胡春林，萬 元,2，魏志鵬，諶斐鳴

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

0 引言

五凌電力有限公司（以下簡稱：五凌公司）主要負責沅水流域梯級電廠開發(fā)的規(guī)劃、建設、經(jīng)營及湖南抽水蓄能電廠、湖南核電和部分火電的開發(fā)建設，已經(jīng)先后在沅水流域建成五強溪、凌津灘、洪江、碗米坡、三板溪和掛治六座水電站，沅水流域在建的有白市、托口兩座水電站，湘江流域已建近尾洲水電廠，資江流域馬跡塘、東坪、株溪口三個水電廠。位于長沙市北郊的黑麋峰抽水蓄能電廠于2010年9月全部投產(chǎn)發(fā)電，另有開發(fā)建設的位于貴州省的黔東火電廠。目前，五凌公司已建在建水電廠13個，1個火電廠，圖1為五凌公司電源開發(fā)分布圖。

圖1 五凌公司電源開發(fā)分布圖

顯然，五凌公司的電廠具有“絕對數(shù)量多，地域分布廣，跨流域、跨調(diào)度機構(gòu)，電源類型多樣”的特點，為了提高發(fā)電運行人員的工作效率，在積極建設跨流域遠程集控系統(tǒng)的同時，五凌公司在國內(nèi)創(chuàng)新性地提出了“區(qū)域控制”與“區(qū)域值班員”的概念，由一個值班員實現(xiàn)多個水電廠的遠程監(jiān)控，突破傳統(tǒng)遠程集控中“一人一席一廠”的模式，實現(xiàn)五凌特有的“一人一席多廠”的“區(qū)域值班員”模式，本文重點介紹“區(qū)域值班員”模式的集控系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究思路。

1 五凌公司集控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

五凌公司跨流域遠程集控系統(tǒng)采用開放分層分布無主式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可分為生產(chǎn)信息查詢層、控制層、非控制層和接入層，相應的集控系統(tǒng)也由四個局域網(wǎng)組成，分別是：生產(chǎn)控制網(wǎng)（安全I區(qū)）、生產(chǎn)非控制網(wǎng)（安全II區(qū)）、生產(chǎn)管理信息網(wǎng)（安全III區(qū)）和接入網(wǎng)[1]。各安全區(qū)之間的安全防護措施滿足國家電監(jiān)會關(guān)于“電力二次系統(tǒng)安全防護”的規(guī)定。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 五凌跨流域遠程集控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

生產(chǎn)控制層采用以太網(wǎng)雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，控制網(wǎng)上的服務器和工作站等設備均采用熱備用冗余配置方式。其中歷史服務器與磁盤陣列主要實現(xiàn)13個電廠海量數(shù)據(jù)的存儲，應用服務器主要完成各電廠AGC軟件的運行，生產(chǎn)非控制層為以太單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，用以連接報表管理工作站、遠程維護和診斷服務器等。生產(chǎn)管理信息層配置千兆以太網(wǎng)交換機，主要連接WEB發(fā)布服務器、WEB數(shù)據(jù)服務器及梯級水調(diào)自動化系統(tǒng)外網(wǎng)交換機等有關(guān)設備，并通過防火墻與管理信息系統(tǒng)連接，實現(xiàn)遠程集控系統(tǒng)WEB發(fā)布。為實現(xiàn)信息安全，生產(chǎn)控制網(wǎng)與生產(chǎn)非控制網(wǎng)使用防火墻隔離，生產(chǎn)管理信息網(wǎng)則通過網(wǎng)絡安全隔離設備與生產(chǎn)控制網(wǎng)連接。

接入層包括與調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)及遠程電廠的接入網(wǎng)，均采用百兆以太網(wǎng)雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，為了確保遠程通信安全，在集控中心站與通信對側(cè)（遠程水電廠、電網(wǎng)調(diào)度）均安裝了縱向加密認證裝置[1]。

1.2 集控數(shù)據(jù)網(wǎng)

