基于扩大厂站集控模式的阿尔塔什计算机监控系统

姜 睿，宫晓辉，杨连波，张 则,陈林山

(1.新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000；
2.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司，新疆 喀什 844000)

阿尔塔什水利枢纽工程是叶尔羌河干流上一座具有防洪、灌溉和发电等综合利用任务的控制性水利枢纽工程，工程总装机容量755MW。为实现对水资源的充分利用的同时又有效维护河流生态系统健康发展，其发电引水系统除主电站外还利用生态流量设置生态电站发电，两站相距16.7km。

对于含有生态电站的同类工程，在进行计算机监控系统设计时，由于生态电站与主电站发电引水系统各自独立，因而可视作2个独立的水电站配置计算机监控系统，自动化水平要求较高的，可进一步在此基础上按照梯级水电站配置集中控制中心。阿尔塔什水利枢纽工程除具有该类工程“一库两站”的共同特点外，还具有以下特殊性：

(1)工程生态引水发电洞从主电站2号发电洞引接，2号发电洞局部共用流道，两站共用发电洞事故门，生态电站电能以220kV等级电压经由主电站220kV开关站一并送出，使得主电站与生态电站发电引水系统的运行高度相关，两站的控制、数据、网络结构的耦合关系远高于发电引水系统各自独立的梯级水电站的站间耦合关系。

(2)工程大坝及生态电站和主电站厂房位于不同行政地区，根据水调及电调行业管理部门要求，其水调数据需要完整统一，两站电调数据又需各自独立，此外还需考虑远期喀什流域梯级集控中心的调度数据通信，使得工程水调、电调及梯调的调度通讯需求复杂。

(3)作为新疆工程规模最大的水利枢纽工程和装机容量最大的水力发电厂，工程是当地重要的水利、电力基础设施，其生产管理的安全稳定关乎生产安全与社会稳定，这对于作为其神经网络的计算机监控系统的实时性、准确性、可靠性与智能化水平也提出了更高要求。

以上工程特殊性对计算机监控系统设计提出了挑战，若按照常规的两个单一厂站+集控中心方式进行计算机监控系统配置，需要通过集控中心交互两个站点的大量实时数据，改变了集控中心原有功能定位且通信延迟大，当集控系统故障退出时将产生两站关键运行数据不完整、运行管理功能割裂的问题，无法满足共用发电引水系统的两站运行管理数据的实时性与可靠性要求，还会在投运后会进一步衍生出运行维护人员多、管理费用高、调度权审批繁琐等一系列问题。为提出更切合阿尔塔什水利枢纽工程实际需要的计算机监控系统方案，通过从工程的运行、调度、管理需求分析出发，结合对金沙江梯级、越南DAK MI4等国内外“一库两站/多站”特点的工程实践经验的对比分析，最终采用了以扩大厂站集控模式为基础，站控层局部交叉冗余的计算机监控系统，在满足了工程对系统实时性、可靠性、和调度管理需求的同时兼顾了经济性，收到了良好的效果。

对含有生态电站的多厂站水利水电工程，其计算机监控系统设计的关键是对这种特殊的梯级水电站的站间关系提出合适的解决方案。因前述本工程的一系列特殊性，使得计算机监控系统需采用不影响其实时性、可靠性的集控系统方案以保证全站数据统一、响应可靠。可借鉴分析的相近工程案例可以从以溪洛渡水电站为代表的金沙江流域梯级的“大坝+左、右岸地下厂房”调控一体化监控系统方案和国内外众多梯级水电站的集控系统方案2个研究方向出发。

1.1 左/右岸厂房型式的“一库两站”工程

对于左右岸厂房型式的“一库两站”工程，以溪洛渡水电站为例，其站间系统结构采用交叉冗余方式，在左/右岸地下厂房控制室按照全冗余方式分别配置计算机监控系统，同时接收全厂实时数据，默认模式为本侧优先采集，同时对侧热备用，任一电站监控系统均可完成全厂控制，并设有上一级枢纽集控中心。其左/右岸地下厂房可分别接收国网/南网-成都调控-电站控制层调度控制，2个电站发电引水系统各自独立，其AGC/AVG功能可以完全独立。该方案优点在于其全厂数据完整、可靠性高、调度灵活，但缺点是因其系统及设备高度冗余、网络结构复杂，同时各系统的机房、电源、通信、安防、消防等基础平台设备和相应的值班及运维人员也各自独立配置，相当于配置多套集控系统，投资巨大。

