梯级电站集控中心监控系统设计方案研究

梯级电站集控中心监控系统设计方案研究
杨 非 李东风
（国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏省南京市 210003）
摘要：目前，国内已经开发了较多的梯级集控中心，大型水电基地和流域水电开发的步伐正在加快,大型流域或梯级水电站集控中心的自动化系统建设也变得越来越重要。

针对不同的梯级集控中心监控系统要求，对梯级集控中心的前期方案进行研究及设计，以确定最佳的设计方案，并完成梯级电站监控系统的具体设计工作。

文中参考了云南华能澜沧江流域梯级电站、云南大唐国际集控中心、四川大渡河集控中心、贵州乌江流域梯级电站等典型的梯级集控中心方案，为相关设计人员提供了设计建议方案。

关键词：大型集控类型；集控通讯方式；集控控制方式；AGC；EDC
1 梯调的发展现状
梯级水电厂集控自动化系统相关领域的科学技术迅猛发展，如计算机的硬件和软件技术不断成熟，水电厂可以实现无人值班或者少人职守，电力体制改革后，流域开发公司相继的成立，很多项目梯级集控中心立项开工建设，这些都促使了梯级集控中心在水电站建设中发展迅速，同时梯级集控中心可以协调水调、电调间存在的调度矛盾，促进水资源高效利用的要求。

目前，梯级水电厂集控自动化系统由国内公司供货的比较多，仅有少数几个梯调自动化系统由国外公司提供，这是因为国产集控自动化系统已达到实用水平，能满足梯级电厂集控的需要，同时梯级集控的要求常有变化，这与我国的管理体制和产权所属等有关，如梯级水电厂是独立成立梯调中心，还是由上级大区、省、或地调来集控，有时当电站容量较大时，一个梯级电站的各级分属不同公司的情况也是存在的，如天生桥一级和天生桥二级，当然也有各自独立，不设梯级总厂，如新安江和富春江。

2 梯调的主要作用
2.1 监控和管理维护层
梯调决策系统
水库调度电力调度经济运行报价分析
决策支撑系统
实时监控
SCADA历史数据库安全监测事故分析
专家系统
状态评估和
检测管理
系统诊断和
可靠性管理
多媒体应
用Internet/Intra
net
服务
支撑软件外部通讯仿真培训系
统
网络管理
2.1.1 SCADA系统:完成各电厂的实时监视、控制
2.1.2 历史数据:历史数据的保存、计算、检索、备份
2.1.3 SCADA支持软件:提供系统中数据库、画面、报表、控制流程等的组态、编码、修改的各种适用工具
2.1.4 安全监测:对大坝、库区环境、通信系统、火灾报警等子系统的信息进行采集和监测
2.1.5 外部通信:完成与省调等各外部系统的数据通信
2.1.6 系统诊断和可靠性管理:对系统中的软/硬件设备进行诊断，并维护系统和数据的安全可靠性
2.1.7 网络管理:对梯级网络进行配置和在线管理、维护
2.1.8 Internet/Intranet服务 :提供不同安全层次的Web访问服务，可让外部/内部客户获取梯调的系统信息，支持远程诊断和维护
2.1.9 多媒体应用:提供实时、自动的工业电视监视、语音服务、自动电话报警查询、On-call和大屏幕投影，以及图像、语音识别等多媒体功能
2.1.10 事故分析专家系统:对现场事故数据进行综合分析和推理、确认事故的发生及产生原因。

2.1.11 状态检测及评估系统:分析设备运行的实时数据，对设备的健康状态作出评估，为设备检修安排作出指导性意见。

2.1.12 仿真与培训:对电力设备及其运行系统进行仿真，并执行人员培训。

2.2 调度层
2.2.1 水库优化调度：根据水情信息、气象信息等进行水库中、 长期调度计划、防洪调度以及短期用水计划，完成协调运行。

2.1.2 经济运行：根据水库优化调度的数据及上级调度面 临时段对梯级出力的要求，对梯级所辖各级水电站根据水量平衡原则进行优化分配。

2.1.3 电力优化调度：根据经济运行的结果和调度指令及各种约束条件（含机组、线路……）进行各厂或各机组的经济负荷分配。

2.1.4 电厂实时报价分析决策支持系统：综合梯级运行实况及电力市场的信息数据进行预测及实时报价，以获得最大的经济效益。

2.3 决策层
2.3.1 完成全梯级管理、调度、决策的综合协调的模糊决专家系统，以保证梯级的安全运行。

3 设计原则
3.1 功能完善
为了提高流域梯级电站的运行管理水平，适应各电站“无人值班（少人值守）”的要求，自动处理流域梯级电站发生的异常，要求综合控制系统功能完善，满足整个流域梯级电站的实际要求，并提供更多的高级功能，特别是远方控制和调节梯级各电站机组以及梯级电站EDC，以便提高各电站及整个梯级的安全经济运行水平。

