王勁夫,林峰,李伶

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川成都610072)

1 流域梯級水電站開發(fā)的戰(zhàn)略意義

根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會統(tǒng)計信息部2008年1月發(fā)布的統(tǒng)計資料顯示，截止2007年底，全國發(fā)電裝機容量在2006年達到創(chuàng)記錄的20.3%增長速度，總裝機達到62200萬kW的基礎上，同比繼續(xù)大幅增長14.36%，達到71329萬kW。其中，水電裝機達到14526萬kW，占總?cè)萘康?0.36%，同比增長11.49%；火電達到55442萬kW，約占總?cè)萘?7.73%，同比增長14.59%；水、火電占總?cè)萘康谋壤确謩e下降0.53和上升0.16個百分點。

發(fā)電量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2007年發(fā)電量為32559億kW·h，同比增長14.44%。其中，水電發(fā)電量4867億kW·h，約占全部發(fā)電量的14.95%，同比增長17.61%；火電發(fā)電量26980億kW·h，約占全部發(fā)電量82.86%，同比增長13.82%；核電發(fā)電量626億kW·h，約占全部發(fā)電量1.92%，同比增長14.05%。

水電裝機占總?cè)萘康谋壤龔?004年的24.6%下降到2007年的20.36%，是前幾年高耗能企業(yè)產(chǎn)能過剩，電力相對短缺情況下追求短、平、快提高供給能力的結(jié)果。國家發(fā)改委2007年9月發(fā)布了我國的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，其中明確水力發(fā)電作為目前最成熟的可再生能源發(fā)電技術，規(guī)劃到2010年，全國水電裝機容量要從2005年的1.17億kW提高到1.9億kW，并在2020年達到2.7～3億kW，約占電力總裝機容量的29%。發(fā)電的直接效益相當于節(jié)約標準煤4.2億t，可減少排放二氧化碳11.7億t、二氧化硫750萬t以及大量其他有害氣體，對降低大氣污染、減少溫室效應會起到不可估量的作用，具有巨大的環(huán)境效益。

大力開發(fā)水電，不僅僅是環(huán)保、減少溫室效應的需要，更是涉及到中國能源供應安全的戰(zhàn)略問題。我國常規(guī)能源探明總資源量約8230億t標準煤，探明剩余可采總儲量1392億t標準煤，約占世界總量的10%，但人均資源量僅為世界的40%，遠低于世界平均水平。能源剩余可采總儲量的構成是:原煤占58.8%為1145億t，原油3.4%，天然氣1.3%，水能36.5%。若按照2020年我國的能源需求預測量估算的話，煤炭、石油和天然氣的資源保證程度則只有30年、5年和10年。中國自1993年成為原油凈進口國以來到2003年，石油進口量達到了9739萬t，比1993年增加了10倍，石油對外依存度不斷增大。中國煤炭消費也已占全球消費總量的40%之高，中國已經(jīng)由世界第一大煤炭出口國，向煤炭凈進口國逐漸轉(zhuǎn)變。保障能源安全已是維護經(jīng)濟安全和國家安全、實現(xiàn)現(xiàn)代化建設戰(zhàn)略目標的必然要求。

同煤炭、石油和天然氣等資源相比，我國水力資源蘊藏量居世界首位，不可謂不豐富。根據(jù)2003年的水力資源復核的成果，中國水力資源理論蘊藏量為年發(fā)電量6.08萬億kW·h，平均功率為6.94億kW，技術可開發(fā)容量5.42億kW，年發(fā)電量2.47萬億kW·h，經(jīng)濟可開發(fā)容量4.02億kW，年發(fā)電量1.75萬億kW·h。根據(jù)《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，作為可再生能源發(fā)展重點的水能、生物質(zhì)能、風能和太陽能，最主要的開發(fā)方式就是可再生能源電力建設的開發(fā)。報告提出到2020年水電裝機要達到2.7億kW，也就是開發(fā)程度達到68%。目前發(fā)達國家水電的平均開發(fā)程度已在60%以上，其中美國水能資源開發(fā)利用程度約為82%，日本約為84%，法國約為80%，德國約為73%，奧地利約為69%，加拿大約為65%。與這些國家相比，我國水電開發(fā)程度仍處于較低水平，尚有較大的開發(fā)潛力。

