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        二郎壩梯級水電站集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案

        2011-08-30 01:17:28吉隆朝戚永建
        中國水能及電氣化 2011年8期
        關(guān)鍵詞:二郎梯級被控

        吉隆朝,戚永建,曹 波

        (二郎壩水力發(fā)電公司,陜西 漢中 724400)

        針對某河段上的各梯級水電站,設(shè)置梯級調(diào)度中心 (簡稱梯調(diào)中心),利用計算機、遠動和通信技術(shù),對各級水電站 (包括梯級聯(lián)合開關(guān)站、變電站)進行集中監(jiān)控,可以實現(xiàn)梯級水電站的科學經(jīng)濟調(diào)度和自動經(jīng)濟運行。梯級水電站之間,一般水流關(guān)系十分緊密,其出力、過流面及水頭等運行參數(shù)相互間有許多相關(guān)約束因數(shù),只有以整個梯級電站為對象,通過集中監(jiān)控,聯(lián)合實時經(jīng)濟調(diào)度、自動經(jīng)濟運行,才能做到充分利用水能資源,最大限度地提高各級水電站的運行效率。

        1 二郎壩梯級水電站概況

        二郎壩水力發(fā)電公司轄有3座梯級電站和一座水庫樞紐,梯級電站有四個發(fā)電運行車間,三個戶外變電站,共有三條35kV出線 (臥天聯(lián)絡(luò)線、臥寧線、臥Ⅰ臥Ⅱ線),兩條110kV出線(臥陽線、臥王線),公司距水庫樞紐38km,其間分布著三個梯級電站。水庫樞紐總庫容7760萬 m3,興利庫容 5250萬m3,年調(diào)節(jié)水量 2.14億m3。梯級電站裝機共10臺,總裝機容量為5萬kW,其中一級站天生橋電站為3×4000kW,二級站二郎壩電站為3×2500kW,三級站臥龍臺Ⅰ期電站 2×4000kW,臥龍臺Ⅱ期電站為 2×11250kW。除臥龍臺Ⅰ期電站外,其它電站監(jiān)控系統(tǒng)均按照 “計算機監(jiān)控為主,常規(guī)為輔”的原則進行規(guī)劃設(shè)計和設(shè)備選型。梯級電站工程建設(shè)分為兩個階段完成,一期工程臥龍臺Ⅰ期電站兩臺機組于1988年底建成發(fā)電,控制方式為常規(guī)控制;二期工程8臺機組于1999年底建成發(fā)電,控制方式為計算機控制為主,常規(guī)控制為輔。梯級電站的主接線如圖1所示。

        2 梯級水電站集中監(jiān)控設(shè)計方案

        2.1 總體方案

        依據(jù)二郎壩水力發(fā)電公司梯級電站實現(xiàn)集中監(jiān)控的要求,并結(jié)合各梯級電站設(shè)備的實際和充分考慮投資回報等情況分步實施技改,因此首先應(yīng)建立梯級電站集中監(jiān)控中心系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與配置,然后逐級進行被控電站自動化的改造,實現(xiàn)對被控電站集中監(jiān)控的目標。

        根據(jù)二郎壩水力發(fā)電公司梯級電站的特點,按梯級電站集中控制、被控電站 “無人值班 (少人值守)”進行規(guī)劃,用3至5年的時間分步實施技改,逐步實現(xiàn)梯級電站集中監(jiān)控的目標。

        (1)梯調(diào)設(shè)辦公樓內(nèi),按集中控制設(shè)計,梯調(diào)計算機監(jiān)控系統(tǒng)直接與各梯級電站的現(xiàn)地單元聯(lián)系,系統(tǒng)可采用PLC直接接入總線,此方式可以大大提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性,避免PLC經(jīng)過一體化接入以太網(wǎng)的瓶頸,使各個設(shè)備具有安全獨立性。梯調(diào)的主控層以太網(wǎng)采用光纖以太網(wǎng)方式,實現(xiàn)通信通道熱備用冗余,突出系統(tǒng)高可靠性。梯級調(diào)度系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動發(fā)電控制 (AGC)、 自動電壓控制 (AVC)、有功功率聯(lián)合控制、經(jīng)濟運行 (EDC)趨勢分析、人工智能故障分析,以及完成事故處理、仿真培訓等任務(wù)。

