金沙江下游成都调控中心电调自动化系统研制与实施

王峥瀛，韩长霖，刘德龙

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

金沙江下游成都调控中心电调自动化系统研制与实施

王峥瀛，韩长霖，刘德龙

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

摘要：基于H 9000CAS系统平台开发的金沙江下游成都调控中心电力调度自动化系统，历经近4年的研制与实施，开创了三峡公司金沙江下游区域巨型机组电站群远程“调控一体化”与电站接机发电同步实施，并且无一例误操作发生的历史。本文对该系统的实施过程、设计思路、原则以及主要特点进行了介绍，并对未来梯级集控技术的发展方向进行了探讨。

关键词：梯级调控中心；电力调度自动化系统；H9000CAS；调控一体化

0　引言

金沙江下游成都调控中心电调自动化系统是一个规模庞大的系统工程，从2007年起开始可行性研究，在系统初步设计阶段即多次组织国内外本行业专家进行方案评审及咨询，吸取专家同行的建议，并结合我们多年在水电控制领域积累的经验，针对成都调控中心实现“调控一体化”及与电站同步接机发电的特点，我们研制开发了H9000CAS梯级调度自动化系统，本文对这一研制成果及实施过程进行了简要的介绍。

1　工程介绍

金沙江下游河段水量大、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，河段全长约783 km，落差约729m，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4 000~4 600万kW，年发电量约1 960亿kW·h，是我国重要的能源基地。根据三峡集团公司计划安排，在成都设立金沙江下游梯级调度中心电调自动化系统，对金沙江下游的溪洛渡枢纽电站、向家坝枢纽电站和重庆河段电站进行远方集控和调度。此外在重庆河段还计划建设小南海、石硼和朱杨溪的3个梯级电站。

溪洛渡水利枢纽电站位于四川省雷波县与云南省永善县交界的金沙江干流上，距下游宜宾市约184 km（河道里程），电站分设左、右岸2个地下厂房，各布置9台770MW混流式水轮发电机组。左岸电站接收国家电力调度中心及备调、华中网调和四川省调及其备调的调度,右岸电站接受南方电网总调度中心及备调、云南省调及备调的调度。电站总装机1386万kW，为世界第三大水电站。工程于2005 年12月正式开工，2013年6月首台机组发电，2014 年7月全部机组投入商业运营。

向家坝水电站是金沙江下游梯级开发中最末的一个梯级，坝址位于川滇两省交界的金沙江下游河段上，左岸为四川省宜宾县，右岸是云南省水富县。电站下距宜宾市区33 km。向家坝水电站的开发任务以发电为主，兼顾防洪、改善通航条件、灌溉，同时具有拦沙和为溪洛渡水电站进行反调节等作用。电站左右岸各装机4台单机容量80万kW的混流式水轮发电机组，为世界上最大的水轮发电机组，总装机容量640万kW。工程于2006年11月主体工程正式开工，2012年首批机组发电，2014年7月全部机组投入商业运营。

金沙江下游成都调控中心电调自动化系统采用北京中水科技开发的H9000CAS系统。本项目的主要内容包括成都区调中心电调自动化系统、统一时钟平台、电源系统、机房动力与环境监视系统、KVM系统、电力二次安全防护体系等系统软硬件的设计、制造、集成、安装、调试、投运工作。

其中，电调自动化系统为实现金沙江下游电站群远方“调控一体化”的核心组成部份，包括：主站监控平台、对外通信平台、应用与培训平台、离线调试平台、厂站信息同步平台、内部数据交换系统、上级调度接入系统、大屏幕显示系统等。统一时钟平台通过GPS时钟与北斗时钟互为热备，为成都区调所有自动化系统（包括：水情、气象、电量、安稳、保护、相角、行波测距等系统）提供统一的高精度授时功能。KVM系统对各自动化系统服务器、工作站、网络设备等进行集中统一管理和访问。电源系统为各自动化系统提供不间断电源供给。机房动力与环境监视系统为各自动化系统机房提供运行环境及用电环境检测。电力二次系统安全防护体系建设为各自动化系统提供了完整的信息安全防线。

2　实施过程

项目合同于2010年12月6日签订，由于本项目为国内首次对如此规模巨型机组群实现远程全面调控，需要根据项目的需求，对H9000CAS系统从性能提升、智能化、人性化等各方面进行全面的升级完善，所以，公司以技术开发部骨干为核心组建了项目小组，项目正式启动。

系统研制过程中，历经3次设计联络会及多次专家交流及方案评审会，尤其是2011年5月至10月，成都区调、溪洛渡电厂、向家坝电厂3个单位的技术骨干集中在北京参与项目的联合开发，为系统功能的切合实际需求打下了坚实的基础，并为一年后高强度的现场调试、投运过程做好了充足的准备。

