龔傳利，張　海，陳曙東，諶斐鳴

中小水電集控系統(tǒng)總體方案探討

龔傳利1，張海2，陳曙東2，諶斐鳴2

（1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038；2.五凌電力有限公司水電集控中心，湖南 長沙 410004）

著重從兩個(gè)方面講述了中小水電集控系統(tǒng)總體方案，一方面是中小水電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、結(jié)構(gòu)模式和層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)介紹；另一方面是數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，從網(wǎng)設(shè)計(jì)原則、總體設(shè)計(jì)、通道規(guī)劃和水情信息傳輸方式進(jìn)行詳細(xì)闡述。文中的方案在五凌電力中小水電建設(shè)中得到應(yīng)用，取得很好效果，這些方案對(duì)于其他中小水電集控系統(tǒng)建設(shè)有一定借鑒意義。

中小水電；集控系統(tǒng)；集控?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)

1　引言

我國中小水電資源十分豐富，中小支流遍布全國，廣泛分布于全國一千五百多個(gè)山區(qū)縣。水能資源的分布特性決定了大多數(shù)中小水電處于偏遠(yuǎn)山區(qū)，電力系統(tǒng)減員增效和職工改善工作環(huán)境需求，促使中小水電遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)建設(shè)迫在眉睫，計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展，使中小水電集控系統(tǒng)建設(shè)成為可能。

中小水電集控應(yīng)以電站“無人值班，少人值守”為原則設(shè)計(jì)，要求技術(shù)先進(jìn)、功能完備、可靠性高、系統(tǒng)安全、可擴(kuò)充性、開放性等。兼顧監(jiān)控可靠性和運(yùn)行成本兩方面，實(shí)現(xiàn)企業(yè)最大的經(jīng)濟(jì)效益。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2.1集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

區(qū)別于大型流域梯級(jí)集控系統(tǒng)，根據(jù)中小水電特點(diǎn)，以經(jīng)濟(jì)、效益為目標(biāo)，堅(jiān)持有用、實(shí)用原則，現(xiàn)代中小水電集控監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循如下原則：

（1）技術(shù)先進(jìn)，可靠性高；

（2）簡潔實(shí)用，功能完善；

（3）實(shí)時(shí)性；

（4）人機(jī)界面友好；

（5）可擴(kuò)充性；

（6）開放性；

（7）可維護(hù)性；

（8）系統(tǒng)安全性。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式

目前水電站實(shí)行的集控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，常見的典型模式有梯級(jí)集控調(diào)度模式、擴(kuò)大廠站模式（一廠多站總控制模式）兩種。

2.2.1梯級(jí)集控調(diào)度模式

梯級(jí)集控調(diào)度方式一般多采用租用電力、電信部門的網(wǎng)絡(luò)專用通道作為電站監(jiān)控系統(tǒng)與集控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，電站經(jīng)專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)與集控中心通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。通道帶寬要求一般不低于2M，在鏈路上應(yīng)充分考慮布置網(wǎng)絡(luò)安防設(shè)備，確保計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。該模式中，采用電站層?dú)立配置通信工作站直接與集控中心監(jiān)控系統(tǒng)通信，集控中心通信主機(jī)與各廠站監(jiān)控系統(tǒng)集控通信機(jī)間采用星型網(wǎng)組網(wǎng)通信。通過各廠站獨(dú)立配置的集控通信工作站上送采集數(shù)據(jù)，接收控制指令并經(jīng)各廠站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制到各電站機(jī)組及其他主要設(shè)備。集中控制系統(tǒng)與廠站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)多采IEC61850-5-101、IEC61850-5-104規(guī)約進(jìn)行通信。

（1）梯級(jí)集控調(diào)度模式特點(diǎn)

集控側(cè)與電站側(cè)監(jiān)控系統(tǒng)通信，不直接連接現(xiàn)地LCU，各系統(tǒng)的功能及分工明確，對(duì)各電站監(jiān)控系統(tǒng)的本體設(shè)計(jì)要求較少，比較容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之問的互聯(lián)。

（2）梯級(jí)集控調(diào)度模式優(yōu)點(diǎn)

電站脫離集控后可由現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)控制，可自成體系。

（3）梯級(jí)集控調(diào)度模式缺點(diǎn)

投資相對(duì)較高，調(diào)度權(quán)審批較繁瑣。

（4）梯級(jí)集控調(diào)度模式適用情況

電站相對(duì)分散，數(shù)量眾多，距離較遠(yuǎn)，交通不便，不易快速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。另外對(duì)于已經(jīng)建成的老電廠，電廠已經(jīng)有監(jiān)控系統(tǒng)，也適合采用該模式。

