三峡梯级自动化及梯调监控系统的设计与实现

第４０卷第２期２００９年１月　　人　民　长　江Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　　Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．２Ｊａｎ．，２００９收稿日期：２００８－１０－２０作者简介：黄天东，女，长江水利委员会设计院机电处，高级工程师。　　文章编号：１００１－４１７９（２００９）０２－００７６－０３三峡梯级自动化及梯调监控系统的设计与实现黄天东　宋远超　梁建行（长江水利委员会设计院，湖北武汉４３００１０）摘要：为实现三峡梯级枢纽运行管理的自动化，按照三峡梯级枢纽自动化的总体设计，三峡枢纽的运行监控及管理自动化采用分层分布系统，根据枢纽设施的功能或专业的特点，按枢纽地理位置的分布及管理要求分别设置了计算机系统，包括三峡梯级水调自动化系统、三峡左岸电厂计算机监控系统（含三峡泄洪闸）、三峡右岸电厂计算机监控系统（含地下电厂）、三峡通航调度系统、三峡通讯监测系统、三峡火灾监测系统、三峡和葛洲坝ＭＩＳ系统、葛洲坝大江电厂计算机监控系统、葛洲坝二江电厂计算机监控系统、三峡梯级图像监控系统等。简述了三峡自动化系统总体结构框架，并着重介绍了三峡梯调计算机监控系统在系统结构及配置、功能设计、对外通信等方面的设计及其特点，并简要阐述该系统所采用的ＡＢＢ公司ＳＰＩＤＥＲ系统及其特点。关　键　词：ＳＰＩＤＥＲ系统；水库调度；发电调度；梯级ＡＧＣ；三峡梯调中图分类号：ＴＶ７３４　　　文献标识码：Ａ１　概述三峡梯级水利枢纽是长江干流上第一个大型综合利用水利枢纽，具有防洪、发电、航运等综合经济效益。三峡水利枢纽由大坝、左右岸电站、通航设施等主要建筑物组成，泄洪坝段位于河床中部，设有２２个底孔、２３个深孔和２２个表孔；左、右岸电站分别装机１４台和１２台，单机容量均为７００ＭＷ；通航设施为设在左岸的永久双线五级船闸。三峡水利枢纽下游４０ｋｍ是葛洲坝水利枢纽，它包括大江电厂、二江电厂、５００ｋＶ变电所、２２０ｋＶ开关站以及３个船闸、１个泄水闸和２个冲沙闸等。三峡与葛洲坝水利枢纽之间距离近且河道狭窄，葛洲坝枢纽作为三峡工程的航运反调节梯级，其可调节库容十分有限。在汛期，发电和航运必须服从长江防洪的要求；电站进行日调节时必须考虑不稳定流对三峡和葛洲坝下游航道及航运的影响。两枢纽在综合利用的各个方面存在着较强的相互制约与影响。为保证两枢纽的安全可靠运行，并充分发挥两枢纽在防洪、发电、航运等方面的综合效益，按照枢纽的规划设计，两枢纽在防洪、发电、航运等方面必须按梯级枢纽运行，实行联合统一调度，并应实现梯级调度管理的自动化。２　三峡自动化系统总体结构为实现三峡梯级枢纽运行管理的自动化，按照三峡梯级枢纽自动化的总体设计，三峡梯级枢纽的运行监控及管理自动化采用分层分布式体系结构，整个自动化系统分为３层：调度层、梯调层和厂站层。调度层是指对整个三峡梯级枢纽的防洪、发电进行宏观协调及指挥的上级调度部门，包括国家防汛总指挥部、长江防汛总指挥部、国家电网调度中心等；梯调层是指对三峡与葛洲坝枢纽的防洪、发电、航运进行统一联合调度及管理的一套计算机监控系统（简称梯级调度计算机监控系统）；厂站层是根据枢纽设施的功能或专业的特点、按管理范围或地理位置等因素划分系统，并建立对设备进行控制、监视与管理的计算机监控系统，三峡梯级枢纽厂站计算机监控系统包括：三峡梯级水调自动化系统、三峡左岸电厂计算机监控系统（含三峡泄洪闸）、三峡右岸电厂计算机监控系统（含地下电厂）、葛洲坝大江电厂计算机监控系统、葛洲坝二江电厂计算机监控系统、葛洲坝泄水闸计算机监控系统等，其中葛洲坝大江电厂计算机监控系统、葛洲坝二江电厂计算机监控系统、葛洲坝泄水闸计算机监控系统等项目已于１９９２年建设完成并投入使用，三峡梯级水调自动化系统、三峡左岸电站计算机监控系统与梯级调度计算机监控系统也于２００３年建成并投入使用，三峡右岸电站计算机监控系统将随主体工程的建设进度于２００７年建成并投入使用。