李 欣

（南京南瑞水利水電科技有限公司，江蘇 南京 211106）

1 水電廠集控監(jiān)控系統(tǒng)概述

集控監(jiān)控系統(tǒng)主要指利用現(xiàn)代先進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、傳感器以及告警設(shè)備，對(duì)水電廠各生產(chǎn)、管理環(huán)節(jié)所有電氣設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的集中化遠(yuǎn)程監(jiān)控[1]。該系統(tǒng)可以對(duì)不同生產(chǎn)商的通信協(xié)議予以規(guī)范化管理，將不同類(lèi)型的信息匯集在一起，對(duì)跨廠商設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一控制和集中監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)與故障預(yù)警。

使用集控監(jiān)控系統(tǒng)的根本目標(biāo)在于提高水電廠設(shè)備運(yùn)行管理效率與質(zhì)量，通過(guò)集控監(jiān)控系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中所存在的安全故障隱患，由專(zhuān)職人員進(jìn)行操作記錄，再將具體記錄傳輸至技術(shù)部門(mén)，由專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行設(shè)備故障維修。通過(guò)集控監(jiān)控可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中所存在的異常情況，并進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收集與發(fā)送，是水電廠設(shè)備運(yùn)行安全有效管理的重要保證。相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)又分為性能數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)以及告警解除數(shù)據(jù)，其中告警數(shù)據(jù)是集中監(jiān)控系統(tǒng)最主要的監(jiān)控對(duì)象。如果發(fā)現(xiàn)存在故障問(wèn)題或安全隱患，必須及時(shí)進(jìn)行處理，防止引發(fā)重大問(wèn)題而影響水電廠其他設(shè)備的正常運(yùn)行[2]。

由于水電廠的生產(chǎn)環(huán)境較為復(fù)雜，容易受到多種因素的影響而發(fā)生數(shù)據(jù)信息丟失的問(wèn)題，因此如何提高集控監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性一直是水電廠較為重視的內(nèi)容。目前，大部分水電廠均采用為提高網(wǎng)絡(luò)硬件的安全性和確保數(shù)據(jù)信息的完整性所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制[3]。

2 水電廠集控監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

我國(guó)水電廠在進(jìn)行集控監(jiān)控過(guò)程中，主要采用開(kāi)放型分層分布式結(jié)構(gòu)，主要分為非控制層、查詢(xún)層、控制層以及接入層。各層面集控系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的局域網(wǎng)依次為生產(chǎn)控制網(wǎng)、生產(chǎn)非控制網(wǎng)、生產(chǎn)信息網(wǎng)以及接入網(wǎng)。目前，我國(guó)相關(guān)電力部門(mén)針對(duì)各層面局域網(wǎng)安全維護(hù)都有著較為明確的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，水電廠在進(jìn)行集控監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)防護(hù)過(guò)程中，需要嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)規(guī)定予以處理，避免產(chǎn)生安全隱患。

局域網(wǎng)是水電廠集控監(jiān)控系統(tǒng)中極為重要的組成部分，所有控制工作均需要以局域網(wǎng)為根本前提，深入了解集控監(jiān)控系統(tǒng)中的局域網(wǎng)模式，對(duì)于水電廠集控監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升有著重要意義。

生產(chǎn)非控制網(wǎng)絡(luò)的功能為連接報(bào)表工作站、診斷故障、遠(yuǎn)程維護(hù)。集控系統(tǒng)控制網(wǎng)與非控制網(wǎng)不同，所采用的是以太雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以有效提高集控監(jiān)控系統(tǒng)的抗干擾性能，避免系統(tǒng)中部分設(shè)備發(fā)生故障隱患而導(dǎo)致整個(gè)集控系統(tǒng)出現(xiàn)非正常運(yùn)轉(zhuǎn)問(wèn)題?？刂茖泳钟蚓W(wǎng)中，歷史服務(wù)器與磁盤(pán)陣列可集中存儲(chǔ)集控系統(tǒng)控制范圍內(nèi)所有水電廠相關(guān)數(shù)據(jù)信息[4]。生產(chǎn)管理信息層局域網(wǎng)專(zhuān)門(mén)配置了千兆以太網(wǎng)交換機(jī)，主要功能是進(jìn)行遠(yuǎn)程集控監(jiān)控系統(tǒng)Web發(fā)布，與各種服務(wù)器和其他層面局域網(wǎng)連接可有效隔離各局域網(wǎng)，確保水電廠集控監(jiān)控系統(tǒng)的安全操作。接入局域網(wǎng)采用百兆以太網(wǎng)雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)信息在局域網(wǎng)中傳遞的過(guò)程會(huì)設(shè)置加密認(rèn)證，以確保遠(yuǎn)程通信數(shù)據(jù)信息的安全性。以安全系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)為例，如圖1所示。