其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1　梯級(jí)集控調(diào)度模式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2擴(kuò)大廠站模式

擴(kuò)大廠站式的網(wǎng)絡(luò)通道一般選擇由用戶獨(dú)立架設(shè)專用光纖通道。該模式中，集控中心監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可直接與電站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)集聯(lián)，構(gòu)成星型或環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，集控中心監(jiān)控系統(tǒng)直接與各電站層PLC通信，直接讀取電站各套LCU的相關(guān)數(shù)據(jù)，并直接將控制命令下達(dá)到LCU中，完成對(duì)受控各站的監(jiān)控，通信協(xié)議一般采用電力通信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約要求的MODBUSRTU、MODBUSTCP/IP協(xié)議。此模式下，可取消各電站中控室上位機(jī)系統(tǒng)，由集控系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)視和控制。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2　擴(kuò)大廠站式集控模式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）擴(kuò)大廠站式集控模式特點(diǎn)

集控側(cè)與現(xiàn)地LCU直接通信，電站側(cè)可以選擇不設(shè)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)操作員站、通信服務(wù)器等。

（2）擴(kuò)大廠站式集控模式優(yōu)點(diǎn)

減少機(jī)房建設(shè)和設(shè)備費(fèi)用，減少了設(shè)備維護(hù)量，節(jié)省監(jiān)控系統(tǒng)投資。電站位置相對(duì)集中，數(shù)量相對(duì)較少，可等值為同一電源點(diǎn)，調(diào)度等值為一廠，可方便、快速地現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，同時(shí)可精簡人員結(jié)構(gòu)。

（3）擴(kuò)大廠站式集控模式缺點(diǎn)

集控退出后，電站如無監(jiān)控系統(tǒng)則設(shè)備不可控，不適宜接入大量電站。由于綜合自動(dòng)化產(chǎn)品廠家眾多，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、配置、接口等不同，對(duì)于電站監(jiān)控與集控系統(tǒng)是不同供應(yīng)商時(shí)，直接采集接入時(shí)廠站監(jiān)控需做較大改動(dòng)。

（4）擴(kuò)大廠站集控模式難點(diǎn)

采用直采方式將加大電站PLC系統(tǒng)的CPU負(fù)載率，對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也提出了更高的要求，因此監(jiān)控系統(tǒng)PLC設(shè)備的選型尤為重要，必須充分考慮硬接點(diǎn)數(shù)量、與各輔助系統(tǒng)設(shè)備通訊點(diǎn)數(shù)等對(duì)CPU的影響，選用先進(jìn)產(chǎn)品以保障監(jiān)控設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）擴(kuò)大廠站集控模式適用情況

電站位置相對(duì)集中、距離較近、數(shù)量較少，可近視等值為同一電源點(diǎn)，可方便、快速地現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。

2.3集控系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

（1）系統(tǒng)設(shè)備層次

監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備分電廠層和集控層（見圖3），電廠層分為電廠控制層和現(xiàn)地控制層，集控層分為集控控制層、集控信息層和信息查詢層。根據(jù)集控中心結(jié)構(gòu)模式特點(diǎn)，擴(kuò)大廠站模式取消電廠控制層，現(xiàn)地控制層直接接入集控控制層。

現(xiàn)地控制層由全廠按設(shè)備單元分布的各LCU構(gòu)成，按被控對(duì)象單元分布。完成指定設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)地監(jiān)控，并接受廠站層或集控層的控制指令，實(shí)現(xiàn)中控室集中監(jiān)控。各LCU根據(jù)具體情況，可靈活采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。

電廠控制層由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、操作員站、通信網(wǎng)關(guān)通信服務(wù)器等構(gòu)成，完成全廠設(shè)備的實(shí)時(shí)信息采集處理、監(jiān)視與控制任務(wù)。

集控信息層由歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、培訓(xùn)仿真站、語音報(bào)警服務(wù)器及報(bào)表打印服務(wù)器等構(gòu)成，完成全廠設(shè)備運(yùn)行信息管理和整理任務(wù)。

生產(chǎn)信息查詢層由機(jī)組狀態(tài)分析WEB數(shù)據(jù)服務(wù)器、WEB發(fā)布服務(wù)器及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)有關(guān)集控實(shí)時(shí)和歷史信息查詢、機(jī)組狀態(tài)分析和WEB發(fā)布等功能。

