中小水电集控系统总体方案探讨

龚传利，张　海，陈曙东，谌斐鸣

中小水电集控系统总体方案探讨

龚传利1，张海2，陈曙东2，谌斐鸣2

（1.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038；2.五凌电力有限公司水电集控中心，湖南 长沙 410004）

着重从两个方面讲述了中小水电集控系统总体方案，一方面是中小水电系统总体设计方案，从系统设计原则、结构模式和层次结构进行详细介绍；另一方面是数据网设计方案，从网设计原则、总体设计、通道规划和水情信息传输方式进行详细阐述。文中的方案在五凌电力中小水电建设中得到应用，取得很好效果，这些方案对于其他中小水电集控系统建设有一定借鉴意义。

中小水电；集控系统；集控数据网

1　引言

我国中小水电资源十分丰富，中小支流遍布全国，广泛分布于全国一千五百多个山区县。水能资源的分布特性决定了大多数中小水电处于偏远山区，电力系统减员增效和职工改善工作环境需求，促使中小水电远程集控系统建设迫在眉睫，计算机技术和通信技术发展，使中小水电集控系统建设成为可能。

中小水电集控应以电站“无人值班，少人值守”为原则设计，要求技术先进、功能完备、可靠性高、系统安全、可扩充性、开放性等。兼顾监控可靠性和运行成本两方面，实现企业最大的经济效益。

2　系统总体设计方案

2.1集控系统设计原则

区别于大型流域梯级集控系统，根据中小水电特点，以经济、效益为目标，坚持有用、实用原则，现代中小水电集控监控系统设计应遵循如下原则：

（1）技术先进，可靠性高；

（2）简洁实用，功能完善；

（3）实时性；

（4）人机界面友好；

（5）可扩充性；

（6）开放性；

（7）可维护性；

（8）系统安全性。

2.2系统结构模式

目前水电站实行的集控系统结构中，常见的典型模式有梯级集控调度模式、扩大厂站模式（一厂多站总控制模式）两种。

2.2.1梯级集控调度模式

梯级集控调度方式一般多采用租用电力、电信部门的网络专用通道作为电站监控系统与集控系统之间的数据传输通道，电站经专用数据通信网与集控中心通信，实现数据交换。通道带宽要求一般不低于2M，在链路上应充分考虑布置网络安防设备，确保计算机监控系统数据传输的安全。该模式中，采用电站层独立配置通信工作站直接与集控中心监控系统通信，集控中心通信主机与各厂站监控系统集控通信机间采用星型网组网通信。通过各厂站独立配置的集控通信工作站上送采集数据，接收控制指令并经各厂站计算机监控系统网络控制到各电站机组及其他主要设备。集中控制系统与厂站级监控系统多采IEC61850-5-101、IEC61850-5-104规约进行通信。

（1）梯级集控调度模式特点

集控侧与电站侧监控系统通信，不直接连接现地LCU，各系统的功能及分工明确，对各电站监控系统的本体设计要求较少，比较容易实现系统之问的互联。

（2）梯级集控调度模式优点

电站脱离集控后可由现地监控系统控制，可自成体系。

（3）梯级集控调度模式缺点

投资相对较高，调度权审批较繁琐。

（4）梯级集控调度模式适用情况

电站相对分散，数量众多，距离较远，交通不便，不易快速到达现场。另外对于已经建成的老电厂，电厂已经有监控系统，也适合采用该模式。

其结构图如图1所示：

图1　梯级集控调度模式系统结构图

2.2.2扩大厂站模式

扩大厂站式的网络通道一般选择由用户独立架设专用光纤通道。该模式中，集控中心监控系统网络可直接与电站监控网络集联，构成星型或环型网络，集控中心监控系统直接与各电站层PLC通信，直接读取电站各套LCU的相关数据，并直接将控制命令下达到LCU中，完成对受控各站的监控，通信协议一般采用电力通信标准规约要求的MODBUSRTU、MODBUSTCP/IP协议。此模式下，可取消各电站中控室上位机系统，由集控系统进行统一监视和控制。其结构图如图2所示：

图2　扩大厂站式集控模式系统结构图

（1）扩大厂站式集控模式特点

集控侧与现地LCU直接通信，电站侧可以选择不设监控系统上位机操作员站、通信服务器等。

（2）扩大厂站式集控模式优点

减少机房建设和设备费用，减少了设备维护量，节省监控系统投资。电站位置相对集中，数量相对较少，可等值为同一电源点，调度等值为一厂，可方便、快速地现场维护，同时可精简人员结构。

