溪洛渡电站监控系统特点分析（定稿）_风电站及监控系统概述
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溪洛渡水电站监控系统特点分析
杨廷勇，瞿卫华
（溪洛渡电站筹建处，云南昭通市永善县，657300）
摘要：根据水电站的地理位置和基本情况决定了其监控系统的设计特点，介绍了溪洛渡水电站监控系统在组网方式、功能设计、功能部署、智能维护、调度通信、系统安全性等六个方面的设计特点，最后介绍了溪洛渡监控系统中的停机落门回路和水头处理这两个典型应用。
关键词：水电站，监控系统，智能维护
0 引言
溪洛渡水电站位于四川省雷波县与云南省永善县交界的金沙江干流上，距下游宜宾市约184km(河道里程)，左岸距四川省雷波县城约15km，右岸距云南省永善县城约8km。溪洛渡水电站为全地下式电站，分为左、右岸，各布置9台770MW混流式水轮发电机组，多年平均发电量572亿kW·h，目前为世界第三、国内第二大电站。溪洛渡左岸接入国家电网，右岸接入南方电网，并在成都设立金沙江梯级集控中心，溪洛渡水电站接受三个调度的远方调控命令，实现“调控一体化”。溪洛渡水电站的地理特点、运行特点、发电规模决定了溪洛渡监控系统的设计特点。
1监控系统特点分析
三峡电站监控系统分为左岸监控系统和右岸监控系统两个完全独立的系统，每个监控系统的测点总量不超过10万个，而溪洛渡水电站按照一套监控系统设计，测点总量已经远远超过了10万个，堪称巨型监控系统，它具有如下特点： 1.1监控系统网络结构特点
溪洛渡电站监控系统网络结构简图如图1所示
由图可见，该网络为典型的三网四层的全冗余分层分布式开放系统结构。
。图1 溪洛渡电站监控系统网络结构简图
三网四层的相互关系简述如下：
现地控制层与电站控制网连接，按被控对象单元分布，由全厂各现地控制单元（LCU）构成。采用现场总线技术，完成指定设备的现地监控任务
厂站控制层同时连接电站控制网和电站信息网，由数据采集服务器、操作员站、应用服务器及调度网关通信服务器等构成。完成全厂设备的实时信息采集处理、监视与控制任务。
厂站信息层与电站信息网连接，由历史数据服务器、培训仿真站、语音报警服务器及报表打印服务器等构成。完成全厂设备运行信息管理和整理归档任务。
信息发布层与信息发布网连接，由WEB数据服务器、WEB发布服务器等构成。完成有关全厂实时和历史信息查询工作，实现监控系统的WEB发布功能。
采用三网四层结构有如下优点：①隔离不同网络信息，减少相互干扰，网络的安全性及
可靠性均得到了提高，特别对溪洛渡水电站这样海量数据的巨型监控系统，网络信息的隔离尤为重要；②实现网络信息分流，系统的性能可显著提高；③提高网络结构的灵活性，适应不同应用。
整个网络还有一个特点，即同时采用了星型网络和环型网络结构：左、右岸监控系统采用星型网络结构，利用其结构简单、方便灵活、性能好的特点，方便实现各个监控对象入网或脱网等维护操作；左、右岸监控系统控制网之间互联采用环型网络结构、信息网之间采用链路聚合技术，利用其自愈功能强、可靠性高的特点，提升溪洛渡全厂监控系统的可靠性和安全性。
1.2监控系统功能设计特点
溪洛渡水电站监控系统在系统功能设计上有如下特点：①为更好地实现梯级调控一体化，溪洛渡水电站按一套计算机监控系统进行设计；②针对溪洛渡左右岸电站分别接受两个电网及成都梯调调度的情况，又需要在功能设计上保持左右岸监控系统的相对独立性，对左右岸分别设置“国调/梯控/站控”和“南网/梯控/站控”控制模式，以适应调度运行要求。