        (2)被控電站按現(xiàn)地、遠方監(jiān)控的指導思想進行總體設(shè)計和配置。電站的所有生產(chǎn)過程的控制由計算機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)。

        (3)各被控電站按 “無人值班,少人值守”的原則進行設(shè)計,控制方式有梯調(diào)控制和現(xiàn)地控制兩種。梯調(diào)控制是主要運行方式,在此方式下,電站的日常監(jiān)視、操作由梯調(diào)值班人員負責;電站值班人員一般僅負責設(shè)備的巡視檢查、日常維護以及緊急事故處理等?,F(xiàn)地控制是在梯級計算機監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生故障或被控電站與梯調(diào)失去聯(lián)系的情況下的采用的控制方式,在此方式下,電站日常監(jiān)視操作改由電站值班人員負責,電站中央控制室應(yīng)保留必要的監(jiān)控設(shè)備。

        (4)梯調(diào)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用雙機冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu),梯調(diào)與被控電站之間的通信通道雙重化。目前各梯級電站之間的12芯單模光纖已鋪設(shè)完成。

        (5)梯調(diào)計算機監(jiān)控系統(tǒng)嚴格執(zhí)行國家經(jīng)貿(mào)委 “電網(wǎng)和電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)及調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全防護規(guī)定”和國家電監(jiān)會 “電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定” “電力二次系統(tǒng)安全防護總體方案”,進行安全防護。

        2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與配置

        2.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        梯級調(diào)度的監(jiān)控系統(tǒng)按控制層次和控制對象,分為梯調(diào)控制級和現(xiàn)地控制級。梯調(diào)控制級與現(xiàn)地控制級采用雙星形以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)地控制級為4個電站和1個水庫站。現(xiàn)地控制級選用高性能的可編程控制器,按被控制對象 (水輪發(fā)電機組、開關(guān)站、公用設(shè)備、閘門等)由多臺現(xiàn)地控制單元 (LCU)組成,具有獨立運行和監(jiān)控功能。

        2.2.2 系統(tǒng)配置

        梯調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用雙高速以太網(wǎng),配置兩臺以太網(wǎng)交換機,將服務(wù)器、操作員工作站,工程師工作站和通訊工作站有機地結(jié)合在一起,構(gòu)成按功能分工協(xié)作的綜合監(jiān)控系統(tǒng)。作為服務(wù)器及操作員站,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、報警、打印及管理、操作與監(jiān)視等功能。

        被控電站網(wǎng)絡(luò)采用雙高速以太網(wǎng),配置網(wǎng)絡(luò)交換機2臺和通訊管理機2臺。網(wǎng)絡(luò)交換機負責將各被控電站的遙信、遙測量傳送至梯調(diào)網(wǎng)絡(luò)交換機,并將接收的梯調(diào)監(jiān)控的遙調(diào)、遙控命令傳送至被控電站。雙以太網(wǎng)配置雙網(wǎng)絡(luò)交換機,獨立工作,互為備用。通訊管理機負責完成與現(xiàn)場勵磁系統(tǒng)、調(diào)速器、直流系統(tǒng)、保護等的數(shù)據(jù)交換。

        2.2.3 系統(tǒng)通訊

        除系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊外,系統(tǒng)的通訊工作站還可以完成與省調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、遠動、電量采集系統(tǒng)以及信息管理 (MIS)系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)、水情測報系統(tǒng)和火災(zāi)報警系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊任務(wù),實現(xiàn)梯級電站綜合自動化。

        本系統(tǒng)與其它系統(tǒng)間的通訊方式以及規(guī)約、速率和接口,可根據(jù)具體情況確定。

        2.2.4 監(jiān)控流程

        各被控電站的通訊管理機將遙信、遙測、遙調(diào)、遙控量通過SDH單模光纖分別送至網(wǎng)絡(luò)交換機,網(wǎng)絡(luò)交換機與梯調(diào)三層交換機進行數(shù)據(jù)交換。梯調(diào)三層交換機應(yīng)用VLAN技術(shù)根據(jù)不同的MAC地址與服務(wù)器、操作員工作站、工程師工作站和通訊工作站進行數(shù)據(jù)鏈路,完成各梯級電站和水庫樞紐的綜合監(jiān)控功能。