（3）扩大厂站式集控模式缺点

集控退出后，电站如无监控系统则设备不可控，不适宜接入大量电站。由于综合自动化产品厂家众多，设计标准、配置、接口等不同，对于电站监控与集控系统是不同供应商时，直接采集接入时厂站监控需做较大改动。

（4）扩大厂站集控模式难点

采用直采方式将加大电站PLC系统的CPU负载率，对通讯网络设备也提出了更高的要求，因此监控系统PLC设备的选型尤为重要，必须充分考虑硬接点数量、与各辅助系统设备通讯点数等对CPU的影响，选用先进产品以保障监控设备的安全、稳定运行。

（5）扩大厂站集控模式适用情况

电站位置相对集中、距离较近、数量较少，可近视等值为同一电源点，可方便、快速地现场维护。

2.3集控系统层次结构

（1）系统设备层次

监控系统设备分电厂层和集控层（见图3），电厂层分为电厂控制层和现地控制层，集控层分为集控控制层、集控信息层和信息查询层。根据集控中心结构模式特点，扩大厂站模式取消电厂控制层，现地控制层直接接入集控控制层。

现地控制层由全厂按设备单元分布的各LCU构成，按被控对象单元分布。完成指定设备的数据采集与现地监控，并接受厂站层或集控层的控制指令，实现中控室集中监控。各LCU根据具体情况，可灵活采用现场总线技术。

电厂控制层由数据采集服务器、操作员站、通信网关通信服务器等构成，完成全厂设备的实时信息采集处理、监视与控制任务。

集控信息层由历史数据服务器、培训仿真站、语音报警服务器及报表打印服务器等构成，完成全厂设备运行信息管理和整理任务。

生产信息查询层由机组状态分析WEB数据服务器、WEB发布服务器及相关网络安全设备构成，实现有关集控实时和历史信息查询、机组状态分析和WEB发布等功能。

（2）网络层次

网络分电厂控制网、集控接入网、集控信息网和信息发布网。

电厂控制网：主要连接现地控制层和厂站控制层有关设备。与现场实时监控有关的信息主要由电厂控制网传输，如LCU上行信息和控制命令等。

集控接入网：主要连接集控与电厂的网络，如果采用扩大厂站模式，集控直接连接现地LCU。

集控信息网：连接集控控制层与集控信息层设备。

信息发布网：主要连接信息发布层有关设备，如设备状态监测趋势分析服务器、WEB浏览服务器、浏览数据服务器及浏览终端等。通过网络安全设备与PInet连接。

采用上述分层结构，使不同性质的信息分类在不同的网络通道上传输，避免相互之间的干扰，确保系统控制的实时性、安全性和可靠性。

对于LCU内部，则根据具体需要和选择的设备情况，灵活采用现场总线技术。由于仅涉及LCU内部，有的LCU采用现地总线，有些则没有，故未将LCU内部的现场总线网归结为系统总体结构的层次之中。

图3　集控系统层次结构图

3　系统数据网方案设计

3.1集控系统数据网设计原则

集控中心至各厂站光纤通道应充分考虑业务及扩展需求，实时与非实时业务应以电力光纤通道为主用，备用通道可根据厂站实际情况在不同通信运营商间选择。同时，应尽量选择具有双路由直达厂站端的通信运营商。

（1）系统的设计符合目前电力系统通信的技术水平和发展方向，本着技术先进、安全可靠、高速畅通和经济可行的原则进行设计。

（2）系统的设计满足区域调度数据、图像、语音信号传输的需要。

系统的设备选型应满足高可靠、高冗余、故障自我隔离、可拓展、较少的时延和良好可控性的原则，采用的设备必须取得信息产业部检测入网许可证，严格控制使用在电力系统中没有成功运行经验的设备，所有辅材也必须符合安全、稳定、可靠的技术要求。

3.2集控系统数据网总体设计

根据电力系统相关网络安全的要求，集控数据网按照所传输信息的不同分为生产调度数据网和综合业务数据网两个部分，该两个网完全独立，其中调度数据网用于传输网络安全分区中I区和II区的应用业务，综合业务数据网用于传输网络安全分区中III区和IV区的应用业务。

