薛 晔，金 波，杨光华
(中水东北勘测设计研究有限责任公司，长春 130012)
丰满水电站始建于1937年，位于吉林省吉林市境内的松花江上，是我国建设最早的大型水电站。丰满水电站原枢纽工程是一座以发电为主，兼有承担下游防洪、工农业及城市供水、旅游等多方面效益的大型水电站。丰满水电站的供电范围为东北电网，在系统中担负调峰、调频和事故备用等任务。
丰满水电站重建工程于2013年5月，为恢复电站原任务和功能，拆除部分旧坝，并在原大坝下游120 m处新建一座大坝。工程装机容量1 200 MW(6台单机容量为200 MW的水轮发电机组)，发电机机端设置断路器，与变压器组成单元接线，每2个单元在变压器的500 kV侧进行联合，组成联合单元接线，全厂共3组联合单元。3台高压厂用变压器分别接在其中1、3、5号机组的变压器低压侧母线上。500 kV侧采用双母线接线，经二回架空线接至500 kV吉林南变电所。2020年7月6台机组已经全部投入商业运行。
智能电网建设已上升为我国的国家战略，智能电网是促进可再生能源发展、实现低碳经济的核心。智能水电站是建设智能电网的重要基础和支撑。丰满水电站(重建)工程按智能化水电站进行设计，电站的监视与控制采用基于智能一体化平台的计算机监控系统来实现。智能一体化平台借鉴了智能电网的技术特点与优势，实现了一次设备智能化、二次设备网络化、高级应用互动化、运行管理一体化以及辅助决策智能化，保证系统的可靠性、高效性、稳定性、互动性和开放性。
丰满水电站重建工程计算机监控系统的设计原则是“无人值班”(少人值守)，同时按智能水电站要求进行设计。计算机监控系统采用基于智能一体化平台的智能化水电站架构，统一设计、统一规划，是全厂监控的核心。智能一体化平台对丰满水电站所涉及到的就地控制、远方调度控制、电厂生产运行管理等自动化系统及应用，提供数据存储、系统管理、数据分析、图形等功能支持[1]。
现地控制级设备提供的数据是智能一体化平台的基础，数据传输通过IEC61850标准实现。现地级控制设备或其他的智能化设备，作为应用节点加入标准协议的数据通信总线，实现总线中的信息共享。对于特别的或重要的设备，为保证数据传输的统一性、可靠性，数据总线可采用传输冗余机制。
智能一体化平台是开放式体系架构的动态智能应用平台，管理实现模块间数据交互、事件发布和应用调用等功能，同时利用不同管理区的数据中心与实时数据总线实现各类数据资源共享，在此基础上建立信息互动、综合监控和智能决策等智能化水电站综合应用[2]。
2.1 系统总体设计
丰满水电站重建工程计算机监控系统按照智能化模式进行设计，核心为智能一体化平台。监控系统采用分层分布式结构，横向分区、纵向分层。横向按照安全要求和业务特征划分为生产控制大区和管理信息大区(又称安全区Ⅲ)，生产控制大区进一步分为控制区(又称安全区Ⅰ)和非控制区(又称安全区Ⅱ)，分别建设3个分区独立的计算机网络，然后根据电力系统的防护要求和实际需要将各安全区相连。纵向根据网络结构要求，划分为过程层网络、单元层网络和厂站层网络。
厂站层与过程层分别独立组网，厂站层采用双星型100 M以太网，各单元层(LCU)交换机通过光纤接入厂站层网络；
过程层采用双星型网络传输GOOSE信息。
厂站层与单元层(LCU)保护测控等设备采用IEC 61850-8-1通信协议；
单元层与过程层合并单元采用IEC 61850-9-2协议通信；
单元层与过程层智能终端采用GOOSE通信协议。厂站层系统采用SNTP对时；
单元层和过程层设备采用IEEE1588网络对时[3]。
为保证丰满水电站重建工程计算机监控系统的安全，采用安全分区、横向隔离、纵向认证、网络专用和入侵监测、主机与网络设备加固、内网安全审计及恶意代码防护等综合安全防护。
丰满水电站重建工程在过程层部署智能终端以及独立的测控装置，发电机断路器和500 kV断路器均配置智能终端进行操作，发电机、主变、高厂变及励磁变均配置测控装置。
丰满水电站重建工程计算机监控系统的结构如图1所示。在单元层部署各类现地自动化系统。安全Ⅰ区部署继电保护、现地监控、调速、励磁、辅机等系统，安全Ⅱ区部署变压器状态监测、开关站状态监测、机组状态监测、水情自动测报等系统，管理信息大区部署大坝安全监测、工业电视、消防、门禁等系统[4]。
2.2 系统组成
丰满水电站重建工程计算机监控系统由厂站层计算机设备、单元层设备、网络设备(厂站层及过程层)、大屏幕显示设备、时钟同步系统(GPS、北斗双源)等组成。
2.2.1 厂站层设备
厂站层计算机设备按照电力二次安防分区分为安全Ⅰ区、安全Ⅱ区、管理信息大区。
