隨著自動化技術的飛速發展及小水電受重視程度的不斷提高，小水電自動化系統水平得到了快速提升，建設區城集控中心對所屬區城的小水電站群進行遠方實時安全監視、控制、經濟運行和聯合優化調度及管理將成為我國小水電控制發展的方向。結合某縣區城小水電站群集控中心計算機監控系統的設計與實現，介紹其具體結構設計及主要配置，并闡述集控系統的主要功能和特點。

項目咨詢：13291882013
某縣境內小水電站分布非常密集，且地處偏遠山區，同一流域內有幾座或十幾座電站構成梯級小水電站群，每個小水電站都配備了各自的技術、運行和管理人員，但電站間缺乏協調運行管理，無法實現優化運行管理。這種分散管理模式導致運行效率低下，資源浪費嚴重，且難以應對突發事故。
隨著計算機、網絡控制、光纖通信等技術的迅猛發展和日益普及，在技術上保證了數字化電站及網絡控制管理目標的實施，為無人值班提供了強有力的技術支持。集控中心的設立是實現區域小水電站群無人值班的一種先進的運行管理模式。它負責對各受控站進行遠方監視、控制、事故分析處理等全面運行管理工作。集控中心的設立，將有效改善水電廠的工作效率，提高電站運行的可靠性，降低運行成本，提升小水電運營的經濟效益。
一、系統概況
某電力公司下屬已建成的有6座水電站，共計水輪發電機組15臺，總裝機容量13.85萬 kW，年發電量4.5億 kw·h。這些小水電受裝機容量小、流城內各電站的地理分布集中（平均站間距離不超過20公里）、通信距離短（最遠通信距離35公里）、投資規模小（單站平均投資約3000萬元）、運行方式相對簡單等綜合因素的影響，集控中心的建設模式與大型水電有所不同。集控中心位于某縣城電力調度大樓內，采用某集團公司水利水電技術公司基于 Linux系統下的 NC2000 監控系統。該系統具有高可靠性、高實時性和良好的擴展性。
二、集控系統設計原則
1)系統接受調度機構命令，實現對電站的集中監控功能。集控中心計算機監控系統向電站的各監控LCU直接發送遠程監視和控制指令，實現遙控、遙調、遙測、遙信及梯級經濟運行和優化調度、管理功能。遠程集控中心計算機監控系統實時、準確、可靠并有效地完成對各電站所有被控對象的安全監視和控制。
2)實現梯級集控中心直接向上級調度自動化系統傳送梯級各個電站的運行參數和信息數據，并接受電網調度機構的調度命令和要求，實現數據傳輸和監控的通信。通信協議采用IEC 60870-5-104標準。
3)實現集控中心按電網調度的 AGC、AVC命令或預定的負荷曲線，下達給各電站計算機監控系統 LCU，并將執行結果實時上送集控中心。負荷調節精度控制在±1%額定功率范圍內。
4)實現集控中心與上級調度電力數據網之間的數據傳輸和監控信息的通信。采用專用縱向加密裝置確保通信安全。
5)系統嚴格執行國家經貿委關于"電網和電廠計算機監控系統及調度數據網絡安全防護規定"的要求。系統安全等級達到電力監控系統安全防護規定的第二級要求。
6)系統支持各種應用軟件及功能的開發應用支持第三方軟件在系統上無縫集成和可靠運行，支持數據網絡通信，并能方便地與其它系統通信。系統提供標準OPC、IEC 61850等接口。
7)系統高度可靠、冗余，其本身的局部故障不影響現場設備的正常運行，系統的 MTBF（平均無故障時間）≥30000小時、MTTR（平均修復時間）≤4小時及各項可用性指標均達到原中國電力部部頒《水電廠計算機監控系統基本技術條件》(DL/T578-95)及《電力系統調度自動化設計技術規范》(DL5003)的規定。
8)系統為分布開放系統，既便于功能和硬件的擴充，又能充分保護應用資源和投資。分布式數據庫及軟件模塊化、結構化設計，使系統能適應功能的增加和規模的擴充，并能自診斷。系統支持在線擴容，擴容時不影響現有系統運行。
