倉(cāng)義東，茅 偉，衡 旭

（1.南瑞集團(tuán)公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇 南京211106；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師瑪納斯河肯斯瓦特建設(shè)管理局，新疆 石河子832000）

0 引言

經(jīng)過(guò)多年的不懈努力，我國(guó)各流域水電公司已先后建立了梯級(jí)集控中心自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)流域梯級(jí)水電資源的優(yōu)化控制管理，流域梯級(jí)電站監(jiān)控、水情水調(diào)、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)、繼電保護(hù)、電能量、大壩監(jiān)測(cè)等自動(dòng)化系統(tǒng)獲得廣泛的應(yīng)用，為流域各電站實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班（少人值守）”，提高流域梯級(jí)水電站的安全運(yùn)行和自動(dòng)化管理水平發(fā)揮了重要作用。

隨著智能化水電站的不斷建設(shè)，必然對(duì)智能化集控提出新的要求。然而在實(shí)際的集控建設(shè)過(guò)程中，受制于一些主客觀因素，系統(tǒng)架構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，導(dǎo)致故障頻發(fā)，大大降低了系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，增加了維護(hù)難度，長(zhǎng)此以往，不利于整個(gè)集控中心的健康發(fā)展。

1 常規(guī)集控系統(tǒng)架構(gòu)及一般優(yōu)化

在常規(guī)集控系統(tǒng)架構(gòu)中，集控主機(jī)經(jīng)由核心交換機(jī)與前置通信機(jī)交換數(shù)據(jù)，前置通信機(jī)通過(guò)前置交換機(jī)、加密裝置、路由器、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)、電站側(cè)路由器、加密裝置、前置交換機(jī)等與電站側(cè)前置通信機(jī)交換數(shù)據(jù)，電站前置通信機(jī)再經(jīng)由電站核心交換機(jī)、電站主機(jī)與電站終端控制系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，并經(jīng)由電站終端控制系統(tǒng)控制電站終端設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)集控的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。其典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 常規(guī)集控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖1中可以看出，在常規(guī)集控系統(tǒng)架構(gòu)中，從集控主機(jī)到電站終端設(shè)備，所經(jīng)過(guò)的環(huán)節(jié)多達(dá)13個(gè)，為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，一般采用全冗余配置，從硬件設(shè)備到通信網(wǎng)絡(luò)等都采用完全獨(dú)立的2套硬件產(chǎn)品或系統(tǒng)。但是由于先天的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜缺陷，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性不高；且集控側(cè)多設(shè)備重復(fù)配置，因此，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，一般會(huì)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分優(yōu)化，主要采用如下方法：

（1）簡(jiǎn)化：將多套同類(lèi)型設(shè)備簡(jiǎn)化為一套，一方面節(jié)約投資，另一方面也便于維護(hù)。

（2）合并：將作用相同的設(shè)備合并為一臺(tái)設(shè)備，如將前置交換機(jī)與路由器合并，進(jìn)一步減少系統(tǒng)環(huán)節(jié)，節(jié)約投資，同時(shí)便于維護(hù)。

（3）加強(qiáng)：對(duì)于集控與電站之間的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)強(qiáng)化，如集控到電站側(cè)通信網(wǎng)絡(luò)一般是最容易發(fā)生故障的地方，因此個(gè)別集控中心額外增加第3條衛(wèi)星網(wǎng)或其他通道。

優(yōu)化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后常規(guī)集控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖2中可以看出，優(yōu)化后的集控系統(tǒng)架構(gòu)，較之常規(guī)系統(tǒng)架構(gòu)，一方面減少了相同類(lèi)型設(shè)備，另一方面減少了不必要環(huán)節(jié)，同時(shí)對(duì)容易出問(wèn)題的環(huán)節(jié)做專(zhuān)項(xiàng)加強(qiáng)，因此實(shí)用性較高，在目前的集控系統(tǒng)架構(gòu)中成為主流。