集控數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（結(jié)構(gòu)見圖3）用于集控中心與各電廠之間計算機監(jiān)控系統(tǒng)、泄洪閘門監(jiān)控系統(tǒng)、電能量計量系統(tǒng)、水情及水調(diào)自動化系統(tǒng)、繼電保護運行及故障信息管理系統(tǒng)、消防監(jiān)控系統(tǒng)等實時、非實時數(shù)據(jù)交換。集控數(shù)據(jù)網(wǎng)絡采用主、備用通道傳輸數(shù)據(jù)。電力光纖傳輸通道作為主通道，電信光纖傳輸通道作為備用，優(yōu)先級低于電力光纖傳輸通道。當電力2 Mbps點對點光纖傳輸通道中斷時，電信光纖傳輸通道在設計時間內(nèi)切換為主運行通道運行，一旦電力2 Mbps點對點光纖傳輸通道恢復正常時，電信光纖傳輸通道將自動還原為備用。

圖3 五凌集控數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

集控數(shù)據(jù)網(wǎng)劃分為實時VPN和非實時VPN，實時VPN傳輸發(fā)電、泄洪閘門等實時數(shù)據(jù)，非實時VPN傳輸水情、水調(diào)、電能計量、故障錄波等非實時業(yè)務數(shù)據(jù)，優(yōu)先保證實時數(shù)據(jù)傳輸。正常情況下，實時VPN數(shù)據(jù)通過主用電力光纖專用通道傳輸，非實時VPN數(shù)據(jù)通過備用電信光纖專用通道傳輸。

2 “區(qū)域值班員”模式及其關(guān)鍵技術(shù)

2.1 “區(qū)域控制”與“區(qū)域值班員”的概念

為了實現(xiàn)高效的遠程控制，滿足五凌公司多流域集控系統(tǒng)建設的具體要求，提出“區(qū)域控制”與“區(qū)域值班員”的概念，即將五凌公司的水電廠群劃分為若干個“區(qū)域”，一個“區(qū)域”包含多個電廠，任意區(qū)域均被視為一個調(diào)度和控制的整體，由一個運行值班員（“區(qū)域值班員”）實現(xiàn)對“區(qū)域”內(nèi)所有電廠的遠程監(jiān)視與集中控制，從而突破了傳統(tǒng)遠程集控中“一人一席一廠”的模式，實現(xiàn)了“一人一席多廠”的水電廠管控模式。

要實現(xiàn)“區(qū)域值班員”模式，不僅要求生產(chǎn)管理制度上的創(chuàng)新，還要求突破若干關(guān)鍵技術(shù)問題。具體包括：①“區(qū)域”劃分策略；②“區(qū)域值班員”模式下人機交互平臺、運行報表、事件及報警篩選等的優(yōu)化設計；③“區(qū)域”上下游電廠經(jīng)濟匹配運行模型。

2.2 “區(qū)域”劃分策略

根據(jù)“區(qū)域控制”的概念，結(jié)合五凌公司實際情況，將五凌公司電廠初步劃分為5個區(qū)域，分別為五-凌區(qū)域、三-掛-白區(qū)域、托-洪區(qū)域、碗-近-黑區(qū)域以及東-株-馬區(qū)域，黔東火電廠近期只實現(xiàn)監(jiān)視，不進行遠程控制，另外考慮其他中小水電監(jiān)控接入。各區(qū)域所包含的電廠及“區(qū)域”內(nèi)機組臺數(shù)見表1所示。

表1 “區(qū)域”包含的電廠及機組臺數(shù)

區(qū)域劃分不是各個子電廠簡單組合，而是按照效益最大化、上下游水庫梯級調(diào)度、控制可靠性最高、自然環(huán)境最適宜，廠間匹配最便利等要求的有機整合。區(qū)域劃分根據(jù)電廠地理位置的相關(guān)性、相鄰近及易于綜合調(diào)度等特征，充分考慮不同電廠發(fā)電機組類型的差異，按照效益最大化、控制可靠性最高的原則。

為了提高綜合效益與值班員的控制可靠性，“區(qū)域控制”模式下“區(qū)域”劃分應遵循三個原則：

（1）“區(qū)域”內(nèi)各電廠一般存在直接的水力聯(lián)系，便于電廠間經(jīng)濟匹配運行；

（2）各“區(qū)域”所含的發(fā)電機臺數(shù)不宜差距過大；

（3）“區(qū)域”內(nèi)各電廠的地理位置盡量鄰近，有利于水電廠真正實現(xiàn)“無人值班，關(guān)門運行”后，“區(qū)域檢修中心”位置的選擇。

