苏帕河多流域梯级电站集控中心计算机监控系统设计与实现

赵勇飞,王淼,王飞,王峥瀛,梅林,郭洁,彭光琼

(1.北京中水科水电科技开发有限公司,北京100038；2.中国水利投资集团公司,北京100053；3.云南保山苏帕河水电开发有限公司,云南保山678000)

云南保山苏帕河多流域梯级包括保山市龙陵县苏帕河流域和保山市腾冲县龙川江流域。目前苏帕河流域梯级已建成投产“一库四级”水电站，包括茄子山水库及一级茄子山电站、二级象达电站、三级乌泥河电站、四级阿鸠田电站，龙川江流域包括龙川江一级电站和腾龙桥二级电站。

苏帕河多流域梯级电站集控中心计算机监控系统将完成云南保山苏帕河水电开发有限公司集控中心对于梯级各电站的远程监控，即对苏帕河流域四级电站、龙川江一级和腾龙桥二级电站的远程计算机监控。

1 系统设计原则

苏帕河多流域梯级电站集控中心计算机监控系统主要实现对苏帕河流域和龙川江流域梯级水电站的数据采集、监视控制、经济调度、流域EDC、自动电压调整、数据存储和网络发布等，并满足上级调度部门对各水电站的监视控制。

多流域集控中心监控系统采用成熟先进的全分布、开放式H9000V4.0监控系统，具有高可靠性和可扩充性。多流域集控中心监控系统设计遵循以下原则:

(1)监控系统按无人值班(少人值守)的原则设计；

(2)监控系统的各项指标均满足相关规定要求；

(3)监控系统采用冗余硬件结构；

(4)监控系统采用先进、成熟的技术和系统，确保系统安全、可靠；

(5)监控系统采取分层分布式体系结构；

(6)进行数据管理与挖掘；

(7)开展多流域经济调度控制。

2 系统硬件构成

苏帕河多流域梯级电站集控中心计算机监控系统基于网络实现，由接入以太网和骨干以太网组成，配置系统服务器、操作员站、通信服务器、各种工作站等设备。系统中节点设备通过冗余配置的网络连接，以保证系统的安全稳定运行。

监控系统集控数据网采用二层结构，核心层设在集控中心，采用高性能的核心交换机；接入层在各个电站，每个电站配置两个接入交换机。交换机的接口配置及协议转换功能根据网络主、备用通道的要求配置相应接口和协议转换模块。集控数据网络系统拓扑结构见图1。

接入以太网，采用100M以太网双网结构，传输介质为超5类线，采用国际标准网络协议TCP/IP。网上挂有2台互为备用的通信服务器，2台互为备用的网络交换机。本网络通过网络交换机接入集控数据网络，通过集控数据网络的主、备用通道与苏帕河流域及龙川江流域各梯级电站计算机监控系统通信，通过通信服务器和骨干以太网交换信息。

骨干以太网，采用1000M以太网双网结构，传输介质为超5类线，采用国际标准网络协议TCP/IP。网上挂有2台互为备用的通信服务器、2台系统服务器、2台操作员工作站、1台工程师/维护工作站、1台数据处理工作站、1台语音报警服务器、1台通信网关机、1台物理隔离设备、2台互为备用的网络交换机、2台打印机。集控数据网主用通道采用电力光纤通道，备用电信通道。

3 系统软件设计

为提高系统的实时性及可靠性，苏帕河多流域梯级电站集控中心计算机监控系统在结构、软件设计上，采用分层分布式系统结构。系统进行节点角色定义，实现信息的分流，使主站系统与集控站系统实现一体化管理。

两台操作员站均以主用方式并行工作，同时监控各集控电站的设备，处理及完成相关趋势报告和规定的计算，对各种数据进行分析和处理，执行监视和事件报警、越/复限检查、过程监视、状态变化监视、趋势分析和异常状态在线实时监视、事故和报警报告、设备控制、参数调整、EDC多流域优化经济运行，并对本站正在操作的设备设置锁定标志，命令操作完成时进行解锁，在满足监控系统对多流域电站同步监控的同时，保证设备操作的唯一性和安全性。