针对上述特点，在监控系统软件结构设计中，溪洛渡水电站分为左、右岸2个相对独立的电站，在数据库结构和功能设置上也按2个电站考虑，但左右岸电站各类数据相互共享，构成统一完整的溪洛渡水电站全厂数据库，并通过中控室的操作员站实现全厂集中监控，而且操作员站具备控制范围设置功能，以提高系统运行方式的灵活性。为此，溪洛渡水电站在具体功能设计时除左右岸独立配置各自冗余的数据采集服务器、调度通信服务器、AGC/AVC应用程序服务器和厂内通信服务器外（为提高监控系统的安全性，上述服务器实现了左右岸之间的相互冗余），其他监控系统设备进行全厂统一配置。
总之，溪洛渡水电站监控系统在功能设计上按照一套监控系统进行设计，实现了全站集中监控、数据共享的功能，同时又保留了左右岸电站监控系统的相对独立性，能够方便的拆分为两个电站运行，“分中有合，合中有分”，实现了分合的完美结合，这是溪洛渡监控系统功能设计上的一个显著特点。
1.3监控系统监视和控制功能分工特点
与传统监控系统相比，溪洛渡监控系统引入了趋势分析系统[1]作为补充，两者在功能上的具体分工如下：
监控系统存储全厂实时数据，主要关注监控对象实时的表象，强调监视和控制的实时性和准确性，在监控对象即将或已经发生异常时，防止事态的进一步恶化。
趋势分析系统存储全厂历史数据，主要关注监控对象历史的表象，强调从监控对象长期的历史表象中去总结和发现其潜在的发展趋势，达到将监控对象的异常状况消灭在萌芽状态的目的。趋势分析系统的分析重在通过丰富的分析手段和智能的分析方法从海量的历史数据中挖掘数据的内在规律，从而实现对监控对象由表及里的深度监视。
趋势分析系统的引入，使溪洛渡监控系统的监视和控制功能更加强健，既能够对监控对象实时的表象进行监视与控制，也能够通过对海量历史数据的挖掘和分析，实现对监控对象历史表象的监视与控制，尽可能的将监控对象的异常状况消灭在萌芽状态。1.4监控系统智能维护设计特点
溪洛渡水电站为全地下式电站，监控设备分布在左右岸地下厂房及地面的控制管理楼，设备及其分散，而日常设备巡检一方面工作量巨大，另一方面发现设备故障具有极大的偶然性，为减轻设备维护工作量，实时掌握设备运行状况，在溪洛渡监控系统的开发过程中实施了智能维护的设计理念，具有如下特点：
设备监视“闭环”化：监控设备配置监视队列，设备之间循环监视各个设备的工作状况，一旦某个设备工作状态异常，则由监视队列中优先级最高的一个设备将该设备的异常状态报警，如果优先级最高的设备异常，则由次高优先级的报警，依次类推，每个设备都有几个设
备对其进行监视，极大地提高了监视的可靠性。通过设备之间循环监视形成的监视“闭环”化，实现了对设备的状态进行动态掌控。
故障定位快速化：通过监控系统主机设备的动态网络拓扑结构图，能够直观地查看每台主机设备的工作状态及其重要特征量（磁盘使用率、系统负荷率等）是否正常，并能够对异常状态的设备快速进行物理定位，实现原理是在主机设备上配置一个客服端软件，该软件除了实时采集及监视重要特征量外，还对设备固化了的物理位置进行显示。通过动态网络拓扑结构图，实现了故障的快速定位；通过重要特征量的监视，实现了设备重要信息的动态掌控。
故障报警多样化：设备发生故障时，除了设计了常规的报警窗口报警外，还增加了电话报警、短消息报警以及邮件报警的功能，通过多种途径第一时间将报警信息通知相关人员，防止故障的进一步恶化。1.5与调度通信设计特点
溪洛渡水电站这样的巨型监控系统实施“一厂两调、调控一体化”策略，对调度通信提出了极高的要求，为了解决超大规模数据通信的实时性、可靠性等问题，溪洛渡监控系统与调度通信的设计有如下特点。
可靠性：溪洛渡监控系统与调度通信，除了设计了主备通道外，还设计了卫星应急通道，在硬件链路上保证了通信的可靠性。
