水电厂集控监控系统及其应用研究

李 欣

（南京南瑞水利水电科技有限公司，江苏 南京 211106）

1 水电厂集控监控系统概述

集控监控系统主要指利用现代先进计算机系统、网络技术、无线通信技术、传感器以及告警设备，对水电厂各生产、管理环节所有电气设备进行运行状态的集中化远程监控[1]。该系统可以对不同生产商的通信协议予以规范化管理，将不同类型的信息汇集在一起，对跨厂商设备进行统一控制和集中监测，从而实现对设备运行状态数据的测量、参数调节与故障预警。

使用集控监控系统的根本目标在于提高水电厂设备运行管理效率与质量，通过集控监控系统可以及时发现设备运行中所存在的安全故障隐患，由专职人员进行操作记录，再将具体记录传输至技术部门，由专业技术人员进行设备故障维修。通过集控监控可以及时发现设备运行过程中所存在的异常情况，并进行系统数据的收集与发送，是水电厂设备运行安全有效管理的重要保证。相关设备数据又分为性能数据、告警数据以及告警解除数据，其中告警数据是集中监控系统最主要的监控对象。如果发现存在故障问题或安全隐患，必须及时进行处理，防止引发重大问题而影响水电厂其他设备的正常运行[2]。

由于水电厂的生产环境较为复杂，容易受到多种因素的影响而发生数据信息丢失的问题，因此如何提高集控监控系统的运行稳定性一直是水电厂较为重视的内容。目前，大部分水电厂均采用为提高网络硬件的安全性和确保数据信息的完整性所设计的数据保护机制[3]。

2 水电厂集控监控系统结构

我国水电厂在进行集控监控过程中，主要采用开放型分层分布式结构，主要分为非控制层、查询层、控制层以及接入层。各层面集控系统相对应的局域网依次为生产控制网、生产非控制网、生产信息网以及接入网。目前，我国相关电力部门针对各层面局域网安全维护都有着较为明确的规范和标准，水电厂在进行集控监控网络防护过程中，需要严格依据相关规定予以处理，避免产生安全隐患。

局域网是水电厂集控监控系统中极为重要的组成部分，所有控制工作均需要以局域网为根本前提，深入了解集控监控系统中的局域网模式，对于水电厂集控监控系统稳定性的提升有着重要意义。

生产非控制网络的功能为连接报表工作站、诊断故障、远程维护。集控系统控制网与非控制网不同，所采用的是以太双网结构，可以有效提高集控监控系统的抗干扰性能，避免系统中部分设备发生故障隐患而导致整个集控系统出现非正常运转问题。控制层局域网中，历史服务器与磁盘阵列可集中存储集控系统控制范围内所有水电厂相关数据信息[4]。生产管理信息层局域网专门配置了千兆以太网交换机，主要功能是进行远程集控监控系统Web发布，与各种服务器和其他层面局域网连接可有效隔离各局域网，确保水电厂集控监控系统的安全操作。接入局域网采用百兆以太网双网结构，数据信息在局域网中传递的过程会设置加密认证，以确保远程通信数据信息的安全性。以安全系统架构设计为例，如图1所示。

图1 某水电厂集控监控系统安全架构

3 水电厂集控监控系统应用

以四川某水电厂为例，其系统结构与功能设计如下文所述。

3.1 系统架构

3.1.1 系统安全分区设计

根据《电力监控系统安全防护总体方案》（国能安全〔2015〕36号），集控中心计算机监控系统主体应属于安全Ⅰ区，Web信息发布和离线开发测试平台部署在安全Ⅲ区。

3.1.2 系统网络结构设计

计算机监控系统采用全开放的分布式结构，由网络上分布的计算节点组成，包括值班人机节点、运维人机节点、应用服务节点、数据库服务节点以及Web服务节点等，各节点采用局域网联结。局域网按IEEE802.3z设计，采用双星型结构的交换式以太网、全开放的分布式接口以及局域网通信规约TCP/IP，网络介质采用光纤，网络传输速率为1 000 Mb/s。安全Ⅰ区网络经电力专用正/反向物理隔离装置与安全Ⅲ区网络连接，通过非网络连接实现数据、应用服务节点与Web服务节点、离线开发测试平台之间的数据交换，保证生产控制区的安全[5]。

