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)總體設計方案，從系統(tǒng)設計原則、結構模式和層次結構進行詳細介紹；另一方面是數(shù)據(jù)網設計方案，從網設計原則、總體設計、通道規(guī)劃和水情信息傳輸方式進行詳細闡述。文中的方案在五凌電力中小水電建設中得到應用，取得很好效果，這些方案對于其他中小水電集控系統(tǒng)建設有一定借鑒意義。

中小水電；集控系統(tǒng)；集控數(shù)據(jù)網

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，促使中小水電遠程集控系統(tǒng)建設迫在眉睫，計算機技術和通信技術發(fā)展，使中小水電集控系統(tǒng)建設成為可能。

中小水電集控應以電站“無人值班，少人值守”為原則設計，要求技術先進、功能完備、可靠性高、系統(tǒng)安全、可擴充性、開放性等。兼顧監(jiān)控可靠性和運行成本兩方面，實現(xiàn)企業(yè)最大的經濟效益。

2　系統(tǒng)總體設計方案

2.1集控系統(tǒng)設計原則

區(qū)別于大型流域梯級集控系統(tǒng)，根據(jù)中小水電特點，以經濟、效益為目標，堅持有用、實用原則，現(xiàn)代中小水電集控監(jiān)控系統(tǒng)設計應遵循如下原則：

（1）技術先進，可靠性高；

（2）簡潔實用，功能完善；

（3）實時性；

（4）人機界面友好；

（5）可擴充性；

（6）開放性；

（7）可維護性；

（8）系統(tǒng)安全性。

2.2系統(tǒng)結構模式

目前水電站實行的集控系統(tǒng)結構中，常見的典型模式有梯級集控調度模式、擴大廠站模式（一廠多站總控制模式）兩種。

2.2.1梯級集控調度模式

梯級集控調度方式一般多采用租用電力、電信部門的網絡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，電站經專用數(shù)據(jù)通信網與集控中心通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。通道帶寬要求一般不低于2M，在鏈路上應充分考慮布置網絡安防設備，確保計算機監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。該模式中，采用電站層獨立配置通信工作站直接與集控中心監(jiān)控系統(tǒng)通信，集控中心通信主機與各廠站監(jiān)控系統(tǒng)集控通信機間采用星型網組網通信。通過各廠站獨立配置的集控通信工作站上送采集數(shù)據(jù)，接收控制指令并經各廠站計算機監(jiān)控系統(tǒng)網絡控制到各電站機組及其他主要設備。集中控制系統(tǒng)與廠站級監(jiān)控系統(tǒng)多采IEC61850-5-101、IEC61850-5-104規(guī)約進行通信。

（1）梯級集控調度模式特點

集控側與電站側監(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，對各電站監(jiān)控系統(tǒng)的本體設計要求較少，比較容易實現(xiàn)系統(tǒng)之問的互聯(lián)。

（2）梯級集控調度模式優(yōu)點

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）梯級集控調度模式缺點

投資相對較高，調度權審批較繁瑣。

（4）梯級集控調度模式適用情況

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

其結構圖如圖1所示：

圖1　梯級集控調度模式系統(tǒng)結構圖

2.2.2擴大廠站模式

擴大廠站式的網絡通道一般選擇由用戶獨立架設專用光纖通道。該模式中，集控中心監(jiān)控系統(tǒng)網絡可直接與電站監(jiān)控網絡集聯(lián)，構成星型或環(huán)型網絡，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的相關數(shù)據(jù)，并直接將控制命令下達到LCU中，完成對受控各站的監(jiān)控，通信協(xié)議一般采用電力通信標準規(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系統(tǒng)，由集控系統(tǒng)進行統(tǒng)一監(jiān)視和控制。其結構圖如圖2所示：

圖2　擴大廠站式集控模式系統(tǒng)結構圖

（1）擴大廠站式集控模式特點

集控側與現(xiàn)地LCU直接通信，電站側可以選擇不設監(jiān)控系統(tǒng)上位機操作員站、通信服務器等。

（2）擴大廠站式集控模式優(yōu)點

減少機房建設和設備費用，減少了設備維護量，節(jié)省監(jiān)控系統(tǒng)投資。電站位置相對集中，數(shù)量相對較少，可等值為同一電源點，調度等值為一廠，可方便、快速地現(xiàn)場維護，同時可精簡人員結構。