实时性：溪洛渡监控系统与调度通信，主要采用IEC104通信规约，为了保证通信的实时性，程序设计上一方面采用了变位传输机制，即只有当信号值发生变化时才传送，无变化时只传送链路测试帧，另一方面，将规约中的时间校验窗口放大到了50，以提髙数据传输的实时性，最后，数据传送还采用了变位优先的策略，即当传送总召数据时，如果此时有变位数据，优先传送变位数据，然后再传送总召数据，以保证数据传输的实时性。1.6监控系统安全性方面的设计特点 保证监控系统的安全可靠，是溪洛渡监控系统设计的首要目标。溪洛渡监控系统安全性方面可以分为安全分区、安全操作、安全传输[2]。
安全分区：前述的“三网四层”网络分区。
安全操作：主要从以下几个方面考虑。①操作员站控制范围设定：可以对不同的操作员站授予不同的控制范围，防止人员误操作。②操作对象锁定：在操作对象被一个用户选中后，其它用户将无法选中，防止对同一设备同时操作。③命令闭锁：命令下发必须要主机权限、用户权限、操作对象闭锁条件都满足后才下发，否则该命令闭锁，保证控制命令的安全性。④命令时限：超时命令自动取消，防止网络延时等情况下超时命令对设备的误动。
安全传输：在现地控制层和控制对象之间的数据传输，主要从信号接地线、传输载体的规格尺寸、布置位置等方面综合考虑，尽量减少传输过程中的信号干扰，对于较远距离的传输，则设计了信号放大器。在现地控制层和厂站层之间以及现地和重要控制对象之间的数据传输，则采用了双回路的冗余数据传输，来提高数据传输的可靠性，对于停机落门回路，甚至采用了三回路的冗余设计，来保障传输的可靠性。溪洛渡监控系统设计特点典型应用介绍
本节将对溪洛渡监控系统的停机落门回路和水头处理程序做详细介绍，以此反映监控系统在回路设计上的一些特点。2.1 停机落门回路
溪洛渡停机落门回路特点如下。
远距离信号传输:溪洛渡控制管理楼中控室距离左岸机组控制柜、左岸机组快速门控制柜均超过1.7km，无法使用常规电缆有效传输控制信号。采用光纤并利用沿途盘柜的开关量输入及输出模件配合使用来“中继”控制信号，有效地解决了远距离信号传输的问题。
控制回路冗余度高[3]：①控制管理楼中控室落门或者停机按钮动作后，三套PLC（机组
PLC、水机后备保护PLC、模拟屏PLC）均会启动流程，各自独立运行控制逻辑；②紧急停机控制回路由两组PLC（机组PLC、水机后备保护PLC）完成，两者均能独立完成机组紧急停机；③快速门控制柜接收两套远程I/O控制命令（对应机组LCU进水口远程I/O、模拟屏驱动器进水口远程I/O），每套远程I/O有两路开出（DO）命令，共有四路落门控制命令送快速门控制柜；同样，在紧急停机过程中，每个重要设备有四路控制命令到达相应设备控制柜。
采取有效措施防范系统风险：为有效防止9台机组快速门同时误动落门，同时要保证落门的可靠性，模拟屏驱动器输出模块（DO）采取均分控制任务策略，即在模拟屏进水口远程I/O上配置3个开关量输出（DO）模块，每个输出模块承担3台机组的紧急落门控制任务，这样就避免了输出模块误动造成9台机组停机的系统风险。
落门回路示意图如图2所示（停机回路与其相似）。
图2 溪洛渡落门回路
由图可见，溪洛渡的水机后备采用的是PLC控制的形式，在控制管理楼、(左右岸地下)副厂房、机旁水机后备保护控制柜，均可实现停机和落门，同时在调速器液压系统控制柜上设有的紧急停机按钮也可以实现停机。
总之，溪洛渡的停机落门回路具有相当高的冗余性，回路设计时既充分考虑了系统防误动，又考虑了系统防拒动，很好地控制了系统风险。2.2 水头处理
以溪洛渡左岸为例，水头界面设计如图3，水头处理逻辑如图4，溪洛渡的水头处理有如下特点。
水头信号多：溪洛渡监控系统水头信号来源分为两路：梯调通信送的水头和电厂采集的水头，其中，梯调通信送的水头有四路（左右岸各两路），溪洛渡水电站设计的与上游水位相关的传感器共计44支，与下游水位相关的传感器共计10支。水头（水位）信号数量较多，为提高水头精度，同时简化水头处理，溪洛渡水头分为左右岸两个独立水头，没有全电站水头信号。