3.2 高可靠性
监控系统的整体可靠性要保证任何部件故障不能影响流域各电厂机电设备的正常运行；任何部件故障不影响监控系统整体和其它部件正常工作。

监控系统具有详细的故障登录和自诊断功能。

3.3 实时性强
监控系统的响应速度应满足电力系统对流域各电厂监视的实时性要求。

3.4 友好的人机接口
通过丰富的人机联系手段，使运行人员能清晰方便地了解生产过程的全貌，并且有效地对梯
级各电厂主要机电设备及辅助设备和综合控制系统本身进行各种控制和管理。

3.5 可扩充性
具有对系统各部分的组态和扩充功能，可适应系统规模的变化和功能的扩充。

3.6 维护方便
监控系统具有离线和在线的诊断手段，以便及时发现和排除系统内部的故障，提高系统可利用率。

3.7 技术上的先进性
监控系统应满足在一段时期内保持其先进性的要求，并达到国内领先水平。

3.8 规范
监控系统应满足：
3.8.1《水电厂计算机监控系统基本技术条件》DL/T 578-95标准;
3.8.2《水电厂计算机监控系统设备基本技术规范》DL/T 5065-1996标准。

4 梯调设计方案的关键技术和特点
梯调计算机监控系统结构与配置主要分为集控系统层、网络通信层、电站控制层，以下将围绕这些方面具体介绍。

4.1 梯调和各电站的网络连接方式
4.1.1 广域网结构
广域网结构即梯级水电厂集控自动化系统在广域范围内与梯级内各电站计算机监控系统连接，与省调、气象预报系统、中心消防监控系统、水情预测系统等连接，设计时应该考虑网络通讯方式、网络拓扑结构。

4.1.1.1 与梯级内各电站通讯方式
（1）串口方式
a. 电力载波：是电力系统特有的通信方式，电力载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。

最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。

集控载波方式通讯是通过调制解调器采用FSK调制方式，与电力载波机配合使用，全双工传送一路或两路中、低速远动信息，缺点是数据传输的可靠性和带宽不高。

设计时可作为集控通讯的后备通讯方式，通常采用IEC101通讯规约。

与调度中心的连接方式
（2）网络方式
a. 数字通讯网通讯：是通过电力数据网或者电信数据网的综合专线传输通道，将集控电站层的数据送至集控中心，这种方式为目前较为常用的集控通讯方式。

通常采用的方式为集控电站通过集控通讯机将电站主机广播的电站四遥数据经路由器及规约转换器发送至数据网，数据网通常为环网结构，各集控电站实际都挂在数据网内，集控中心亦接入该数据网通过针对各集控电站的规约转换器、路由器和通讯机接受集控电站发送的数据，通讯规约通常采用IEC104、DL476规约。

在设计中，可采用双通讯通道互为冗余方式，如一路采用电力数据网，一路采用电信数据网，适用与单独设置集控中心且集控中心远离各集控电站，采用电力数据网或者电信数据网可以相对减少业主在设备的前期投资，并且这种方式的带宽可以达到2 Mbit/s以上，适用大数量传输的集控方案，数据通讯方式安全可靠。

与调度中心的连接方式 3
b. 集控层电站和集控中心直连通讯：通过三层交换机或者路由器及集控通讯机通过网络方式将集控层电站直接和集控中心连接通讯，由于三层交换机的出现，现在很多小规模集控方式都是直接采用三层交换机实现集控方案。

通常采用的方式为由集控通讯机完成四遥数据的通讯及控制权切换，通讯规约通常采用IEC104、DL476规约。

在设计中，可采用双通道通讯互为冗余方式，通讯介质通常采用光纤，通常采用集控电站层监控系统作为集控中心或者独立的集控中心距离各集控电站电站的距离相对较近，此种方式适用于小规模型的集控方式，数据通讯方式安全可靠。

与调度中心的连接方式4
例如：广西长洲集控侧以下简称内江电站（集控），监控系统的上下位机均采用冗余的星形网，主机采用两台互为冗余的SUN V490服务器，集控通讯机采用SJ30-642工作站（研华无盘工控机），交换机为MACH 3002三层网络交换机2 套，每台交换机上配置1块1000兆单模光纤通讯模块和外江电站交换机级联，形成冗余网络结构。

