地热电站超远距离监控方案研究

陈小刚

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

超远距离监控的“超远距离”指的是两地间接近上百公里甚至更远。超远距离监控系统意思是由远端的监控系统采用超远距离通信网络技术对现场的设备、仪器等进行监视和控制，以便解决地域和环境限制，同时降低维护成本。地热电站建设取决于地热能源场，西藏地热源一般处于荒僻的高海拔无人区。此地区长年气候干燥、寒冷、空气稀薄，若要在此地区进行类同于传统能源电厂的生产运营管理有相当大的难度。远程集中监控对电站的管理有利，工作区域由电站内数名运行维护人员向片区内只有几名巡视人员或无人值守转化。

地热电站，包括太阳能、风能、分布式能源等其它新能源电站，其电能生产过程相对火电、核电等要简易很多，监控的设备数量少，操作性降低，这些电站所处环境的特殊性也对超远距离监控的实现更为迫切。地热电站实现超远距离监控将突破地域和环境的限制，降低维护成本，运行人员不用长期处于恶劣的环境中工作和生活，电站的工作和管理都将更加人性化。

1 国内外研究现状

远程监控是国内外研究的前沿课题，国内外对远程监控技术的研究，主要集中于远程实验研究、远程控制机器人的研究以及工业领域应用的研究。信息交换沟通领域从现场设备层到控制、管理的各个层次迅速覆盖，建立了连接设备、车间、工厂、公司乃至全球各地的网络。

地热电站现有的运行管理方式，与传统火电管理运行方式相似，均是在厂区内或不远处设置运行人员，通过控制系统进行监控。目前国内外基于局域网的电厂监控系统已经很成熟，如分散控制系统(Distributed Control System, DCS)、厂级监控信息系统(Supervisory Information System at plant level, SIS)、管理信息系统(Management Information System, MIS)等系统。国际上有几个DCS厂家开发了基于浏览器/服务器(Browser/Server，B/S)技术的远程DCS监控系统，但仍未得到成熟应用。国内有高校、科研所、公司也在积极致力于远程监控技术的开发。

2 工业生产超远距离数据通信简介

在两地之间传输信息要有传输信道，根据传输媒介的不同，分为有线数据与无线数据通信，共同点是都要通过传输信道将数据终端与计算机联结起来，使不同地点的数据终端可以实现信息资源的共享。以下介绍几种工业中应用的数据通信。

2.1 工业以太网通信

工业监控系统以工业以太网作为传输网络，被广泛应用到工业中的各个领域。工业以太网的应用，为监控系统提供了便利的网络资源，缩短了开发周期；同时工业以太网的稳定性使监控系统的数据传输更可靠；工业以太网还有不受地理位置限制优势，在有网线接口的地方就能将工业设备接入网络。而且越来越多的工业设备已集成了网线接口，方便设备接入网络。

2.2 无线网络通信

随着全球移动通信系统(Global System for Mobile Communication, GSM)、通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service, GPRS)、无线局域网(Wireless Local Area Networks, WLAN)等无线网络的陆续出现，促进了工业监控系统的发展。此时无线网络又可分成两类：无线局域网和无线广域网。当时的很多工业企业采用集中的生产方式，监控网络采用WLAN无线局域网就可实现工业无线监控。在无线广域网中，基于GPRS的工业远程监控系统应用最为成熟。

2.3 4G/3G通信

4G集3G与WLAN技术于一体，且能够快速传输数据，如高质量的音频、视频、图像等。4G网络比3G网络拥有更高的带宽，其传输速度有了明显的提高。4G网络拥有数据传输的高速率，实时性和稳定性优势突出。

2.4 卫星通信

卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。简单地说，卫星通信就是地球上的多个无线电通信站利用卫星作为中继进行的通信。卫星通信的特点主要是：覆盖范围广，只要在卫星电波覆盖范围内，任何两点间均可通信；同时卫星通信不易受陆地灾害的影响。

2.5 各通信方式特点对比

将上述通信方式进行特点对比，具体的优缺点见表1。

3 远控方案可行性研究

3.1 超远距离监控系统的要求

地热电站的监控，是通过计算机控制系统实现对地热井口设备、扩容器及扩容分离系统、汽轮机设备及系统、凝汽器及其辅助设备、辅机冷却水系统、地热水回灌系统及设备、化学水处理系统、循环水系统、电气系统及设备、暖通系统等系统和设备的监控和管理。其控制系统和方式的方案是电站全厂采用一套分散控制系统，通过DCS对地热井和全厂的发电机组及辅助设备进行监控和管理。对于发电机组和地热田相距较远的，一般设置远程输入/输出(Input/Output， I/O)控制站在就地。

