智能集控中心系统架构设计与实现

仓义东，茅 伟，衡 旭

（1.南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏 南京211106；2.新疆生产建设兵团第八师玛纳斯河肯斯瓦特建设管理局，新疆 石河子832000）

0 引言

经过多年的不懈努力，我国各流域水电公司已先后建立了梯级集控中心自动化系统，实现流域梯级水电资源的优化控制管理，流域梯级电站监控、水情水调、机组状态监测、继电保护、电能量、大坝监测等自动化系统获得广泛的应用，为流域各电站实现“无人值班（少人值守）”，提高流域梯级水电站的安全运行和自动化管理水平发挥了重要作用。

随着智能化水电站的不断建设，必然对智能化集控提出新的要求。然而在实际的集控建设过程中，受制于一些主客观因素，系统架构过于复杂，导致故障频发，大大降低了系统的可靠性及稳定性，增加了维护难度，长此以往，不利于整个集控中心的健康发展。

1 常规集控系统架构及一般优化

在常规集控系统架构中，集控主机经由核心交换机与前置通信机交换数据，前置通信机通过前置交换机、加密装置、路由器、调度数据网、电站侧路由器、加密装置、前置交换机等与电站侧前置通信机交换数据，电站前置通信机再经由电站核心交换机、电站主机与电站终端控制系统交换数据，并经由电站终端控制系统控制电站终端设备，从而实现集控的远程监视和控制。其典型系统结构如图1所示。

图1 常规集控系统结构图

从图1中可以看出，在常规集控系统架构中，从集控主机到电站终端设备，所经过的环节多达13个，为确保系统的稳定运行，一般采用全冗余配置，从硬件设备到通信网络等都采用完全独立的2套硬件产品或系统。但是由于先天的系统结构复杂缺陷，导致系统稳定性不高；且集控侧多设备重复配置，因此，在实际的工程应用中，一般会对系统结构进行部分优化，主要采用如下方法：

（1）简化：将多套同类型设备简化为一套，一方面节约投资，另一方面也便于维护。

（2）合并：将作用相同的设备合并为一台设备，如将前置交换机与路由器合并，进一步减少系统环节，节约投资，同时便于维护。

（3）加强：对于集控与电站之间的薄弱环节进行重点强化，如集控到电站侧通信网络一般是最容易发生故障的地方，因此个别集控中心额外增加第3条卫星网或其他通道。

优化后的系统结构如图2所示。

图2 优化后常规集控系统结构图

从图2中可以看出，优化后的集控系统架构，较之常规系统架构，一方面减少了相同类型设备，另一方面减少了不必要环节，同时对容易出问题的环节做专项加强，因此实用性较高，在目前的集控系统架构中成为主流。

但优化后的集控系统架构仍然较为复杂，集控仍需要经由多达11个硬件环节才能实现与电站终端设备的数据交换及控制，其中任何一个环节出问题，都会造成监控功能的失败，且集控运行仍然完全依赖于电站侧的系统，一旦电站侧系统异常，则整个系统功能全部异常，这一问题也成为了制约集控迅速发展的重要因素。

2 智能化水电站系统架构

智能化水电站是智能化电网建设的重要组成部分，智能化水电站的核心思想为共享、融合、共用，各系统在满足电力系统二次安全防护要求的前提下，采用统一平台实现对监视、监测、监控等不同业务的统一管理，避免不同业务之间的条块分割，实现不同业务的整体设计，达到资源有限整合、信息高度共享的目标，有效提高系统的运行效率。其主体设计理念见图3。

图3 智能化水电站系统设计理念

从图3中可以看出，各系统上位机及现地终端设备运行在统一的现地总线上，从而实现资源的共享和利用。当然，智能化水电站仍需要遵循电力系统二次安防的要求，将各个系统按照规定进行分区，同一分区的多个系统之间网络相互连通，不同分区的网络之间通过防火墙、隔离装置等进行隔离。对于水电站来说，不同系统一般分区如下：