安全可靠：水头信号的可靠性直接关系到电站安全生产，确保水头信号的安全可靠，是溪洛渡水头处理的核心任务。在调控一体化模式下，电站水头应与梯调水头保持一致，因此，溪洛渡水电站监控系统的水头信号默认情况下优先采用梯调两路水头，其次是电站水头和人工设定水头。当然，操作员可以通过置每路水头下面的“主用”按钮来改变优先级次序。当三路水头都故障时，水头将保持上一次的正确水头不变，“闭锁”按钮将被点亮，为了保证水头的安全，闭锁的解除操作只能够人工完成，程序不能够对水头进行解锁操作。此时如果操作员将水头置“手动”模式且设值合理，并进行解锁操作（置画面上的“更新”按钮），电站的水头将采用人工设定的水头，“闭锁”按钮将熄灭，“更新”按钮将被重新点亮，否则，水头将一直不更新，直到某路水头恢复正常且人工进行解锁操作；状态栏中的“更新”及“闭锁”按钮，一方面显示当前水头状态，另一方面也可以作为操作手段，在特殊情况下无条件闭锁下发的水头值或在满足条件的情况下对闭锁的水头进行解锁，使其更新；为了减小水头信号波动的影响，程序中采用了“滑动平均值”的计算方法，即将最近10次水头信号的平均值作为计算水头，同时，为了减少有功调节的频度，计算水头每5分钟下发一次。
模式 手动 手动设值 自动 梯调水头1 梯调水头2 电厂水头 主用 投入 退出 主用 投入 退出 主用 投入 退出状态 下发值 更新 闭锁
图3水头界面设计图
梯调水头1品质好 且在合理区间且 不在手动水头模式N 梯调水头2品质好 且在合理区间且 不在手动水头模式N 电厂水头2品质好 且在合理区间且 不在手动水头模式 手动模式且设值 在合理区间内N将梯调通信水头1(WH_DC1)赋值给左岸电站实际使用水头（WHL_ACTUAL）将梯调通信水头2(WH_DC2)赋值给左岸电站实际使用水头（WHL_ACTUAL）将电厂自采左岸水头(WHL_HP)赋值给左岸电站实际使用水头（WHL_ACTUAL）将手动设定值(WHL_OP和WHR_OP)赋值给左岸电站实际使用水头（WHL_ACTUAL）左岸水头值不变，保持上一次设定值如果水头与上次有效水头变化小于2米N认为水头为有效水头报警“当前水头无效”程序刚运行读取数据不足10个N读取数据取平均值作为当前水头最近10次水头平均值作为当前水头水头>最大水头或水头
图4 水头处理逻辑
方便灵活：通过水头界面，操作员可以优先使用某路水头，也可以将某路（或全部）水头退出，可以让水头保持最后一次正确值不更新，也可以人工对水头值进行更新，还可以根据需要对下发的水头值进行闭锁。可以说，在水头界面上，操作员可以完成需要的全部操作。
总之，溪洛渡监控系统水头处理上采用了信号品质位、信号值区间、信号变幅、滑动平均值等策略来保证水头信号的安全可靠，同时，又引入了人工设值及人工置优先级等策略，大大提高了水头选择的灵活性。结语
溪洛渡监控系统传承于三峡监控系统，并结合溪洛渡水电站的特殊情况，在网络结构、功能设计、系统维护、系统安全性等方面都有自己的鲜明特点，并具有一定的创新性，尤其是系统的安全性方面，作为溪洛渡监控系统的首要设计目标，始终贯穿于监控系统设计的各个方面，而功能分工及智能维护新理念的提出，在监控系统创新性设计方面，做了一个大胆而有益的尝试。
总之，溪洛渡监控系统传承于三峡而又不同于三峡，具有自己的显著特点。它的成功实施，必将有助于国内巨型电站监控系统技术水平的提高。
参考文献
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