瓦村水电站计算机监控系统方案设计

瓦村水电站工程坝址位于郁江上游右江河段田林县境内、驮娘江与西洋江汇合口下游8.4km处，距下游瓦村水文站约0.27km，距下游百色水利枢纽约105km。是郁江综合利用规划的第2个梯级，是一座以发电为主，兼顾供水、防洪、航运等综合利用的水电站工程。水库总库容5.36亿m3，有效库容为2.25亿m3，设计装机230MW，属Ⅱ等工程。

瓦村水电站位于百色市田林县八桂瑶族乡弄瓦村，距离百色市约120km；弄瓦村至田林县城为山区四级公路，里程约60km；田林县城至百色市高速公路（G78汕昆高速）里程约63km，二级公路（G324国道）里程约17km；百色市至南宁市高速公路（G80广昆高速）里程约257km。为便于施工和永久运行管理需要，沿坝址下游左、右岸岸边布置有永久交通道路，在左岸跨平西沟上修建平西沟涵洞及道路，连接左岸上坝公路并贯通田林～者达～弄瓦的县乡公路；在坝址下游修建瓦村大桥连接左右岸交通，本工程对外交通较方便。

瓦村水电站为坝后式水电站，装机容量230MW，选用三台立轴混流式水轮发电机组。本电站的主要设计参数如下：单机容量76.67MW，最大水头85.8m，最小水头61.5m，全年加权平均水头81.27m，汛期加权平均水头81.79m，枯水期（11月～次年4月）加权平均水头80.13m，额定水头76m。瓦村水电站水库具有优于季调节的不完全年调节能力，多年平均发电量695.36GW•h，年利用小时数3023h。

瓦村水电站供电范围为百色地方电网。枯水期，根据电力系统运行需要电站可担任调峰、调频任务。电站装机3×76.67MW，三台水轮发电机组分别与一台SFPZ11-100MVA主变压器组成三个单元接线，将发电机电压13.8kV升至220kV，220kV为单母线分段接线，出线两回。

3 电站监控系统设计原则

3.1 无人值守原则设计

广西瓦村水电站按照“无人值班”（少人值守）的原则设计，并按照无人值班的原则预留接口和平台。电站监控方式采用以计算机监控系统为基础的全厂集中监控方案。设置统一的全厂计算机监控系统，不再设置独立的常规监控设备，出于电站安全性、可靠性考虑，电站另外设置简单的紧急停机、安全闭锁和事故动作的硬接线回路，满足计算机监控系统因故退出时电站运行人员对重要设备进行紧急处理的要求。

根据《广西百色瓦村水电站接入系统设计》（收口版），本电站由广西省百色市电力公司调度管理，远动信息直送百色市电力公司调度中心。远动信息采集及传送满足调度端的规约及实时性、可靠性要求。计算机集控系统能满足百色电力公司调度中心调度管理形式的要求。

通过现场总线或者串行接口等实现电站计算机监控系统与电厂保护系统、励磁装置、调速器装置、直流系统、公用和辅助设备控制系统等之间的通信。

系统配置和设备选型符合计算机发展的特点，充分利用计算机领域的先进技术，系统达到当前的国际先进水平。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。系统为全分布、全开放系统，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。

安全防护要求，安全防护实施方案须经上级信息安全主管部门和电力调度机构审核和验收。电力二次系统安全防护的总体原则为“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”，以保证电力监控系统和电力调度数据网络的安全。

3.2 最低安全防护措施

（1）计算机监控系统属于控制区（安全区I），是安全防护的重点与核心，所有计算机监控系统设备都必须置于安全区I，纳入统一的安全防护；

（2）计算机监控系统通过广域网与百色市地调中心通信，必须加装经过国家指定部门检测认证的电力专用纵向认证加密装置；

（3）计算机监控系统（安全I区）与非控制区（安全II区）之间的连接采用硬件防火墙进行隔离，生产控制大区与管理信息大区（安全III区）之间的连接采用正向安全隔离装置进行隔离；

（4）数据服务器采用安全加固的操作系统；

（5）监控系统配置网络防病毒系统；

（6）计算机监控系统的重要业务系统采用认证加密机制；

（7）计算机监控系统内部各节点之间采取虚拟网（VLAN）和访问控制等安全措施；

（8）计算机监控系统部署安全审计措施、把安全审计与安全区网络管理系统、（9）综合告警系统、敏感业务服务器登录认证和授权、应用访问权限相结合；

（10）计算机监控系统部署恶意代码防护系统、采取防范恶意代码措施。病毒库、木马库的更新离线进行；

（11）禁止生产控制大区内部的E－mail和Web服务；

（12）严禁E－mail、Web、Telnet、Rlogin、FTP等安全风险高的通用网络服务和以B/S或C/S方式的数据库访问穿越专用横向单向安全隔离装置，仅允许纯数据的单向安全传输。