2011年10月25日，系统按时通过出厂验收，新一代面向“调控一体化”的H9000CAS监控系统正式推出，紧张而有序的现场安装调试工作也随即拉开帷幕。2011年11月21日设备抵达现场，开始现场安装调试，2011年12月23日设备开始带电运行。

2012年8月，与向家坝电站监控系统同台、同步调试工作启动，2012年11月5日，向家坝首台机组7号机投入商业运营，11月12日交付成都区调调控。2014年7月7日，最后一台机组交付成都区调调控。

2013年6月，与溪洛渡电站监控系统同台、同步调试工作启动，2013年7月15日，溪洛渡首台机组13号机投入商业运营，7月25号交付成都区调调控。2014年6月30日，最后一台机组交付成都区调调控。

期间，成都区调中心在“边调试、边运营、边完善”的复杂环境中，平均每半个月接入一套现地控制单元（LCU），每个月实现1.2台巨型机组远程全面调控，调控中心全面参与从无水调试、有水调试、并网发电到接入在线系统运营的全过程，其远程监控覆盖范围及接管速度开创历史之先河，并且，无一例安全事故发生，安全保障的技术及管理措施为类似项目的实施提供了宝贵的经验。

在项目的设计、开发和实施完善过程中，我们针对巨型电站群“调控一体化”的高可靠性、安全性、实时性及海量采集数据的需求，广泛采用高可靠的系统冗余技术、负载均衡技术、海量数据处理技术、多重控制闭锁技术及智能平台管理技术进行系统总体设计和研究开发，经过三年多的不懈努力，系统功能及性能得到了全面的升华。在高可靠性集群通信系统、海量数据处理、智能报警、厂站配置信息实时同步、控制中心与厂站同步调试、梯级自动发电控制以及对向家坝水利枢纽下游发电航运实时优化控制等方面实现了重大技术突破，全面解决了巨型机组电站群远程集控在安全可靠性及系统实时性能等方面的技术难题，为巨型机组电站群实现远程“调控一体化”运行管理提供了坚实的技术保障。

3　项目特点

该项目有着以下几个特点：

1）所辖电站规模庞大，系统地位突出

金沙江下游梯级成都区调中心所辖的溪洛渡水利枢纽电站设计装机容量1 386万kW，年发电量640亿kW·h，向家坝水利枢纽电站设计装机容量640万kW，多年平均发电量352亿kW·h。这两个电站的安全、稳定运行关乎国网和南网的稳定，系统地位极为突出。

2）“调控一体化”调度管理模式

“调控一体化”模式要求区调中心能通过电调自动化系统及时、全面、准确获得电站的信息。原则上成都区调中心应具备电站现地的实时性及控制范围，同时由于远程监控及多厂站监控的要求，“防误”及智能报警等功能较电站监控系统有着更高的要求。

3）测点规模

向家坝规模为8万点，溪洛渡规模为16万点，成都区调的规模在30万点左右，海量的数据对系统实时性、历史数据存取、有效信息智能筛选等技术提出了新的挑战。

4)“边调试、边运营、边完善、高强度”工作模式

系统投运将伴随溪洛渡、向家坝电站的高强度接机发电过程（溪洛渡电站从首台机组投运至18台77万kW机组全部投运仅13个月时间），如何保证在高强度、多工作面的调试过程中，不影响到运营机组。并且，随着处理信息量的增加，需求的调整，系统软件也需进行相应的调整、完善、优化，这一工作模式对电调自动化系统实施过程中的管理水平、技术手段提出了极高的要求。

5）分属国网、南网调度

由于溪洛渡左、右岸电站分属国网、南网调度，成都区调中心需要同时接受国网及南网的调度指令，为流域优化调度工作提出了新的挑战，也给调度员的工作增加了复杂度。

6）世界一流的总体目标

按三峡总公司的规划，成都区调中心应建设成为世界一流的梯级调度控制中心，作为实现这一目标的重要组成部分，电调自动化系统的建设对设备提供商提出了极高的要求。

4　系统设计原则与关键问题

针对金沙江下游巨型机组电站群，远方“调控一体化”以及与所辖电站同步投运对电调自动化系统的要求，在充分识别项目特点及难点的基础上，提出面向巨型机组电站群“调控一体化”的新一代电调自动化系统的设计原则和开发方向。