（2）網(wǎng)絡(luò)層次

網(wǎng)絡(luò)分電廠控制網(wǎng)、集控接入網(wǎng)、集控信息網(wǎng)和信息發(fā)布網(wǎng)。

電廠控制網(wǎng)：主要連接現(xiàn)地控制層和廠站控制層有關(guān)設(shè)備。與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控有關(guān)的信息主要由電廠控制網(wǎng)傳輸，如LCU上行信息和控制命令等。

集控接入網(wǎng)：主要連接集控與電廠的網(wǎng)絡(luò)，如果采用擴(kuò)大廠站模式，集控直接連接現(xiàn)地LCU。

集控信息網(wǎng)：連接集控控制層與集控信息層設(shè)備。

信息發(fā)布網(wǎng)：主要連接信息發(fā)布層有關(guān)設(shè)備，如設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)趨勢(shì)分析服務(wù)器、WEB瀏覽服務(wù)器、瀏覽數(shù)據(jù)服務(wù)器及瀏覽終端等。通過網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備與PInet連接。

采用上述分層結(jié)構(gòu)，使不同性質(zhì)的信息分類在不同的網(wǎng)絡(luò)通道上傳輸，避免相互之間的干擾，確保系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性。

對(duì)于LCU內(nèi)部，則根據(jù)具體需要和選擇的設(shè)備情況，靈活采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。由于僅涉及LCU內(nèi)部，有的LCU采用現(xiàn)地總線，有些則沒有，故未將LCU內(nèi)部的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)歸結(jié)為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的層次之中。

圖3　集控系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

3　系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

3.1集控系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)計(jì)原則

集控中心至各廠站光纖通道應(yīng)充分考慮業(yè)務(wù)及擴(kuò)展需求，實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)應(yīng)以電力光纖通道為主用，備用通道可根據(jù)廠站實(shí)際情況在不同通信運(yùn)營商間選擇。同時(shí)，應(yīng)盡量選擇具有雙路由直達(dá)廠站端的通信運(yùn)營商。

（1）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合目前電力系統(tǒng)通信的技術(shù)水平和發(fā)展方向，本著技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、高速暢通和經(jīng)濟(jì)可行的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足區(qū)域調(diào)度數(shù)據(jù)、圖像、語音信號(hào)傳輸?shù)男枰?/p>

系統(tǒng)的設(shè)備選型應(yīng)滿足高可靠、高冗余、故障自我隔離、可拓展、較少的時(shí)延和良好可控性的原則，采用的設(shè)備必須取得信息產(chǎn)業(yè)部檢測(cè)入網(wǎng)許可證，嚴(yán)格控制使用在電力系統(tǒng)中沒有成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的設(shè)備，所有輔材也必須符合安全、穩(wěn)定、可靠的技術(shù)要求。

3.2集控系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)電力系統(tǒng)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全的要求，集控?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)按照所傳輸信息的不同分為生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)兩個(gè)部分，該兩個(gè)網(wǎng)完全獨(dú)立，其中調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)用于傳輸網(wǎng)絡(luò)安全分區(qū)中I區(qū)和II區(qū)的應(yīng)用業(yè)務(wù)，綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)用于傳輸網(wǎng)絡(luò)安全分區(qū)中III區(qū)和IV區(qū)的應(yīng)用業(yè)務(wù)。

集控生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)是專為集控中心實(shí)現(xiàn)各廠站集中控制服務(wù)的，是一個(gè)專用的核心骨干數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)主要承載生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主，以SDH通道為傳輸載體，不進(jìn)行話音、視頻、多媒體等業(yè)務(wù)的傳輸。主要包括以下數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；

水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)；

電能量計(jì)量系統(tǒng)；

故障錄波系統(tǒng)；

安全穩(wěn)控系統(tǒng)；

機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；

其他生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)。

集控綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)是為集控中心實(shí)現(xiàn)集中管理各廠站生產(chǎn)信息、視頻會(huì)議、工業(yè)電視、行政通訊和辦公自動(dòng)化等綜合計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)，是一個(gè)綜合的核心骨干數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。本網(wǎng)絡(luò)承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、話音、視頻、多媒體等，一般通過運(yùn)營商通道以VPN廣域網(wǎng)為傳輸載體，條件允許的地區(qū)也可采用SDH傳輸方式，主要包括以下業(yè)務(wù)：