結(jié)合以上原則，五凌公司“區(qū)域控制”模式下“區(qū)域”的劃分主要按照以下幾個方面考慮：

（1）各個“區(qū)域”內(nèi)機組數(shù)目分配基本合理，其中三-掛-白區(qū)域 10臺（4+3+3），托 -洪區(qū)域 12臺（4+2+6），五 -凌區(qū)域14臺（5+9），東-株-馬區(qū)域11臺（4+4+3），碗-近-黑區(qū)域10臺（3+3+4）。除了五-凌區(qū)域的機組臺數(shù)稍偏多以外，其他“區(qū)域”機組臺數(shù)分布較為均勻，從而各“區(qū)域”的“區(qū)域值班員”對電廠遠程監(jiān)控難度差距不大。

（2）在沅水流域干流上，主要根據(jù)電廠在流域上的順序、水庫的調(diào)節(jié)特性、上下游水力聯(lián)系來確定其所屬“區(qū)域”，具體原因包括：①當五凌公司實現(xiàn)“遠程集控”后，由于按照沅水干流的順序劃分“區(qū)域”，同“區(qū)域”的電廠彼此位置鄰近，便于水電廠實現(xiàn)“無人值班，關(guān)門運行”后，在“區(qū)域”的居中位置建立“區(qū)域檢修中心”；②為了便于電廠間匹配經(jīng)濟運行，優(yōu)化流域綜合調(diào)度，提高發(fā)電效益，在“區(qū)域”的劃分時，盡量考慮上下游電廠的水力聯(lián)系與聯(lián)合匹配經(jīng)濟運行的可能性，一般，“區(qū)域”上游水庫為“月調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)甚至多年調(diào)節(jié)水庫”的大型水庫，“區(qū)域”下游水庫為“日調(diào)節(jié)或周調(diào)節(jié)”的小型水庫，這樣“區(qū)域”內(nèi)上游水庫的下泄流量，能夠直接指導制定“區(qū)域”下游水庫電廠的發(fā)電計劃，從而有利于水庫間的匹配運行與聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。

（3）東坪電廠、株溪口電廠、馬跡塘電廠均分布在湖南資江流域上（單個流域上），三個電廠位置非常鄰近，且全部為“日調(diào)節(jié)”性能水庫，當上游柘溪水電廠下泄流量確定時，該三廠被劃成一個“區(qū)域”，便于聯(lián)合調(diào)度與優(yōu)化控制，有利于聯(lián)合制定最優(yōu)的發(fā)電計劃，同時所有三廠的機組類型均為“低水頭燈泡貫流式”機組，機組特征及結(jié)構(gòu)差異不大，有利于“區(qū)域值班員”高可靠的監(jiān)視與控制。

（4）碗米坡電廠屬于沅水支流酉水流域，近尾洲電廠屬于湘江流域，黑麋峰電廠為抽水蓄能電廠，雖然電廠間關(guān)聯(lián)性相對較弱，基本不存在水力聯(lián)系，且電廠間位置也比較遠，但以上三廠均屬于湖南省調(diào)或省調(diào)委托地調(diào)調(diào)度，調(diào)度關(guān)系較為單一，且三個電廠中碗米坡電廠與近尾洲電廠屬于常規(guī)水電廠，控制難度較小，而黑麋峰為抽水蓄能電廠，工況切換多，控制難度大，三個電廠形成“區(qū)域”后與其他“區(qū)域”相比綜合控制難度相差不大，基于以上考慮，將該三個電廠劃分成一個“區(qū)域”。

2.3 “區(qū)域值班員”模式下人機交互平臺

人機交互平臺是實現(xiàn)“區(qū)域控制”與“區(qū)域值班員”模式的關(guān)鍵技術(shù)之一，其設計必須盡量參考水電廠運行值班員的實際經(jīng)驗，并根據(jù)運行值班人員的需求不斷更新與優(yōu)化，“區(qū)域值班員”模式下的人機交互界面不僅要求美觀大方，還必須要求在監(jiān)視信息量大的環(huán)境中，做到操作便利，界面之間切換簡單，因此，“區(qū)域值班員”模式下人機交互平臺優(yōu)化設計應遵循以下原則：

（1）為提高“區(qū)域值長”的遠控機組及設備的效率，存在對“區(qū)域”所有機組進行負荷調(diào)整，遠程開/停機等操作，重要開關(guān)操作的綜合界面；