9)實時性好、抗干擾能力強。系統響應時間：畫面調用≤1s，控制命令響應≤2s，數據刷新周期≤2s。
10)人機接口界面友好、操作方便。采用全圖形化界面，支持多窗口、多任務操作。
11)系統為容錯設計，不因任何1臺機器發生故障而引起系統誤操作或降低系統性能。關鍵設備采用雙機熱備配置。
12)系統采用成熟的、可靠的、標準化的硬件、軟件、網絡結構和漢化系統。硬件設備平均無故障時間≥50000小時。
13)系統支持在線及離線編程，并支持遠程編程維護。支持VPN遠程維護通道。
14)本著節省投資的原則，最大限度的利用各個電廠的現有設備，避免設備購置重復浪費。系統兼容現有電站監控設備，改造率不超過30%。
三、系統結構
3.1 常見集控結構的比較
目前水電站實行的集控系統結構中，一般有3種類型:梯級集控調度、擴大廠站式(一廠多站總控制)和上級電網調度直接監控水電廠。根據我國具體情況目前一般選用前2種方式。
梯級集控調度方式一般適用于與電站間距離較遠（通常超過50公里），接人電站較多（通常10座以上）、規模較大的集控系統（見圖1）。系統多采用電力、電信部門網絡專用傳輸通道（如SDH），通過通信計算機并采用路由器和縱向隔離裝置，經專用數據通信網與上一級集控中心通信，實現數據交換。該方式一般采用電站層獨立配置通訊工作站直接與集控中心監控系統通訊，通信協議應滿足電力通訊標準規約要求(IC870-5-101/EEC870-5--104)[3]。典型代表如三峽梯級調度系統。
擴大廠站式方式一般用于集控中心下屬受控的電站不多（通常不超過8座）、機組容量不大（單機容量通常小于50MW）、距離也相對較近（通常不超過30公里）時。此時網絡通道一般選擇由用戶獨立架設專用光纖通道（帶寬通常為100Mbps）。集控中心監控系統直接與各電站層 PC通訊，直接讀取電站各套 LCU 的相關數據，并直接將控制命令下達到 LCU 中，完成對受控各站的監控。典型代表如五強溪水電廠集控系統。
3.2 某縣集控結構
某電力公司下屬的6座電站以其區域小水電的典型特點，非常適合于采用擴大廠站式方式。這些小水電獨特的優越性（站間距離近、裝機規模小、運行方式簡單）保證了專用網絡方案的可行性。
集控中心計算機監控系統是按照無人值班(少人值守)的原則進行總體設計和系統配置的。各電站及集控中心計算機監控系統采用全微機控制，并采用最新的計算機軟件、硬件及網絡技術。該系統與電站安全運行密切相關的設備均采用雙重化設置冗余技術，全分布開放式系統結構，滿足業主可靠、安全、經濟、實用、技術先進和便于擴充等的基本要求。
集控中心系統由各電站計算機監控系統和遠程集控中心計算機監控系統組成，采用全開放式分層分布結構，監控功能和實時數據均分布到各個現地控制單元中。
集控中心計算機監控系統采用全開放的分層分布式網絡結構。整個網絡按IFEEF802.3 設計，是采用分層星型結構的快速交換式以太網。其網絡主要分成以下4層結構:
流域主干層:遠程集控中心、傳輸速率100 Mbps，采用千兆核心交換機。
廠站層:流域內各電站內部的計算機監控系統網絡，為100 Mbps的光纖星形網，其下連接現地層。各電站配置工業級交換機。
現地層:現地設備控制層，將采用現場總線或工業以太網連接。采用PROFIBUS-DP現場總線。
調度層:采用調度通訊專用數據網連接。配置專用縱向加密裝置。
由集控中心主交換機作為整個網絡的核心部件，與各受控電站監控系統交換機級聯，最終形成一個大的集控系統星形網絡，該通道是由用戶自行架設的 10/100 Mbps的專用光纖通道。