國家能源局自組建以來，就水電發(fā)展戰(zhàn)略問題明確表示“優(yōu)先發(fā)展水電，是我國能源發(fā)展的重要方針”。而水電發(fā)展的方針首要的就是推進水電流域梯級開發(fā)，使水電開發(fā)率有較大幅度提高。

2 流域梯級集中監(jiān)控的設計模式

由于資金匱乏，耗電水平相對較低，上世紀90年代以前我國的水電開發(fā)主要以單點開發(fā)形式為主，僅開發(fā)了部分流域上綜合條件較優(yōu)的個別大電站，未充分考慮流域的梯級整體開發(fā)。除了電力市場的電價由政府統(tǒng)一制定且電價未體現(xiàn)豐水期－枯水期、峰－谷電價差異等因素以外，最主要的原因在于政府的過度干預，電站的建設和運營管理主體分離，政府部門用行政的辦法確定電站的建設單位，建成后移交給另一個單位進行運營管理，導致電站的運營管理單位只能是被動地接受建設完成的電站，而不能根據(jù)自身的利益選擇何時、何地、何種形式開發(fā)建設和運營管理電站。

隨著改革的深化，在計劃經(jīng)濟向市場經(jīng)濟過渡、政企分開過程中，業(yè)主負責制與建設監(jiān)理制和招標承包制推行開來，企業(yè)的經(jīng)營自主權逐漸得到落實，才可能基于企業(yè)的自身發(fā)展、發(fā)電效益的最大化等目標來合理選擇電站的開發(fā)地點、開發(fā)方式和開發(fā)順序，流域梯級電站的滾動開發(fā)也逐漸受到重視并得以推廣。

由同一個業(yè)主連續(xù)滾動開發(fā)的形式，其主要優(yōu)點包括:

(1)統(tǒng)一規(guī)劃、充分利用水能資源，協(xié)調(diào)電站的選址和負荷分配。

(2)統(tǒng)一規(guī)劃使用流域內(nèi)的輸電走廊、施工及備用電源、通信通道。

(3)統(tǒng)一規(guī)劃梯級電站的運行方式及生產(chǎn)、生活設施，以及人力資源。

流域開發(fā)由一個業(yè)主統(tǒng)一規(guī)劃、連續(xù)開發(fā)的形式，對于投資方和政府都是一種非常好的方式，同時可以做到水資源的充分、有效、合理地利用。近十年來，四川省內(nèi)部分流域的開發(fā)現(xiàn)狀也有力地證明了這一論點。

伴隨著流域梯級電站的滾動開發(fā)，現(xiàn)代企業(yè)管理理論及應用水平的提高和管理制度的健全和完善，水電站監(jiān)控方式從“以常規(guī)設備為主，計算機為輔的監(jiān)控方式”(水規(guī)機〔1993〕008號文)到“全計算機監(jiān)控方式”甚至“無人值班(少人值守)”的漸進式發(fā)展，以及計算機遠程控制、網(wǎng)絡通信技術的飛速發(fā)展和推廣普及，流域梯級電站集中監(jiān)控的思路逐漸變得清晰，并受到業(yè)主單位的重視，得以逐漸推廣。

以下結(jié)合我院近十幾年在流域梯級電站集中監(jiān)控項目上的經(jīng)驗，就流域梯級電站集中監(jiān)控的三種設計模式以及當時的技術水平、管理水平進行探索，以期能夠拋磚引玉，共同推動我國流域梯級水電站集中監(jiān)控設計的發(fā)展。

2.1 調(diào)度中心模式

最初的流域梯級水電站集中監(jiān)控中心的稱謂，可能主要是沿用了電網(wǎng)調(diào)度的名稱，例如上世紀90年代中后期投運的四川華能寶興河流域梯級調(diào)度中心和龔嘴水力發(fā)電總廠沙灣調(diào)度中心。

寶興河梯級開發(fā)一期工程完成了干流上的第五級銅頭水電站(4×20MW)和第八級雨城水電站(3×20MW)的建設，計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用瑞典ABB公司的HPC300系統(tǒng)。同步投運的梯調(diào)中心設置在雨城電站附近，采用芬蘭ABB公司的SPIDERMicroSCADA系統(tǒng)。由于受到當時的通信技術水平限制，梯調(diào)中心至電站的通信通道采用電力線載波方式，通信速率為1200/600bps，通信規(guī)約為RP570。

