2022年2022年扩大厂站模式的火溪河流域计算机监控系统 .pdf

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1、扩大厂站模式的火溪河流域计算机监控系统 扩大厂站模式的火溪河流域计算机监控系统王劲夫、林峰、曹伟、许英坚（国电公司成都院四川华能涪江水电有限公司）【摘要】 本文介绍了四川华能火溪河流域梯级计算机监控系统的设计思路，并着重对梯级和站级、现场功能层通信网络的种类及其选择等方面进行了分析比较，并对相对集中的中小型梯级电站群的计算机监控系统提出了一种新的设计理念扩大厂站结构的计算机监控系统。【关键词】无人值班、扩大厂站、计算机监控系统、网络安全、工业以太网1 流域梯级电站概况火溪河是涪江上游左岸最大的一级支流，位于四川省绵阳市平武县西北部。火溪河干流全长 114km ，流域面积 1494km2，其中规

2、划河段长64km，落差 1383m ，水量较丰沛平稳，水力资源集中，占全河85以上，上游具备良好的水库地形。火溪河梯级开发方式确定为“龙头”水库下接一系列引水式梯级电站，自上而下为水牛家、自一里、木座、阴坪， 4 级电站总装机容量约400MW ，全梯级联合运行保证出力 14.69 万 kW，多年平均发电量16.33 亿 kW.h。4 个梯级电站均采用220kV 一个电压等级出线， 水牛家电站、自一里电站的电力集中于自一里电站的220kV 升压站后送四川主网的双河变电站，木座电站、 阴坪电站的电力集中于木座电站的220kV 升压站后送四川主网的双河变电站。2 系统总体设计思想对于流域内的多个梯级

3、电站群， 目前比较普遍的计算机监控系统设计和实施方案，一般是在每个电站均设置相对独立、完整的电站计算机监控系统，梯级调度中心或集中控制中心另外设置一套完全独立的调度控制中心计算机监控系统。电站的运行管理模式一般采用少人值班、无人值班（少人值守），配置一套或多套上位机设备，例如主机或服务器、操作员工作站、工程师工作站、网关计算机或通信服务器等。由于距离、产权归属、 功能要求、数据传输量等原因， 两者一般通过仅6009600bps 的窄带通信通道进行互联，或通过2M 通道等采用网络方式互联。各个电站的计算机监控系统和梯级中心的计算机监控系统等均是配置齐全、功能完整的独立的监视、控制系统，通信速率相

4、对较低，梯调中心获取的信息不完整，电站的部分次要信息采用成组方式上送，以降低对系统资源的占用。第 1 页 共 8 页 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 8 页 - - - - - - - - - 扩大厂站模式的火溪河流域计算机监控系统 通常，电站的计算机监控系统一般由现地控制单元LCU、操作员工作站 （单或双机冗余配置）、系统服务器（单或双机冗余配置）、工程师工作站、网关计算机等构成，需配备约5 个运行班组，每个班组46 人，每日 3 个值班班组，每班8小时

5、。梯调中心计算机监控系统一般由双或多冗余操作员工作站、双或多冗余系统服务器、工程师工作站、 网关计算机等构成， 需配备约 5 个运行班组， 每个班组 23 人，每日 3 个值班班组，每班8 小时。从目前的规划来看，火溪河流域水电开发相对比较集中，四个梯级电站集中在40km 范围内，每个电站均为二台水轮发电机，整个火溪河电厂的总装机容量为400MW ，对电网贡献和影响甚微。 如果按照常规的方式对火溪河电厂的四个梯级电站和梯级集控中心进行设计，需配置的设备数量多、投资大，且软件开发费用、编程和维护的工作量及难度、 备品备件的种类和数量、 系统维护人员数量和相关要求，以及由此产生的相应的管理费和人工

6、费等，均明显较多。因此，鉴于火溪河梯级独特的条件，有必要采取更切合实际的、性价比更好的监控系统方案。根据水力发电厂值班方式工程设计导则（征求意见稿2001.2 ）对“无人值班”的定义，这种值班方式是指水电厂不需要24 小时都有人值班，厂内不再保留经常运行值班人员，值班人员可以在一个远离水电厂的适当地点待命、休息，定期（每天、隔天、每周等）去厂进行巡视检查、日常维护以及检修管理等工作，有紧急事项时则应召前往检查、处理。同时，该导则第6.4.2 条“水电厂有几个电站主厂房时，通常设置全厂总控制室对全厂各站实行全厂集中监视控制。全厂总控制室通常设在其中的一个电站副厂房中，其他电站除具有距离较远、机组

