向家坝水电站计算机监控系统设计及关键技术

李 力，罗 云

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南省长沙市 410014）

1 概述

向家坝水电站是金沙江下游河段规划的最末一个梯级，位于四川省宜宾市和云南省水富县交界的金沙江下游河段上。

电站装机共8台，单机容量为800MW，总装机容量6400MW。电站分为左岸坝后厂房、右岸地下厂房。两岸厂房各装4台机组，各设一个500kV开关站，每个开关站2回出线接入系统。

向家坝水电站计算机监控系统庞大牵涉面广，除左右岸厂房外，与水情测报、大坝闸门控制系统、梯级调度系统、国家电力调度中心及四川省调等有信息交换。

2 网络结构

电站计算机监控系统采用全分布式冗余结构，大体分为厂站层和现地控制层。厂站层又分为厂站控制层、厂站信息层和生产信息发布层，对应网络为电站控制网、电站信息网和生产信息发布网，总体为三网四层的结构。[1]

电站控制网采用冗余双网结构，在左岸计算机室、坝顶集中控制室、右岸计算机室和右岸地下厂房主变洞辅助屏柜室各配置2台电站控制网交换机，并通过2路单模光缆互连构成1000Mb双环主干网；左、右岸各现地控制单元（LCU）柜内分别配置2台小交换机通过光缆就近接入控制网交换机，厂站控制层各计算机通过2路网络双绞线或光纤接口就近接入控制网交换机，网络传输速率100Mb。全厂控制网构成双千兆主干环网加双百兆星型接入网的混合网络结构。

电站信息网采用冗余双网结构，在左、右岸计算机室分别配置2台电站信息网交换机，并通过2路单模光缆互连构成1000Mb双链路聚合主干网；厂站层计算机采用2路网络双绞线或光纤接口就近接入信息网交换机。在右岸地下厂房主变洞辅助屏柜室配置1台信息网子交换机，该交换机通过单模光缆接入右岸电站信息网交换机；每个LCU各配置1台信息网交换机，就近接入电站信息网交换机或信息网子交换机。

电站信息发布网采用单网结构，在右岸地面副厂房计算机室布置1台电站信息发布网交换机，并通过1000Mb网络双绞线接口接入1台套信息查询数据服务器集群、2套Web发布服务器等电站信息发布层计算机。计算机监控系统网络结构见图1。

3 监控系统配置

向家坝电站计算机监控系统采用北京中水科水电科技开发有限公司的H9000 V4.3系统，由主控级与现地单元控制级组成，实现数据采集、数据处理、控制与调节、全厂自动发电控制（AGC）、全厂自动电压控制（AVC）、系统通信、系统时钟同步、运行管理及指导、系统自诊断及自恢复、软件开发、人员培训等功能。其中控制调节功能主要包括各机组单步或连续开/停机控制及机组工况的转换、机组事故停机及紧急停机控制、各机组有功/无功调节、500kV断路器、隔离开关、接地开关、10kV断路器、400V厂用电进线和母联断路器的操作、各机组和主变压器的辅助设备的控制、各机组进水口闸门的操作、全厂公用设备的控制等。

3.1 主控级硬件配置

主控级配置有4套数据采集服务器、1套历史数据库服务器集群、2套应用程序服务器、5套操作员工作站、2套移动操作员工作站、2套工程师工作站、2套培训工作站、4套调度通信服务器、2套厂内通信服务器、2套报表及电话语音工作站、1套电站生产信息查询服务器集群、2套Web发布服务器、2套调度数据网接入设备、2套成都梯调接入设备、1套电网申请检修工作站、1套卫星时钟同步系统、1套模拟屏、4套UPS电源系统、2套组合液晶屏、8套控制网主干光纤环网交换机、4套信息网主干网交换机、1套防水淹厂房保护系统、打印机、操作台等设备。

3.2 现地单元控制级的配置

现地单元控制级设16套LCU，包括8套机组LCU、2套公用设备LCU、2套500kV开关站LCU、2套厂用电LCU、1套坝顶LCU、1套模拟屏驱动LCU。

各LCU主要由双机热备Unity Quantum系列PLC、各种I/O模件、出口继电器、液晶显示触摸屏、双电源装置、通信管理装置、时钟同步光纤盒、ProfiBus/MB+网桥、Profibus光电收发器、双套控制网交换机、1个信息网交换机等组成。机组LCU还包括手动和自动准同期装置、交流采样装置、有功/无功功率变送器、机组有功/无功电能计量表。远程I/O柜主要由各种远程I/O模件、出口继电器、电源装置等组成。