由于通信帶寬的限制以及其他技術原因，早期的調(diào)度中心主要作為電站的總體調(diào)度指揮，完成所轄電站的統(tǒng)籌運行和負荷分配等，功能相對簡單，而非電站所有機電設備的全面監(jiān)測和控制。各梯級電站控制功能相對獨立，上送梯調(diào)中心的數(shù)據(jù)量少。以寶興河梯調(diào)中心為例，其輸入/輸出量要求如下:

(1)模擬量

電站發(fā)電總有功功率和總無功功率；

發(fā)電機有功功率和無功功率；

主要變壓器高壓側(cè)有功功率和無功功率；

聯(lián)絡變壓器高壓側(cè)和中壓側(cè)有功功率；

220kV線路的有功功率、無功功率和有功、無功電能量、電流；

110kV線路的有功功率和電流；

發(fā)電機有功、無功電能量；

各高壓側(cè)母線的電壓和頻率；

各電站上、下游水位、流量等；

閘門的啟、閉過程和開度位置。

(2)開關量的采集和事件順序記錄:

機組運行狀態(tài)；

10kV及其以上斷路器的位置；

反映發(fā)電機機端電壓及其以上電壓系統(tǒng)運行狀況的隔離開關的位置；

分析事故所需的主要保護及自動裝置動作的信號；

總故障及總事故信號；

影響主設備安全運行的越限信號；

監(jiān)控系統(tǒng)自身的故障信號；

溢洪閘門的位置信號。

(3)遙控:

梯調(diào)系統(tǒng)控制方式:

a)間接控制

梯調(diào)人員發(fā)命令到廠站級計算機，通過廠站級計算機實現(xiàn)對機組的調(diào)控。

b)直接控制

梯調(diào)人員直接調(diào)控到機組；

斷路器和隔離開關的操作。

(4)遙調(diào):

實時設置各被控電站和機組的有功功率和無功功率的給定值；

調(diào)節(jié)主變壓器的分接頭位置。

2.2 集中控制中心模式

至21世紀初，全計算機監(jiān)控已成為水電站監(jiān)視控制的主流方式，無人值班(少人值守)運行管理模式逐漸得到推廣，《水力發(fā)電廠值班方式工程設計導則》(征求意見稿2001.2)的發(fā)布更使我們的設計有理可循。信息量少、功能簡單的梯級調(diào)度中心模式，已不能滿足流域梯級電站業(yè)主對無人值班、減人增效、遠程診斷維護等一系列新的需求。現(xiàn)場總線技術和100 Mbps快速以太網(wǎng)的推廣普及、ADSS和OPGW光纖通信技術的成熟應用，流域梯級電站采用集中控制中心模式逐漸成熟。

在我們的觀點中，集中控制中心模式更像是伴隨通信帶寬和計算機處理能力的增加而對梯調(diào)中心的升級，能夠?qū)⒏采w到電站全部機電設備的、相比梯調(diào)中心方式更多的信息量采集到流域控制中心，以滿足業(yè)主對各電站生產(chǎn)信息的全面掌握，更好地完成對所轄梯級電站的安全監(jiān)視和操作控制，監(jiān)控更趨功能完整。與同期的集控中心相比，華能涪江公司火溪河流域的梯級集控具有一定的代表性。

火溪河是涪江上游左岸最大的一級支流，位于四川省綿陽市平武縣西北部。梯級開發(fā)方式為“龍頭”水庫下接一系列引水式梯級電站，自上而下為水牛家、自一里、木座、陰坪，4級電站總裝機容量約400MW，全梯級聯(lián)合運行保證出力14.69萬kW，多年平均發(fā)電量16.33億kW.h。

四個梯級電站集中在40km范圍內(nèi)，電站和梯級中心之間通過冗余的光纜(包括220kV線路的OPGW和35kV線路的ADSS兩條光纜路由)構成高度冗余可靠的通訊通道，因此我們設計采用了一種基于火溪河流域梯級電站的分層分布式的整體解決方案，總體設計方案如下:

(1)四個梯級電站視為地理位置擴大的一個電廠的理念(即擴大廠站)，各個電站根據(jù)機組臺數(shù)、公用設備和開關站、閘首的分布等情況設置現(xiàn)地控制單元LCU，LCU具備其監(jiān)控范圍內(nèi)的完整功能，可脫網(wǎng)獨立運行，并具有人機界面和較長時間(例如數(shù)小時甚至更多)的歷史數(shù)據(jù)存儲功能。