表1 通信方式特点对比

分散控制系统对象主要包括厂级控制设备、现场级的设备、电源设备、网络设备、视频监视 (Closed Circuit Tele Vision， CCTV)等。控制机柜一般就近布置在控制设备间内。

由于生产设备通常是连续工作，因此监控系统应具有长时间连续工作的能力。这样就应该从系统设计的可靠性、实时性、安全性、可维护性等方面出发提出要求，具体体现在以下几个方面：(1)监控系统能够长时间不间断运行，即无故障运行的时间要长；(2)系统应能够提供多种安全保护措施；(3)监控系统对信息的传输要及时，不能有过大的延时；(4)监控系统要有通用性和灵活性；(5)具备丰富的系统功能。

3.2 超远距离监控行业案例

在电力系统内部，电网公司和水电公司已率先实现远程监控系统的应用。

3.2.1 电网生产监控的“四遥”技术

随着电网四遥技术(遥测、遥信、遥控、遥调功能系统)的应用，电网生产已较早实现了无人值守及远程监控技术。电网公司目前已实现少数500 kV变电站、全部220 kV变电站的远程监控技术。集控站一般建在调度中心和变电站之间，在集控站对多个无人值守的变电站进行集中监控、管理，它是处于局部电网的层次上，对所管辖的无人值守变电站进行更高层次管控。除数据采集与监视控制系 统 (Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)控制功能外，还能利用集中得来的细节信息，作决策分析处理，在地区调度自动化系统中起到前级智能信息处理节点的作用。

3.2.2 大型水电站集中控制

以雅砻江流域水电开发有限公司为例，公司已对水电站实现了成都总部集中控制。该公司拥有多处大型水电站，最远的水电站距离成都总部约600 km，集中控制中心都可在总部监控就地生产情况。同时跟现场控制中心一样可进行操作，现场和集控中心的监控效果一样。

3.2.3 电网、水电的监控特性

电网和水电较早地实现了超远距离监控，发电厂仍没有采用，是由其生产过程的差异性所决定的。电网的远程监控以分合、切换变电站断路器、隔离开关为主，不涉及调节系统，通过远程自动化监控系统容易实现。大型水电站监控数据量大，数量级同火电厂的数据量，但其调节系统相对较少，主要是功率调节系统、机组压油装置综合自动化系统以及闸门等，水电调节系统不用频繁操作，可实现远程监控。由此可见，远程监控也可适用于操作、监控相对简单的地热电站。

3.3 通信方式选择

通过前文对几种通信方式的介绍以及优缺点对比，结合研究对象发电厂特性(超远距离数据传输，传输的实时性、安全性、可靠性等)，选择工业以太网通信方式，通道采用光纤通信。

近年来，电网公司利用自有的线路杆塔来架设特种通信光缆发展电力系统通信网络。这种特殊通信光缆是光纤复合架空地线(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW)， 具备地线与通信光缆的双重功能，通常被安装在杆塔顶部。OPGW是由多个光单元和多层绞合单线共同组成，见图1。光单元是指能容纳光纤的金属管、骨架槽或塑料管，作用是保护光纤免受外界环境的影响，例如免受冲击、纵向收缩、扭转、弯曲、等损坏。在光单元外侧，需要绞制金属线，形成一定规模的导电绞线，这样才能满足送电线路对架空地线机械方面以及电气方面的要求。在OPGW中，传输通道由光纤提供，钢成分主要负责机械强度，铝成分的主要作用是承载短路电流。

图1 OPGW示意图

综上所述，鉴于现有通信技术、设备以及行业经验，通过城区集中监控的方式，对地热电站等新能源电站实施超远距离监控方案，技术上可行并且意义深远。

4 羊易电站超远距离监控预案设计

4.1 电站概况

羊易地热发电项目的装机容量为1×16 MW，两个站址均位于西藏自治区拉萨市当雄县格达乡南部羊易村，距拉萨市直线距离约75 km。站址区域地形开阔平缓，植被不发育，地表高程在4550～4570 m之间，人烟稀少。当雄县的气候特点为：夏季雨热同期，干湿季分明，天气变化大；冬季寒冷、干燥，昼夜温差大。从11月至翌年3月份有三个月的土地冻结期，属高原寒温带半干旱季风气候区。