4 监控系统关键技术

4.1 系统可靠性设计

电站在系统中的重要地位，使得监控系统的可靠性要求非常高。向家坝水电站监控系统广泛运用了可靠性理论及其设计方法，对系统的各部分进行可靠性分配，对于可靠性较低的元件或者关键设备采用了冗余设计、降额设计等关键技术。

4.1.1 冗余设计技术

4.1.1.1 冗余设计原则

电站监控系统冗余设计遵循如下原则：

（1）冗余设计技术要与设备性能、成本等进行综合权衡，重要而失效率高的关键部位优先考虑冗余设计。

（2）充分考虑各部件的可靠性，避免由于冗余设计增加设备反而降低系统整体可靠性的情况。

（3）冗余部件的工作状态可以检测。

（4）根据冗余件的故障模式采用相应的冗余方式，采用了结构冗余、功能冗余、参数冗余和信息冗余等方法。

4.1.1.2 系统结构冗余设计

（1）网络结构冗余。电站控制网络、电站信息网络结构均采用冗余设计，网络型式上组成了双环网或双星型网，传输介质上采用了双路光纤。冗余网络的状态可以由接入系统的主机及时检测，并通过软件及时由故障部分网络切换到冗余的正常网络。

（2）主控级设备冗余。电站主控级的关键设备如数据采集服务器、历史数据服务器、通信服务器均采用冗余设备，设备工作在热备状态，并采用心跳检测技术，单台设备故障或维护时不影响系统的正常工作。

（3）与调度设备通信冗余。与国网调度中心及省网调度中心均采用冗余通信设备和通信通道，与三峡成都梯调中心采用冗余设备，多重冗余通信通道。[2]

（4）LCU的冗余。LCU中可编程控制器采用双CPU、双机架背部、双I/O总线、双电源模块、双通信模块等冗余设计，构成高可靠性现地控制系统。双CPU热备方式运行时相互之间采用心跳检测，在线运行的备用控制器同步接收数据，并与主用控制器之间采用内存映射技术同步内存中的数据，一旦主控制器出现故障，备用控制器立即执行控制任务，使整个系统的控制流程不会发生停顿，控制指令也不会重复或遗漏。各LCU与主控级网络之间的网络通信设备、通信通道也采用冗余设计。

（5）电源冗余。主控级的UPS电源采用冗余技术，配置2台主机及3段配电母线，第1段和第2段母线分别接自对应的UPS主机输出回路，给具备冗余电源模块的主控级设备或机柜分别供电，第3段母线由第1段和第2段母线双路切换供电，为单设备、单模块的主控级设备供电。

现地控制单元供电电源采用冗余方式，对控制设备CPU、机架采用双高频开关电源、双电源切换器、双供电母线设计；对触摸屏、交换机、I/O回路等采用双高频开关电源、单电源切换器、单供电母线设计。水机保护采用独立的直流电源供电。

（6）其他冗余结构。在主控级设备、LCU的设备的设计及选用中，还有其他许多结构冗余的形式，比如单台计算机的冗余CPU、冗余内存、冗余电源、冗余风扇、冗余接口等；主控级设备存储设备采用RAID0、1、5等冗余存储技术；LCU与外部通信回路构成环路，形成冗余通道；在坝顶设置冗余的控制室，保证水淹厂房时对大坝闸门设备及其他设备的控制；在机组流道闸门设置冗余的闸门关闭控制设备等。

4.1.1.3 功能冗余设计

（1）机组紧急关闭功能的冗余技术。针对水电站机组水力机械事故、电气事故等严重故障，监控系统中设计了多重化的保护功能。在LCU的控制器中，设置了机组电气事故停机功能、水力机械事故停机功能，另外配置了独立的水力机械事故停机功能的继电器回路，完成冗余的自动保护功能。在机组LCU、右岸控制室、左岸中控室均设置了手动紧急关机按钮，与中控室操作员站、坝顶操作员站的手动操作形成多部位的冗余手动关机功能。