集控层电站即外江电站监控系统的上下位机同样采用冗余的星形网，考虑到今后的监视控制都是在集控侧电站完成，所以上位机的配置相对简单，主机为SUN Ultra45主机兼操作员站，和集控中心通讯的通讯机也采用SJ30-642工作站（研华无盘工控机），交换机为MACH 3002三层网络交换机2 套，每台交换机上配置1块1000兆单模光纤通讯模块和集控电站交换机级联，形成冗余网络结构。

内江电站（集控）和外江电站的所有LCU侧PLC的IP地址和内江电站（集控）上位机划分在同一个网段，即内江电站（集控）可以不通过路由控制2个电站的所有LCU。

外江电站的上位机系统划分另一个网段，在外江电站的每台MACH 3002交换机上配置1块路由模块用于和内江电站（集控）级联以及和外江电站LCU通讯，这样的设计方案可以大大节省在集控设备上的投资，且通讯方式简单直接，便于维护，适合集控中心就设置在电站侧小型的集控方案。

（3）卫星通道
VSAT（VerySmallApertureTerminal，小口径卫星终端）是一种先进的卫星通信技术，和其他通信技术相比，不但具有不受距离和地理环境限制、通信容量大和可提供多种综合业务传输等特点，而且投资少，建设周期短。

调度中心可根据自身要求做网络大小配置，但总体框架及单元站配置是一样的，中心调度部门做地区卫星数据中心站，连接各集控层电站的卫星站，构成星状网络，中心卫星站设备一次建设，初期远端可是一个点或少数点与中心进行通信；将来进一步扩容时，只需增加远端站的个数，无须改造中心站，通讯规约通常采用IEC104、DL476规约。

在设计中，可在集控中心架设一套SSA超小型卫星地面站，并配置多端口接入设备一个，端口数由远端站的个数而定(可为8～32个)；在远端每个电站侧架设一套SSA超小型卫星地面站，并配置两端口通道接入设备(通道控制器)；每套标准SSA超小型卫星站含：1.2m天线一副，室外功放一套，室内单元(IDU)一台(包括数据接口，以太网接口及话音接口)，可作为集控的备用通讯方式。

与调度中心的连接方式 5
以上方案，设计时可同时采用以上多种连接方式，利用冗余技术提高通道可靠性。

例如：乌江流域梯级电站远程集控系统采用2路2 Mbps点对点传输通道作为同一链路热备用, 1路64 kbps卫星传输通道作为不同链路的备用，其中任何1路通道中断都不影响这条链路的正常使用。

1路64 kbps卫星传输通道能够在设计时间内切换至主运行通道；一旦2 Mbps点对点传输通道恢复正常，1路64 kbps卫星传输通道将还原为备用。

值得注意的是，在2008年的雪灾中，乌江流域梯级电站的卫星传输通道在网络通道中断的情况下发挥了独特的优势，保证了与调度的通讯正常。

4.1.2 集控局域网对外通讯：
4.1.2.1 与MIS 系统通讯
MIS 系统为安全第三区生产管理区，由监控系统中的厂内通讯服务器负责通讯，通讯服务器将监控系统主机广播的数据通过正向隔离装置单向发送给外围的MIS 系统。

与MIS 通讯方式1
以下方式通讯服务器如果为双网卡，只有一个网口接在监控侧交换机上，无法实现通讯服务器在监控系统的双网冗余，但是此种方式可以节省在路由器上的投资。

与MIS 通讯方式2
4.1.2.2 与Internet连接
WEB服务器实际挂在外网，由监控系统的主机将采集到的数据以组播的方式通过正向隔离装置单向送至WEB服务器，WEB服务器负责对外接口，外网计算机可以使用IE浏览器登录到WEB 服务器浏览历史数据和实时数据。

WEB服务器通讯方式
4.1.2.3 与水情通讯
水情系统为安全Ⅱ区非控制生产区，由监控系统中的厂内通讯服务器负责和水情通讯，中间采用防火墙及问询方式接受水情数据。

4.2 网络的安全设计
严格遵照电监会《电力二次系统安全防护规定》，增设入侵检测等设备对可疑的数据包进行记录、预警。

在广域网通道上不同性质的数据划分到不同的虚拟专用网(VPN)中以实行安全传输。

电力二次系统安全防护总体框架结构示意图
安全区的划分：安全I区为实时控制区等电调监控系统的生产控制区域（电站监控系统）、安全Ⅱ区非控制生产区如水情调度系统和其他非实时生产系统(例如：电能量、遥视等系统)接口区、安全III区为生产管理区。