(2)采用擴大廠站模式，電站控制層與流域梯級集控中心的梯級調(diào)度層合并為擴大廠站的電廠級控制層布置在梯級集控中心，各梯級電站內(nèi)均不設置站級計算機。

(3)設置在梯級集控中心的廠級計算機，主要配置系統(tǒng)服務器、操作員工作站、工程師工作站等，可直接對各梯級電站的所有LCU進行集中監(jiān)控、管理和水資源調(diào)度。

(4)在白馬寨設置梯級集中控制中心(即全廠總控制室)和管理、維護及辦公基地，對流域內(nèi)的四個梯級電站進行日常的運行、管理工作。

(5)整個流域梯級電站和集控中心的計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用一家公司的系統(tǒng)，以確保整體的兼容性和協(xié)調(diào)性，同時可以大大降低需配置的其他設備的數(shù)量、軟件開發(fā)費用、備品備件的數(shù)量、系統(tǒng)維護人員的數(shù)量和勞動強度等。

采用這種設計方案，白馬寨梯級集控中心與四個梯級電站即構成了一個物理距離擴大的廠站，四個梯級電站按照“無人值班”的運行管理模式，值班人員統(tǒng)一在白馬寨梯級集控中心待命、休息，定期去電站進行巡視檢查、日常維護以及檢修管理等工作。

流域總體的計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要由各個梯級電站的現(xiàn)地控制單元(LCU)，以及梯級集控中心的廠級計算機(系統(tǒng)服務器、操作員工作站、工程師工作站、網(wǎng)關計算機等)設備為主，構成一個全計算機監(jiān)控的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)。從網(wǎng)絡結(jié)構來看，系統(tǒng)采用全數(shù)字化的、基于網(wǎng)絡的分層分布式系統(tǒng)結(jié)構，從下到上，包括現(xiàn)場級的總線通信網(wǎng)絡、電站級網(wǎng)絡和梯級集控中心的電廠級網(wǎng)絡。

采用現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)技術，將LCU中相對較獨立的部分功能例如油壓監(jiān)控、空壓機監(jiān)控、滲漏排水監(jiān)控、廠用電監(jiān)控、直流系統(tǒng)監(jiān)視、閘門監(jiān)控等，從LCU中剝離出來，配以相應的電源、執(zhí)行元件等單獨構成控制屏、箱，以分布式IO(DIO)和遠程IO(RIO)的形式，直接布置在輔機、公用、啟閉機等設備附近，控制器硬件和編程軟件均統(tǒng)一由計算機監(jiān)控系統(tǒng)供應商提供。為了同現(xiàn)地控制單元區(qū)分，我們將新增加的這一層稱為現(xiàn)場功能控制層。現(xiàn)場功能控制層采用現(xiàn)場總線技術，與對應的上層設備－機組或公用、開關站、大壩等LCU通信，實現(xiàn)信息的采集上送和控制命令的接受。

系統(tǒng)具有遠程診斷和維護功能。可以診斷到全系統(tǒng)任意一個CPU卡、通訊通道、I/O板的使用狀況和運行情況，直至通道一級。對于典型的故障還可提出維修建議，可以在線修改、下載參數(shù)和下載控制程序。

同時，由于信息量的完整和集中，能夠通過在集控中心配置水電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度軟件包，對梯級電站的多庫聯(lián)合調(diào)度運行，實現(xiàn)對所轄電站的優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟運行。

同期我院完成的類似工程項目還有白水江流域集控中心、美姑河流域集控中心、田灣河流域集控中心、中水公司成都集控中心等。集控中心的系統(tǒng)配置已不僅僅局限于計算機監(jiān)控系統(tǒng)，還包括大屏幕顯示系統(tǒng)、水情自動測報系統(tǒng)、水電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)(或軟件包)、繼電保護及故障錄波信息管理系統(tǒng)、電能量采集和報(競)價系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、消防監(jiān)控系統(tǒng)等多個生產(chǎn)系統(tǒng)，以滿足電站日常運行和檢修維護的需要。