图1 集控数据网络系统拓扑结构

两台通信机以主/热备方式并行工作，负责各电站实时数据的采集、设备控制命令的发送，并进行通信状态报警和命令发送返回报告。

两台系统服务器以群集方式工作，负责存储监控系统的历史数据。

数据处理工作站进行历史数据的维护、处理，负责用户客户端程序的运行、数据存盘，保证系统数据的连续性。

工程师站主要用于系统软件、人机接口应用软件的开发、系统仿真、操作人员的培训及系统管理，同时也具有操作员备用工作站的功能，必要时，可对各电站设备实现监视和控制。

语音报警服务器主要用于实时状态语音报警，ON-CALL电话语音报警、查询，短信报警、查询。

通信网关机负责对外数据通信工作等，并预留同远方控制中心等的接口，提供同大屏幕、水情等系统的通信接口。

WEB服务器通过建立数据平台，实现计算机监控系统安全WEB服务及与MIS系统的通信接口。

系统时钟接口上，通过接收GPS装置的NTP时钟信号，实现网络上各个节点的时钟同步。

各项功能分布在系统的相关节点上，每个节点严格执行指定的任务，通过系统网络与其他节点进行通信。监控系统采集、管理各类实时数据，接收监控系统以外的其他厂内外系统的数据信息，对采集的每种数据进行相应的处理，控制各相关设备，以支持系统完成监视、控制和记录功能。本方案加强了系统的处理能力，提高了整个系统的可靠性和响应速度，合理分解与协调整个系统的功能。

4 系统通信功能

集控数据网络用于集控中心与各电站计算机监控系统、电能量计量系统、水调自动化系统、电力交易系统等实时、非实时数据交换。

监控系统通过通信功能，实现整个系统资源、数据共享、运行高效、实时。系统通信规约基于TCP/IP及UDP协议，遵循开放系统规则。

集控侧通信服务器完成对梯级各电站数据扫描和监视、安全校验、工程值转换、模拟量和开关量的变化检测、控制命令发送，自动统计通道误码率、源代码监视、故障时间、运行状态等，形成日志文件保存。

集控侧和电站侧各两套通信服务器设置为成对的主备通道，当主通信口出错率高于设定值或通信中断时自动切换为备用通信口运行。通道切换由软件完成，实现通道的软切换,通道也可进行人工切换。

为满足实时性要求并确保各电站数据传输的安全和可靠，并防止在电站电气事故情况下，出现大量数据信号在信道上拥挤，软件对各站计算机监控系统所有上送数据进行加密和压缩，并采取优先级传送方式，避免发生数据在通道内堵塞。

电站侧通信机同时与省调系统、水情系统、保山地调系统、集团系统等通信，进行数据交互，命令接收。

控制模式上，集控侧和电站侧设置厂站控制权，集控控制权的投入权限设置在厂站层,切除权限两侧均可进行操作。电站计算机监控系统中的每一个LCU设置一个“集控/厂站控制权”软开关，切换权在电站层，实现集控对电站的安全控制。

5 系统数据管理

集控计算机监控系统数据管理系统包括实时数据库系统、历史数据系统和实时数据共享中心。

5.1 实时数据库系统

实时数据库用于反映监控系统数据点的实时值、状态以及各项属性、参数等信息，包括电站计算机监控系统和管理所需要的全部数据项。

实时数据库的定义采用交互式环境，完成数据库定义的录入、修改、验证等过程。它对外提供一整套接口，外部模块或程序可通过连接实时数据库获取相应数据点的各项数据。H9000实时数据库为网络型全冗余分布式数据库，所有数据共享都通过网络通信来实现。厂站层各节点工作站服务器均具有完整的系统实时数据库，各LCU站点一般只保留与本节点功能有关的实时数据库。

H9000实时数据库管理系统提供一套完整的数据库接口函数，各应用程序可非常方便地进行数据库查询。H9000 RTDB数据库系统支持快速存取和实时处理，采用常驻内存技术确保访问和处理速度。

