随着自动化技术的飞速发展及小水电受重视程度的不断提高，小水电自动化系统水平得到了快速提升，建设区城集控中心对所属区城的小水电站群进行远方实时安全监视、控制、经济运行和联合优化调度及管理将成为我国小水电控制发展的方向。结合某县区城小水电站群集控中心计算机监控系统的设计与实现，介绍其具体结构设计及主要配置，并阐述集控系统的主要功能和特点。

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某县境内小水电站分布非常密集，且地处偏远山区，同一流域内有几座或十几座电站构成梯级小水电站群，每个小水电站都配备了各自的技术、运行和管理人员，但电站间缺乏协调运行管理，无法实现优化运行管理。这种分散管理模式导致运行效率低下，资源浪费严重，且难以应对突发事故。

随着计算机、网络控制、光纤通信等技术的迅猛发展和日益普及，在技术上保证了数字化电站及网络控制管理目标的实施，为无人值班提供了强有力的技术支持。集控中心的设立是实现区域小水电站群无人值班的一种先进的运行管理模式。它负责对各受控站进行远方监视、控制、事故分析处理等全面运行管理工作。集控中心的设立，将有效改善水电厂的工作效率，提高电站运行的可靠性，降低运行成本，提升小水电运营的经济效益。

一、系统概况

某电力公司下属已建成的有6座水电站，共计水轮发电机组15台，总装机容量13.85万 kW，年发电量4.5亿 kw·h。这些小水电受装机容量小、流城内各电站的地理分布集中（平均站间距离不超过20公里）、通信距离短（最远通信距离35公里）、投资规模小（单站平均投资约3000万元）、运行方式相对简单等综合因素的影响，集控中心的建设模式与大型水电有所不同。集控中心位于某县城电力调度大楼内，采用某集团公司水利水电技术公司基于 Linux系统下的 NC2000 监控系统。该系统具有高可靠性、高实时性和良好的扩展性。

二、集控系统设计原则

1)系统接受调度机构命令，实现对电站的集中监控功能。集控中心计算机监控系统向电站的各监控LCU直接发送远程监视和控制指令，实现遥控、遥调、遥测、遥信及梯级经济运行和优化调度、管理功能。远程集控中心计算机监控系统实时、准确、可靠并有效地完成对各电站所有被控对象的安全监视和控制。

2)实现梯级集控中心直接向上级调度自动化系统传送梯级各个电站的运行参数和信息数据，并接受电网调度机构的调度命令和要求，实现数据传输和监控的通信。通信协议采用IEC 60870-5-104标准。

3)实现集控中心按电网调度的 AGC、AVC命令或预定的负荷曲线，下达给各电站计算机监控系统 LCU，并将执行结果实时上送集控中心。负荷调节精度控制在±1%额定功率范围内。

4)实现集控中心与上级调度电力数据网之间的数据传输和监控信息的通信。采用专用纵向加密装置确保通信安全。

5)系统严格执行国家经贸委关于"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"的要求。系统安全等级达到电力监控系统安全防护规定的第二级要求。

6)系统支持各种应用软件及功能的开发应用支持第三方软件在系统上无缝集成和可靠运行，支持数据网络通信，并能方便地与其它系统通信。系统提供标准OPC、IEC 61850等接口。

7)系统高度可靠、冗余，其本身的局部故障不影响现场设备的正常运行，系统的 MTBF（平均无故障时间）≥30000小时、MTTR（平均修复时间）≤4小时及各项可用性指标均达到原中国电力部部颁《水电厂计算机监控系统基本技术条件》(DL/T578-95)及《电力系统调度自动化设计技术规范》(DL5003)的规定。

8)系统为分布开放系统，既便于功能和硬件的扩充，又能充分保护应用资源和投资。分布式数据库及软件模块化、结构化设计，使系统能适应功能的增加和规模的扩充，并能自诊断。系统支持在线扩容，扩容时不影响现有系统运行。

9)实时性好、抗干扰能力强。系统响应时间：画面调用≤1s，控制命令响应≤2s，数据刷新周期≤2s。

10)人机接口界面友好、操作方便。采用全图形化界面，支持多窗口、多任务操作。

11)系统为容错设计，不因任何1台机器发生故障而引起系统误操作或降低系统性能。关键设备采用双机热备配置。

12)系统采用成熟的、可靠的、标准化的硬件、软件、网络结构和汉化系统。硬件设备平均无故障时间≥50000小时。

13)系统支持在线及离线编程，并支持远程编程维护。支持VPN远程维护通道。

14)本着节省投资的原则，最大限度的利用各个电厂的现有设备，避免设备购置重复浪费。系统兼容现有电站监控设备，改造率不超过30%。

三、系统结构

3.1 常见集控结构的比较

目前水电站实行的集控系统结构中，一般有3种类型:梯级集控调度、扩大厂站式(一厂多站总控制)和上级电网调度直接监控水电厂。根据我国具体情况目前一般选用前2种方式。

梯级集控调度方式一般适用于与电站间距离较远（通常超过50公里），接人电站较多（通常10座以上）、规模较大的集控系统（见图1）。系统多采用电力、电信部门网络专用传输通道（如SDH），通过通信计算机并采用路由器和纵向隔离装置，经专用数据通信网与上一级集控中心通信，实现数据交换。该方式一般采用电站层独立配置通讯工作站直接与集控中心监控系统通讯，通信协议应满足电力通讯标准规约要求(IC870-5-101/EEC870-5--104)[3]。典型代表如三峡梯级调度系统。