光纖采用G.652單模光纖，全程采用OPGW光纜敷設。
集控中心上位機通過網絡直接監視和控制各電站 LCU，實現遙控、遙調、遙測、遙信及流域經濟運行和優化調度等功能。此方式減少了數據傳輸的中間環節，避免了集控中心系統數據上傳的可靠性及穩定性受制于電站上位機系統。同時，集控中心計算機監控系統通過調度數據網與上一級調度機構進行數據通信，傳送上一級調度機構所需的各級電站信息。通信規約采用IEC 60870-5-104標準。
四、集控系統配置
4.1 硬件配置及功能
1)集控系統主控級配置2臺主機，采用惠普高性能、多任務的 HP XW4600 工作站（配置：Intel Xeon E5420 2.5GHz四核處理器，8GB內存，1TB硬盤）。主要完成梯級各電站實時數據的采集、處理以及控制操作功能，并向通訊工作站、工程師工作站提供實時數據服務。同時，2臺主機負責對集控中心接人的各個電站進行運行管理、AGC/AVC 計算和處理、經濟運行及優化調度、數據庫管理、綜合計算、事故故障信號的分析處理、實時記錄并存儲整個集控中心以及各個電站的運行數據等。2臺主機采用雙機熱備工作方式（心跳檢測周期1秒，切換時間≤5秒），任何1臺主機故障時，系統仍可正常運行，提高了系統的安全可靠性。
2)配置1套廠內通信服務器，采用HPXW4600工作站（配置同上），用于實現調度系統與集控系統的通訊。該服務器配置8個RS485串口和4個以太網口，支持多種通信規約轉換。考慮到節省投資，該服務器同時配置了與流域各電站的其他設備（如電量計費系統、水情測報系統等）之間的通訊。
3)配置1套 Web 服務器，采用 HP XW4600 工作站（配置同上）。通過設置橫向隔離裝置，在保證監控系統安全的前提下，用于與外網 MIS 系統連接，授權對象可通過互聯網瀏覽電站設備的運行情況。支持同時50個并發用戶訪問。
4)配置1套 GPS 系統，采用 GPS 衛星時鐘系統通過串口對監控系統的通信服務器進行時鐘同步。同步精度≤1ms。通信服務器接收到GPS 對時信號后通過網絡通信對網絡上所有上位機系統的設備進行對時，以此保證整個上位機系統的時鐘統一。
5)配置1臺 A4 幅面黑白激光打印機（HP LaserJet P4015），完成監控系統的各種打印任務。根據多個電廠的使用經驗，打印方式以召喚打印為主，定時打印為輔。打印分辨率1200dpi，打印速度35頁/分鐘。
4.2 軟件配置
集控中心計算機監控系統軟件主要由系統軟件、支持軟件、數據庫軟件、通信軟件及應用軟件組成。系統軟件主要包括操作系統（Red Hat Enterprise Linux 5.0）、數據庫管理平臺（MySQL 5.0）。支持軟件主要包含軟件開發平臺（Eclipse 3.5）、實用軟件及工具軟件等。數據庫軟件包含實時數據庫和歷史數據庫軟件（Oracle 10g），實現對各種數據的管理。通信軟件包含系統內通信軟件（基于TCP/IP協議）及本系統與外部系統的通信軟件（IEC 60870-5-104規約），應用軟件包含主控級軟件及LCU軟件，實現監控系統的數據采集與處理、設備控制與調節、人機接口、運行報警、時鐘同步及高級應用功能。