        通訊工作站實現(xiàn)與被控電站水情測報系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、火災(zāi)報警系統(tǒng)的通訊,根據(jù)省調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、遠動、電量采集系統(tǒng)的要求,對生產(chǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)加密后送至省調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交換機,實現(xiàn)“四遙”功能;對生產(chǎn)信息經(jīng)正向隔離裝置送至梯調(diào)信息管理系統(tǒng) (MIS)。梯調(diào)配置一臺大屏幕投影儀,作為系統(tǒng)實時畫面監(jiān)視。投影儀可接收通信站信號及視頻信號,實時顯示計算機監(jiān)控系統(tǒng)畫面或工業(yè)電視視頻信號。

        2.2.5 設(shè)備功能

        三層交換機:主要使用其MAC(介質(zhì)訪問控制)地址的VLAN劃分方式,構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò),根據(jù)管理人員權(quán)限劃分可訪問區(qū)域,保證整個調(diào)度網(wǎng)絡(luò)的安全可靠。三層交換機具有豐富的管理功能,它是整個調(diào)度網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵,具有吞吐量大以及支持網(wǎng)關(guān)功能等特點,不但使整個梯級調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)更為可靠,而且使局域網(wǎng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換速度更快。三層交換機具有高可擴性,在連接多個子網(wǎng)時,子網(wǎng)只是與第三層交換模塊建立邏輯連接,而不是象傳統(tǒng)外接路由器需要增加端口,從而減少了用戶對網(wǎng)絡(luò)的投資,并滿足應(yīng)用快速增長的需要。

        主控站 (兼操作員站):梯級調(diào)度系統(tǒng)對計算機監(jiān)控的實時性和工作可靠性要求很高,因此主控站采用冗余雙微機系統(tǒng),選用國際知名品牌工作站,設(shè)備之間采用雙總線連接。

        工程師站:由微機和開發(fā)運行組態(tài)軟件組成,主要實現(xiàn)系統(tǒng)軟件參數(shù)配置、數(shù)據(jù)庫修改及維護、組態(tài)軟件和控制軟件的下載,并可以完成在線運行監(jiān)控、管理等功能。

        通訊管理站:由微機和相關(guān)通信軟件組成,主要實現(xiàn)本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。通訊接口支持RS232、RS422/485、以太網(wǎng)等。

        數(shù)據(jù)庫服務(wù)器:正常情況下,由上位機收集監(jiān)控數(shù)據(jù)進行運行分析,數(shù)據(jù)處理及儲存則由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器完成。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實時記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù),定期自動完成運行日報表、經(jīng)濟技術(shù)指標報表等表格填寫,并存儲為電子檔以備查閱。為保證數(shù)據(jù)安全,可配置磁盤陣列系統(tǒng),定期轉(zhuǎn)移備份數(shù)據(jù)?,F(xiàn)場配備網(wǎng)絡(luò)打印機,可以完成報表即時打印任務(wù)。

        視頻監(jiān)控:水庫站、二郎壩電站前池、臥龍臺電站前池及臥龍臺Ⅰ期廠房宜配置監(jiān)控探頭,利用光端機的視屏接口,將視頻信號傳至梯調(diào)監(jiān)控三層交換機,由視頻監(jiān)控服務(wù)器采集并儲存各電站的視頻監(jiān)控信息備查,為事故分析和處理提供依據(jù)。

        2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全分區(qū)

        梯調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)嚴格執(zhí)行電力二次系統(tǒng)安全防護的總體原則: “安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認證”,確保監(jiān)控系統(tǒng)和電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的安全。

        計算機監(jiān)控系統(tǒng)劃分為三級安全區(qū),安全區(qū)Ⅰ為遠動終端 (RTU)和測量系統(tǒng) (PMU)的生產(chǎn)數(shù)據(jù),安全等級最高;電量和保護為安全區(qū)Ⅱ;MIS生產(chǎn)信息采集系統(tǒng)和水庫水雨情測報系統(tǒng)為安全區(qū)Ⅲ。

        在生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)之間,應(yīng)設(shè)置獲得國家安全權(quán)威機構(gòu)安全檢驗證明、并通過電力行業(yè)的電磁兼容性檢測的電力專用安全隔離裝置,用于與梯調(diào)中心MIS系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的安全隔離。