（2）反映“區(qū)域”運行狀況的界面應囊括“區(qū)域”內(nèi)所有電廠的重要信息量，且重復信息少，信息展示方式合理；

（3）盡量降低“區(qū)域”內(nèi)部各電廠之間界面的切換難度與步驟。

2.4 “區(qū)域值班員”模式下報表優(yōu)化設計

“區(qū)域值班員”要求對“區(qū)域”內(nèi)多個電廠進行遠程監(jiān)視與控制，因而“區(qū)域值班員”模式下報表設計的基本原則是在最大程度上降低“區(qū)域值班員”的勞動強度，提高“區(qū)域值班員”的勞動效率，因此，按照以下原則優(yōu)化設計“區(qū)域”內(nèi)電廠的報表系統(tǒng)：

（1）在“集控層”與“電廠層”之間設置“區(qū)域?qū)印?，“區(qū)域?qū)印钡膱蟊砟芊从场皡^(qū)域”內(nèi)所有電廠的重要運行信息量，包括發(fā)電量、綜合廠用電量等信息；

（2）設計能反映“區(qū)域”內(nèi)所有電廠機組的特征運行參數(shù)的報表，包括所有發(fā)電機定子電壓、定子電流，母線電壓，勵磁電流等在某一階段的最大值、最小值與平均值等。

（3）為了滿足對輔助設備運行健康狀態(tài)評價的需要，設計對“區(qū)域”內(nèi)電廠輔助設備啟、停規(guī)律進行統(tǒng)計的報表，具體對“區(qū)域”電廠的高壓氣機、低壓氣機、GIS氣機、各機組的調(diào)速器壓油泵、各機組調(diào)速器漏油泵、滲漏排水泵、大壩廊道排水泵、檢修排水泵、廠區(qū)排水泵、頂蓋排水泵等的在一段時間內(nèi)的運行時間、停止時間間隔進行統(tǒng)計，并生成體現(xiàn)某段時間內(nèi)輔助設備運行時間、停止時間間隔最大值的報表，“區(qū)域值班員”能利用報表對輔助設備的健康狀態(tài)進行評價，提高了“區(qū)域”電廠的自動化維護水平。

2.5 “區(qū)域值班員”模式下事件及報警查詢優(yōu)化

提高水電廠事件的查詢效率，有利于提高值班人員監(jiān)視與控制的可靠性，本文研究了“區(qū)域值班員”模式下事件顯示與查詢的優(yōu)化設計方法，具體包括以下幾個方面：

（1）在“集控層”與“電廠層”之間設置“區(qū)域?qū)印?，“區(qū)域值班員”不僅能根據(jù)廠站名、設備邏輯名等方式，還能根據(jù)“區(qū)域”名實現(xiàn)對事件及報警進行查詢；

（2）支持事件模糊智能匹配查詢方法，不需要輸入事件的全部名稱，僅需要部分字段便能對事件進行定位；

（3）智能提示重復報警信息，“區(qū)域值班員”可根據(jù)需要取消重復報警信息的顯示，防止在一段時間內(nèi)重復報警占滿整個報警窗口。

2.6 “區(qū)域”上下游電廠經(jīng)濟匹配運行模型

在沅水流域干流上，主要根據(jù)電廠在流域上的順序、水庫的調(diào)節(jié)特性、上下游水力聯(lián)系來確定其所屬“區(qū)域”，因此，對于沅水流域上的“區(qū)域”來說，上游水庫一般為“月調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)甚至多年調(diào)節(jié)水庫”的大型水庫，“區(qū)域”下游水庫一般為“日調(diào)節(jié)或周調(diào)節(jié)”的小型水庫，“區(qū)域”上下游電廠經(jīng)濟匹配運行模型主要采用“以水定電”的方式優(yōu)化下游“小水庫”的運行，即下游電廠根據(jù)上游電廠的下泄流量及其他支流的注入流量，結(jié)合自身的庫容特性、機組容量、機組振動區(qū)特性等，提出最優(yōu)的運行負荷方案。在上游電廠下泄流量較多時，及時騰空庫容，力爭最大程度的利用水資源。

3 工程應用

目前，五凌公司跨流域水電廠群集控系統(tǒng)采用的“區(qū)域值班員”模式已完成“區(qū)域”劃分、“區(qū)域值班員”模式下人機界面設計與開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)的研究，并投入試運行，本文對其中部分典型人機界面進行展示。