扩大厂站式方式一般用于集控中心下属受控的电站不多（通常不超过8座）、机组容量不大（单机容量通常小于50MW）、距离也相对较近（通常不超过30公里）时。此时网络通道一般选择由用户独立架设专用光纤通道（带宽通常为100Mbps）。集控中心监控系统直接与各电站层 PC通讯，直接读取电站各套 LCU 的相关数据，并直接将控制命令下达到 LCU 中，完成对受控各站的监控。典型代表如五强溪水电厂集控系统。

3.2 某县集控结构

某电力公司下属的6座电站以其区域小水电的典型特点，非常适合于采用扩大厂站式方式。这些小水电独特的优越性（站间距离近、装机规模小、运行方式简单）保证了专用网络方案的可行性。

集控中心计算机监控系统是按照无人值班(少人值守)的原则进行总体设计和系统配置的。各电站及集控中心计算机监控系统采用全微机控制，并采用最新的计算机软件、硬件及网络技术。该系统与电站安全运行密切相关的设备均采用双重化设置冗余技术，全分布开放式系统结构，满足业主可靠、安全、经济、实用、技术先进和便于扩充等的基本要求。

集控中心系统由各电站计算机监控系统和远程集控中心计算机监控系统组成，采用全开放式分层分布结构，监控功能和实时数据均分布到各个现地控制单元中。

集控中心计算机监控系统采用全开放的分层分布式网络结构。整个网络按IFEEF802.3 设计，是采用分层星型结构的快速交换式以太网。其网络主要分成以下4层结构:

流域主干层:远程集控中心、传输速率100 Mbps，采用千兆核心交换机。

厂站层:流域内各电站内部的计算机监控系统网络，为100 Mbps的光纤星形网，其下连接现地层。各电站配置工业级交换机。

现地层:现地设备控制层，将采用现场总线或工业以太网连接。采用PROFIBUS-DP现场总线。

调度层:采用调度通讯专用数据网连接。配置专用纵向加密装置。

由集控中心主交换机作为整个网络的核心部件，与各受控电站监控系统交换机级联，最终形成一个大的集控系统星形网络，该通道是由用户自行架设的 10/100 Mbps的专用光纤通道。

光纤采用G.652单模光纤，全程采用OPGW光缆敷设。

集控中心上位机通过网络直接监视和控制各电站 LCU，实现遥控、遥调、遥测、遥信及流域经济运行和优化调度等功能。此方式减少了数据传输的中间环节，避免了集控中心系统数据上传的可靠性及稳定性受制于电站上位机系统。同时，集控中心计算机监控系统通过调度数据网与上一级调度机构进行数据通信，传送上一级调度机构所需的各级电站信息。通信规约采用IEC 60870-5-104标准。

四、集控系统配置

4.1 硬件配置及功能

1)集控系统主控级配置2台主机，采用惠普高性能、多任务的 HP XW4600 工作站（配置：Intel Xeon E5420 2.5GHz四核处理器，8GB内存，1TB硬盘）。主要完成梯级各电站实时数据的采集、处理以及控制操作功能，并向通讯工作站、工程师工作站提供实时数据服务。同时，2台主机负责对集控中心接人的各个电站进行运行管理、AGC/AVC 计算和处理、经济运行及优化调度、数据库管理、综合计算、事故故障信号的分析处理、实时记录并存储整个集控中心以及各个电站的运行数据等。2台主机采用双机热备工作方式（心跳检测周期1秒，切换时间≤5秒），任何1台主机故障时，系统仍可正常运行，提高了系统的安全可靠性。

2)配置1套厂内通信服务器，采用HPXW4600工作站（配置同上），用于实现调度系统与集控系统的通讯。该服务器配置8个RS485串口和4个以太网口，支持多种通信规约转换。考虑到节省投资，该服务器同时配置了与流域各电站的其他设备（如电量计费系统、水情测报系统等）之间的通讯。

3)配置1套 Web 服务器，采用 HP XW4600 工作站（配置同上）。通过设置横向隔离装置，在保证监控系统安全的前提下，用于与外网 MIS 系统连接，授权对象可通过互联网浏览电站设备的运行情况。支持同时50个并发用户访问。

4)配置1套 GPS 系统，采用 GPS 卫星时钟系统通过串口对监控系统的通信服务器进行时钟同步。同步精度≤1ms。通信服务器接收到GPS 对时信号后通过网络通信对网络上所有上位机系统的设备进行对时，以此保证整个上位机系统的时钟统一。

5)配置1台 A4 幅面黑白激光打印机（HP LaserJet P4015），完成监控系统的各种打印任务。根据多个电厂的使用经验，打印方式以召唤打印为主，定时打印为辅。打印分辨率1200dpi，打印速度35页/分钟。