7、容量很大、台数很多、电气结线相对独立以及其他等特殊条件需要外，一般不再考虑设置各自的分控制室。”事实上，国外发达国家采用计算机监控系统实现无人值班管理模式的非常普遍。法国的电厂基本上由法国电力公司（EDF）管辖，其下属的近500 个电站，仅14 个场所保留值班人员。日本东京电力公司90 年代初总装机容量为49000MW ，电厂 156 座，到 1990 年无人化已达到98以上。另外，从最近几个建成投运的电站来看，随着计算机和网络控制、 视频数字化、网络电话、光纤通信等技术迅猛发展和日益普及，从技术也保证了电站按数字化电站，网络控制的管理目标的实施，为“无人值班 ”提供了强有力的技术支持。基于上

8、述分析， 无论是从理论上还是国外的实际应用情况来看，火溪河梯级非常有必要采用“ 无人值班、扩大厂站 ”计算机监控系统方案和运行管理方式。由于四个梯级电站集中在40km 范围内，各个梯级电站彼此之间的距离均在1015km内，电站和梯级中心之间通过冗余的光缆（包括220kV 线路的 OPGW 和 35kV 线路的 ADSS 两条光缆路由）构成高度冗余可靠的通讯通道，因此我们设计采用了一种基于火溪河流域梯级电站的全开放的、分布式的整体解决方案，总体设计方案如下：?四个梯级电站视为地理位置扩大的一个电厂的理念（即扩大厂站），各个第 2 页 共 8 页 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - -

9、- - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - 扩大厂站模式的火溪河流域计算机监控系统 电站根据机组台数、公用设备和开关站、闸首的分布等情况设置现地控制单元 LCU，LCU 具备其监控范围内的完整功能，可脱网独立运行， 并具有人机界面和较长时间（例如数小时甚至更多）的历史数据存储功能。各梯级电站内均不设置站级计算机（或上位计算机）。?设置在梯级集控中心的厂级计算机，主要配置系统服务器、 操作员工作站、工程师工作站等， 可直接对各梯级电站的所有LCU 进行集中监控、管理和水资源调

10、度。?与之相适应，各电站取消二次中控室和减少地下二次副厂房的开挖及土建工作量，取消各梯级电站内、 原常规设计存在的电站办公、 现场生活设施、库房、机修车间等，各种保护、控制等二次设备均布置一次设备和现地附近。?在白马寨设置梯级集中控制中心（即全厂总控制室）和管理、维护及办公基地，对流域内的四个梯级电站进行日常的运行、管理工作。?整个流域梯级电站和集控中心的计算机监控系统采用一家公司的系统，以确保整体的兼容性和协调性， 同时可以大大降低需配置的其他设备的数量、软件开发费用、备品备件的数量、系统维护人员数量和劳动强度等。采用这种设计方案， 白马寨梯级集控中心与四个梯级电站即构成了一个物理距离扩大的

11、厂站，四个梯级电站按照“无人值班”的运行管理模式，值班人员统一在白马寨梯级集控中心待命、休息，定期去电站进行巡视检查、日常维护以及检修管理等工作。流域总体的计算机监控系统主要由各个梯级电站的现地控制单元（LCU），以及梯级集控中心的厂级计算机（系统服务器、操作员工作站、工程师工作站、网关计算机等） 设备为主，构成一个全计算机监控的计算机网络系统。从网络结构来看，系统采用全数字化的、基于网络的分层分布式系统结构，从下到上，包括现场级的总线通信网络、电站级网络和梯级集控中心的电厂级网络。完成上述设计方案后， 我们与国内外五家主要的计算机监控系统供应商进行了技术交流。五家公司均认为上述方案合理可行，

12、并提交了与此方案一致的监控系统结构方案。初步证明，即使基于现有的技术水平，该方案也是合理的和可行的。采用上述总体设计方案，不仅使流域的计算机监控系统更加简单、合理，且由于取消了电站级上位计算机 （主要包括操作员工作站、系统服务器、工程师站等），可使软件开发和维护工作量减少，监控系统费用降低。另外，由于运行值班人员减少所节省的人工费用，取消二次副厂房所减少的开挖工程量以及缩短施工工期、提前发电等所产生的经济效益，将较大幅度地节省工程投资。另外，由于水牛家电站为混合式开发，水库具有年调节性能，可对其他三个梯级电站产生一定的调节作用。通过梯级集控中心的经济运行和优化调度，可有效地提高水能资源利用率，