4.1需研究解决的关键技术问题

根据本项目的特点和难点，成都区调电调自动化系统需重点研究解决的关键技术问题包括：

1）基于多重冗余技术的软、硬件架构，以满足“调控一体化”高可靠性的需求，所有关键节点均应实现冗余，不存在单点故障；

2）高可靠性厂站通信系统，以满足海量数据采集的可靠性、实时性、优先级传输，并能应对“边调试、边运营、边完善、高强度”的工作模式；

3）海量数据的处理能力，解决海量数据传输、历史存储的问题；

4）海量信息的智能筛选和可视化技术，解决海量信息在人机界面的分类展示问题，将最有价值的信息及数据分析结果推送给用户，避免运行人员湮没在海量信息中；

5）安全控制，在集控中心远程对电站群进行控制、调节，防止误操作的设计较之在电站本地操作更加重要；

6）梯级AGC/AVC及优化调度，对于同一河流上的梯级电站，水力联系紧密，联合经济调度能实现水能利用最大化，同时避免机组频繁调节，提高机组的运行效率；

7）水、电调自动化系统无缝衔接，“调控一体化”模式下，优化调度计划、闸门操作计划以及水头等参与实时控制的信息由水调系统制作或采集，由电调系统实时或计划执行，其数据及命令交换的实时性、可靠性也是一个研究重点；

8）主、厂站数据定义的同步，本项目的实施伴随溪洛渡、向家坝两厂的高强度投产发电过程，调试及投产初期数据定义等配置将时常改变，一旦主、厂站定义不一致，将引发不可预测的后果；

9）众多软、硬件维护，本项目涉及软、硬件品类、数量繁多，维护人员有限，如何及时发现软、硬件故障乃至实现预警功能，建设跨平台涵盖各类型设备健康状态的管控平台也是研究重点之一。

4.2系统设计原则

根据设计规范以及“调控一体化”的需求，结合我们的工程经验，我们认为成都区调电调自动化系统的设计应遵循下列原则：

1）成都电调自动化系统应具备电厂监控系统具有的所有功能；

2）电站数据按全采全送设计；

3）电站数据采集服务器按集群方式配置；

4）成都电调自动化系统数据刷新频率应接近电厂监控系统；

5）成都电调信息规模庞大，为避免主要信息湮没于大量次要信息中，电调自动化系统应采用有效的智能报警等手段突出重要信息；

6）为确保系统安全、稳定运行，应采用成熟、先进的技术和系统；

7）系统硬件配置先进合理，主站、网络及服务器的性能协调一致，具有良好的可扩充性和可变性，并具有一定的先进性。具有足够的安全冗余度，重要环节均按双重或多重冗余配置；

8）系统应具有良好的开放性，可维护性与可扩充性。

5　系统总体结构

为了确保电调自动化系统的安全性、可靠性及实时性，系统采用分层、分布、冗余的体系架构（见图1）。

图1金沙江下游集控中心电调自动化系统结构图

系统三个特点各有侧重，相互协调配合。

5.1分层

主干网络，数据交换网络，应用及培训网络三个层次相对独立，功能各有侧重，相对独立，又能无缝连接，相互协调，完成电调自动化系统的全部功能。

5.2分布

电调自动化系统的功能分布在不同层次的不同设备之中，各工作站/服务器在系统中处于平等地位，单一设备的故障只涉及局部功能，整个系统的复杂性得以降低，可靠性得以提升。

5.3冗余

为了确保电调自动化系统安全可靠运行，各环节采用各种有效的冗余措施，无论是单网故障，还是任意节点故障，都不影响系统功能。主要冗余措施如下：

（1）主站重要节点设备均采用双机或多机热备冗余配置

例如：历史数据服务器、操作员站、应用服务器、外部通信服务器、调度通信服务器等。冗余配置的双机系统同时运行相同的任务，备机一般不输出任何数据，互相检测，相互备用，当检测发现主机故障时，根据具体情况，备机可自动升为主机运行。其中，具有成都区调特色的是，外部通信服务器由4台主机组成集群，负责与昆明自动化系统和各梯级电站计算机监控系统的数据交换。这一创新，使得区调在对外通信的实时性、可靠性上得到大幅提升。同时，合理利用这一集群技术将提供极大的调试便利性，对某一厂站/对外系统的通信调试不会影响到区调主站系统的正常运行。

（2）重要网络均采用双网冗余结构

两个网同时工作，相互备用。任意一个网故障都不会影响到系统功能。另外，成都电调自动化系统采用2个主用通道，1个备用通道，1个应急通道。应急通道与向家坝、溪洛渡通信，极大保障了通道的可靠性。

