倉(cāng)義東，劉振龍

（1.南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 211106；2.新疆額河水電有限公司，新疆維吾爾自治區(qū)北屯市 836000）

基于嵌套模型的多級(jí)集控監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

倉(cāng)義東1，劉振龍2

（1.南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 211106；2.新疆額河水電有限公司，新疆維吾爾自治區(qū)北屯市 836000）

隨著中國(guó)水電站的不斷建設(shè)，同一河流、同一流域多級(jí)水電站的情況屢見(jiàn)不鮮，集控中心由于能夠充分發(fā)揮流域各水電站資源優(yōu)勢(shì)，這些年也在不斷的發(fā)展中，由早期的常規(guī)集控到如今的大型集控甚至全流域集控，集控中心正以雨后春筍般的速度不斷涌現(xiàn)。在集控中心建設(shè)的過(guò)程中，時(shí)常會(huì)遇到一個(gè)大型集控中心控制的某個(gè)電站本身也是個(gè)小型集控中心的情況，形成了多級(jí)集控控制方式。本文從最基本的集控類型開(kāi)始分析，使用嵌套模型設(shè)計(jì)思路，由淺入深的論述了多級(jí)集控監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。

多級(jí)集控系統(tǒng)；擴(kuò)大廠站；嵌套模型；控制權(quán)

1 引言

經(jīng)過(guò)多年的不懈努力，我國(guó)各流域水電公司已先后建立了梯級(jí)集控中心自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)流域梯級(jí)水電資源的優(yōu)化控制管理，流域梯級(jí)電站監(jiān)控、水情水調(diào)、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)、繼電保護(hù)、電能量、大壩監(jiān)測(cè)等自動(dòng)化系統(tǒng)獲得廣泛的應(yīng)用，為流域各電站實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班（少人值守）”，提高流域梯級(jí)水電站的安全運(yùn)行和自動(dòng)化管理水平發(fā)揮了重要作用。

集控監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)控制對(duì)象及控制方式不同可以分為擴(kuò)大廠站模式及集控監(jiān)控模式兩種。本文使用嵌套模型的方式，分析兩種集控監(jiān)控模式組合情況下的邏輯關(guān)系及控制權(quán)設(shè)計(jì)，從中查找規(guī)律，借此為更復(fù)雜類型的集控監(jiān)控設(shè)計(jì)提供參考。

2 擴(kuò)大廠站模式介紹

2.1 模型建立

電站側(cè)監(jiān)控系統(tǒng)LCU除與電站側(cè)上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通訊，還與擴(kuò)大廠站側(cè)上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通訊。電站上位機(jī)與擴(kuò)站上位機(jī)為橫向并列運(yùn)行關(guān)系，本文中將此種集控類型定義為類型A，其模型見(jiàn)圖1。

2.2 數(shù)據(jù)交換方式

電站LCU與電站上位機(jī)之間使用上下位機(jī)通訊規(guī)約進(jìn)行通訊，向電站上位機(jī)上送遙信、遙測(cè)信號(hào)，并接收電站上位機(jī)發(fā)送的遙控、遙調(diào)信號(hào)。

電站LCU采用相同方式與擴(kuò)站上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖1 擴(kuò)大廠站模式（類型A）模型圖

2.3 控制權(quán)設(shè)計(jì)

擴(kuò)大廠站控制方式控制權(quán)切換點(diǎn)定義在電站LCU中。一般情況下，為避免各系統(tǒng)之間相互沖突，要求同一時(shí)刻只允許一套系統(tǒng)操作，其邏輯關(guān)系如下所示：

式中：Local表示LCU控制權(quán)，KZ_YX表示擴(kuò)站允許標(biāo)志，LCU_TJ表示LCU操作條件，DZ_TJ表示電站上位機(jī)操作條件，KZ_TJ表示擴(kuò)站操作條件。

2.4 優(yōu)劣分析

擴(kuò)大廠站控制方式由于直接控制電站側(cè)LCU，運(yùn)行穩(wěn)定度高，數(shù)據(jù)響應(yīng)速度快。

擴(kuò)大廠站與電站監(jiān)控上位機(jī)之間為并列運(yùn)行關(guān)系，一套系統(tǒng)異常不會(huì)影響另一套系統(tǒng)工作。

擴(kuò)大廠站控制方式為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾始鞍踩?，要求從擴(kuò)站上位機(jī)到電站監(jiān)控系統(tǒng)之間使用專用光纖，且一般不允許監(jiān)控以外的系統(tǒng)使用。

擴(kuò)大廠站控制方式由于需要直接與電站側(cè)LCU進(jìn)行通訊，因此一般要求擴(kuò)站上位機(jī)與電站監(jiān)控系統(tǒng)為同一廠家的產(chǎn)品，以便于接入及維護(hù)。

擴(kuò)大廠站方式由于以上方面的要求，一般應(yīng)用于距離較近的電站之間，擴(kuò)站中心一般也靠近其中一個(gè)電站。

3 集控監(jiān)控模式介紹

3.1 模型建立

在電站原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，新增集控上位機(jī)系統(tǒng)與電站上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通訊，電站上位機(jī)與集控上位機(jī)之間為串行運(yùn)行關(guān)系。本文中將此種集控類型定義為類型B，其模型見(jiàn)圖2。

