/AVC

梯级AGC的主要任务是根据上级电力调度对梯级电站的发电要求，考虑梯级枢纽各方面综合利用的要求及梯级各电站的运行情况，在电网允许的负荷变化范围内，对梯级电站的发电进行优化调度，使梯级发电总功率在梯级各电站间进行经济合理的分配，给定梯级各电站日发电曲线或当前时段的发电总功率或各机组功率，实现梯级发电的经济运行。梯级AGC包含两个部分，一部分将梯级总有功分配至各电厂或将各电厂总有功给定值转发给电厂，由电厂AGC执行；另一部分是将各电厂总有功给定值分配至机组，通过梯调与电厂通信系统，下发至机组LCU执行。后一部分只有在电厂AGC退出，梯调AGC直接分配至机组时才会启用。

梯级AVC（自动电压控制）用于各梯级电站电压监视节点的自动调节，确保控制点母线电压在规定的范围之内。梯级AVC分为两种方式:①将梯级总无功分配至各厂站或将各厂站总无功 （母线控制电压）转发给电厂，由电厂AGC执行 （全站方式）；②将上述各厂站总无功定值分配至机组或按设定母线电压控制分配至机组，通过梯调与电厂通信系统下发至机组LCU执行 （单机方式）。

成都调控中心梯级AGC所调节的负荷容量巨大，AGC的调节安全性对国家电网以及南方电网的安全稳定影响很大，所以，为了确保安全，采取梯级AGC与电站AGC联合运行、梯级AGC单独运行、远程控制电站AGC运行等多种运行方式，最终将根据试运行后的实际情况选择运行方式。

2.2.5 水电联合闸门控制功能

水电联合闸门控制主要原则:水调自动化系统负责闸门命令单的生成，成都监控系统负责闸门命令的接收、解析、确认、执行与结果反馈。主要功能框架见图3。

图3 水电联合闸门控制功能示意

成都调控中心通过其首创的水电调联合闸门控制功能设计，成功实现了远程集控溪洛渡电站7个表孔、8个深孔闸门，向家坝电站12个表孔、10个中孔闸门的能力，通过实际运行效果看，成功率为100%。

2.2.6 应急补水控制功能

向家坝枢纽下游航运要求水位小时变幅不能超过1 m，这对向家坝水电站机组负荷大幅变化时如何及时保证下游航运的安全提出了更高的要求。成都监控系统为此专门开发了向家坝水电站机组负荷大幅变化时自动应急补水控制功能，即:控制程序平时运行在监视状态，实时跟踪电站总出力，根据出力、耗水率与流量的换算公式计算出电站总发电流量，并加上闸门的出库流量计算出电站总出库流量，再根据下游流量-水位曲线换算成下游当前计算水位，最后统计出当前30 min内最大的出库流量及对应的下游计算水位作为基准流量和下游基准水位。若当前下游计算水位相对于基准水位的下降幅度超过了设定阈值，或当前出库流量低于因航运要求需要保障的下游最小流量，即认为需要进行补水操作，程序进入到补水状态，计算出补水流量，根据补水流量和当前闸门状态以及一系列闸门分配原则推算出闸门操作预案 （参与补水的闸门、设定开度），并自动推出应急补水联控画面，将相关信息和操作预案等显示在补水联控画面上，等待运行人员进行修改、确认或取消。

补水程序在收到 “确定令”后根据闸门启闭约束条件逐一下发闸门操作命令，并在所有闸门操作结束后退出补水操作状态，清除闸门操作建议，恢复监视状态。补水程序在收到 “取消令”后退出补水操作状态，清除闸门操作建议，恢复监视状态。

2.2.7 一体化维护管理工具

成都监控系统创新地提出了基于网络的、跨平台的、一体化的管理工具，通过该工具的实现，维护人员不再需要记忆大量的系统命令，通过统一的人机界面，可交互式完成巡检及维护工作，也可根据维护人员自定义巡检内容模板完成系统自动巡检，降低了人为疏忽因素造成的故障，大大地降低了人力成本，使巡检与维护变得简单且全面深入，在节约资源消耗的同时，大大提高了计算机监控系统维护工作的可靠性、科学性、简便性及全面性。实现了对整个计算机监控系统局域网内设备 （包括主机、交换机、路由器等)的实时监控、远程管理与诊断、操作系统的报警及错误日志信息管理及分析、应用程序报警及错误日志信息管理及分析、数据库报警及错误日志管理及分析、应用程序的远程启动与终止、UPS电源系统的运行状态监视、UPS电源系统报警及错误日志管理及分析、文本及画面文件的同步、自动巡检功能等系统维护管理工作，最终达到在局域网内任意一台工作站或服务器上就能够完成对整个系统的管理。

3 结 语

2012年8月，成都监控系统与向家坝电站监控系统通过IEC104规约实现了数据通信，并实现了与水调自动化系统数据交换、闸门控制、发电计划等功能。2012年9月，成都监控系统成功完成了对向家坝电站GIS断路器、隔离刀闸、接地刀闸的远方分合试验以及8F的远方联控试验。2012年10月成都监控系统实现了与国家调控中心等多个电网调度机构的数据交换功能。从2012年11月至2013年7月，成都监控系统总共执行近2万次的GIS控制、闸门控制、机组开停机、机组辅助设备控制以及机组有功、无功调节操作等各类操作，期间，没有出现一起通信数据完全中断、事故情况下数据记录丢失、控制操作错误动作等重大事故。

2013年成都监控系统还将实现对溪洛渡电站10台机组、向家坝电站3台机组的远方集中监控的功能，2014年将全面完成对溪洛渡、向家坝电站的监视、控制与调度功能。

通过对成都监控系统的开发、调试、运行的成功实践与总结，对超大型梯级水电站群集中监控技术的发展有了更深的认识和体会:

（1）建立规范的国际或国家的流域梯级枢纽集中监控技术的标准，将会有利于减少或消除当前流域梯级枢纽集中监控技术中安全性、实时性、可靠性的瓶颈。

（2）流域梯级枢纽集中监控技术的发展将大大提高流域梯级枢纽的综合效益，同时，也会促进流域梯级枢纽运行管理模式的科学创新，促进人力资源高效、合理的分配与利用。

（3）积极推动流域梯级枢纽集中控制中心各自动化系统以及与各电站自动化系统之间的一体化系统集成技术的发展，是未来流域梯级枢纽集中控制技术的可行方向。

（4）在系统设计、开发以及实施阶段，集控中心与电厂共同组成开发团队，按照统一的、标准化的技术规范构建数据库结构、画面等，形成整体的安全控制体系，这将极大地降低建设、调试与维护成本，并使安全性得到较大提高。