某集控中心操作系統采用具有良好的開放性、實時性、可移植性、高可靠性且符合開放系統互聯標準的漢化 Linux 多任務操作系統，提供具有國際標準的C、C++、TCP/IP、ODBC、JDBC 和 SQL等軟件接口。歷史數據庫采用 Mysql數據庫管理軟件來完成對歷史數據的存儲。數據存儲周期為：實時數據保存3個月，歷史數據保存5年。應用軟件采用某集團公司基于統一化平臺的 NC2000計算機監控系統軟件，該軟件目前已在國內大中型水電廠實時監控系統中得到普遍應用，是真正跨平臺風格的系統軟件。NC2000包含多層分布式對象構架，全面支持異構平臺的特性，提供高效安全可靠的監控內核、功能強大的組態軟件、實用方便的應用界面，多種標準的接口。在系統設計、編程語言選擇（主要采用Java）、用戶界面等許多方面都是依據面向對象的理論、原則和技術進行考慮的，采用了層次 Client/Server 結構，支持不同的硬件、操作系統及關系型數據庫系統。面向對象的開發方式，涵蓋了設計和開發兩個過程，使用戶在使用過程中更加方便和直觀。

五、集控系統控制策略
按照集控中心設計的技術要求，各電站的數據由現場直接采集（采樣周期≤1s），正常情況下電網下達的調度指令通過集控中心執行，事故及故障情況下則進行控制權限的轉移。同時，集控中心的接入不改變電站計算機監控系統與調度自動化系統的網絡模式:
5.1 控制方式分類
1)現地控制。現地 LCU屏上的控制操作。具有最高控制優先級。
2)廠站控制。全自動控制，自動分步控制，通過廠站上位機下發 LCU 給出自動開、停機命令或分步控制命令。控制權限次于現地控制。
3)集控控制。全自動控制，自動分步控制，通過集控中心上位機下發 LCU 給出自動開、停機命令或分步控制命令。控制權限次于廠站控制。
4)調度中心遠方控制。全自動控制，由調度中心給出命令，通過集控中心監控系統直接作用到各電站單臺 LCU。也可由調度中心給出流域內各個電站全廠總負荷，由集控中心主機按自動發電控制和最優發電運算(AGC/EDC)確定各電站開機臺數和負荷分配，實現成組控制。控制權限最低。
5.2 控制方式的轉換
按照水電廠統一運行管理和方便現場操作的要求，遵循惟一性和現地優先的設備控制原則，對控制權限以 LCU 為單位進行設置。正常運行時，由集控中心計算機監控系統對各電站進行遠方控制，監視及調度管理;當梯級集控中心計算機監控系統與電站 LCU 間出現通訊中斷（中斷時間超過30秒）、系統故障、設備檢修時，LCU控制權限自動轉移到電廠。操作步驟按"選擇-確認一執行"的方式進行，每一步驟都有嚴格的軟件校核、檢錯和安全閉鎖邏輯功能，硬件方面也有防誤措施（如操作按鈕帶鎖）。
各電站 LCU 設置現地操作把手，可直接切換控制權至現地 LCU，實現現地操作。集控中心與廠站控制權限切換功能位于廠站上位機系統，切換把手位于"廠站控制"時控制權限設置在廠站上位機;切換把手位于"集控控制"時方可實現集控及調度控制。切換過程時間不超過3秒。
5.3 控制安全閉鎖
集控系統控制命令的安全閉鎖采用2層模式:第1層是由廠站上位機和集控上位機根據控制的權限對控制按鈕實施閉鎖，保證控制權限不同時，閉鎖相應的控制層的操作。閉鎖邏輯采用"與"關系判斷。
第2層是廠站 PC采用多信箱（每個LCU配置8個命令信箱）專用的數據格式通訊，通過廠站和集控中心的下行命令來源碼判斷是哪一級發出的控制令，PLC根據信箱中的命令來源碼與自身的控制權限作比較，確定準確無誤后方能返回最終執行命令。
命令執行響應時間不超過2秒。
六、 結 語
某集控系統是某水利水電技術公司在融合了多年大中型水電遠方控制和調節、網絡結構設計、遠方 AGC的寶貴經驗基礎上，針對區域小水電站群提出的更加簡潔、可靠、投人成本更低的集控系統解決方案。該系統具有以下創新點：（1）采用擴大廠站式結構，節省了通信設備投資約40%；（2）開發了適用于小水電的簡化版AGC算法，計算時間縮短50%；（3）實現了與現有電站監控系統的無縫對接，改造工作量減少60%。