（3）擴大廠站式集控模式缺點

集控退出后，電站如無監(jiān)控系統(tǒng)則設備不可控，不適宜接入大量電站。由于綜合自動化產品廠家眾多，設計標準、配置、接口等不同，對于電站監(jiān)控與集控系統(tǒng)是不同供應商時，直接采集接入時廠站監(jiān)控需做較大改動。

（4）擴大廠站集控模式難點

采用直采方式將加大電站PLC系統(tǒng)的CPU負載率，對通訊網絡設備也提出了更高的要求，因此監(jiān)控系統(tǒng)PLC設備的選型尤為重要，必須充分考慮硬接點數(shù)量、與各輔助系統(tǒng)設備通訊點數(shù)等對CPU的影響，選用先進產品以保障監(jiān)控設備的安全、穩(wěn)定運行。

（5）擴大廠站集控模式適用情況

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

2.3集控系統(tǒng)層次結構

（1）系統(tǒng)設備層次

監(jiān)控系統(tǒng)設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)集控中心結構模式特點，擴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備單元分布的各LCU構成，按被控對象單元分布。完成指定設備的數(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)場總線技術。

電廠控制層由數(shù)據(jù)采集服務器、操作員站、通信網關通信服務器等構成，完成全廠設備的實時信息采集處理、監(jiān)視與控制任務。

集控信息層由歷史數(shù)據(jù)服務器、培訓仿真站、語音報警服務器及報表打印服務器等構成，完成全廠設備運行信息管理和整理任務。

生產信息查詢層由機組狀態(tài)分析WEB數(shù)據(jù)服務器、WEB發(fā)布服務器及相關網絡安全設備構成，實現(xiàn)有關集控實時和歷史信息查詢、機組狀態(tài)分析和WEB發(fā)布等功能。

（2）網絡層次

網絡分電廠控制網、集控接入網、集控信息網和信息發(fā)布網。

電廠控制網：主要連接現(xiàn)地控制層和廠站控制層有關設備。與現(xiàn)場實時監(jiān)控有關的信息主要由電廠控制網傳輸，如LCU上行信息和控制命令等。

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

集控信息網：連接集控控制層與集控信息層設備。

信息發(fā)布網：主要連接信息發(fā)布層有關設備，如設備狀態(tài)監(jiān)測趨勢分析服務器、WEB瀏覽服務器、瀏覽數(shù)據(jù)服務器及瀏覽終端等。通過網絡安全設備與PInet連接。

采用上述分層結構，使不同性質的信息分類在不同的網絡通道上傳輸，避免相互之間的干擾，確保系統(tǒng)控制的實時性、安全性和可靠性。

對于LCU內部，則根據(jù)具體需要和選擇的設備情況，靈活采用現(xiàn)場總線技術。由于僅涉及LCU內部，有的LCU采用現(xiàn)地總線，有些則沒有，故未將LCU內部的現(xiàn)場總線網歸結為系統(tǒng)總體結構的層次之中。

圖3　集控系統(tǒng)層次結構圖

3　系統(tǒng)數(shù)據(jù)網方案設計

3.1集控系統(tǒng)數(shù)據(jù)網設計原則

集控中心至各廠站光纖通道應充分考慮業(yè)務及擴展需求，實時與非實時業(yè)務應以電力光纖通道為主用，備用通道可根據(jù)廠站實際情況在不同通信運營商間選擇。同時，應盡量選擇具有雙路由直達廠站端的通信運營商。

（1）系統(tǒng)的設計符合目前電力系統(tǒng)通信的技術水平和發(fā)展方向，本著技術先進、安全可靠、高速暢通和經濟可行的原則進行設計。

（2）系統(tǒng)的設計滿足區(qū)域調度數(shù)據(jù)、圖像、語音信號傳輸?shù)男枰?/p>

系統(tǒng)的設備選型應滿足高可靠、高冗余、故障自我隔離、可拓展、較少的時延和良好可控性的原則，采用的設備必須取得信息產業(yè)部檢測入網許可證，嚴格控制使用在電力系統(tǒng)中沒有成功運行經驗的設備，所有輔材也必須符合安全、穩(wěn)定、可靠的技術要求。

3.2集控系統(tǒng)數(shù)據(jù)網總體設計

根據(jù)電力系統(tǒng)相關網絡安全的要求，集控數(shù)據(jù)網按照所傳輸信息的不同分為生產調度數(shù)據(jù)網和綜合業(yè)務數(shù)據(jù)網兩個部分，該兩個網完全獨立，其中調度數(shù)據(jù)網用于傳輸網絡安全分區(qū)中I區(qū)和II區(qū)的應用業(yè)務，綜合業(yè)務數(shù)據(jù)網用于傳輸網絡安全分區(qū)中III區(qū)和IV區(qū)的應用業(yè)務。