集控方式下可以采用纵向认证加密装置、入侵检测系统、正向隔离装置、反向隔离装置、防火墙等保证安全区的安全性。

设计时在三区的互联时必须考虑接入相应的防护设备、隔离装置的方向性、纵向认证加密装置是否需要成对使用。

4.3 梯调和各电站的通讯方式
4.3.1 由梯调通讯机与站控层梯调通讯前置机通讯，结构复杂，投资成本较高。

4.3.2 由梯调主机与站控层PLC通讯，特点主机负荷较重，结构简单，可靠性高，投资成本较低。

4.3.3 由梯调主机与与站控层梯调通讯前置机通讯，对主机性能要求较高，节省硬件投资费用。

4.3.4 由梯调通讯机与站控层LCU工控机通讯。

以上4种方式中，
第1种方式按照控制方式又分为两种:
a. 通讯机只负责控制权切换，多用于小型的集控方式需要和第2种方式配合使用，即遥测、遥信、遥控、遥调通过第2种方式，控制权切换通过第1种方式。

例如：广西长洲集控系统采用集控主机直接和集控层的长洲内江电站及外江电站的各LCU侧PLC通讯负责四遥数据，而控制权切换通过集控的通讯机和电站侧负责集控通讯的通讯机完成。

内江电站（集控）的所有LCU由内江电站（集控）上位机直控，由于内江电站的上位机系统兼做集控，对于外江电站的控制权方式，内江电站（集控）可以通过通讯机对外江电站实施控制权切换，控制的优先级为外江电站的现地LCU最高，其次是外江电站上位机，最后为内江电站（集控）上位机，外江电站上位机系统可以在任意时刻实现将控制权切给外江电站或者本侧。

b. 通讯机不光负责控制权切换，还负责四遥数据的通讯，多用于大型的集控方式，通讯机负责四遥数据以及控制权、调节权切换，设计时多用于大型的集控方式，通常通讯机采用大型的工作站或者服务器，如果集控的电站较多时，可以在集控侧采用每2-3个电站共同使用2台冗余的通讯服务器，实现和各集控电站的通讯。

例如：澜长江集控针对多个的集控层电站，采用每2个集控层电站配置集控侧的两台互为冗余的SUN V490通讯服务器与之通讯，所有的集控和电站的通讯、控制均在集控通讯机上完成。

通讯服务器配有4块1 000 M以太网卡，其中2块分别与集控中心核心交换机相连，另外2块分别通过2台纵向加密装置分别接入云南电力数据网和电信数据网的三层交换机设备，采用IEC 104规约，通讯量包括四遥数据以及控制权切换。

集控层电站通过2台集控通讯机及2台纵向加密装置接入电力数据网以及电信数据网的三层交换机设备，值得注意的是集控层和集控的路由功能是由电力数据网和电信数据网实现的所以不需要在设计时另外采购路由器，接入数据网后如果2台通讯机和多个电站通讯可以在三层交换机设备上划分VLAN和配置路由方式。

第2种方式常用于小规模集控方式下的通讯，此种方式需要配合第1种方式以完成控制权切换功能，而集控侧多在距离各集控电站较近的位置，通过光纤连接集控电站层和集控，使用三层交换机配置路由策略，集控的主机可以通过划分VLAN及路由或者直接访问站控层PLC，实现和电站层主机同样的数据通讯方式。

如之前介绍的广西长洲集控即采用这种方式，集控层的主机和站控层PLC在同一网段。

c. 第3种方式可以节省在集控侧通讯设备的投资。

例如：乌江流域梯级电站远程集控中心计算机监控系统采用在集控侧由两台互为冗余的主机SUN V480服务器通过针对7个集控层电站的路由器、规约转换器接入电力数据网以及卫星通道，交换的数据主要有四遥数据以及控制权切换，由主机和电站通讯的方式可以节省在集控侧通讯机上和网络设备上的投资，实践证明通过SUN V480服务器和7个集控层电站通讯可以满足设计要求，通讯规约采用DL476规约，DL476规约适用与大数量的通讯程序，按一个LCU可有多张索引表，传输不同类型的数据。

集控侧主机通过路由器、规约转换器接入电力数据网以及卫星通道通讯，其中针对每个集控层电站，集控侧和集控层电站都是采用1台路由器CISCO 2611完成对外的电力数据网的双通道和卫星通道的路由功能。

d. 第4种方式主要用于老电厂的集控方式以及老电站系统改造的集控方式，例如：广西大化集控，为南瑞公司08年改造项目。

存在以上1、2、4三种集控方式，广西大化集控有集控层电站2个，分别为大化电站和百龙滩电站，集控中心就设在大化电站侧，集控中心和大化电站的通讯采用方式2以及方式4，即集控中心通过三层交换机的路由功能直接和大化电站的PLC以及工控机通讯，而和百龙滩电站的通讯由于距离较远且为北京水科院的项目涉及系统接入等问题，故采用方式1即集控中心通过集控通讯机和百龙滩的站控层梯调通讯机通讯。