        電力專用安全隔離裝置是電站監(jiān)控系統(tǒng)與梯調(diào)中心MIS系統(tǒng)之間信息交換的唯一出、入口,可根據(jù)安全策略 (允許、拒絕、監(jiān)測)控制出入網(wǎng)絡(luò)的信息流,其本身具有較強的抗攻擊能力,可以限制內(nèi)部對外部的非授權(quán)訪問,特別是限制安全級別低的系統(tǒng)對安全級別高的系統(tǒng)的非授權(quán)訪問。

        2.4 遠方黑啟動

        梯級調(diào)度采用直接監(jiān)控,各被控電站實行“無人值班”或 “少人值守”,因此,梯調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)對被控電站實行遠方黑啟動不僅十分重要而且意義重大。

        各梯級電站均具備單機帶廠用的功能,由于三站的聯(lián)絡(luò)線連接臥龍臺電站、二郎壩電站、天生橋電站,因此可考慮由二郎壩電站單機運行使35kV聯(lián)絡(luò)線恢復帶電,則三站的廠用均可恢復運行,根據(jù)調(diào)度要求負荷完成遠方黑啟動。

        2.5 系統(tǒng)電源

        梯調(diào)控制級規(guī)劃配置直流系統(tǒng)。正常運行方式為直流系統(tǒng),一方面對蓄電池充電,另一方面通過逆變裝置對設(shè)備供電;事故情況下,蓄電池通過逆變裝置提供設(shè)備電源。

        被控電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和LCU均配置有交、直流電源兩路供電,保證事故處理和恢復運行時正常的用電需求。

        2.6 電網(wǎng)故障診斷

        故障錄波信息的電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng),兼有故障錄波信息管理和故障錄波信息分析的功能。

        每個電站內(nèi)配置一套故障錄波裝置,每套錄波裝置均和現(xiàn)場GPS通訊,實現(xiàn)全公司錄波時標一致。錄波裝置能夠記錄設(shè)備故障發(fā)生前后電氣量和狀態(tài)變化過程信息,完整地反映故障后的瞬間變化及繼電保護的動作行為,并有數(shù)據(jù)存檔和數(shù)據(jù)再分析的能力,為事故信息綜合分析和快速處理提供保障。

        2.7 GPS時鐘

        系統(tǒng)配置衛(wèi)星時鐘設(shè)備,以接收全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS的標準授時信號,對系統(tǒng)內(nèi)各有關(guān)設(shè)備的時鐘進行校正。

        GPS時鐘與上位機 (包括系統(tǒng)主機兼操作員工作站等)采用串行通訊方式,與現(xiàn)地控制單元采用脈沖連接對時。GPS時鐘向被控電站的微機自動裝置、微機保護裝置、故障錄波裝置等發(fā)送同步信號。

        3 結(jié)語

        本文根據(jù)小型梯級電站 “無人值班,少人值守”運行管理模式的需要和可靠性要求,結(jié)合梯級電站集中監(jiān)控設(shè)計規(guī)范和小型梯級電站的實際,提出了二郎壩梯級電站集中監(jiān)控的設(shè)計方案。據(jù)不完全的統(tǒng)計,通過對流域內(nèi)中小型水電站群進行集中調(diào)度和控制,可以實現(xiàn)對整個梯級電站進行經(jīng)濟調(diào)度,不但能夠提高梯級水電站群的綜合管理水平,而且能夠提高年均發(fā)電量1%~2%,二郎壩梯級電站年均發(fā)電量1.8億kWh,年均發(fā)電量增加180萬kWh至360萬kWh。進一步優(yōu)化和提高水能資源利用率,使梯級引水式水電站群生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)能力不斷擴大,經(jīng)濟效益不斷提高。

        [1]SL 193-1997小型水電站技術(shù)改造規(guī)程[S].

        [2]但富中,溫柳,朱靜華.拉西瓦水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化[J].電力設(shè)備,2008(10):20-24.

        [3]李燦慶.“無人值班”梯級電站遠方黑啟動方案研究[J].小水電.2009(6):14-16.

        [4]王明貴,尹秀蓮.小水電站群實現(xiàn)綜合自動化的探討[J].吉林水利,2005(11):18-19.

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