安全I区：监控、辅机、调速、励磁、保护、五防、振摆、状态监测等。

安全II区：水情、保信、故障录波、电能量等。

安全III区：大坝安全监测、动力环境监控、消防监控、视频监控、WEB发布等系统。

安全IV区：生产管理系统。

3 优化的集控系统架构设计

优化的集控系统架构，在继承原有集控系统架构各种优点的基础上，设计符合智能化水电站系统架构要求的系统架构，最主要的特点表现为：集控系统与电站系统在网络上连通，集控不再依赖于电站侧上位机系统，而是与电站侧上位机系统并列运行，主要结构见图4。

图4 优化的集控系统结构图

从图4中可以看出，集控与电站侧，除必要的加密装置外，取消了全部的前置通信服务器、前置交换机、路由器等，并将相关功能整合到核心交换机中，从而将集控核心网与电站核心网直接连接，集控主机可以直接实现对电站终端设备的监视和控制，从而大大提高了数据的传输速率，提高了系统运行的稳定性。

这种形式的集控系统架构，同样适用于常规水电站运行模式。在这种模式下，集控或电站各个系统仍然独立运行，多个系统共用一套网络设备，从而既保证了各个系统的独立性，又提高了网络的共享性，为以后的智能化水电站改造奠定了基础。

对于集控安全II区及安全III区系统，也采用相同的方式实现集控与电站直接连接，且在这种情况下，集控可以使用智能一体化管控平台，将集控侧多套系统整合成一个整体，从而真正实现智能化集控。

4 优化的集控系统架构优劣分析

4.1 优势

优化的梯级集控系统架构大大缩减了集控到电站的物理环节，进一步提升了系统运行的稳定性和效率，节约投资，减小故障概率，降低维护难度，从而使得推广变得更为易行。

优化的集控系统架构将常规的串行模式改为并行模式，集控功能等同于电站上位机功能，且互为冗余，从而大大提升了集控运行的稳定性。

优化的梯级集控系统架构调度可以直接通过集控上位机直接实现集控多个电站的综合监控，从而为集控真正实现经济运行、充分发挥集控系统作用提供了技术基础。

优化的梯级集控系统既可以使用常规集控方式与电站通信机通信，又可以采用扩大厂站方式直接控制站端设备，因此具有极好的灵活性和兼容性。

优化的梯级集控系统架构与电力系统二次安全防护要求相一致，因此适合于中国的国情，利于大面积推广应用。

优化的梯级集控系统架构由常规集控系统架构终极优化而来，但主要只是连接方式和实现方式的不同，因此可以适用于所有常规集控中心的升级改造。

优化的梯级集控系统架构既可以用于常规水电站，又可以用于智能化水电站，配合智能化管控平台软件，能进一步发挥集控的功效，因此必然成为未来集控中心建设的主流趋势。

4.2 劣势

优化的集控系统架构，网络是核心，因此必须加强对网络的管理，要按照电力系统二次安防的要求进行隔离，同时还需要设置完备的保护机制，如MAC地址绑定、设置广播流量限制、关闭多余网络端口等，以确保网络的可靠运行。

优化的梯级集控系统架构对日常管理也提出了较高的要求，必须采取有效措施，确保核心骨干网的稳定运行。对于非常重要的系统，可以设置单独的核心交换机，避免核心网络设备维护可能造成的其他系统运行异常。

5 结束语

优化的集控系统架构作为对现有系统结构最大可能的优化、简化和创新，从而产生了量变引起质变的重大网络结构变化，使之既能够满足电力系统二次安防，又能够满足智能化水电站及智能化集控建设的需要。从而可以极大的提升集控的运行效率及稳定性，且不管是改造还是新建，成本投入较少，从而为集控的全面推广创造了技术条件。当然，我们也发现部分产品和软件还不能完全满足智能化的要求，因此也希望通过集控建设对产品升级和技术进步起到一个积极的促进作用。