13、 例如下游电站枯水年枯期平均出力约增加7080，其产生的经济效益和社会效益均有较大的提高。第 3 页 共 8 页 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - - - - - - - - - 扩大厂站模式的火溪河流域计算机监控系统 3 计算机监控系统的分层结构对于水电厂分层分布式的电站计算机监控系统来说，通常分为两层结构，即按控制对象设置的现地控制单元构成的现地控制层 ，和一些负责全厂性功能计算机构成的电厂控制层 。近几年国内水电厂的计算机监控系统几乎都采用

14、了此种结构。从国内电站已投运的主流计算机监控系统模式来看，现地控制单元LCU 对现场设备的监视和控制， 仍然以模拟量、 开关量的直接采集和输出为主，辅以与励磁、调速器、保护、故障录波、振摆监测等专功能微机装置的数字通信。但是对于机组辅助设备和公用设备、调压井闸门、大坝首部泄洪、冲砂、进水口闸门等功能组控制单元，往往在计算机监控系统之外另外设置数套相对独立的PLC 监控系统，采用常规模拟量、开关量的IO 接点方式和通信方式将部分信息传输到计算机监控系统，并接受计算机监控系统的控制。这种方式的主要缺点是设备种类和数量相对较多，可靠性较低，不能较好地、更深层次地支持远程维护和远程诊断，维护工作量大，

15、系统整体协调性差。同一个电站同时存在几套不同硬件构成的系统，电厂的维护工作量增加，备品备件的种类和数量增加，需要更多额外的费用。通过近几年现场总线和以太网技术的日趋发展和完善，计算机价格的下降和性能的提高，以及在电力及其他行业的运行使用经验，采用现场总线和以太网技术，将 LCU 中相对较独立的部分功能例如油压监控、空压机监控、 渗漏排水监控、 厂用电监控、直流系统监视、闸门监控等，从LCU 中剥离出来，配以相应的电源、执行元件等单独构成控制屏、箱，以分布式IO（DIO）和远程 IO（RIO）的形式，直接布置在辅机、公用、启闭机等设备附近，控制器硬件和编程软件均统一由计算机监控系统供应商提供，则

16、非常完美地解决了上述问题。从计算机监控系统的结构图来看，为了同现地控制单元区分，我们将新增加的这一层称为现场功能控制层。现场控制层采用现场总线技术， 与相应功能的上层设备 LCU 通信，实现信息的采集上送和控制命令的接受。采用这种体系结构设计的计算机监控系统已于2002 年在四川华能太平驿水电站成功投入运行。火溪河流域的站级计算机监控系统也采用此方式，分为三层结构，即现场功能控制层（主要设备为DIO、RIO），现地控制层（主要设备LCU），电站（厂）控制层（操作员站、系统服务器等）等三层结构。不过，由于采用扩大厂站的模式，电站控制层与流域梯级集控中心的梯级调度层合并为扩大厂站的电厂级控制层。4

17、 计算机监控系统的网络选择对于火溪河流域的计算机监控系统，根据各层的功能、信息量和地域分布，分别选择相适应的通信网络。第 4 页 共 8 页 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - 扩大厂站模式的火溪河流域计算机监控系统 4.1 现场控制网络现场控制网络是指DIO/RIO 与 LCU 之间的联接网络，通常采用现场总线技术，网络带宽为 14Mbps 。通常情况下， 当 LCU 需要监控的 IO 点数较多超过一个机架的容量时

18、，往往需要增加扩展机架以便增加更多的IO 模板。扩展机架和主机架之间通过标准的或各家公司独有的规约进行通信， 例如南瑞自控 SJ600 系列所使用的 CAN 现场总线、ABB 公司的 AF100 现场总线、 ALSTOM 公司的 ALSPA F8000现场总线（满足WorldFip 的工业标准 EN50170 ），以及一般工业流域提供PLC 产品的公司例如施耐德公司使用的Modbus 和 Modbus Plus 、GE 公司的 Genius 总线、 AB 公司的Device Net 等。我们所设计的 DIO/RIO 也采用相同的现场总线技术，实现与LCU 的通信。部分情况下，由于距离和使用环境

19、的影响，总线电缆可能需要更换为光缆。采用这种设计方案，不仅可以将监控系统的渗透到电厂控制的较底层，由于网络的向下延伸，还可以在监控网络相连的任何地方，甚至是在国外由供应商的专家对本系统进行分析会诊。工程师可在集控中心对包括DIO/RIO 在内的任何控制器， 而不是象以前的系统仅仅局限于LCU 内的控制器进行系统配置、 组态和参数化。 系统具有的远程诊断和维护功能。可以诊断到全系统任意一个CPU卡、通讯通道、I/O板的使用状况和运行情况，直至通道一级。对于典型的故障还可提出维修建议，可以在线修改、下载参数和下载控制程序。 由于种种原因，现场总线种类繁多，标准化进程缓慢，而以太网尽管存在许多先天不