Ⅰ区、Ⅱ区及管理信息大区的主要设备，如调度通信服务器、实时数据及应用服务器、历史数据服务器、操作员工作站，均冗余配置；
其他设备，如磁盘阵列存储系统、厂内通信服务器、工程师工作站、培训工作站、语音报警服务器、综合报警服务器、Web服务器等只配置单套。
2.2.2 单元层设备
单元层设备包括：发变组单元(1～6LCU)，厂用、公用单元(7LCU)，500 kV开关站单元(8LCU)，坝区单元(9LCU)。
监控系统单元层设备的控制核心以PLC为主。
1)发变组单元(1～6LCU)。包括机组控制PLC、水机控制PLC及机组智能测控装置等。
①机组LCU基本控制模式为集中采集、集中控制，机组LCU还提供一套独立于监控系统的，用于机组紧急停机和快速停机的小型PLC，包括紧急停机按钮、快速停机按钮和复位钥匙等。
②机组智能测控装置。发电机、变压器保护通过智能测控装置采集数据，执行保护和控制命令。发电机、主变测控装置能够通过GOOSE网连接发电机出口及主变高压侧断路器智能终端，可采集相关设备的数据，并实现对相关设备的操作。测控装置可同时接入传统硬接点信号。
③机组LCU以完成逻辑判别、顺序控制为主，对于保证机组安全运行十分重要，保留机组LCU的常规配置、接线及控制功能。
2)厂用、公用单元(7LCU)。包括厂用配电系统保护、测控装置、各公用设备控制PLC及厂用、公用PLC等。厂用配电系统的继电保护、测量、信号、控制及安全闭锁等所有功能均由测控一体化系统完成，参照智能变电站35 kV系统的配置方案。涉及间隔层设备采用保护测控一体装置(即保测装置)实现厂用各断路器的保护、遥测、遥信、遥控等功能。并且通过IEC61850规约无缝连接到上位计算机系统。取代了非智能化水电站配置的厂用LCU对厂用配电系统的监控功能。
对于全厂高低压空压机控制系统，全厂渗漏排水、检修排水控制系统等公用附属设备的监控，控制逻辑均由PLC装置实现，PLC装置按照IEC61850规约与厂站层通信。
厂用配电系统及公用系统的一些故障状态量，送入厂用、公用单元(7LCU)PLC。
3)500 kV开关站单元(8LCU)。500 kV开关站原配置了一套开关站单元(8LCU)，按智能化设计后，取消了非智能化水电站配置的开关站LCU，改由按间隔配置的智能测控装置、智能终端以及由智能化继电保护装置、智能调度自动化装置、网络通信系统等组成的500 kV升压站智能站系统，由双星型网络分别接入厂站层MMS-A网及厂站层MMS-B网，可以实现全站的数据共享，完成全站控制操作的逻辑闭锁。智能测控装置既支持模拟量采样，又支持数字采样，既支持传统硬接点方式，也支持GOOSE 输出方式。测控装置具有断路器同期合闸功能，具有完善的装置自检策略和友好的人机界面，完全取代了非智能化水电站配置的开关站LCU所有功能。
4)坝区LCU单元(9LCU)。坝区LCU主要由控制坝上溢洪道闸门控制、坝区一体化电源控制、坝区配电控制的PLC构成。
图1 全厂计算机监控系统框图
2.2.3 装置和系统
发变组保护装置，励磁系统，调整系统，500 kV测量、500 kV系统保护装置，厂用电测量保护装置，辅机和公用设备控制装置，交直流电源系统等与厂站层按照IEC 61850通信规约进行系统建模和信息传输。对于涉及安全运行的重要信息、控制命令和事故信号还需通过硬布线I/O直接接入各LCU。
2.2.4 网络设备
包括厂站层网络设备及过程层网络设备，含调度通讯加密设备，Ⅰ区交换机，Ⅱ区交换机，Ⅲ区交换机，Ⅰ、Ⅱ区设备防火墙，正向隔离装置，反向隔离装置，过程层网络交换机，均为冗余配置。
丰满水电站重建工程计算机监控系统承担发电机、主变、GIS、厂用电及公用等设备的安全监控，具有对整个电站设备进行数据采集与处理、控制与调节、设备运行管理及操作指导、警告、记录和打印、维护和开发、系统诊断等功能。监控系统同时能够接收调度指令，并将所需数据上传到调度，以便对整个系统进行有效的监控。
3.1 调度级功能
丰满水电站重建工程受东北网调和吉林省调调度。计算机监控系统通过安全I区的调度通信服务器与东北网调和吉林省调进行批量数据信息交换，发送上行遥测、遥信量，接收下行的遥控、遥调量。可通过调度通信服务器直接控制机组或经监控系统的厂站级控制和调节整个电厂。
3.2 智能一体化平台的数据平台功能
3.2.1 数据存储功能
数据存储中心是智能一体化平台的基础，为所有的应用提供数据访问接口、数据同步、数据管理等功能。包括：实时数据库、历史数据库、文件管理系统等。[5]
3.2.2 模型管理功能