（3）供电的可靠性

①UPS主机采用双总线结构

两路UPS供电系统完全独立工作，确保不存在两路供电系统的关联故障。

②主站重要节点均采用双电源

重要节点的两路独立电源分别引自两路UPS供电系统，单电源供电的次要节点也采用两路UPS电源通过静态切换开关（STS）供电，确保电源系统不存在单点故障。

6　H9000CAS系统体系架构及主要特点

H9000CAS系统的架构如图2所示：

图2 H9000CAS系统结构图

限于文章篇幅，H9000CAS系统的功能模块在此不做具体介绍，以下描述了系统的主要特点。

6.1分层

基础应用及上层应用，均通过服务总线获取系统资源，数据层按历史数据库、实时数据库及文件形式存放数据，支持各类主流操作系统及主流硬件架构，通过服务层屏蔽数据层、操作系统层及硬件层的差别，实现应用软件的平台透明化。

其中，基础应用指系统必备的应用，上层应用通常为可选模块或高级应用模块。

6.2分布

H9000CAS系统采用对等式结构，不同于客户/服务器架构，系统中任意一台服务器/工作站均在本地拥有H9000完整架构，数据源（例如：采集服务器或通信服务器）通过同步服务将数据进行全网同步，确保每台机数据一致性。这一分布式系统架构保证了各应用不因某关键服务器（例如：数据服务器）性能下降而产生影响。

6.3跨平台

系统采用C/C++语言编写，在保证实时性的同时，实现了不同平台间的源代码级兼容。

6.4开放性

1）支持各种主流的硬件及操作系统，具备在多种硬件和操作系统的混合平台上正确运行的能力；

2）提供数据、图形、文件、网络等资源访问接口，支持用户应用软件的开发，方便与其它系统互联。

6.5一致性

为分布在不同计算节点上的应用程序提供一致的数据；

6.6可靠性

1）为应用软件提供主备或集群配置的运行环境，主备或集群节点的自动或手动切换快速、可靠，不发生争抢、无故障切换等现象;

2）提供应用软件的看护功能；

3）历史数据库故障不影响实时系统运行。

6.7实时性

1）为应用软件提供的数据、图形、文件、网络服务均采用底层引擎开发，满足实时性要求；

2）主备或集群配置的节点切换时间满足实时性要求。

6.8系统管理

H9000CAS系统提供丰富的系统管理服务：1）提供主备或集群节点的手动/自动切换服务；2）提供平台自身及各类应用的运行状态监视服务；

3）提供系统软件及应用软件的运行状态监视、诊断服务；

4）提供系统硬件资源的运行状态监视、诊断服务；

5）提供应用软件统一的日志服务。

7　主要技术成果

通过项目组全体成员三年多的不懈努力，我们取得的主要技术成果如下：

1）在世界上规模最大的梯级水电站之一首次实现远程调控一体化

目前能实现全面集中控制，现场“无人值班”（少人值守）的多为中小型电站。对于巨型电站因其对系统潮流分布及系统稳定性的影响极大，其远程控制多限于调度的层面，即由电站上送重要的过程信号、事故信号到调度/集控中心，调度/集控中心执行有无功调节、机组运行工况转换、下发调度曲线等操作，全厂生产过程的监视、事故处理以及大部分主辅设备的操作仍由现场值班人员完成。本系统实现了26台770MW以上机组主辅设备、500 kV开关站及泄洪闸门全范围的远程控制，现地无人值班，系统运行稳定可靠，电站各类设备远程调控成功率达100%。

2）提出并研制成功基于多服务器、多规约、多链路、相互校验的集群通讯在集控中心的应用

水电站集控中心通常采用双通道热备方式与厂站通讯，当主用通道故障时，切换到备用通道，存在切换时间长、切换过程丢失数据等问题。本系统提出并实现了多服务器、多规约、多链路、相互校验的集群通讯，本项目基于该技术采用了4台服务器，4条物理通信线路，共16条通讯链路，同时与厂站通讯，各链路数据冗余传送，负载均衡、相互校验，实现通道间无缝切换，并且各条链路均可配置不同的通讯规约以防止通讯规约设计不完善造成的系统性风险（本系统采用IEC60870-5-104及Tase.2规约），可靠性大幅提高。

3）在IEC60870-5-104规约通信中利用双缓存技术实现大规模数据实时上送

在集控侧采用接收和处理异步技术，建立接收缓存和处理缓存，在厂站数据发生“雪崩”变化时，集控不会因为处理不及时导致数据阻塞。以溪洛渡电站数据采集为例：开关量近12万点，模拟量近4万点。模拟量约200 ms扫查周期，每次扫查周期约1 200个变化报文，在如此海量数据变化的状态下，总召数据（全部数据逐点上送）作为低优先级背景扫描数据，全部完成的时间在改进前大约需要0.5 h，改进后控制在30 s以内。