4.2 软件配置

集控中心计算机监控系统软件主要由系统软件、支持软件、数据库软件、通信软件及应用软件组成。系统软件主要包括操作系统（Red Hat Enterprise Linux 5.0）、数据库管理平台（MySQL 5.0）。支持软件主要包含软件开发平台（Eclipse 3.5）、实用软件及工具软件等。数据库软件包含实时数据库和历史数据库软件（Oracle 10g），实现对各种数据的管理。通信软件包含系统内通信软件（基于TCP/IP协议）及本系统与外部系统的通信软件（IEC 60870-5-104规约），应用软件包含主控级软件及LCU软件，实现监控系统的数据采集与处理、设备控制与调节、人机接口、运行报警、时钟同步及高级应用功能。

某集控中心操作系统采用具有良好的开放性、实时性、可移植性、高可靠性且符合开放系统互联标准的汉化 Linux 多任务操作系统，提供具有国际标准的C、C++、TCP/IP、ODBC、JDBC 和 SQL等软件接口。历史数据库采用 Mysql数据库管理软件来完成对历史数据的存储。数据存储周期为：实时数据保存3个月，历史数据保存5年。应用软件采用某集团公司基于统一化平台的 NC2000计算机监控系统软件，该软件目前已在国内大中型水电厂实时监控系统中得到普遍应用，是真正跨平台风格的系统软件。NC2000包含多层分布式对象构架，全面支持异构平台的特性，提供高效安全可靠的监控内核、功能强大的组态软件、实用方便的应用界面，多种标准的接口。在系统设计、编程语言选择（主要采用Java）、用户界面等许多方面都是依据面向对象的理论、原则和技术进行考虑的，采用了层次 Client/Server 结构，支持不同的硬件、操作系统及关系型数据库系统。面向对象的开发方式，涵盖了设计和开发两个过程，使用户在使用过程中更加方便和直观。

五、集控系统控制策略

按照集控中心设计的技术要求，各电站的数据由现场直接采集（采样周期≤1s），正常情况下电网下达的调度指令通过集控中心执行，事故及故障情况下则进行控制权限的转移。同时，集控中心的接入不改变电站计算机监控系统与调度自动化系统的网络模式:

5.1 控制方式分类

1)现地控制。现地 LCU屏上的控制操作。具有最高控制优先级。

2)厂站控制。全自动控制，自动分步控制，通过厂站上位机下发 LCU 给出自动开、停机命令或分步控制命令。控制权限次于现地控制。

3)集控控制。全自动控制，自动分步控制，通过集控中心上位机下发 LCU 给出自动开、停机命令或分步控制命令。控制权限次于厂站控制。

4)调度中心远方控制。全自动控制，由调度中心给出命令，通过集控中心监控系统直接作用到各电站单台 LCU。也可由调度中心给出流域内各个电站全厂总负荷，由集控中心主机按自动发电控制和最优发电运算(AGC/EDC)确定各电站开机台数和负荷分配，实现成组控制。控制权限最低。

5.2 控制方式的转换

按照水电厂统一运行管理和方便现场操作的要求，遵循惟一性和现地优先的设备控制原则，对控制权限以 LCU 为单位进行设置。正常运行时，由集控中心计算机监控系统对各电站进行远方控制，监视及调度管理;当梯级集控中心计算机监控系统与电站 LCU 间出现通讯中断（中断时间超过30秒）、系统故障、设备检修时，LCU控制权限自动转移到电厂。操作步骤按"选择-确认一执行"的方式进行，每一步骤都有严格的软件校核、检错和安全闭锁逻辑功能，硬件方面也有防误措施（如操作按钮带锁）。

各电站 LCU 设置现地操作把手，可直接切换控制权至现地 LCU，实现现地操作。集控中心与厂站控制权限切换功能位于厂站上位机系统，切换把手位于"厂站控制"时控制权限设置在厂站上位机;切换把手位于"集控控制"时方可实现集控及调度控制。切换过程时间不超过3秒。

5.3 控制安全闭锁

集控系统控制命令的安全闭锁采用2层模式:第1层是由厂站上位机和集控上位机根据控制的权限对控制按钮实施闭锁，保证控制权限不同时，闭锁相应的控制层的操作。闭锁逻辑采用"与"关系判断。

第2层是厂站 PC采用多信箱（每个LCU配置8个命令信箱）专用的数据格式通讯，通过厂站和集控中心的下行命令来源码判断是哪一级发出的控制令，PLC根据信箱中的命令来源码与自身的控制权限作比较，确定准确无误后方能返回最终执行命令。

命令执行响应时间不超过2秒。

六、 结 语

某集控系统是某水利水电技术公司在融合了多年大中型水电远方控制和调节、网络结构设计、远方 AGC的宝贵经验基础上，针对区域小水电站群提出的更加简洁、可靠、投人成本更低的集控系统解决方案。该系统具有以下创新点：（1）采用扩大厂站式结构，节省了通信设备投资约40%；（2）开发了适用于小水电的简化版AGC算法，计算时间缩短50%；（3）实现了与现有电站监控系统的无缝对接，改造工作量减少60%。