4 电站监控系统结构及特点

4.1 系统结构

广西瓦村水电站计算机监控系统采用开放式分层、全分布的系统结构，由现地控制单元和站控级中心计算机系统组成，该系统采用100/1000M工业级以太网交换机通过冗余光纤星型网组成的以太网交换网进行各现地控制单元与站控级中心计算机系统之间的数据传输和数据交换。

每台水轮发电机组分别设置一套现地控制单元，公用设备、GIS及开关设备、厂用电及溢洪道闸门监控各设置一套现地控制单元。现地控制单元直接监控被监控设备的生产过程，既可作为分布系统中的现地智能终端，又可作为独立装置单独运行。

电站与溢洪道现地控制单元通过买方提供的光纤通道，实现溢洪道和电站之间的数据传输和数据交换。数据传输和数据交换通过100M以太网与主交换机连接。

本监控系统局域网按IEEE 809.3u设计，采用全开放的分布式结构，采用单模和多模光纤电缆，通信规约TCP/IP，主干网络的传输速率不低于1000Mbps，其它不低于100Mbps，系统结构参见图1所示。

图1 瓦村水电站计算机监控系统结构图

4.2 系统特点

（1）开放。本监控系统完全符合国际标准定义的开放式环境，系统服务器采用UNIX操作系统，其它采用UNIX或Windows 操作系统，编程支持C语言等高级语言，应用程序的开发界面采用功能图语言。

（2）分布。功能和数据库分布在系统各节点上。使本监控系统具有更高的效率、更高的可靠度及更好的可扩性。

（3）高度可靠、冗余。监控系统采用冗余星型网光纤的1000、100Mbps交换式快速以太网，冗余系统服务器和冗余电源系统等。

（3）系统支持在线及离线编程，远程编程维护。

4.3 厂站层网络设备系统

瓦村电站控制网络为双星型连接的1000Mbps交换式以太网系统。网络交换机采用高性能模块化自适应工业级以太网交换机，并应通过电力行业质量检验测试中心的检测。交换机具备三层路由功能，拓扑结构和链路自愈支持星型、拓扑结构；支持环路耦合功能，链路汇聚等；交换机模块化结构设计，支持多种标准的网络协议，便于扩展，应用灵活；可维护性好维护、维修方便，支持热插拔，可在不断电情况下更换模块；设备配置方式为支持命令行接口(CLI)，TELNET，Web等多种设备配置方式；网络功能特性即插即用，Qos（802.1p），VLAN（802.1q），支持GVRP、GMRP、IGMP Snooping多播过滤、端口速率限制和广播风暴抑制，SNTP时间同步（客户端和服务器）。支持IEEE1588 精确时间同步协议（可提供IEEE1588 硬件模块支持）；交换机具备扩展到更多模块的能力；交换机底板、电源模块等组件需具备带电热插拔功能，并配置冗余电源；网管兼容性需支持串口，web方式，SNMP v1/v2C/v3对设备的配置及管理，可将交换机状态信息直接传送到网管软件中；支持VLAN（虚拟局域网）子网划分，安全隔离工控数据；采用交、直流220V双电源供电，提高系统可用性和检修安全性；可靠性按工业标准设计生产，可靠性高，常温下平均无故障间隔时间MTBF在20年以上；交换机采用无风扇设计，应能在恶劣环境条件下工作，如高温、湿热、强电磁干扰环境；通过防电磁干扰、抗震动、危险场合应用等相关中国或国际标准的认证：；cUL 1604 Class 1 Div 2 危险场合认证；电力行业的KEMA认证。

4.4 电站控制级配置方案

（1）两套调度通信服务器，用于与百色地调通信，完成与调度端的数据交换，应采用直采直送的方式与调度侧进行通信，即任何一个数据包从现地采集后途径调度远动通信工作站传输过程中不得采用规约转换方式解拆重包。支持掉电保护和电源恢复后的自动重启功能。

（2）两套主机兼操作员工作站，操作员工作站，负责安全运行监视、控制和调节、事件记录及报警状态显示和查询，但不允许修改或测试各种应用软件。操作员工作站支持掉电保护和电源恢复后的自动重启功能。计算机监控系统应对通信通道、通信状态进行监视，并在操作员工作站上显示通信故障报警信息和通信状态等信息，对冗余通信通道应能自动或手动切换。