3.1.3 时钟同步

部署一套北斗/GPS双主钟同步时钟系统，作为集控中心统一对时信号源。对时方式支持B码对时和网络时间协议（Network Time Protocol，NTP）对时等。

3.1.4 大屏展示

集控大厅安装55英寸液晶拼接屏1套，集控监控系统操作员工作站根据图像源信号将其输出至大屏，输出接口采用显示接口（Display Port，DP）或数字视频接口（Digital Visual Interface，DVI）。

3.1.5 与电站通信

集控监控系统与所辖电站监控系统互联，主要通过两级系统的通信网关机实现，内部网络相互隔离。互联通道采用岷江公司自建调度数据网，通信协议采用IEC 60870-5-104。初期实现与下庄、铜钟、草坡以及沙牌电站的接入，预留其他上网电站的集控接入接口[6]。

3.2 系统应用软件功能设计

3.2.1 集控监控系统数据采集

集控监控系统数据采集功能包括：自动进行各梯级电站相关监控所需信息的收集，并将各梯级电站信息予以汇总，主要涵盖实时运行数据、实时计算数据、历史记录数据；针对电网调度机构所传输的各梯级电站调度计划（水库调度、发电控制、防洪调度等）及多种指令相关信息予以接收；对优化调度系统所制订各梯级电站调度计划（水库调度、发电控制、防洪调度等）及各项指令进行自动收集；自动进行操作员手动输入数据信息的收集；通过数据接口方式与外部系统实现数据交互。未来数据交换平台建成后，能通过数据交换平台实现与外部系统的数据共享[7]。

3.2.2 集控监控系统数据处理

集控监控系统数据处理功能包括：针对所采集的数据信息予以有效性检测，更新实时数据库；进行数据存盘，保存历史数据，更新原有各类历史记录数据，以确保数据连续性和完整性，可采用存储载体进行各数据的备份；根据数据信息对比生成不同安全事故预警记录信息，并发出语音报警等；记录趋势分析量；进行事件顺序相关信息的记录和汇总处理；记录事故追忆及相关量数据；准确计算数据；统计并完整记录各梯级电站主/辅设备、继电保护与自动设备运行相关状态参数数据、生成各梯级电站各类运行报表、各梯级电站分时电量记录和各梯级电站有功功率、无功功率记录，生成详细的数据信息报表[8]。

3.3 安全运行监视

备用集控中心操作人员可运用集控监控系统人机交互接口设备，针对各设定监控对象开展监视工作。监控主要设备、开关站设备、主要辅助设备以及公用设备的运行状态与具体参数，如母线电压、频率、有功功率、无功功率、输电线路潮流、有过负荷可能的线路电流、部分重要的非电量、水位以及越限报警等。状态变化分为两类，一类为自动状态变化，主要是由于自动控制或保护装置动作而发生状态改变；另一类为受控状态变化，主要是因计算机监控系统指令执行而引发的状态变化。对于这两类变化都要做到详细记录，且需要显示、打印并明确区分[9]。

计算机监控系统应能监视通信通道，包括交换机、路由器、光纤等，对冗余通道应能自动切换或手动切换[10]。此外，还要对闸门进行监视，包括闸门控制系统运行状态监视和闸门运行状态监视。监视手段不可拘泥于单一模式，要采取多种不同方法，如屏幕显示、语音播报等[11]。

4 结 论

随着现代科技的进步和信息技术、互联网技术以及大数据技术的更新，我国水电厂的监控技术也在不断发展，尤其是在集控监控系统方面。我国水能资源分布有着区域性特点，不同地区水电基地开发与设备应用也有着不同的标准要求，加上目前经济效益较好的水电资源基本被开发完毕，预计未来新增水电装机容量增速有限，这些都需要通过持续的技术优化研究来解决。