（2）机组流道闸门关闭的冗余技术。与机组紧急关闭功能类似，也实际了多重化的保护功能。在LCU的控制器中，设置了事故关闭闸门功能，另外配置了独立的关闭闸门功能的继电器回路，在闸门控制柜中设置了冗余的事故关闭控制设备和回路，完成冗余的自动保护功能。在机组LCU、右岸控制室、左岸中控室均设置了手动关闭闸门按钮，与中控室操作员站、坝顶操作员站的手动操作形成多部位的冗余手动关门功能。

（3）冗余调节功能。针对机组的有功、无功调节，设置了冗余调节功能，一方面可通过控制器I/O接点逐步调节机组转速/机组功率，励磁电流/无功功率；另一方面通过控制通信方式实现同样的功能。

（4）辅助设备的冗余控制。全厂辅助设备如供气系统、排水系统均为完整的闭环控制系统，由于辅助设备控制器设备档次不高，故障几率大，监控系统在采集信号的基础上，实现了部分关键的控制功能，实现冗余控制。

（5）关键信息采集功能冗余。一方面，监控系统通过LCU和主控级数据采集服务器采集全厂数据信息，在操作员站上可以对全厂进行监视；另一方面，监控系统设置独立的模拟屏信息采集回路，设置了模拟屏LCU及其远程I/O，从各个主设备采集关键数据，并显示在中控室模拟屏上。关键信息采集冗余功能，使得关键数据在操作员站和模拟屏上的信息冗余显示，互为校核。

4.1.1.4 信息冗余技术

为避免由于基本数据信息错误而导致错误的控制策略，在监控系统和其他配套系统的设计时，关键信息采用冗余技术。

（1）集水井水位信息。渗漏排水及检修排水的水位信号分别采用投入式液位开关和压力式液位传感器，监控系统分别采集两种不同原理的水位信号，互为验证，实时监视和报警，避免出现集水井水位过高造成水淹厂房事故。

（2）机组事故停机信息。监控系统LCU分别使用SOE模板及DI模板采集继电保护装置的电气事故停机信号，跳GCB、跳直流灭磁开关分别从不同的DO开出板卡输出至单独的继电器，两个继电器的第一路接点信号串联后接入GCB和灭磁开关的第一路跳闸回路，两个继电器的第二路接点信号串联后接入GCB和灭磁开关的第二路跳闸回路，形成信号的“串联-并联”冗余。

（3）机组轴瓦温度信息。监控系统使用两组RTD冗余信息实现轴瓦的温度保护，LCU的PLC控制器分别采集每个轴瓦的RTD温度采集量，如果同一轴承的任意2个RTD温度同时超标，将执行减负荷、事故停机。监控系统水机保护回路使用另外单独的RTD温度量，在每部轴承的+X，+Y，-X，-Y设置单独的RTD传感器，水机保护回路将4个温度信号2并2串，任意2个RTD温度同时超标，执行减负荷、事故停机。

（4）导叶开度信息。机组LCU一方面采集来自调速器的导叶开度信息；另一方面使用独立的磁致伸缩型接力器位移传感器采集导叶开度信息，两组信号互为验证。

（5）机组电气量信息。监控系统采用两种类型的元器件（变送器、交流采样装置）对机组的有功功率、无功功率进行采集，获取定子电流、功率因数、定子电压、转子电流、转子电压等关键信息，另外又从调速器、励磁系统获取同样的信息，保证重要电气信息的冗余输入，不会丢失。

（6）其他信息冗余。其他如直流系统、调速系统、励磁系统、辅助控制系统的重要信息都同时以I/O信号和通信方式获取，保证重要信息的完整性。

4.1.2 降额设计技术

降额设计是工程设计中常用的提高可靠性的方法。工程经验证明，大多数电子元器件在低于额定承载能力条件下工作时，其故障率较低，可靠性较高。集成电路芯片的电路单元很小，在导体断面上的电流密度很大，因此在有源结点上可能有很高的温度。高结温是对集成电路破坏性最大因素，集成电路降额的主要目的在于降低高温集中部分的温度，延长器件的工作寿命。集成电路降额的主要参数是电压、电流或功率以及结温。

为保证监控系统的高可靠性，在设备选型方面进行了相关降额设计。

（1）主控级计算机的降额设计。设计要求计算机CPU平均负载率不大于30%，最大负载率不大于50%；内存的使用率不应大于80%。以上数据统计周期不大于1s。磁盘的平均使用率不超过50%（5min统计周期）。