（3）一套工程师工作站，主要负责系统的开发、调试、诊断和维护，可完成应用软件、数据库、系统参数的定义和修改，程序下载等工作，并对运行维护人员进行控制、操作、维护、软件联合开发和系统管理等方面的培训，培训信息来自计算机监控系统，启动相应的模拟仿真程序，但不输出到被控对象，不能影响正常的生产过程。工程师兼培训工作站支持掉电保护和电源恢复后的自动重启功能。

（4）一套移动式MMI，移动式 MMI应是一台联想兼容的笔记本电脑，采用酷睿7 GHz及以上CPU， SONOMA平台，具有4GB随机存取存储器(RAM)，能通过接口与 LCU 通信。提供通过LCU能执行机组现地控制和监视的所需的全部软件，为现地控制单元测试和编程的诊断和编程软件。通过该MMI进行系统的在线测试或程序修改，MMI可接入现地控制单元或者站控级中心网络或经过拨号登录。移动式MMI为轻便的、可携带的。

（5）一套语音报警及短信寻呼服务器/打印服务站，负责与相应的电站通信程控交换机设备的接口和公网服务器联调，并对开通质量负责。语音及手机短信报警工作站采用高性能的PC，并配有足够的通信接口。

（6）两套交流逆变电源，容量大于15KVA，满足计算机监控系统自用要求。UPS为并联冗余、互为热备用的工作方式：两组相同的UPS的容量都可单独供给全部负荷，正常运行时，两组UPS并联供电。当一组UPS故障时，另一组UPS向全部负荷供电。UPS为双变换式(在线式)，具有锁相同步跟踪技术。

正常情况下UPS由厂用交流电源供电。交流电源消失时，由直流系统供给逆变器。当两台UPS的整流和逆变部分都发生故障但交流电源完好时，交流电源经过旁路开关柜直接供给负荷。旁路开关柜内含隔离变压器（三相输入/单相输出）和稳压器。

（7）安全防护设备，两套操作系统安全加固产品，选用由南瑞公司生产的横向安全隔离设备Syskeeper2000(正向)布置在通讯厂内通讯机的通讯端口，对通讯数据进行安全隔离，保证监控系统网络的安全。Syskeeper2000的主要特性，具有安全隔离能力的硬件结构；高可靠性硬件设计；支持双电源；支持双机热备；单向传输控制；安全裁剪内核，系统的安全性和抗攻击能力强；割断穿透性的TCP连接；基本安全功能丰富，可以实现在网络中的快速部署；网络通信流畅，不会成为网络通信瓶颈；丰富的通信工具软件和API函数接口；操作简单的图形化用户界面等特征。

（8）一套硬件防火墙，用于安全I区与安全II区之间的逻辑隔离，可根据安全策略(允许、拒绝、监测)控制出入网络的信息流，其本身具有较强的抗攻击能力。防火墙系统应能限制外部对系统资源的非授权访问，以及内部对外部的非授权访问，特别是限制安全级别低的系统对安全级别高的系统非授权访问。

（9）GPS+北斗星卫星时钟同步装置，计算机监控系统通过接收GPS+北斗星卫星时钟同步装置的时钟同步信息，以保持全系统的时钟同步。GPS+北斗星卫星时钟与系统服务器和操作员工作站采用串口连接对时，系统服务器与各现地控制单元有定期的对时报文；同时，GPS+北斗星卫星时钟还为每一个现地控制单元发出分脉冲同步信号。该装置应向发包人的故障录波装置、微机自动装置、微机保护装置等发送同步信号。

5 现地控制单元

瓦村水电站现地控制设备有3套机组现地控制单元、1套公用现地控制单元、1套GIS及开关设备现地控制单元、1套厂用电现地控制单元、1套溢洪道现地控制单元，共7个现地控制单元及有关远程I/O设备。每套现地控制单元都配置了最高性能的PLC,PLC主控制器采用双控制器独立安装机架，双电源模块，双CPU模块，双通信接口，双热备冗余切换模块的热备冗余结构，I/O模板,I/O模块严禁安装在CPU机架,应支持带电热插拔。工作方式为在线热备,切换无扰动,不接受使用混合模块和扩充模块。每套LCU及紧急停机保护单元、远程I/O屏分别设置人机接口设备用于控制与调节操作，系统参数的设定、修改，以及各类信息的显示。