对整个电站的监控保护设备、大坝监测、水情水调等区域的设备、数据建立数据模型，构建丰满水电监控、调度的标准化模型库。
3.3 智能一体化平台的基础平台功能
3.3.1 基础支撑
包括：人机界面展示功能、数据通信、系统服务功能、二次开发接口支持等功能。
3.3.2 基础应用
包括系统监视与管理系统配置管理、系统进程管理、系统资源监视、系统备份/恢复管理、GIS应用无线巡检定位功能、综合信息发布等功能。
3.4 智能一体化平台高级应用的实现
3.4.1 实时监控功能
实时监控功能主要实现对电站的机电设备，包括：500 kV开关站GIS设备、发电机组、主变压器、厂用及公用设备、坝区进水口栏污栅、坝区闸门等进行集中监视和控制、人机对话、相关监控事件记录及相关报表管理等，并完成与上级调度系统的通信。
3.4.2 水调自动化功能
智能一体化管控平台水调自动化功能要准确、及时地自动采集电站所需的水情信息及电力、气象等数据，对这些信息进行计算、分析和综合处理，实现与水电站运行有关的监视、调度和管理，并为高级应用提供相关数据及基础支持，为水调分析决策提供支撑。
3.4.3 大坝监测及分析评估功能
计算机监控系统能够实现对大坝安全监测自动化系统数据采集单元的实时控制，一体化平台具备的功能：1)通信与采集；
2)数据管理；
3)报表制作；
4)图形制作；
5)文档管理；
6)系统维护；
7)离线分析；
8)安全评估等功能。
3.4.4 多系统联动功能
工业电视系统将数据传输到管理信息大区(Ⅲ区)，并接受智能一体化平台的联动信息。智能一体化平台可以将控制系统信息或者辅助系统信息传输给工业电视系统，工业电视系统联动，辅助运行人员决策。工业电视系统同时向智能一体化平台反馈联动结果，辅助一体化平台实现操作、控制、巡检等高级应用。
3.4.5 水电站主设备状态监测及状态检修功能
利用智能一体化平台与水轮发电机组、主变压器、GIS、500 kV电缆等设备监测系统的数据传输接口，实现对发电和变电主设备的分析诊断、预测评估、风险评价等状态检修辅助决策应用功能。
3.4.6 防汛决策支持功能
对防汛相关信息进行全面汇聚整合，完成相关防汛信息的处理、查询、分析和防汛指挥调度管理，为防汛指挥决策提供有力的技术支持和保障，从而达到全面提升防汛抢险应急指挥决策能力和效率的目的。
3.4.7 环境监测分析
环境监测分析数据取自通风空调控制系统，环境监测子系统实现统一的数据采集，对丰满水电站厂房进行环境监测并提供智能辅助决策支持功能，提高环境监测的自动化与智能化程度。实时数据通过IEC61850接口上传至一体化平台，提高电厂安全管理系统的运行效率。
3.5 厂站层功能
计算机监控系统厂站层能迅速、准确地进行数据采集与处理、实时控制和调节、参数设定、报表、运行参数计算、通信控制、系统诊断、仿真和软件开发、系统扩充、运行管理和操作指导等功能。
3.6 单元层功能
监控系统各现地控制单元主要完成本单元设备内的信息传输、状态监视、操作与控制、与厂站层及过程层的通信、控制单元的自诊断与自恢复等功能。
基于智能一体化平台的丰满水电站重建工程计算机监控系统于2019年7月随首台机组发电同步投入正式运行，至今已运行2年多，运行正常、效果良好。由于接入系统的设备均采用统一的协议：IEC61850或IEC61970，与计算机监控系统进行通讯，实现了数据信息平台的一体化。有效避免了传统水电站接入计算机监控系统设备接口协议繁杂、传输介质不统一、日常维护工作量大，经常出现数据丢失等现象；
减少了系统内部的信息孤岛，实现了信息共享、互兼容和互操作；
更好地实现了生产过程的智能化、运行调度决策的智能化、设备检修决策、大坝安全监测、设备运行管理智能化。
丰满水电站重建工程的设计和建设是在智能电网规划建设的背景下进行的，计算机监控系统采用智能一体化平台，有效解决了水电站经常存在的各系统间功能不关联互助、信息不共享互换的问题，降低了日常的维护成本；
采用智能一体化平台状态检修技术的高级应用，可以实现智能、灵活检修，从而提高设备利用率；
采用经济运行软件，可以合理利用水资源，减少废水、弃水，在节能的同时实现效益的最大化；
采用辅助决策高级软件，可以提高决策的有效性和准确性，减少错误的发生。丰满水电站重建工程计算机监控系统智能一体化平台的投入运行，可以保证电厂安全稳定运行，减少日常故障发生，实现减人增效，总的来说，有利于提高电网的社会效益和企业效益。基于智能一体化平台的丰满水电站重建工程计算机监控系统，为电厂的安全生产提供了保障，也为其他水电站进行智能化计算机监控系统建设和改造提供了一个有益的参考。