2.3 運營管理中心模式

上述兩種流域梯級集中監(jiān)控，主要以滿足梯級電站生產(chǎn)的迫切需要，隨著相關領域的技術進步而發(fā)展起來的集控模式。而隨著中國與西方發(fā)達國家的交流日益增多，大量國外先進的管理知識被介紹到國內(nèi)，一些先進的企業(yè)管理制度和管理理念被部分規(guī)范化發(fā)展的大公司所采納，以期能在今天全球化的市場競爭中立于不敗之地。在這種背景下，流域梯級集控中心的任務已不再滿足于單純的電力生產(chǎn)，而是在計算機監(jiān)控系統(tǒng),大屏幕顯示系統(tǒng)、水情自動測報系統(tǒng)、水電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)(或軟件包)、繼電保護及故障錄波信息管理系統(tǒng)、電能量采集和報(競)價系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、消防監(jiān)控系統(tǒng)等多個生產(chǎn)系統(tǒng)基礎之上，通過對多個生產(chǎn)子系統(tǒng)的信息共享和挖掘，使生產(chǎn)、營銷、人力、財務能夠有效整合的運營管理中心模式。

運營管理中心除了配置必要的各個生產(chǎn)子系統(tǒng)之外，還有大量的管理、決策子系統(tǒng)－類似大壩及水工建筑安全監(jiān)測系統(tǒng)、生產(chǎn)報表管理及Web發(fā)布系統(tǒng)、發(fā)電及檢修計劃決策系統(tǒng)、報價決策系統(tǒng)、狀態(tài)檢修及備品備件管理系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)，以及人力資源管理、財務管理等系統(tǒng)。

運營管理中心模式是為了滿足公司管理決策的需要而發(fā)展起來的一種全新模式，在滿足電力生產(chǎn)的同時，通過公司生產(chǎn)物資管理、電量計劃及營銷、財務管理、信息統(tǒng)計等手段，實現(xiàn)對所轄梯級電站的安全監(jiān)視、經(jīng)濟運行、統(tǒng)一管理、優(yōu)化決策。運營管理中心模式通過采用先進的管理措施，提高公司的盈利能力，提升公司的競爭能力。

運營管理中心模式作為梯級集控設計模式的一種新生事物，尚存在諸多的技術難點，例如如何有效整合從各系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)、如何根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)反映出企業(yè)的整體運營狀況、如何提高各項業(yè)務決策的及時性和準確性等，目前還未有一致公認的、成熟的解決辦法，可喜的是已有部分企業(yè)在相關行業(yè)上有類似的、局部的應用，包括采用IEC 61850-7-410、IEC61970等標準和中間件等技術的案例。

就目前來說，我們建議在運營管理中心的設計項目上，根據(jù)各業(yè)主的流域規(guī)模、管理水平等，進行統(tǒng)一規(guī)劃、系統(tǒng)性地配置，在實施過程中根據(jù)各子系統(tǒng)成熟狀況、實施條件分期分批實施。

我院目前正在設計實施的運營管理中心項目包括華能四川水電有限公司成都區(qū)域水電控制中心、國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司大渡河流域集控中心、二灘水電開發(fā)有限責任公司雅礱江流域集控中心，其中部分生產(chǎn)子系統(tǒng)已招標采購并投入試運行。

3 結(jié)束語

回顧我院近十多年在流域梯級水電站的設計歷程，我們首先要感謝一個個項目的業(yè)主，正是由于他們在管理層面和技術層面的不斷提出高的要求，才驅(qū)使我們不斷的創(chuàng)新和前進；同時，也要感謝國內(nèi)外計算機監(jiān)控系統(tǒng)的集成商，由于他們及時地將各種成熟的技術、產(chǎn)品引入到流域集中監(jiān)控這個領域，才能使我們的設想一步步成為現(xiàn)實。

[1]何建坤,張希良,肖江平.可再生能源立法研究與論證報告〔R〕.清華大學能源環(huán)境經(jīng)濟研究院，2004.

[2]可再生能源立法研究報告〔R〕.國家發(fā)展和改革委員會能源局、能源研究所、中華人民共和國可再生能源法立法研究課題組，2004.

[3]徐長義.水電開發(fā)在我國能源戰(zhàn)略中的地位淺析〔J〕.中國能源,2005(4).

[4]王勁夫,林峰,曹偉,等.擴大廠站模式的火溪河流域計算機監(jiān)控系統(tǒng)〔J〕.水電廠自動化.2005(1).

[5]林峰,李伶.中型梯級水電站實現(xiàn)“無人值班”集中監(jiān)控模式的技術探討〔A〕.第一屆水力發(fā)電技術國際會議論文集〔C〕.

[6]方輝欽.現(xiàn)代水電廠計算機監(jiān)控技術與試驗〔M〕.中國電力出版社,2004.