圖1 某水電廠集控監(jiān)控系統(tǒng)安全架構(gòu)

3 水電廠集控監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

以四川某水電廠為例，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)如下文所述。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1.1 系統(tǒng)安全分區(qū)設(shè)計(jì)

根據(jù)《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案》（國(guó)能安全〔2015〕36號(hào)），集控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主體應(yīng)屬于安全Ⅰ區(qū)，Web信息發(fā)布和離線(xiàn)開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)部署在安全Ⅲ區(qū)。

3.1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用全開(kāi)放的分布式結(jié)構(gòu)，由網(wǎng)絡(luò)上分布的計(jì)算節(jié)點(diǎn)組成，包括值班人機(jī)節(jié)點(diǎn)、運(yùn)維人機(jī)節(jié)點(diǎn)、應(yīng)用服務(wù)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)節(jié)點(diǎn)以及Web服務(wù)節(jié)點(diǎn)等，各節(jié)點(diǎn)采用局域網(wǎng)聯(lián)結(jié)。局域網(wǎng)按IEEE802.3z設(shè)計(jì)，采用雙星型結(jié)構(gòu)的交換式以太網(wǎng)、全開(kāi)放的分布式接口以及局域網(wǎng)通信規(guī)約TCP/IP，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)采用光纖，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為1 000 Mb/s。安全Ⅰ區(qū)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)電力專(zhuān)用正/反向物理隔離裝置與安全Ⅲ區(qū)網(wǎng)絡(luò)連接，通過(guò)非網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、應(yīng)用服務(wù)節(jié)點(diǎn)與Web服務(wù)節(jié)點(diǎn)、離線(xiàn)開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交換，保證生產(chǎn)控制區(qū)的安全[5]。

3.1.3 時(shí)鐘同步

部署一套北斗/GPS雙主鐘同步時(shí)鐘系統(tǒng)，作為集控中心統(tǒng)一對(duì)時(shí)信號(hào)源。對(duì)時(shí)方式支持B碼對(duì)時(shí)和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）對(duì)時(shí)等。

3.1.4 大屏展示

集控大廳安裝55英寸液晶拼接屏1套，集控監(jiān)控系統(tǒng)操作員工作站根據(jù)圖像源信號(hào)將其輸出至大屏，輸出接口采用顯示接口（Display Port，DP）或數(shù)字視頻接口（Digital Visual Interface，DVI）。

3.1.5 與電站通信

集控監(jiān)控系統(tǒng)與所轄電站監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)，主要通過(guò)兩級(jí)系統(tǒng)的通信網(wǎng)關(guān)機(jī)實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)相互隔離。互聯(lián)通道采用岷江公司自建調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，通信協(xié)議采用IEC 60870-5-104。初期實(shí)現(xiàn)與下莊、銅鐘、草坡以及沙牌電站的接入，預(yù)留其他上網(wǎng)電站的集控接入接口[6]。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用軟件功能設(shè)計(jì)

3.2.1 集控監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

集控監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能包括：自動(dòng)進(jìn)行各梯級(jí)電站相關(guān)監(jiān)控所需信息的收集，并將各梯級(jí)電站信息予以匯總，主要涵蓋實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)、歷史記錄數(shù)據(jù)；針對(duì)電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)所傳輸?shù)母魈菁?jí)電站調(diào)度計(jì)劃（水庫(kù)調(diào)度、發(fā)電控制、防洪調(diào)度等）及多種指令相關(guān)信息予以接收；對(duì)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)所制訂各梯級(jí)電站調(diào)度計(jì)劃（水庫(kù)調(diào)度、發(fā)電控制、防洪調(diào)度等）及各項(xiàng)指令進(jìn)行自動(dòng)收集；自動(dòng)進(jìn)行操作員手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)信息的收集；通過(guò)數(shù)據(jù)接口方式與外部系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。未來(lái)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)建成后，能通過(guò)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享[7]。