1.2 集中监控模式的“一库两/多站”梯级水电站工程

对于含龙头水库的“一库两/多站”梯级水电站工程的调度控制方式，目前的工程设计和实施多采用集中监控模式，此模式一般情况下各接入水电站已设置电站计算机监测系统，在此基础上另设置一独立、完整的集中调度控制计算机监控系统。集控中心和各电站基础平台设备和相应的值班运维人员各自独立配置。该模式的优点是可以分批接入，分批建设各水电站，而各电站计算机监控系统可以将水电站从集控中心脱离出来自主控制。

适用于分布范围广、建设时间跨度大、数量众多的梯级水电站，缺点在于其设备投资及运行管理费用较高，同时，由于通信系统受到传输距离、带宽、通道费用等因素的制约，通信速度受限，为了降低对系统资源的占用，各个水力发电厂的次要信息通常采用成组发送，集控中心的实时性与信息完整受限制。

1.3 扩大厂站模式的“一库两/多站”梯级水电站工程

当多个水电站距离较近时，其集控方式还可采用扩大厂站模式。该模式主要特点是将具备条件的多个水电站作为视为一个大型厂站的各个部位，并选定其中一处厂站的监控系统作为主控系统，其余厂站的现地控制单元通过通信网络接入其中，各接入电站可设置独立的电站监控系统也可不设置。以越南DAK MI4梯级水电站为例，其3个梯级水电站中DM4A站的计算机监控系统可同时承担承担梯级集控中心功能，完成对DM4B、DM4C两站的全厂设备控制功能，梯级水电站调度通信也由DM4A站承担，DM4B、C站配置独立的站控层计算机监控系统，在集控站DM4A控制系统因故障退出时可脱离集控中心进行单站控制。该模式的优点是系统结构简单可降低投资，实时性、可靠性较高。劣势在于其制约条件较多，作为集控中心的水电站站控级一旦退出，该站只能通过现地控制单元进行控制操作，且受控水电站不能过多，位置需要相对集中，有条件快速到场进行现场维护。两种模式的梯级水电站集中监控系统结构比较如图1所示。

图1 两种梯级水电站集控系统网络结构比较图

经分析对比可知，站间交叉冗余方式的计算机监控系统方案的实时性、可靠性最优，但于本工程而言性能过剩，无法分发挥其性能优点，且投资过高，经济性最差，并不能适用于本工程，但可借鉴其站间交叉冗余设计思路。梯级水电站集中监控模式方案原本具备较好的实时性、可靠性，但由于本工程两站控制数据耦合程度较高，站间无法直接通信的情况下，集控中心将成为最大的安全薄弱环节，改变了该模式集控中心功能定位，无法发挥其适用分布范围广、建设时间跨度大、数量众多的优势，却完全承担了投资及运行管理费用高、通信速率相对较低的劣势，不能扬长避短，且本工程已规划有喀什集控中心，复杂的网络层级与通信传输环节将进一步降低系统的实时性、可靠性，因而也不能很好的解决工程需求。扩大厂站模式实时性、可靠性较优，经济性最优，尽管其制约条件较多，但因本工程仅考虑主电站与生态电站两个电站，且均分布于工程区域内，具备快速到场检修能力，可充分发挥该方案的各项优势。

工程选择在扩大厂站模式集控方案基础上开展计算机监控系统设计，将主电站中控室作为工程集中控制中心，考虑到工程大坝、各水工建筑物、生态环保设施等功能部位的监视、控制在生态电站集中，生态电站仅设置单站监控系统略显单薄，因此通过采用两站上位机采用不完全交叉冗余配置的方式，将生态电站上位机按全站集中控制分调中心配置，在扩大厂站模式集控方案基础上进一步提升了系统功能及可靠性，使计算机监控系统功能更贴合于工程的运行、操作、管理及可靠性要求。系统总体设计原则如下：

(1)将阿尔塔什大坝、主电站、生态电站视为空间分布扩展的一个大型厂站，通过利用在工程大坝、主电站、生态电站间的冗余光缆构成高度冗余可靠的通信通道，工程计算机监控系统方案采取整体设计、统一实施的扩大厂站集控模式系统方案。监控系统软件结构、数据库结构、数据采集配置进行统一设计，各类数据相互共享，构成统一、完整的系统数据库，实现全厂生产管理信息集中。

(2)根据“水调统一部署、电调独立配置、统一数据、集中控制”的设计原则，将枢纽集控中心设置在主电站厂房中控室内，在生态电站中控室设置分调中心，枢纽水调统一控制，电厂电调各自独立，两站上位机局部交叉冗余，两站生产管理数据在主电站集中、在生态电站备份。