三峡电站及梯级调度计算机监控系统工程实施后，将形成一个完整的开放冗余网络型分层分布的梯级电站实时闭环过程控制系统，既可通过梯调中心的计算机监控系统实现整个梯级电站的远方集中监控和综合调度与调节，也可由各电站的厂级监控系统独立完成本站的闭环自动控制功能。３　三峡梯级调度计算机监控系统设计三峡梯级调度计算机监控系统采用国际招标方式，于２０００年１２月开始招标，２００１年８月签定合同，中标方为瑞典ＡＢＢ公司。三峡梯级调度计算机监控系统于２００２年１２月通过出厂验收，２００３年２月开始现场安装调试，至４月底完成与葛洲坝大　第２期　　　黄天东等：三峡梯级自动化及梯调监控系统的设计与实现江、二江电站的联调工作，实现了对葛洲坝电厂的四遥功能。２００３年７月完成与国调、三峡电厂的联调，并于９月完成系统第１次验收。之后又于２００４年４月、２００６年３月分别进行了系统的第２、３次现场验收。３．１　设计原则三峡梯调计算机监控系统是三峡梯级枢纽自动化系统中的梯级调度层的计算机系统。为实现三峡梯级枢纽运行管理的自动化，按照三峡梯级枢纽自动化的总体设计，三峡枢纽的运行监控及管理自动化采用分层分布系统，根据枢纽设施的功能或专业特点、按枢纽地理位置分布及管理要求分别设置了计算机系统，包括三峡梯级水调自动化系统、三峡左岸电厂计算机监控系统（含三峡泄洪闸）、三峡右岸电厂计算机监控系统（含地下电厂）、三峡通航调度系统、三峡通讯监测系统、三峡火灾监测系统、三峡和葛洲坝ＭＩＳ系统、葛洲坝大江电厂计算机监控系统、葛洲坝二江电厂计算机监控系统、三峡梯级图像监控系统等系统。在这些系统之上设梯级调度层计算机监控系统，即三峡梯调计算机监控系统，由该系统对两枢纽的泄洪、蓄水、发电、航运等进行统一联合调度及管理，并统一对外，以保证三峡梯级枢纽的安全可靠运行和发挥最大的综合利用效益。另外，三峡和葛洲坝电站均按无人值班（少人值守）并以三峡梯级调度作为其值班监控设计，故三峡梯调计算机监控系统还具有对三峡、葛洲坝电厂的发电设施及两枢纽的泄洪设施进行集中监视、实时控制、集中管理及联合调度的功能。三峡梯调计算机监控系统设计充分考虑了三峡、葛洲坝水电站自动化程度高，以及三峡枢纽施工工期长，需分期、分批投入的特点，采用统一调度、集中监视、分层控制的原则，系统结构采用功能分布开放式模块化冗余结构，在系统配置和设备选型上结合计算机技术迅速发展的特点，充分采用计算机和网络领域的先进技术及产品。软硬件均采用模块化结构，使之具有良好的扩充性，便于实现软件及硬件设备的扩充，及方便地实现与其他设备或系统的连接。系统还具有高度的安全性和可靠性、实时性和实用性。３．２　系统结构三峡梯调计算机监控系统结构见图１。该系统在地理位置上分为两部分：位于三峡坝区的梯级调度中心内的梯调中心计算机监控系统和位于葛洲坝坝区的梯调培训站，两部分通过千兆以太网实现广域网连结。梯级调度中心内的梯调中心计算机监控系统是整个三峡梯调计算机监控系统的核心，梯调监控系统的数据库维护、应用软件的运行、操作员站的运行监视等主要功能均在该系统内实现，并负责实现与三峡左岸电站计算机监控系统、三峡右岸电站计算机监控系统、三峡水调自动化系统、上级调度系统等的通信连接。梯调中心计算机监控系统采用以ＣＩＳＣＯ４００３交换机为骨干的高速冗余局域网结构，网络采用ＴＣＰ／ＩＰ协议，遵循ＩＥＥＥ８０２．３Ｕ标准。两台ＣＩＳＣＯ４００３交换机分别通过１００Ｍｂｐｓ和１０００Ｍｂｐｓ的接口将各功能节点相连接。位于葛洲坝坝区的梯调培训站是三峡梯调计算机监控系统的培训基地，并负责实现与葛洲坝大江电厂计算机监控系统、葛洲坝二江电厂计算机监控系统的通信连接。梯调中心计算机监控系统与梯调培训站间通过４台ＣＩＳＣＯ７６０９路由交换机（２台位于梯调中心、２台位于葛洲坝坝区）以１０００Ｍｂｐｓ的接口实现广域网互连，连接介质为永久通信系统提供的专为梯调计算机监控系统使用的架空光缆（左、右岸各４芯光缆）。