3.1 區(qū)域主接線

區(qū)域主接線界面主要展示“區(qū)域”各電廠的線路拓撲圖，顯示電廠及相應高壓線路、區(qū)域內(nèi)所有機組的運行狀態(tài)，顯示電網(wǎng)調(diào)度對區(qū)域內(nèi)各電廠的給定負荷情況與電廠AGC/AVC投/退情況，“區(qū)域值班員”能使用區(qū)域主接線界面在界面上對各電廠一次主接線上的重要開關(guān)設備（比如機組GCB、TCB等）進行操作，對區(qū)域內(nèi)所有機組進行開/停機、增/減負荷操作。圖4為五凌公司“碗-近-黑”區(qū)域主接線界面。

圖4 五凌公司“碗-近-黑”區(qū)域主接線界面

區(qū)域主接線界面的設計采用“去繁就簡”的設計思路，僅顯示“區(qū)域”內(nèi)部各電廠主接線的斷路器設備，而對于其他應用于線路或機組檢修狀態(tài)的線路刀閘、地刀則不予顯示，從而在確保界面的簡潔性的基礎上，展示最多的內(nèi)容。同時，區(qū)域主接線界面中蘊含了切換到“區(qū)域”電廠監(jiān)控目錄的主按鈕，只需要一步便能從區(qū)域主接線界面上切換到“區(qū)域”內(nèi)各電廠的監(jiān)控目錄，切換步驟少。

3.2 區(qū)域運行狀態(tài)監(jiān)視

區(qū)域運行狀態(tài)監(jiān)視界面綜合顯示“區(qū)域”所含電廠及所有機組的運行狀況，能對“區(qū)域”電廠的運行參數(shù)（包括總有功、總無功、上/下游水位）及所有機組的基本運行參數(shù)（包括開/停機狀態(tài)，控制權(quán)限，有功，無功，頻率，導葉開度等）進行綜合顯示，便于“區(qū)域值班員”在整體上實時了解“區(qū)域”的當前運行狀態(tài)。圖5為“三-掛-白”區(qū)域的運行狀態(tài)監(jiān)視界面。

3.3 區(qū)域AGC控制模式

區(qū)域AGC控制模式界面體現(xiàn)了“區(qū)域”包含電廠的AGC的投/退情況、執(zhí)行方式，所有機組的AGC控制方式及運行模式。“區(qū)域值班員”使用區(qū)域AGC控制模式界面能全面了解“區(qū)域”內(nèi)各機組的振動區(qū)特性，調(diào)度對電廠的考核參數(shù)，機組及電廠AGC運行模式等重要信息，并能進行AGC相應的投/退操作。圖6為“五-凌”區(qū)域的AGC控制模式界面。

圖5 五凌公司“三-掛-白”區(qū)域的運行狀態(tài)監(jiān)視界面

圖6 五凌公司“五-凌”區(qū)域的AGC控制模式界面

4 結(jié)語

為了提高運行人員的工作效率，在建設跨流域遠程集控系統(tǒng)的同時，五凌公司首次提出了“區(qū)域控制”和“區(qū)域值班員”的概念，并積極開展其中若干關(guān)鍵技術(shù)的研究，提出了突破各項關(guān)鍵技術(shù)的研究思路。目前，五凌公司已完成了“區(qū)域值班員”模式下“區(qū)域”劃分與人機交互界面設計與開發(fā)，并投入試運行，取得良好的應用效果。遠程集控的“區(qū)域值班員”模式下關(guān)鍵技術(shù)的研究不僅成功解決了五凌公司建設多流域遠程集控系統(tǒng)過程中面臨的電廠數(shù)量多、分布跨流域等難題，也將為其他電廠數(shù)目多、分布區(qū)域廣闊的發(fā)電企業(yè)實現(xiàn)“遠程集控”提供一種較好的解決方法。

[1]王德寬，袁宏，王崢瀛，等.H9000 V4.0計算機監(jiān)控系統(tǒng)計算特點概要[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2007,31(3)：16-18.

[2]王德寬，王桂平，等.水電廠計算機監(jiān)控技術(shù)三十年回顧與展望[J].水電站機電技術(shù)，2008，(3):1-8.