(3)计算机监控系统满足国网新疆电网调度中心分别调度到主电站、生态电站220kV母线的要求；
如遇突发事件，省网调度中心可对主电站和生态站各台机组分别进行直接调度。在保证数据实时性的基础上。按照实现喀什调度控制中心(另行建设)对工程2个水电站调控一体化的指导思想，对监控系统软硬件设备配置进行整体设计和实施。自下而上的实现现地LCU—厂站级中控室—喀什集控中心的各级自动监视、控制、管理，实现全数据传输。

(4)系统采用全开放、全分布式系统，具有较强的容错能力，保证运行稳定可靠，局部故障不应干扰到设备的正常运行，满足“无人值班”(少人值守)的运行方式需求。通过智能化、数字化装置的使用，提高现地层的控制功能先进性和稳定性，不设置常规集中监控设备及回路，各现地控制单元采用具有强容错能力、双重化配置的智能控制装置进行监控，避免采用传统继电器回路，水机后备保护功能由独立设置的PLC控制器及独立采集单元实现。

(5)总结和吸取国内外水利水电工程各类水淹厂房事故经验教训，结合“一库两站”的特点，为防范计算机监控系统完全失效的紧急情况下，电站值班人员仍然有对机组及其流道等重要设备的处理能力，统一部署发电引水流道紧急关闭系统作为水淹厂房或重大事故破坏导致监控系统退出时的防灾备份手段。

(6)为提升系统抵御网络安全攻击能力，除做好软、硬件隔离功能外，另配备了专门的工业网络二次安全防护及网络安全监测装置，全站工业控制网络的安全防护标准均满足国家经贸委、国家电力监管委员会以及电力系统出台各各项文件和国家标准规范的要求。

按上述原则实施的阿尔塔什水利枢纽工程计算机监控系统，系统软件平台采用了南瑞集团NC2000 V3.0分布式开放控制系统，系统使用分层、分布式网络结构，纵向上分为厂站层与现地控制单元层，厂站层交换机按照扩展级联方式进行通信，两站构成一个扩大的实时控制区，方便后期接入远期喀什集控中心，根据电调要求，其安全Ⅱ区及安全Ⅲ区数据独立配置，两站分别上传电调部门。横向划分为3个安全分区，分别为实时控制区、非实时控制区、生产管理区。主干控制网交换机采用千兆双星型结构连接。

厂站层系统设备主要包括应用服务器、数据采集服务器、历史数据库服务器、主电站操作员工作站、主电站工程师工作站、水情测报工作站、电力调度管理工作站、主电站厂内通信服务器、主电站系统通信服务器、生态电站系统兼操作员工作站、生态电站厂内通信服务器、生态电站调度通信服务器、语音报警及短信服务工作站及相关网络及基础平台设备等。现地控制单元层主要设备有：6套机组LCU、1套主电站220kV开关站LCU、1套主电站公用LCU、1套生态电站220kV开关站及公用LCU、1套大坝LCU(含左岸远程I/O)、1套左岸泄洪洞LCU、2套防水淹厂房紧急关闭LCU。

监控系统厂站层对外通信对象有新疆省调、喀什地调以及远期喀什集控中心，主电站及生态电站按调度要求分别上送至新疆省调及其备调喀什地调，厂站层交换机预留了集控千兆接口作为远期喀什集控中心接入使用，可经专用的网络通道接入调控控制中心。厂内通信服务器采用TCP/IP协议，负责于厂内其余分立系统如电能计量、故障录波、在线监测系统等的数据通信。现地层LCU采用TCP/IPMODBUS为网络协议，各LCU中配置2台工业级控制网子交换机，与站控主网交换机上以双星型单模光缆连接。各LCU主控制器均采用冗余配置的SchneiderQuantum系列PLC，配置有4块以太网板。在确保对现场设备安全稳定控制前提下，现地各个智能设备与计算机监控系统尽量采用了智能通信方式，统一规定采用Modbus现场总线方式。现地各控制诸元及计算机监控系统在保证安全稳定控制的前提下，精简常规接线，次要信息统一使用MODBUS现场总线方式。计算机监控系统网络结构图如图2所示。

图2 阿尔塔什水利枢纽计算机监控系统网络结构图

阿尔塔什水利枢纽计算机监控系统具有以下特点。

2.1 扩大厂站模式的集控系统

按照扩大厂站模式集控方案实施的阿尔塔什水利枢纽计算机监控，主电站中控室承担枢纽集控中心任务，生态电站中控室承担枢纽分调中心任务。通过利用工程光纤通信网络的传输速率优势，依托统一搭建全厂实时控制区，在主电站中控室及生态电站中控室均可对枢纽大坝、闸门及两个电站进行集中监控，系统监控为两个电站及大坝闸门设备设置了统一的全厂索引画面，运行值班人员可通过两站任一中控室快速的通过全厂索引调取所需监控界面，集中监控和控制两站所有监控设备。通过完整的权限设置和灵活的监控组合方式，根据调度运行需要，主电站及生态电站可分别值班运行，也可在主电站中控室集中监控生态电站及大坝闸门等设备，特殊情况下生态电站也可发挥分调中心功能，全厂实时数据及历史数据在主电站集中，仅实时数据在生态站备份。数据信息的实时性与信息完整性得到了保障，既满足了满足了监控方式的灵活性要求，又实现了枢纽数据库完整统一，同时还兼顾了经济性。