集控生產調度數(shù)據(jù)網是專為集控中心實現(xiàn)各廠站集中控制服務的，是一個專用的核心骨干數(shù)據(jù)網絡。網絡主要承載生產調度數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)業(yè)務為主，以SDH通道為傳輸載體，不進行話音、視頻、多媒體等業(yè)務的傳輸。主要包括以下數(shù)據(jù)業(yè)務：

計算機監(jiān)控系統(tǒng)；

水調自動化系統(tǒng)；

電能量計量系統(tǒng)；

故障錄波系統(tǒng)；

安全穩(wěn)控系統(tǒng)；

機房動力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；

其他生產調度系統(tǒng)。

集控綜合業(yè)務數(shù)據(jù)網是為集控中心實現(xiàn)集中管理各廠站生產信息、視頻會議、工業(yè)電視、行政通訊和辦公自動化等綜合計算機應用系統(tǒng)服務，是一個綜合的核心骨干數(shù)據(jù)網絡。本網絡承載數(shù)據(jù)業(yè)務、話音、視頻、多媒體等，一般通過運營商通道以VPN廣域網為傳輸載體，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：

生產信息管理系統(tǒng)；

視頻會議系統(tǒng)；

工業(yè)電視系統(tǒng)；

行政通訊系統(tǒng)（或NGN軟交換系統(tǒng)）；

辦公局域網各子系統(tǒng)；

其他綜合管理應用系統(tǒng)。

3.3集控系統(tǒng)通道規(guī)劃

就目前通信技術，集控數(shù)據(jù)網絡可采用光纖、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絡的要求；微波通信須建多個微波中繼站，存在中繼站位置選擇較困難、通信電源難以解決、投資較大、今后運行維護困難等缺點，目前已很少采用；光纖通信方式具有容量大、傳輸質量高、投資省、建設快的特點，特別是在電力系統(tǒng)建設光纖通信系統(tǒng)，可以利用電力桿路架設特種光纜，在減少了投資的同時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)務類型，通信系統(tǒng)現(xiàn)狀及通信技術的發(fā)展，不宜采用微波通信。通常電力光纖、電信運營商通道情況較好，優(yōu)先選用電力光纖通道主用、電信運營商通道備用。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合的方式進行，并根據(jù)工程實際情況進行光纜的選擇及施工方式的選擇，根據(jù)業(yè)務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合架空地線（OPGW）、全介質自承式光纜（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光纜時工程設計應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

對于水情信息采集量比較少的電站，對于采用梯級集控調度模式的集控中心，由電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采集水情信息后，通過電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)與集控數(shù)據(jù)網系統(tǒng)送集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)；對于擴大廠站模式，水情信息由集控計算機監(jiān)控系統(tǒng)采集。

對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時通道，水情系統(tǒng)信息通過非實時通道上送集控系統(tǒng)。對于新建水情系統(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　結語

中小水電實現(xiàn)遠程集控是大勢所趨，一個健壯、經濟實用的集控系統(tǒng)是關鍵，根據(jù)中小水電特點，除了實現(xiàn)實時系統(tǒng)集中監(jiān)視控制外，還需接入于非實時生產數(shù)據(jù)和生產管理數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)比較。文中對于集控系統(tǒng)總體設計方案和數(shù)據(jù)網設計進行探討，并在五凌電力實施應用，取得很好效果，文中介紹的方案，對于其他同類集控系統(tǒng)建設有一定借鑒意義。

[1]龔傳利，鄧鵬程，魏志鵬，等.五凌集控計算機監(jiān)控系統(tǒng)關鍵技術[J].水電站機電技術，2011，34（3）：67-69.

[2]田啟榮，萬元，諶斐鳴，等.“區(qū)域集控”模式在五凌集控計算機監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[C]//中國水力發(fā)電工程學會梯級調度控制專委會2010年年會，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[C]//中國水力發(fā)電工程學會梯級調度控制專委會2010年年會，2010.

[4]王德寬，王桂平，張毅，等.水電廠計算機監(jiān)控技術三十年回顧與展望[J].水電站機電技術，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，高級工程師，從事水電站監(jiān)控系統(tǒng)研究及軟件開發(fā)工作。