（2）控制网网络负载率不超过50%。

（3）PLC的降额设计。PLC两个CPU以主/热备用方式运行，每个CPU负载率不大于50%（负荷率统计周期为1s）。

（4）高频开关电源降额设计。所有电气盘柜内的交流开关电源、直流开关电源的额定容量选取最大可能负载的1.5倍。

（5）UPS电源降额设计。所有UPS的平均负载不大于50%。

4.2 GIS智能化控制技术

4.2.1 系统结构

向家坝以智能汇控柜替代了传统的汇控柜。智能汇控柜以智能控制装置为核心，通过智能控制装置实现GIS断路器、隔离开关、接地开关、TA、TV等本体设备的监视、控制、闭锁功能，并将每个断路器间隔的信号汇总到智能装置。

电厂设有1套开关站GIS保护监控系统，见图2。左、右岸电站分别组建GIS保护监控系统双控制网，分别设置1套GIS操作员工作站、1套GIS维护工程师站、1套远动通信装置。开关站断路器、隔离开关、接地开关位置信号，断路器、隔离开关、接地开关的分/合闸命令，保护动作信息和测量信息等均通过远动通信装置与计算机监控系统数据采集服务器对接。计算机监控系统主控级负责发操作命令和监视GIS设备状态，GIS保护监控系统完成操作的软件闭锁、操作过程及设备状态的反馈[3]。

4.2.2 GIS保护监控系统与电站计算机监控系统接口方案

（1）电站计算机监控系统负责全站级的联锁逻辑的实现（如保护信息的联锁），GIS智能控制装置利用各开关位置接点实现联锁逻辑，并能将连锁结果上送电站计算机监控系统。

（2）GIS智能控制装置实现操作过程中产生的信息及结果的反馈（反馈遥控操作是否成功，遥控不成功反馈出遥控失败的原因）。

（3）GIS智能控制装置实时将同期方式状态控制字（检同期合、检无压合）反馈给电站监控系统。

（4）500kV开关站各断路器均设为同期点，在电站监控系统中选择同期方式并确认后，智能控制装置执行同期操作。

4.3 应急补水技术

向家坝水电站处于金沙江通航河段，由于切机或大范围负荷变动，会造成下游水位的波动幅度过大，不利于通航建筑物及船舶安全。为保证航运安全，监控系统开发了应急补水功能。在下泄流量急剧减少的时候，迅速开启闸门向下游补水，及时补偿发电流量的减少，限制下游水位的下降幅度，延缓水位的下降速度。

应急补水技术实现的关键是提前判断下游水位的变化趋势，在实际运行中引入了计算水位的概念，即通过实时跟踪电站总出力，根据出力、耗水率与流量的换算关系计算出电站总发电流量，并加上闸门的当前下泄流量计算出电站当前总出库流量。根据下游流量—水位曲线换算出下游水位。根据计算水位的变化能够准确判断下游水位的变化趋势及可能的变化幅度，从而能够及时判断是否需要进行补水。然后根据当前闸门状态以及闸门分配原则等边界条件形成闸门开启策略，包括参与补水的闸门、各扇闸门的设定开度等，在自动形成闸门开启策略时，需要考虑下游消力池的流态，确保泄水建筑物安全，尽量减轻下游振动等限制因素。

监控系统自动推送出闸门补水建议方案和画面，在画面上显示当前运行方式、上下游水位、总流量、补水流量及拟开启的闸门组合及开度等相关信息和操作方案，等待运行人员进行确认。运行人员可在联控画面上对计算出的闸门开启策略进行审核，必要时可根据需要对预案进行修改，调整参与补水的闸门组合、修改开度等，确认无误后下发执行指令，也可根据实际情况直接取消补水操作。

应急补水功能经过联动模拟试验后投入运行。2014～2017年，由于电网换流站故障、送出线路意外短路而导致电厂多台机组同时甩负荷，应急补水功能成功投入，保证了下游航道安全[4]。

5 结束语

向家坝水电站是我国已投运的第三大水电站，在系统中有着举足轻重的地位，计算机监控系统是电站的中枢神经，以电站水工结构特点为依托的三网四层分布式网络结构，冗余设计及降额设计技术的采用，GIS智能化汇控柜的研发及应急补水功能的投入，为电站安全稳定运行提供了有力的技术支撑，取得了良好的经济效益和社会效益，有助于推动国内大型水电站监控系统设计水平的提高，对在建的同类特大型水电站的建设具有借鉴意义。