4）在IEC60870-5-104规约通信中实现单边点表

集控与厂站通信软件建链后，集控将发送报文请求厂站通信程序发送通信点表，集控将采用厂站实时发送的点表。这一手段彻底解决了两侧通信点表不一致导致的数据大范围错位的隐患。

5）提出并研制成功电站-集控中心配置信息在线同步平台，实现厂站、集控配置信息实时同步

传统厂站、集控通信，需要两侧分别维护通信点表，以及各自的数据库点定义、画面、定值，巨型电站“调控一体化”将面临几十万点量级的维护量。项目研制在线同步平台，利用单独组建的配置同步网络，实时同步各项配置到集控中心，经维护人员确认后自动进入监控系统，本项技术的应用极大降低集控侧配置信息维护工作量，减少人工修改产生的失误，确保厂站、集控之间配置信息高效同步。本系统同步的内容包括：数据库描述文件、通信点表、画面、报表、计算库、闭锁库以及通用的文件同步。

6）采用厂站同步接机调试技术，实现电站与集控同时具备现场自动控制能力

目前，在水电站集控中心的建设中，通常在电站监控系统成功运行一段时间后，集控中心与电站进行联合调试。之后，将主要设备的控制权移交集控中心。本项目为适应“调控一体化”同步接机模式，组建独立的接机调试网络，与电站同步、同台进行接机调试，提高集控接机效率。实现世界上同类系统最快的移交速度，最广的控制范围，并且无一例误操作事故发生。

7）面向设备对象、基于相关量分析的实时智能报警技术取得良好成效

在世界上测点最多的控制中心（20万点以上）进行全部设备的监视控制，如何让运行人员不湮没在海量信息中，是需要解决的关键问题之一。本系统在常规生产信号全部采集的基础上，将信号按设备对象分组，并通过组态软件在信号间、设备对象间建立关联，实现智能分析，运行人员可只查看设备对象或对象组产生的总信号，从而实现在监控系统大大减少报警信号、而不遗漏任何重要报警的目的。

8）实现远程多电站闸门群成组预校验联控

传统多孔闸门操作方式为运行人员对单孔逐一操作的方式，本项目首次实现梯级多电站闸门群成组预校验联控下令，经过闸门联控命令单预校验后，实时下发成组控制指令，同时动态监测闸门动作过程，自动实时检测操作结果，当发现闸门动作过程与下达指令不符时，第一时间停止该命令单操作。命令单预校验技术提高了闸门成组操作的成功概率。成组联控技术、动态监测技术、自动反馈技术在提升闸门远程控制自动化程度的同时，有效保障了远程操作的安全。

9）在水电站集中控制中心实现水利枢纽发电航运多目标实时优化控制

通过发电航运优化调度软件，在发电流量急剧变化时，采取半自动或人工的方式，迅速对称开启可用闸门向下游进行泄流，实时控制枢纽下游水位变幅，变非恒定流为准恒定流。另外，通过发电航运优化调度软件与自动发电控制软件（AGC）相互配合，对未来短期机组流量进行短期预测，尽量减少弃水，这些技术手段在保障下游航运的同时，综合考虑了水工建筑物的安全和发电效益的综合利益。目前，在大江大河上实现此类远程实时自动控制功能尚属首例。

10）实现梯级巨型电站“调控一体化”多调度、多厂站AGC联合应用

在分属国家电网、南方电网多调度模式下，以梯级消耗水势能最小为优化目标，采用多进程确保各电厂指令安全，采用双适应度粒子群算法作为优化算法，采用协同进化技术解决梯级优化调度中复杂约束问题，在寻优空间加以约束。在寻求发电效益最大化的同时，解决优化中厂间负荷大幅度转移等问题。

8　结束语

在本系统的研制及实施过程中，我们不断通过技术创新、管理创新为高强度接机调试与安全运行保驾护航，开创了巨型机组电站群远程调控与电站接机发电同步完成的历史，实现了业主提出的“无缺陷、长周期、不间断”安全运行的目标。系统在实时性、准确性、功能的完善性等方面取得的成绩，以及现场调试人员表现出的专业精神得到了用户的高度评价。该项目的成功研制和实施，标志着我国“调控一体化”技术的研制和实施水平已迈入国际一流水平，必将推动我国该领域技术的长足发展。

中图分类号：TV736

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）07-0023-06

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.007

收稿日期：2015-04-30

作者简介：王峥瀛（1974-），男，高级工程师，从事水电站及梯级集控计算机监控系统研制开发工作。