圖2 集控監(jiān)控模式（類型B）模型圖

3.2 數(shù)據(jù)傳輸

電站LCU與電站上位機(jī)之間的傳輸方式同擴(kuò)站方式。

電站上位機(jī)與集控上位機(jī)之間使用站間通訊規(guī)約進(jìn)行通訊，向集控上送遙信、遙測(cè)信號(hào)，并接收集控下發(fā)的遙控、遙調(diào)令，并經(jīng)由上下位機(jī)驅(qū)動(dòng)下發(fā)至LCU。

3.3 控制權(quán)設(shè)計(jì)

集控監(jiān)控模式下控制權(quán)切換點(diǎn)定義在電站上位機(jī)系統(tǒng)中。一般情況下，為避免各系統(tǒng)之間相互沖突，也要求同一時(shí)刻只允許一套系統(tǒng)操作，其邏輯關(guān)系如下所示：

式中：Local表示LCU控制權(quán)，JK_YX表示集控允許標(biāo)志，LCU_TJ表示LCU操作條件，DZ_TJ表示電站上位機(jī)操作條件，JK_TJ表示集控操作條件。

3.4 優(yōu)劣分析

集控控制模式與擴(kuò)大廠站方式的優(yōu)劣剛好相反，數(shù)據(jù)傳輸效率慢、穩(wěn)定性低，集控監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行依賴于電站監(jiān)控系統(tǒng)的支持；但是也因?yàn)橛辛穗娬颈O(jiān)控系統(tǒng)的中間中轉(zhuǎn)，一方面使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩砸蠼档停硪环矫嬉彩沟眉乇O(jiān)控軟件的選擇上沒(méi)有了電站的限制。

集控監(jiān)控模式由于以上方面的原因，因此應(yīng)用的范圍最廣，是目前集控中心最常采用的模式。

4 嵌套模型分析

4.1 類型A相互嵌套

4.1.1 邏輯關(guān)系

在擴(kuò)大廠站控制模型基礎(chǔ)上，新增一套擴(kuò)大廠站控制模型，3套上位機(jī)系統(tǒng)都與LCU直接通訊，嵌套后的邏輯關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 類型A相互嵌套邏輯關(guān)系圖

4.1.2 控制權(quán)設(shè)計(jì)

控制權(quán)允許標(biāo)志定義在電站LCU中。正常情況下，同一時(shí)間只允許一套系統(tǒng)具備操作權(quán)限，其邏輯關(guān)系如下所示：

式中：Local表示LCU控制權(quán)，KZ1_YX表示擴(kuò)站1允許標(biāo)志，KZ2_YX表示擴(kuò)站2允許標(biāo)志，LCU_TJ表示LCU操作條件，DZ_TJ表示電站上位機(jī)操作條件，KZ1_TJ表示擴(kuò)站1操作條件，KZ2_TJ表示擴(kuò)站2操作條件。

4.2 類型A、類型B嵌套

4.2.1 邏輯關(guān)系

在原有擴(kuò)大廠站類型的基礎(chǔ)上，新增一級(jí)集控中心，或者在原有集控中心基礎(chǔ)上，新增一級(jí)擴(kuò)大廠站控制，兩種邏輯關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 類型A、類型B嵌套邏輯關(guān)系圖

4.2.2 控制權(quán)設(shè)計(jì)

控制權(quán)允許標(biāo)志定義在電站LCU中。正常情況下，同一時(shí)間只允許一套系統(tǒng)具備操作權(quán)限，其邏輯關(guān)系如下所示：

式中：Local表示LCU控制權(quán)，KZ_YX表示擴(kuò)站允許標(biāo)志，JK_YX表示集控允許標(biāo)志，LCU_TJ表示LCU操作條件，DZ_TJ表示電站上位機(jī)操作條件，KZ_TJ表示擴(kuò)站操作條件，JK_TJ表示集控操作條件。

4.3 類型B相互嵌套

4.3.1 邏輯關(guān)系

在原有集控基礎(chǔ)上新增一級(jí)集控中心，該集控中心可以與原集控并列運(yùn)行，也可以串行運(yùn)行，其邏輯關(guān)系見(jiàn)圖5。

4.3.2 控制權(quán)設(shè)計(jì)

圖5 類型B相互嵌套邏輯關(guān)系圖

控制權(quán)允許標(biāo)志定義在電站上位機(jī)中,一般要求同一時(shí)間只允許一套系統(tǒng)進(jìn)行操作，其邏輯關(guān)系如下所示：

式中：Local表示LCU控制權(quán)，JK1_YX表示集控1允許標(biāo)志，JK2_YX表示集控2允許標(biāo)志，LCU_TJ表示LCU操作條件，DZ_TJ表示電站上位機(jī)操作條件，JK1_TJ表示集控1操作條件，JK2_TJ表示集控2操作條件。

5 嵌套模型邏輯關(guān)系分析總結(jié)