20、足，但由于其普及范围广、扩展容易、发展的可持续性、成本低廉等优点，则越来越广泛地使用在工业控制领域，并且极大地压缩了现场总线的领域。加上DIO/RIO 控制器对以太网的支持，现场功能控制层也可以采用以太网方式而不仅仅局限于现场总线，实现DIO/RIO 与 LCU 的联网通信，甚至有可能最终完全淘汰现场总线。4.2 电站控制网络电站控制网络通常是指电站内，各LCU 与厂站级计算机（例如通常的电站操作员站等）的连接网络。从已投运电站的计算机监控系统结构来看，主要包括早期采用 10Base-2（细缆）、 10Base-5（粗缆）技术的物理总线以太网， 采用 10 Base-T（双绞线）技术的逻辑总线

21、（使用集线器）以太网，4/16Mbps令牌环网，以及目前普遍使用的 10/100Mbps 的逻辑星型和环形结构的交换式以太网。早期的物理总线以太网结构简单，成本低，但局限于当时以太网的技术水平，可扩展性和容错性较差，一个节点错误将影响网络中的所有设备，且难以检测网络的故障点。总线网络另一个主要的缺点是每个节点共享总线的全部容量，任何一个节点通讯时，其他节点均只能处于接受状态，带宽利用率低。一个总线网络上的节第 5 页 共 8 页 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页

22、，共 8 页 - - - - - - - - - 扩大厂站模式的火溪河流域计算机监控系统 点越多，网络发送和接收数据就越慢，实时性不很好。由于网络交换技术的发展，智能集线器（即交换机）的使用，将以前总线式以太网的冲突域缩小到节点设备到交换机的相应端口之间，从而使得交换式以太网在工业控制领域得以大量使用，并彻底取代了其他形式的网络，近几年的水电站计算机监控系统几乎都是星型和环形结构的交换式以太网。星型和环形快速以太网应用，通常取决与 LCU 和上位机的数量、分布和距离、投资规模等因素。 通常，星型网络使用端口数量较多的商用交换机和STP 作为传输介质，而环形网络使用端口数量相对较少的工业级交换机

23、和光缆作为传输介质。同商用级的以太网交换机相比， 工业级的交换机在实时性和网络冗余性等方面有较大的优势。为了保证工业数据传输的实时性，工业以太网使用低传输时延的交换设备，其传输时延甚至可达到民用以太网设备的千分之一到二。为了网络连接的可靠性，避免设备故障或检修时造成网络中断，工业以太网可采用多种冗余连接方式， 如环形冗余（HIPER-RING ） 、 主备冗余 (Stand-by) 、 链接冗余 (Link-Redundant) 、主干冗余（ Dual-Homing ）等。网络故障时的自愈时间为毫秒级。而采用“生成树算法（SPT）”的商用级以太网交换机，故障时的网络重构的时间长达3-90 秒，

24、普通的以太网交换机则不支持环形结构。另外，为适应工业环境的应用，工业级以太网交换机多为卡轨式安装和直流24V 电源供电方式， 无风扇设计， 并且能适应工厂湿热、腐蚀、盐雾、强电磁干扰等环境。火溪河目前已初步建成的第一个电站自一里水电站内的控制网络即采用光纤介质的 100Mbps 环形结构工业级以太网。4.3 流域内的主干网络主干网络是指连接流域内各梯级电站监控系统和梯级集中控制中心监控系统的网络。以前由于通信通道的建设和维护成本，多采用Modem 和 2M 或话音通道进行通信。由于光纤通信技术的发展和使用成本的降低，目前越来越多的流域内各站点之间可提供多达10 多芯的光纤，为梯级电站内的话音数

25、据、视频数据以及计算机数据的传输提供必要的保障，甚至部分计算机监控系统供应商提供了基于千兆交换以太网平台、整合监控系统、MIS 系统、工业电视系统、话音通信系统等多种业务的一体化解决方案。然而，根据中华人民共和国国家经济贸易委员会第30 号令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和国家有关部委相关规定的要求，综合对电厂总体网络安全性的考虑，为保障电站实时、安全、可靠地运行，避免与电站实时监控无关的数据传输导致网络堵塞，避免无关人员甚至黑客入侵电站实时监控网络，对电站设备的安全和运行进行干扰和破坏，水电厂的实时监控网络应与安全等级不同的其他网络完全分离开。因此，我们将火溪河电厂的计算