2.2 系统可靠性设计

硬件可靠性：计算机监控系统对于关键设备或者稳定性要求较高的元件进行了可靠性分析及可靠性分配，对最弱环节及节点进行可靠性设计以减少系统可靠性隐患。2座水电站的实时控制区的网络结构均为双星型网络，使用双路单模光纤作为传输介质，在网络型式上组成冗余结构。接入网络的系统主机可实时监测冗余网络的传输情况，并及时地自通信异常部分的网络通道切换至冗余的正常网络通道。两个电站与省、地网调度中心均使用冗余配置的通信设备与通道，数据采集服务器、操作员工作站等厂站层的关键设备均按照冗余配置，现地LCU中可编程控制器使用双CPU、双通信热备技术，装置在热备状态运行，任一装置异常失效或检修维护状态下不影响整套设备的正常工作。对机组有功、无功、转速调节等重要控制调节信号采用功能冗余设计，励磁、调速器均采用双套完全独立的、并联冗余容错结构控制器，对机组事故停机信息、机组运行状态信息、厂房排水等重要信息也采用双路或三路配置。

防范网络安全攻击能力：在计算机监控系统部署了通用网络安全设备和电力专用网络安全设备，形成了完整的网格型静态防御体系。除配备了硬件隔离装置之外，还配备了入侵侦测设备(IDS)、日志审计系统、恶意代码防护设备、网络安全监测等装置。把安全性检测关口前移到服务器设备，在不安全接触事件发生之时、网络攻击条件尚未建立时，找到风险所在并加以拦截，避免危害形成事实，确保枢纽网络安全性。

防灾应急设计：阿尔塔什水利枢纽配备了独立运行的防水淹厂房紧急关闭系统，在因各类不可控原因导致监控系统发生故障，完全退出的情况下，依靠在两站中控室配备的紧急关闭按钮与两站机旁区配备的防水淹厂房控制柜，处于任一中控室及机旁区域值班人员都可通过所处区域的紧急关闭按钮，完成紧急停机、事故闸门紧急关闭等重要操作，防止事故扩大，大大地增强了枢纽防灾备份操作能力。

2.3 系统智能化设计

为使工程后期实现智慧水电厂及水利数字孪生目标，全站控制系统采用全智能化控制设备，不设置常规继电器回路，各部位均采用计算机及智能装置作为主要的控制装置；
现地控制单元主控制器及网络模块均冗余配置，实时同步采集双网数据，由主用控制器执行实时监控指令，故障情况热切换至备用控制器。水机保护采用专用PLC完成控制和保护功能，具有整套独立于主控制器的I/O板卡及采集回路，防水淹厂房紧急关闭系统配置专用独立PLC及光端机，减少了检修维护工作量，提高了可靠性，贯彻了智能化的设计思路。同时工程工业电视系统、防水淹厂房紧急关闭系统设计时也遵循扩大厂站模式集控方案的整体设计思路配置并统一实施，从而保证了视频系统与防灾系统与计算机监控系统协调性和运行管理手段的全面性，适应了工程“一库两站”的调度运行特点，也提前为工程后期接入喀什梯级调度集控中心、实现智慧水电厂打下了基础。

阿尔塔什水利枢纽工程具有“一库两站”、控制对象分布广、数量多等特点，对枢纽计算机监控系统的各项功能配置提出了更高的要求。阿尔塔什水利枢纽工程计算机监控系统最终按照扩大厂站模式的系统设计原则实施，功能上采用优化的NC2000 V3.0系统，开放的分层分布式系统结构使得其具有良好的扩充性，可稳定可靠的监视控制分布在枢纽区域各个生产场所的各类型设备。工程生态电站及主电站共6台机组已于2021年相继并网发电，计算机监控系统运行良好，通过扩大厂站集中监控方案、系统可靠性设计、系统智能化设计等手段，为系统的快速响应、安全稳定运行提供了保证，该模式已成功在新疆恰木萨水电站、新疆錾高水电站的计算机监控系统的设计中推广，同时也提供了一种解决思路，可供后续同类包含生态电站的项目参考。

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