现地控制单元和下一级的分布式I/O具备较强的独立运行能力，并能够完成其监控范围内设备的实时数据采集处理、设定值修改、设备工况调节转换、事故处理等任务，要求处理速度快、有容错、纠错能力，并带有其监控范围内的完整的数据库。实现对各生产对象的监控，各现地控制单元的CPU完成各现地控制单元的管理，实现全开放的分布式系统的数据库分布，并实现现地控制单元上网，并且通过交换机与站控级控制中心通信。

机组现地控制单元内配置一套手动、自动准同期装置和同期检查继电器；GIS及开关设备设置手动、自动捕捉同期装置和同期检查继电器，以满足各断路器同期操作要求，自动准同期装置采用双CPU双通道，调速和调压的输出具有智能功能，采用PID的调节方式，输出接口可编程，可以根据现场的需要自定义。

机组现地控制单元配2个交流采样装置，用于采集机组和励磁变的交流测量参数；GIS及开关设备现地控制单元配6个交流采样装置，用于采集3台主变、2条220kV线路及220kV母线的交流测量参数；厂用电现地控制单元屏配5个交流采样装置，用于采集厂用电10V进线、母线及外来电源的交流测量参数；溢流道现地控制单元屏配3个交流采样装置，用于采集溢流道400V母线的交流测量参数。

机组现地控制单元采用专用的有功功率、无功功率、电压变送器测量机组有功功率、无功功率及定子电压的测量。变送器的DC4mA～20mA输出直接接入LCU的I/O模件。

机组现地控制单元配置有2只定子电压表、1只多功能综合电能表（有功表、无功表、有功电度表、无功电度表、电流、电压、频率表）；GIS及开关设备现地控制单元配置有6只220kV进、出线多功能综合电能表（有功表、无功表、有功电度表、无功电度表、电流、电压、频率表）；厂用电现地控制单元配置3只多功能综合电能表（有功表、无功表、有功电度表、无功电度表、电流、电压、频率表）；溢流道现地控制单元配置2台多功能综合电能表（有功表、无功表、有功电度表、无功电度表、电流、电压、频率表）。多功能综合电能表的测量精度不低于0.2级（厂用电除外）。

所有现地控制单元内的交流和直流电源模块互为冗余配置，任意一个电源模块故障退出运行，不应影响现地控制单元的正常运行。

机组现地控制单元上还设有独立于现地控制单元计算机回路的常规“紧急停机按钮”和“紧急关进水口闸门按钮”，按钮上配置了防误盖，以防误操作。

现地控制单元 应有“远方”和“现地”操作方式选择开关。在“远方”方式时，控制在站控级计算机上自动完成。在“现地”方式时，控制应在现地控制单元上通过现地控制单元柜上的TFT完成，也可通过移动式MMI完成。对移动式MMI，提供通信端口。

现地控制单元屏内设有冗余的原装进口开关电源，任意一个电源模块故障退出运行，不应影响现地控制单元的正常运行。开关电源为交直流通用型，既可适用220V直流，也适用220V交流，输出为24V,5A，并联运行。现地控制单元开关电源的容量并留有一定的余度，还应考虑给自动化元件和传感器提供24V的直流电源，机组现地控制单元还应输出2回24V直流电源供发包方其它系统使用，每路电源输出回路均应装有小型断路器保护。

现地控制单元LCU按监控对象分布设置，负责实现其范围内各生产对象的监控，将采集到的数据或事件信息上送站控级，接受站控级发来的控制和调节命令，并将执行结果回送给站控级。

6 系统控制与调节

电站监控系统采用全计算机监控系统，满足首台机投产即达到电站无人值班的要求。电站控制方式设置为三级：电网调度控制方式、电站计算机监控系统上位机控制方式、电站现地LCU控制方式。控制级别现地最高，依次是电站计算机监控系统上位机控制方式、调度机构控制。在现地LCU可实现现地LCU控制与电站计算机监控系统上位机控制两种方式切换，电站计算机监控系统上位机可实现电站计算机监控系统上位机、调度机构二种方式的控制切换。

6.1 自动发电控制(AGC)

（1）电站的频率保持或接近额定值。

（2）220kV线路的输送功率保持或接近规定值。

（3）根据下达发电功率或的负荷曲线，按安全、可靠、经济的原则确定最佳运行的机组台数、机组的组合方式和机组间最佳有功功率分配，进行电站机组出力的闭环调节，并自动开、停机组。