26、机网络按两个相对独立的计算机网络设计，一个为计算机监控系统的专用网络，负责电站运行的实第 6 页 共 8 页 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - 扩大厂站模式的火溪河流域计算机监控系统 时监控，另一个为电厂的综合信息传输平台，负责电厂办公自动化、档案管理、数字视频服务、话音通信等需求。两个网络通过各自的光纤通道（在同一根光缆内），实现四个梯级电站和梯级集控中心相关设备的互联。计算机监控系统和MIS 系统之间采用经国家

27、有关部门认证的专用、可靠的安全隔离设施，例如采用经认证的网关机和防火墙装置、软件包以及其他必须的设施等，数据由计算机监控系统单方向发送至 MIS 系统。综合火溪河流域各梯级电站的分布和距离，光缆敷设的成本和实施难度， 光缆敷设范围内的地质情况等因素，流域内的主干网络设计采用单模光纤介质的100Mbps 工业级单环网络结构。当然，对于其他工程项目，必要的情况下也可考虑采用双环网络结构，且两个以太网环网分别采用不同的传输介质，例如基于IEEE 802.11 的高速无线局域网（ Wireless LANs ，WLANs ）等。5 水电厂控制的展望水电厂自身作为一个复杂的生产过程，具有的设备分布地域分

28、散、数量多，要求实现的功能多等特点，通常也采用分层控制方式，将水电厂的控制分为若干层。对于水电厂分层控制模型目前比较一致的看法，即原BBC 公司提出的划分方法，水电厂的分层控制模型为四层结构：?驱动层 ：为水电厂分层控制中的最低层，与生产设备直接联接，用于监视和控制机组的各种驱动，如油泵、水泵、阀、断路器等。?功能组控制层 ：第二层，用于实现某一特定的功能的、一种自治性的自动控制子系统，例如调速、调励磁、同步并列、油压装置、水轮机压气排水等。?机组控制层（或过程控制层）：第三层，包括机组各种运行工况的转换、功率调整、数据采集和处理、运行参数的监测和报警、与上一层的信息交换等。?电厂控制层 ：水

29、电厂控制系统中的最高层，用于控制整个水电厂的运行。主要任务是协调控制水电厂中各机组的发电，通过机组控制层实现运行工况转换、功率调整等操作；与上一级部门通信，上送电厂的信息，接受下达的控制命令；与其他专功能的系统交换信息，例如水情测报系统、水工建筑物监测系统等。对于分层分布式的电站计算机监控系统来说，通常分为两层结构，即按控制对象设置的现地控制单元构成的现地控制级 ，和一些负责全厂性功能计算机构成的电厂控制级 。近几年国内水电厂的计算机监控系统几乎都采用了此种结构。从目前水电厂的控制功能划分来看，计算机监控系统的两层结构基本上与水电厂四层控制结构的最上两层相对应，而功能组控制层往往由其他专功能的

30、微机装置实现，例如调速系统、励磁系统、辅机监控系统等。第 7 页 共 8 页 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - 扩大厂站模式的火溪河流域计算机监控系统 第 8 页 共 8 页 这种控制方式尽管是目前最普遍的，但随着技术的进步，其缺点也逐渐暴露出来，例如各系统之间通信的困难，信息资源的共享程度较低。我们相信，水电厂计算机监控系统逐渐渗入并取代辅机、公用监控系统，只是水电厂信息化的一个开端。 随着计算机及相关技术的发展

31、和普及，使用成本的降低，以及相关领域各专业厂家的合作与并购，作为水电厂控制核心的计算机监控系统，会逐渐渗透到整个功能组控制层，甚至是驱动层，最终实现整个水电厂的信息化。事实上，国外的一些公司在此方面已经有了一定的经验和初步的成果，例如奥地利维奥(VA TECH) 公司的 Neptune（海王星） 系统、法国 ALSTOM 公司的 P320 系统等已尝试将调速、励磁、保护、机组在线监测等功能组控制层子系统整合到计算机监控系统中，具有现场总线通信接口的智能传感器、智能仪表、智能驱动等设备应用也向我们展现了驱动层设备信息化的一丝曙光。参考文献：水电厂计算机监视与控制 ，王定一等编著， 中国电力出版社

32、 2001 年 8 月，ISBN 7-5083-0584-1 ；现代水电厂计算机监控技术与试验，方辉钦主编，中国电力出版社2004年 3 月，ISBN 7-5083-1942-7 ；作者简历：王劲夫：国家电力公司成都勘测设计研究院，机电处处长，高级工程师；林峰：国家电力公司成都勘测设计研究院，电气二次专业副主任， 高级工程师； 曹伟：四川华能涪江水电有限公司，副总工程师；许英坚：华能集团公司水电开发部；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 8 页 - - - - - - - - -