但優(yōu)化后的集控系統(tǒng)架構(gòu)仍然較為復(fù)雜，集控仍需要經(jīng)由多達(dá)11個(gè)硬件環(huán)節(jié)才能實(shí)現(xiàn)與電站終端設(shè)備的數(shù)據(jù)交換及控制，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出問(wèn)題，都會(huì)造成監(jiān)控功能的失敗，且集控運(yùn)行仍然完全依賴(lài)于電站側(cè)的系統(tǒng)，一旦電站側(cè)系統(tǒng)異常，則整個(gè)系統(tǒng)功能全部異常，這一問(wèn)題也成為了制約集控迅速發(fā)展的重要因素。

2 智能化水電站系統(tǒng)架構(gòu)

智能化水電站是智能化電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分，智能化水電站的核心思想為共享、融合、共用，各系統(tǒng)在滿(mǎn)足電力系統(tǒng)二次安全防護(hù)要求的前提下，采用統(tǒng)一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)視、監(jiān)測(cè)、監(jiān)控等不同業(yè)務(wù)的統(tǒng)一管理，避免不同業(yè)務(wù)之間的條塊分割，實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的整體設(shè)計(jì)，達(dá)到資源有限整合、信息高度共享的目標(biāo)，有效提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。其主體設(shè)計(jì)理念見(jiàn)圖3。

圖3 智能化水電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念

從圖3中可以看出，各系統(tǒng)上位機(jī)及現(xiàn)地終端設(shè)備運(yùn)行在統(tǒng)一的現(xiàn)地總線(xiàn)上，從而實(shí)現(xiàn)資源的共享和利用。當(dāng)然，智能化水電站仍需要遵循電力系統(tǒng)二次安防的要求，將各個(gè)系統(tǒng)按照規(guī)定進(jìn)行分區(qū)，同一分區(qū)的多個(gè)系統(tǒng)之間網(wǎng)絡(luò)相互連通，不同分區(qū)的網(wǎng)絡(luò)之間通過(guò)防火墻、隔離裝置等進(jìn)行隔離。對(duì)于水電站來(lái)說(shuō)，不同系統(tǒng)一般分區(qū)如下：

安全I(xiàn)區(qū)：監(jiān)控、輔機(jī)、調(diào)速、勵(lì)磁、保護(hù)、五防、振擺、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。

安全I(xiàn)I區(qū)：水情、保信、故障錄波、電能量等。

安全I(xiàn)II區(qū)：大壩安全監(jiān)測(cè)、動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控、消防監(jiān)控、視頻監(jiān)控、WEB發(fā)布等系統(tǒng)。

安全I(xiàn)V區(qū)：生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

3 優(yōu)化的集控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

優(yōu)化的集控系統(tǒng)架構(gòu)，在繼承原有集控系統(tǒng)架構(gòu)各種優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)符合智能化水電站系統(tǒng)架構(gòu)要求的系統(tǒng)架構(gòu)，最主要的特點(diǎn)表現(xiàn)為：集控系統(tǒng)與電站系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)上連通，集控不再依賴(lài)于電站側(cè)上位機(jī)系統(tǒng)，而是與電站側(cè)上位機(jī)系統(tǒng)并列運(yùn)行，主要結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 優(yōu)化的集控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖4中可以看出，集控與電站側(cè)，除必要的加密裝置外，取消了全部的前置通信服務(wù)器、前置交換機(jī)、路由器等，并將相關(guān)功能整合到核心交換機(jī)中，從而將集控核心網(wǎng)與電站核心網(wǎng)直接連接，集控主機(jī)可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)電站終端設(shè)備的監(jiān)視和控制，從而大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

這種形式的集控系統(tǒng)架構(gòu)，同樣適用于常規(guī)水電站運(yùn)行模式。在這種模式下，集控或電站各個(gè)系統(tǒng)仍然獨(dú)立運(yùn)行，多個(gè)系統(tǒng)共用一套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，從而既保證了各個(gè)系統(tǒng)的獨(dú)立性，又提高了網(wǎng)絡(luò)的共享性，為以后的智能化水電站改造奠定了基礎(chǔ)。