3.2.2 集控監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

集控監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理功能包括：針對(duì)所采集的數(shù)據(jù)信息予以有效性檢測(cè)，更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)；進(jìn)行數(shù)據(jù)存盤(pán)，保存歷史數(shù)據(jù)，更新原有各類(lèi)歷史記錄數(shù)據(jù)，以確保數(shù)據(jù)連續(xù)性和完整性，可采用存儲(chǔ)載體進(jìn)行各數(shù)據(jù)的備份；根據(jù)數(shù)據(jù)信息對(duì)比生成不同安全事故預(yù)警記錄信息，并發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警等；記錄趨勢(shì)分析量；進(jìn)行事件順序相關(guān)信息的記錄和匯總處理；記錄事故追憶及相關(guān)量數(shù)據(jù)；準(zhǔn)確計(jì)算數(shù)據(jù)；統(tǒng)計(jì)并完整記錄各梯級(jí)電站主/輔設(shè)備、繼電保護(hù)與自動(dòng)設(shè)備運(yùn)行相關(guān)狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)、生成各梯級(jí)電站各類(lèi)運(yùn)行報(bào)表、各梯級(jí)電站分時(shí)電量記錄和各梯級(jí)電站有功功率、無(wú)功功率記錄，生成詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息報(bào)表[8]。

3.3 安全運(yùn)行監(jiān)視

備用集控中心操作人員可運(yùn)用集控監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)交互接口設(shè)備，針對(duì)各設(shè)定監(jiān)控對(duì)象開(kāi)展監(jiān)視工作。監(jiān)控主要設(shè)備、開(kāi)關(guān)站設(shè)備、主要輔助設(shè)備以及公用設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與具體參數(shù)，如母線(xiàn)電壓、頻率、有功功率、無(wú)功功率、輸電線(xiàn)路潮流、有過(guò)負(fù)荷可能的線(xiàn)路電流、部分重要的非電量、水位以及越限報(bào)警等。狀態(tài)變化分為兩類(lèi)，一類(lèi)為自動(dòng)狀態(tài)變化，主要是由于自動(dòng)控制或保護(hù)裝置動(dòng)作而發(fā)生狀態(tài)改變；另一類(lèi)為受控狀態(tài)變化，主要是因計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)指令執(zhí)行而引發(fā)的狀態(tài)變化。對(duì)于這兩類(lèi)變化都要做到詳細(xì)記錄，且需要顯示、打印并明確區(qū)分[9]。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能監(jiān)視通信通道，包括交換機(jī)、路由器、光纖等，對(duì)冗余通道應(yīng)能自動(dòng)切換或手動(dòng)切換[10]。此外，還要對(duì)閘門(mén)進(jìn)行監(jiān)視，包括閘門(mén)控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視和閘門(mén)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視。監(jiān)視手段不可拘泥于單一模式，要采取多種不同方法，如屏幕顯示、語(yǔ)音播報(bào)等[11]。

4 結(jié) 論

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步和信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的更新，我國(guó)水電廠的監(jiān)控技術(shù)也在不斷發(fā)展，尤其是在集控監(jiān)控系統(tǒng)方面。我國(guó)水能資源分布有著區(qū)域性特點(diǎn)，不同地區(qū)水電基地開(kāi)發(fā)與設(shè)備應(yīng)用也有著不同的標(biāo)準(zhǔn)要求，加上目前經(jīng)濟(jì)效益較好的水電資源基本被開(kāi)發(fā)完畢，預(yù)計(jì)未來(lái)新增水電裝機(jī)容量增速有限，這些都需要通過(guò)持續(xù)的技術(shù)優(yōu)化研究來(lái)解決。