生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)；

視頻會(huì)議系統(tǒng)；

工業(yè)電視系統(tǒng)；

行政通訊系統(tǒng)（或NGN軟交換系統(tǒng)）；

辦公局域網(wǎng)各子系統(tǒng)；

其他綜合管理應(yīng)用系統(tǒng)。

3.3集控系統(tǒng)通道規(guī)劃

就目前通信技術(shù)，集控?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)可采用光纖、微波、衛(wèi)星及電力線載波等通信方式，但衛(wèi)星與電力線載波傳輸速率較低，不能滿足集控中心綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)的要求；微波通信須建多個(gè)微波中繼站，存在中繼站位置選擇較困難、通信電源難以解決、投資較大、今后運(yùn)行維護(hù)困難等缺點(diǎn)，目前已很少采用；光纖通信方式具有容量大、傳輸質(zhì)量高、投資省、建設(shè)快的特點(diǎn)，特別是在電力系統(tǒng)建設(shè)光纖通信系統(tǒng)，可以利用電力桿路架設(shè)特種光纜，在減少了投資的同時(shí)也增加了光纜線路的安全性，因此光纖通信系統(tǒng)較微波通信系統(tǒng)具有更大的傳輸容量和更高的可靠性。

根據(jù)集控系統(tǒng)所承載的業(yè)務(wù)類型，通信系統(tǒng)現(xiàn)狀及通信技術(shù)的發(fā)展，不宜采用微波通信。通常電力光纖、電信運(yùn)營商通道情況較好，優(yōu)先選用電力光纖通道主用、電信運(yùn)營商通道備用。中小水電需綜合考慮電力光纖通道租用與自建光纖通道相結(jié)合的方式進(jìn)行，并根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行光纜的選擇及施工方式的選擇，根據(jù)業(yè)務(wù)需求配置具體光纖的纖芯數(shù)量，一般常用的光纜有光纖復(fù)合架空地線（OPGW）、全介質(zhì)自承式光纜（ADSS）和層絞式鎧裝光纜（GYTS）等，施工方式主要有架空、管道、直埋方式等。采用GYTS光纜時(shí)工程設(shè)計(jì)應(yīng)注意鋼絞線等主要配套材料的數(shù)量配置。

3.4水情信息采集傳輸方式

對(duì)于水情信息采集量比較少的電站，對(duì)于采用梯級(jí)集控調(diào)度模式的集控中心，由電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集水情信息后，通過電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與集控?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)系統(tǒng)送集控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；對(duì)于擴(kuò)大廠站模式，水情信息由集控計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集。

對(duì)于水情信息采集量比較大且配置有水情系統(tǒng)的電站，電站水情采集系統(tǒng)位于安全分區(qū)II區(qū)，電站與集控通信劃分出非實(shí)時(shí)通道，水情系統(tǒng)信息通過非實(shí)時(shí)通道上送集控系統(tǒng)。對(duì)于新建水情系統(tǒng)的集控，可以統(tǒng)一建一套水情系統(tǒng)，梯級(jí)所有水情信息由集控采集，如果電站需要水情信息，可以在集控中心將數(shù)據(jù)送至監(jiān)控系統(tǒng)，由集控監(jiān)控系統(tǒng)與電站監(jiān)控系統(tǒng)通信通道將數(shù)據(jù)送至各電站。

4　結(jié)語

中小水電實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集控是大勢(shì)所趨，一個(gè)健壯、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的集控系統(tǒng)是關(guān)鍵，根據(jù)中小水電特點(diǎn)，除了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)集中監(jiān)視控制外，還需接入于非實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。文中對(duì)于集控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案和數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，并在五凌電力實(shí)施應(yīng)用，取得很好效果，文中介紹的方案，對(duì)于其他同類集控系統(tǒng)建設(shè)有一定借鑒意義。

[1]龔傳利，鄧鵬程，魏志鵬，等.五凌集控計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2011，34（3）：67-69.

[2]田啟榮，萬元，諶斐鳴，等.“區(qū)域集控”模式在五凌集控計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[C]//中國水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)梯級(jí)調(diào)度控制專委會(huì)2010年年會(huì)，2010.

[3]魏志鵬，萬元.五凌公司多流域水電廠群集中監(jiān)控系統(tǒng)的整體規(guī)劃與建設(shè)[C]//中國水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)梯級(jí)調(diào)度控制專委會(huì)2010年年會(huì)，2010.

[4]王德寬，王桂平，張毅，等.水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)三十年回顧與展望[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2008，31（03）.

TV736

A

1672-5387（2016）08-0034-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.010

2016-06-29

龔傳利（1975-），男，博士，高級(jí)工程師，從事水電站監(jiān)控系統(tǒng)研究及軟件開發(fā)工作。