图１　三峡梯调计算机监控系统网络结构及配置示意７７　　人　民　长　江２００９年　　　三峡梯调计算机监控系统采用了功能分散的分布式体系结构，即梯调系统的功能分布在系统不同的功能节点计算机中，每个功能结点严格执行指定的任务，并通过网络实现互连。对于重要的功能，计算机采用冗余配置。按梯调计算机监控系统功能划分，在梯调中心主要配置了以下计算机设备：２台实时数据库服务器、２台历史数据库服务器、２台应用程序工作站、６台操作员工作站（操作员站按功能分为２台水调操作员站、３台电调操作员站和１台总调操作员站）、１台工程师工作站、２台网关通信机、１台语音报警机、１台报表管理机、１台曲线编辑机、１台网络管理机、１台防火墙机、１台外网通信处理机、１台Ｗｅｂ服务器和４台监视查询终端等设备，此外在梯调中心还配置了３×８大屏幕投影屏和常规模拟屏等大型监视设备。在梯调培训站，配置了２台互为冗余的培训服务器和用于接入用户培训终端的网络交换机等设备。用户可根据实际需要配置多台培训终端。３．３　系统功能及其实现三峡梯调计算机监控系统的主要功能是接收上级调度部门对梯级枢纽运行调度的有关指令，对两枢纽的泄洪、蓄水、发电、航运进行协调，发布相应的调度指令，并对三峡、葛洲坝电厂及泄水闸进行集中监视与控制，实现对梯级电站的远程监控功能。三峡梯调计算机监控系统除具有数据采集及处理、运行管理及指导、系统诊断及维护、培训及仿真、系统开发及维护等计算机监控系统的基本功能外，整个系统在水库调度及闸门控制、发电调度、控制调节操作、系统对外通信等方面具有其特殊性。３．３．１　水库调度及闸门控制三峡梯级的水情测报及水库调度功能由三峡水库调度自动化系统完成，三峡梯调计算机监控系统负责采集三峡、葛洲坝泄水闸运行信息、发电设备运行信息，并传送给水库调度自动化系统，由水库调度自动化系统结合采集的两枢纽的水情、雨情、气象等信息，对梯级水库调度作出科学决策，并向三峡梯调计算机监控系统发送闸门控制指令（以命令报文的形式），由梯调监控系统对闸门控制指令进行分解，以单扇闸门设点值指令（以命令的形式）下发三峡左岸电站和葛洲坝二江电厂计算机监控系统，梯调监控系统同时对命令执行情况进行跟踪，生成命令执行结果报文返送给水库调度自动化系统。三峡梯调计算机监控系统不设具体的闸门集中控制软件，闸门的集中控制由厂站计算机监控系统完成。３．３．２　发电调度发电调度是在满足三峡—葛洲坝水库调节特性、航运安全运行的前提下，考虑三峡电网安全、稳定运行要求和电站机组运行特性要求等约束条件的限制，将三峡枢纽和葛洲坝枢纽发电总功率按优化经济运行的原则分配到三峡和葛洲坝各电厂，其核心为梯级自动发电控制软件，即梯级ＡＧＣ软件。梯级ＡＧＣ的工作方式分为两种：流域工作方式和厂站工作方式。在流域工作方式下，国调下发给梯调的调节指令为三峡枢纽发电总功率和葛洲坝枢纽发电总功率，梯级ＡＧＣ根据枢纽各种约束条件的限制和经济运行的要求，将两枢纽发电总功率分配至梯级各电厂。在厂站工作方式下，国调下发给梯调的调节指令为梯级各电厂发电总功率，梯级ＡＧＣ负责对国调下发的调节指令进行校核，以保证枢纽的安全运行为前提，在电网调度允许的情况下，作小范围调整。梯级ＡＧＣ的控制对象为梯级各电站，即葛洲坝大江电厂、葛洲坝二江电厂、三峡左岸电站、三峡右岸电站、三峡右岸地下电站。每个电站作为一个整体参加梯级ＡＧＣ运行，其中三峡左岸电站、三峡右岸电站当其两段母线分段运行时，将分别作为两个独立电站（即左一电站、左二电站和右一电站、右二电站）参加梯级ＡＧＣ运行。梯级ＡＧＣ不直接控制到机组。梯级ＡＧＣ的调节权限分为“国调调节”和“梯调调节”两种模式。在“国调调节”模式下，梯级ＡＧＣ接受由国调下发的功率给定值调节指令。在“梯调调节”模式下，梯级ＡＧＣ接受由梯调操作员下发的功率给定值调节指令或按调度曲线调节。３．３．３　控制与调节梯调计算机监控系统对梯级电站的远程监控采用“调节”和“控制”权限分开设置的方式。梯调对梯级电站的远程调节包括以整个电站为调节对象的有功功率调节（梯级ＡＧＣ功能）和以单台机组为调节对象的有功功率调节（单机有功设点），两种调节方式分设不同的切换开关，对应前者设置针