對(duì)于集控安全I(xiàn)I區(qū)及安全I(xiàn)II區(qū)系統(tǒng)，也采用相同的方式實(shí)現(xiàn)集控與電站直接連接，且在這種情況下，集控可以使用智能一體化管控平臺(tái)，將集控側(cè)多套系統(tǒng)整合成一個(gè)整體，從而真正實(shí)現(xiàn)智能化集控。

4 優(yōu)化的集控系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)劣分析

4.1 優(yōu)勢(shì)

優(yōu)化的梯級(jí)集控系統(tǒng)架構(gòu)大大縮減了集控到電站的物理環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和效率，節(jié)約投資，減小故障概率，降低維護(hù)難度，從而使得推廣變得更為易行。

優(yōu)化的集控系統(tǒng)架構(gòu)將常規(guī)的串行模式改為并行模式，集控功能等同于電站上位機(jī)功能，且互為冗余，從而大大提升了集控運(yùn)行的穩(wěn)定性。

優(yōu)化的梯級(jí)集控系統(tǒng)架構(gòu)調(diào)度可以直接通過(guò)集控上位機(jī)直接實(shí)現(xiàn)集控多個(gè)電站的綜合監(jiān)控，從而為集控真正實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、充分發(fā)揮集控系統(tǒng)作用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

優(yōu)化的梯級(jí)集控系統(tǒng)既可以使用常規(guī)集控方式與電站通信機(jī)通信，又可以采用擴(kuò)大廠站方式直接控制站端設(shè)備，因此具有極好的靈活性和兼容性。

優(yōu)化的梯級(jí)集控系統(tǒng)架構(gòu)與電力系統(tǒng)二次安全防護(hù)要求相一致，因此適合于中國(guó)的國(guó)情，利于大面積推廣應(yīng)用。

優(yōu)化的梯級(jí)集控系統(tǒng)架構(gòu)由常規(guī)集控系統(tǒng)架構(gòu)終極優(yōu)化而來(lái)，但主要只是連接方式和實(shí)現(xiàn)方式的不同，因此可以適用于所有常規(guī)集控中心的升級(jí)改造。

優(yōu)化的梯級(jí)集控系統(tǒng)架構(gòu)既可以用于常規(guī)水電站，又可以用于智能化水電站，配合智能化管控平臺(tái)軟件，能進(jìn)一步發(fā)揮集控的功效，因此必然成為未來(lái)集控中心建設(shè)的主流趨勢(shì)。

4.2 劣勢(shì)

優(yōu)化的集控系統(tǒng)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)是核心，因此必須加強(qiáng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的管理，要按照電力系統(tǒng)二次安防的要求進(jìn)行隔離，同時(shí)還需要設(shè)置完備的保護(hù)機(jī)制，如MAC地址綁定、設(shè)置廣播流量限制、關(guān)閉多余網(wǎng)絡(luò)端口等，以確保網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行。

優(yōu)化的梯級(jí)集控系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)日常管理也提出了較高的要求，必須采取有效措施，確保核心骨干網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于非常重要的系統(tǒng)，可以設(shè)置單獨(dú)的核心交換機(jī)，避免核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備維護(hù)可能造成的其他系統(tǒng)運(yùn)行異常。

5 結(jié)束語(yǔ)

優(yōu)化的集控系統(tǒng)架構(gòu)作為對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最大可能的優(yōu)化、簡(jiǎn)化和創(chuàng)新，從而產(chǎn)生了量變引起質(zhì)變的重大網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化，使之既能夠滿(mǎn)足電力系統(tǒng)二次安防，又能夠滿(mǎn)足智能化水電站及智能化集控建設(shè)的需要。從而可以極大的提升集控的運(yùn)行效率及穩(wěn)定性，且不管是改造還是新建，成本投入較少，從而為集控的全面推廣創(chuàng)造了技術(shù)條件。當(dāng)然，我們也發(fā)現(xiàn)部分產(chǎn)品和軟件還不能完全滿(mǎn)足智能化的要求，因此也希望通過(guò)集控建設(shè)對(duì)產(chǎn)品升級(jí)和技術(shù)進(jìn)步起到一個(gè)積極的促進(jìn)作用。