（4）应根据上级调度单位下达的的日负荷曲线以及AGC命令和正常调度要求、根据航道系统流量要求、结合考虑电气安全运行和机组运行限制条件等，对电站和参与联合控制的机组制定出运行计划，并实时地自动地将有功负荷分配到各机组，以确保电力系统的安全、经济运行。自动发电控制的基本任务就是在满足各项限制条件的前提下，以迅速、经济的方式控制电站的有功功率，使其满足电力系统需要。

6.2 自动电压控制(AVC)

按照系统要求及安全运行约束条件，合理分配机组间的无功功率，经机组控制单元调节机组励磁，维持220kV母线电压，必要时自动开、停机组。

220kV母线电压给定值与220 kV电压测量值进行比较，根据该偏差，通过PI调节计算得出电站无功功率目标值。无功功率目标值及PI调节计算中的积分项均受到并网机组的无功负荷能力的限制。该无功功率目标值将在参加联合调节的机组间分配，经过分配后得出电站每台机组的无功功率目标值。机组无功功率目标值与无功功率测量值比较，根据比较的偏差，通过PI调节计算得出机端电压给定值，送给现地控制单元执行。该电压给定值及PI调节计算中的积分项将受到励磁调节器电压给定最大和最小值的限制。

7 操作系统及应用软件

瓦村水电站的操作系统采用成熟安全的适于开放环境的实时多任务多用户操作系统，其中主计算机服务器采用UNIX平台的汉化LINUX操作系统。瓦村水电站计算机监控系统采用的是南京南瑞集团公司的NC2000计算机监控系统。南京南瑞集团公司在总结20多年开发水电厂计算机监控系统经验的基础上，充分吸收国际上计算机科学领域中的最新技术，全面考虑了中国国情和用户的应用需求，将面向对象的设计方法结合国内水电厂综合自动化的新要求，并将其贯穿于计算机监控系统软件设计的全过程，于2000年推出了具有自主版权、真正跨平台风格的面向对象的NC2000计算机监控系统软件，它包含了分布式对象架构，全面支持异构平台的特性，系统提供了高效安全可靠的监控内核、功能强大的组态工具、精细美观的图形界面、实用方便的应用界面、多种符合国际标准的接口以及紧贴水利水电用户和梯级集控调度应用需求的各种常规及高级功能。

NC2000系统软件是面向水利水电行业研制的大型计算机监控系统软件。该软件是国内目前唯一真正具有跨平台能力、全面支持异构平台的多层分布式面向对象的计算机监控系统软件，它能有效满足水利水电领域的生产过程监控和管理的需求，目前已经在200余家大中型项目中获得广泛应用。

NC2000系统监控软件主要由前台人机交互程序和后台背景程序两部分组成。人机交互程序主要提供画面显示、报表、简报、曲线查询等交互式图形显示和操作功能；背景程序则提供计算机监控系统与各外部设备的通讯、NC2000数据库管理、历史数据库管理等各种后台处理过程。NC2000 系统基于分布式对象计算技术，从系统的规划、设计、软件实现到提供给用户的组态工具、应用界面都使用了面向对象和跨平台的技术。遵循TCP/IP、SQL、ODBC、JDBC、Java RMI、OPC等国际标准和被广泛使用的软件工具，具有充分的开放性、可扩展性和异构平台适应性。系统以对象以单位进行数据组织。主要对象有发电机、闸门、开关、辅设等；按对象直观方便的控制操作，减少误操作；按对象信息查询，能迅速判断和分析事故； 按对象计算各种二次计算量、状态量；按对象处理相关事件，并综合分析处理；按对象设置设备状态（检修、报警、投退）；按对象进行各种历史数据的统计分析。

系统具有丰富的人机界面，提供给运行人员友善的接口，操作既方便又安全，既简单又可靠，既发挥多窗口的特点，又满足运行人员的习惯，是目前我国水电厂广泛采用的、有成熟运行经验的、最主要的监控系统之一。

8 结束语

以计算机监控系统能实时、准确、有效地完成对电站各被控对象的安全监控为原则。我们为瓦村水电站计算机监控系统推荐先进的、可靠的、有成功经验的SSJ-3000型水电厂计算机监控系统。

SSJ-3000型水电厂计算机监控系统是我国水电厂计算机监控系统领域中的主导产品，已有在许多电站的成功应用实例。随着科学技术的发展以及用户需求的增加，我们对SSJ-3000监控系统的功能不断进行完善和提高，采用面向对象的监控系统软件，支持开放系统平台。面向水电厂自动化SSJ-3000型计算机监控系统已成为既具有国际先进技术水平，又能充分满足国内电厂用户各方面实用化要求的成熟可靠的监控系统。