集控生产调度数据网是专为集控中心实现各厂站集中控制服务的，是一个专用的核心骨干数据网络。网络主要承载生产调度数据，以数据业务为主，以SDH通道为传输载体，不进行话音、视频、多媒体等业务的传输。主要包括以下数据业务：

计算机监控系统；

水调自动化系统；

电能量计量系统；

故障录波系统；

安全稳控系统；

机房动力环境监测系统；

其他生产调度系统。

集控综合业务数据网是为集控中心实现集中管理各厂站生产信息、视频会议、工业电视、行政通讯和办公自动化等综合计算机应用系统服务，是一个综合的核心骨干数据网络。本网络承载数据业务、话音、视频、多媒体等，一般通过运营商通道以VPN广域网为传输载体，条件允许的地区也可采用SDH传输方式，主要包括以下业务：

生产信息管理系统；

视频会议系统；

工业电视系统；

行政通讯系统（或NGN软交换系统）；

办公局域网各子系统；

其他综合管理应用系统。

3.3集控系统通道规划

就目前通信技术，集控数据网络可采用光纤、微波、卫星及电力线载波等通信方式，但卫星与电力线载波传输速率较低，不能满足集控中心综合传输网络的要求；微波通信须建多个微波中继站，存在中继站位置选择较困难、通信电源难以解决、投资较大、今后运行维护困难等缺点，目前已很少采用；光纤通信方式具有容量大、传输质量高、投资省、建设快的特点，特别是在电力系统建设光纤通信系统，可以利用电力杆路架设特种光缆，在减少了投资的同时也增加了光缆线路的安全性，因此光纤通信系统较微波通信系统具有更大的传输容量和更高的可靠性。

根据集控系统所承载的业务类型，通信系统现状及通信技术的发展，不宜采用微波通信。通常电力光纤、电信运营商通道情况较好，优先选用电力光纤通道主用、电信运营商通道备用。中小水电需综合考虑电力光纤通道租用与自建光纤通道相结合的方式进行，并根据工程实际情况进行光缆的选择及施工方式的选择，根据业务需求配置具体光纤的纤芯数量，一般常用的光缆有光纤复合架空地线（OPGW）、全介质自承式光缆（ADSS）和层绞式铠装光缆（GYTS）等，施工方式主要有架空、管道、直埋方式等。采用GYTS光缆时工程设计应注意钢绞线等主要配套材料的数量配置。

3.4水情信息采集传输方式

对于水情信息采集量比较少的电站，对于采用梯级集控调度模式的集控中心，由电站计算机监控系统采集水情信息后，通过电站计算机监控系统与集控数据网系统送集控中心计算机监控系统；对于扩大厂站模式，水情信息由集控计算机监控系统采集。

对于水情信息采集量比较大且配置有水情系统的电站，电站水情采集系统位于安全分区II区，电站与集控通信划分出非实时通道，水情系统信息通过非实时通道上送集控系统。对于新建水情系统的集控，可以统一建一套水情系统，梯级所有水情信息由集控采集，如果电站需要水情信息，可以在集控中心将数据送至监控系统，由集控监控系统与电站监控系统通信通道将数据送至各电站。

4　结语

中小水电实现远程集控是大势所趋，一个健壮、经济实用的集控系统是关键，根据中小水电特点，除了实现实时系统集中监视控制外，还需接入于非实时生产数据和生产管理数据进行数据比较。文中对于集控系统总体设计方案和数据网设计进行探讨，并在五凌电力实施应用，取得很好效果，文中介绍的方案，对于其他同类集控系统建设有一定借鉴意义。

[1]龚传利，邓鹏程，魏志鹏，等.五凌集控计算机监控系统关键技术[J].水电站机电技术，2011，34（3）：67-69.

[2]田启荣，万元，谌斐鸣，等.“区域集控”模式在五凌集控计算机监控系统中的应用[C]//中国水力发电工程学会梯级调度控制专委会2010年年会，2010.

[3]魏志鹏，万元.五凌公司多流域水电厂群集中监控系统的整体规划与建设[C]//中国水力发电工程学会梯级调度控制专委会2010年年会，2010.

[4]王德宽，王桂平，张毅，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，2008，31（03）.

TV736

A

1672-5387（2016）08-0034-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.010

2016-06-29

龚传利（1975-），男，博士，高级工程师，从事水电站监控系统研究及软件开发工作。