5.2 历史数据库系统

历史数据库系统采用Mysql数据库，由两台SUN公司服务器FireV490和一个StorageTek6140光纤通道阵列柜组成硬件环境，通过SunCluster建立群集操作系统，两个群集节点均为运行相应进程的独立服务器，进程间彼此通信，对网络客户机形成一个单一系统，协同起来提供历史数据库和应用程序访问功能，以提供增强的系统可用性和可伸缩性，适应模块化增长的容量，减少由软件或硬件故障引起的系统停机时间，确保数据安全和可用性。

历史数据记录包括秒级数据、一分钟数据、整点数据、日数据、月数据、统计数据、事件与命令等，对数据库实体进行保存以供调用。

监控系统通过历史事件记录、历史数据、历史曲线及历史报表等功能，实现与历史数据的交互。5.3实时数据共享中心

根据《电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护规定》，应保证安全级别最高的计算机监控系统具有较高的安全可靠性，与安全级别较低的其他系统有足够的安全隔离。在WEB服务器建立“实时数据共享中心”，系统通过电力专用隔离装置，将处于计算机监控系统的数据信息单向迁移至WEB服务器，迁移的信息包括图形报表、电站机组参数模型、实时数据和历史数据等。非电力监控系统通过访问实时数据共享中心获得计算机监控系统的信息，实现企业网络范围内数据共享的需求。

通过实时数据共享中心获取计算机监控系统数据，对外WEB发布，实现计算机监控系统的安全WEB服务。通过监控系统画面的自动转换，WEB浏览界面在风格与计算机监控系统内部图形一致，实现免维护功能,发布信息包括图形、报表、实时数据、历史曲线、告警信息、统计信息等。WEB浏览具有完善的权限管理功能，在合理实现信息共享的同时避免信息泄漏。

通过实时数据共享中心，计算机监控系统预留与电能量计量系统(EMS)、MIS系统等数据交换接口，保证各系统间的数据交互。

6 多流域经济调度控制EDC

多流域梯级水电站所处的自然优势明显，多流域经济调度控制EDC具有较大意义。

苏帕河流域一库一级电站茄子山水库是苏帕河流域梯级电站的龙头水库，二、三、四级电站水库的入库水量均由上一级电站的发电下泄流量和区间流量两部分组成。一级电站水库库容较大，具有梯级电站的年调节能力，二、三、四级电站水库库容很小，调节能力有限，各级电站区间来水量变化较大，龙川江流域库容较小，区间来水量变化较大，各流域必须考虑区间来水问题,由此导致了多流域的经济调度控制约束条件的复杂多变性。

多流域梯级发电优化调度，目标主要有两个:其一是调度期内发电量最大，其二是调度期末各梯级水库蓄能最大。EDC负责对多流域梯级所属电站实施联合经济调度，各梯级水电站相互配合，在遵循电网安全约束条件和机组本身各项限制条件的前提下，根据调度初期水库水位、调度期各时段区间来水以及调度期梯级各时段应发负荷，实时将梯级发电总负荷在各电站间进行优化和经济的合理分配，以梯级水电站各级水库计算期末总蓄能量最大为原则优化分配站间负荷，尽量减少发电用水，保持各级电站在较高的水头下运行，增加梯级系统蓄能,并避免负荷的较小变动导致机组的频繁启停、负荷大规模转移以及站间联合避开机组振动区。在满足电力调度发电控制要求的条件下，考虑到电力市场条件下的电价等因素，实现多流域梯级水电站发电优化控制和联合经济运行，能提高梯级水电站群的总体经济效益。

7 结束语

多流域梯级电站集控中心计算机监控系统的投运，将为梯级各电站最终实现无人值班(少人值守)创造有利条件，极大地提高整个流域的安全、经济运行及综合自动化水平，充分挖掘各梯级电站潜力，发挥水库的调节能力，显著提高经济、社会效益和梯级调度系统技术和管理水平。

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