通過(guò)對(duì)4種嵌套模型5種邏輯關(guān)系的分析，不難看出：

類型A相互嵌套強(qiáng)化了類型A的全部?jī)?yōu)缺點(diǎn)，一方面數(shù)據(jù)響應(yīng)最快，穩(wěn)定性最高，各上位機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行；另一方面對(duì)于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、軟件選擇上也提出了更高的要求。

類型B相互嵌套同樣強(qiáng)化了作為類型B的全部?jī)?yōu)缺點(diǎn)，一方面數(shù)據(jù)響應(yīng)最慢，穩(wěn)定性差，高級(jí)別的集控系統(tǒng)對(duì)低級(jí)別的系統(tǒng)形成依賴關(guān)系；另一方面也相應(yīng)的對(duì)數(shù)據(jù)安全性的要求進(jìn)一步降低，集控監(jiān)控系統(tǒng)軟件可以多樣化。

類型A、類型B相互嵌套則繼承了類型A和類型B的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)盡量避免了缺點(diǎn)，因此在多級(jí)集控設(shè)計(jì)中，一般建議使用這種模式。下一節(jié)將結(jié)合典型案例具體闡明。

不管使用哪種模式，對(duì)于控制權(quán)的設(shè)計(jì)方式是相同的，都是確保同一時(shí)間只允許一套上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行操作（當(dāng)然，事故停機(jī)、緊急停機(jī)等不在此列），同時(shí)在有條件的情況下，建議都在LCU中實(shí)現(xiàn)控制權(quán)的定義、處理和上送。

6 典型案例介紹

新疆某水電公司幾個(gè)電站由于同屬一個(gè)流域、兩個(gè)水電站群上下水庫(kù)相連，有著得天獨(dú)厚的水庫(kù)調(diào)度和聯(lián)合發(fā)電的優(yōu)勢(shì)。多級(jí)電站集中控制可優(yōu)化負(fù)荷分配，合理利用水能，提高水輪機(jī)使用效率。

該集控中心在設(shè)計(jì)的時(shí)候，充分考慮了各電站實(shí)際情況，采用了集控中心與擴(kuò)大廠站嵌套的多級(jí)集控監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，既保證了新的集控系統(tǒng)運(yùn)行的需求，又兼顧了現(xiàn)有電站的運(yùn)行要求。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 新疆某集控中心監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖中可以看出，電站1通過(guò)擴(kuò)大廠站方式控制電站3，為類型A；電站2上位機(jī)與集控中心通訊，為類型B；集控中心通過(guò)電站1控制電站3，為類型B嵌套類型A，電站2既受集控中心控制，又受電站1擴(kuò)站控制，為類型A嵌套類型B，調(diào)度通過(guò)集控中心“控制”電站2電站則為類型B嵌套類型B。

一張系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖幾乎囊括了所有的嵌套類型結(jié)構(gòu)。了解了嵌套類型，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸方式、控制權(quán)切換方式自然一目了然了，由于文字關(guān)系，在此不再單獨(dú)表述。

7 結(jié)束語(yǔ)

不管多復(fù)雜的集控系統(tǒng)體系架構(gòu)，其基本的邏輯架構(gòu)都是由以上兩種基本類型通過(guò)嵌套組合獲得，各自的優(yōu)缺點(diǎn)也一目了然，在實(shí)際的多級(jí)集控監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在條件允許的情況下建議首選類型A相互嵌套的方式，避免類型B相互嵌套的情況，或至少保證類型A、B相互嵌套的方式。

[1] 王勁夫，林峰.中型梯級(jí)水電站實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班”集控監(jiān)控的技術(shù)討論［J］.水電站設(shè)計(jì)，2006，（2）：54-60.

[2] 王德寬，張毅，余江城，等.流域梯級(jí)集控中心自動(dòng)化系統(tǒng)智能化建設(shè)總體規(guī)劃設(shè)計(jì)［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，2012，35（3）：1-4.

倉(cāng)義東（1983—），男，工程師，主要研究方向：水電廠自動(dòng)化。E-mail：cangyidong@sgepri.sgcc.com.cn

劉振龍（1973—），男，高工，主要研究方向：水電廠自動(dòng)化。E-mail：635lzl@163.com

The Design of Multistage Control System Based on the Nested Model

CANG Yidong1, LIU Zhenlong2
(1. Nanjing NARI Group Corporation, Nanjing, 211106，China; 2. Xinjiang Irtysh River Hydropower Co. Ltd., Beitun,836000,China)

With the continuous hydropower station construction in China, it is often seen. A multistage hydropower station in the same river, centralized control center can give full play to the due to river basin hydropower station resource advantage, these years also in the unceasing development. Centralized control center can give full play to the resource advantage of river basin hydropower station, these years also in constant development,by the conventional set early control to large set now control even whole basin centralized control, centralized control center is constantly building.In the process of establishment of centralized control center, often encounter a large centralized control of a power station control center itself is a small center of control situation.The formation of multi-level set control method.In this paper, from the most basic of centralized control type to analyze, using the design ideas from the shallower to the deeper nested model, discusses the design idea of multilevel centralized control monitoring system.

Multi centralized control system； expand the station； nested model； control