大化集控的方式在设计中有很强的针对性，针对大化电站和百龙滩电站的特点制定相对应的方案以实现最优化设计。

梯级电站集控中心监控系统设计方案研究 杨 非 等
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2009全国水电自动化技术学术交流研讨会暨全国水电厂自动化技术信息网成立30周年纪念座谈会论文集
12 4.4 控制权、调节权切换
控制权主要分为：网调远方控制方式、集控中心中控室集中控制方式、电站中控室集中控制方式、现地控制方式，在此主要讨论集控中心中控室集中控制方式和电站中控室集中控制方式。

控制的原则为离机组越近，控制级别越高。

梯级集控中心或省中调工作方式选择切换在各电站中控室进行，并能相互闭锁，较高级别控制侧在拥有控制权情况下能将控制权切至较低级别控制侧，较高级别控制侧能将控制权从任何一级较低级别控制侧直接切回控制权。

4.4.1 以机组作为单位
特点：控制灵活，方式复杂
以澜沧江集控为例，每台机组一个控制权并且每个电站一个控制权。

集控各电站的控制权分为电站控制权和机组控制权，电站控制权和受控机组控制权都在集控侧时，集控中心才能对受控机组进行与各电站中控室操作员工作站完全相同的实时控制、安全监视及调度管理，而当受控机组的控制权在电站侧，电站的控制权在集控侧时，只能由电站对该受控机组进行控制，不存在集控电站层机组的控制权在集控而电站的控制权在电站的情况。

4.4.2 以电厂为单位
特点：控制简便，方式简单
以乌江梯调为例，每个电厂一个控制权。

集控各电站的控制权在集控中心时由集控中心对集控层电站进行与集控层电站中控室操作员工作站完全相同的实时控制、安全监视及调度管理，当控制权切回电站后即有电站中控室操作员工作站完成控制。

注意：当以上两种情况由于通信中断或其它故障使某一个电站计算机监控系统与集控中心监控系统通信中断时，集控中心退出该电站控制权，由电站上位机系统运行值班人员根据网调命令，在电站中控室和现地LCU 屏上进行控制操作。

4.5 EDC 及AGC 的定义及工作方式
EDC 是指按照梯级水电站的预报来水和电力系统要求，通过最优化算法精确计算，实施对整个梯级电站的最优水电联合调度。

AGC 是指按预定条件和要求，以迅速、经济的方式自动控制水电厂有功功率来满足系统需要的技术，它是在水轮发电机组自动控制的基础上，实现全电厂自动化的一种方式。

EDC 软件运行在流域的调度控制中心，负责对整个梯级的各水电站实施联合调度，在改善各梯级水电站运行状况的同时提高梯级水电站群的总经济效益。

AGC 软件则运行在梯级的每个水电厂中，负责对该水电厂的机组实施最优的控制，在保证机组设备安全稳定的条件下通过合理的启停和机组组合提高水电厂的经济效益。

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梯级水电厂经济调度控制模式示意图
4.6 梯级监控基本特点
梯级水电厂调度自动化系统与一般水电厂监控系统的不同之处在于，梯级水电厂调度自动化系统需要考虑与梯级各电站间的网络系统构建，梯级电站水库中长期调度，梯级电站经济调度（EDC ），以及省（网）调、梯调及各梯级电站之间的调度关系等问题。

4.6.1 省（网）对梯调的调度模式
1. 下达整个梯级的日发电计划曲线(未来48小时)或实时给定值方式；
2. 下达梯级各电站的日发电计划曲线(未来48小时)或实时给定值方式；
目前采用较多的是第1种方式，即省调出于对电网的潮流考虑决定梯调的总负荷，由梯调根据流域来水情况等决定各电站的负荷分配。

4.6.2 梯调的调度模式
梯级电站经济调度（EDC ）软件或调度员根据经验将调度给定值分配至梯级各电站，并由梯级电站AGC （在集控侧）完成自动开停机和负荷优化分配；
梯级电站经济调度（EDC ）软件或调度员根据经验将调度给定值分配至梯级各电站远方AGC （在电站侧），并由其完成自动开停机和负荷优化分配。

目前采用较多是第2种方式，即负荷分配方式由省调下达实时负荷给定值至集控，由集控侧调度员根据流域来水情况等将负荷分配至各集控层电站，由各集控层电站的AGC 成组运算后将负荷平均分配到各台机组。