4.2 现有的监控方式

现有的监控方式通过现场集中控制实现，具体情况如下：

(1)地热发电机组、地热机组外围辅助系统、电厂辅助系统(Balance of Plant, BOP)及地热井井口加药系统，通过一套分散控制系统对其控制和管理，用远程I/O控制站实现对地热田的远程监视和控制，整体采用集中控制方式。操作员站均布置在全厂就地集中控制室内。现有控制系统主要包括电厂级的控制设备、现场级控制设备、电源设备、网络设备、视频监控等。

(2)在就地集中控制室内，运行人员实现对机组监视、调整以及机组异常工况时的紧急处理或停机，在少量就地人员巡检和操作的配合下，完成机组的启动和正常停机。同时在就地集控室操作台上通过硬手操按钮可实现对有机工质朗肯循环(Organic Rankine Cycle, ORC)地热发电机组的紧急停机。

(3)设置生产视频监视系统。在全厂就地集中控制室内设置监视器对地热发电机组、地热机组外围辅助系统BOP及地热田生产井等重要区域进行监视。

4.3 超远距离监控预案规划

本次羊易地热电站实施内容分为三个方面：拉萨远程集控中心建设、通道建设、羊易地热电站通讯及监控系统建设。

4.3.1 远程集控中心建设

建设远程集控中心基础支撑平台，主要包括发电机组监控系统、电气监控系统、辅助监控系统、网络交换系统、大屏显示系统、通信系统、交直流配电系统、安防报警系统、照明系统、调度数据网系统及视频监控系统。设置远程集控中心的总体目标主要分为三个方面：生产监控、运行监视、生产管理，从而实现对羊易地热电站的管、监、控一体化目标。

4.3.2 通道建设

租用国网西藏电力公司佳木110 kV变电站到羊易地热电站2条200 M带宽的通信通道，即OPGW通讯；建设从佳木110 kV变电站到拉萨集控中心双光缆通道；在佳木110 kV变电站原通讯设备里新增加通讯板，并配置通道。

4.3.3 羊易地热电站建设

将原工作站移装至拉萨集控中心；增加以太网光口通讯板卡和千兆网交换机，使羊易地热电站和拉萨集控中心通讯畅通。

4.3.4 电站远程集控系统拓扑图

根据以上所述，形成预案拓扑图，见图2。

4.4 远程监控系统各子系统技术规范

为实现拓扑图中所示的远程监控，除了利用成熟的地热机组、辅助系统及电气监控系统外，还需要对视频监控系统、光传输设备、数据网及二次防护等主要设备和系统提出技术规范要求。

图2 羊易地热电站远程集控系统拓扑图

以视频监控系统为例，系统采用数模结合的方式，系统设备采用模块化结构，系统主要设备应有结构和功能冗余。系统局部的故障不会影响到整个监控系统的正常工作。系统应采用稳定、成熟的技术方案，充分保证系统的响应速度快，可靠性和可用率高，可维护性好，且便于扩充。在数据网及二次防护技术规范中对网络技术提出要求，如在网络最大忙时，端到端时延、抖动、丢包率等具体要求，以及当采用纵向加密装置技术时的要求等。此要求主要从系统的稳定性、可靠性、实时性和安全性等方面提出，以便更好在现有控制方式和通讯方式下实现超远程监控。

4.5 紧急操作方案

发电厂现有的运行模式中，是在现场集中控制室操作台设有按钮通过硬接线到主要设备，即发生紧急情况时通过“按钮+硬接线”方式控制设备的启、停等操作。显然，当采用了远程监控方案时，“按钮+硬接线”方式无法实施。但现有规程规范要求跳闸指令直接硬接线接至驱动回路中，机组跳闸指令不能通过通讯总线方式传输。如此远距离的监控，通讯只能是唯一的解决方案，其潜在的安全风险尚需进一步评估。现列出两种独立于正常通讯方式的紧急操作通道供参考。

(1)采用移动通讯的接入点名称(Access Point Name, APN)专线

使用专用的APN连接上无线传输网络，通过移动的网关GPRS支持节点(Gateway GPRS Support Node, GGSN)网关连接就地设备或就地紧急停机系统，实现信息的实时发送和接收。专用APN以专网的形式，形成一个相对独立的网络环境，使网络具有很高的安全性。如果发现紧急情况，运行人员可在远程集中控制室通过特定的手持终端装置，如可通过通讯平板电脑进行紧急停机处理，结合控制系统，实现双重冗余可靠处理。

(2)采用光纤专线

在集中控制室设置常规按钮，在按钮被按动时，回路中的电信号经光发射机转换成光信号，将经过调制的光信号耦合入光纤；光信号经过一段距离的传输后到达光接收机；光接收机将被调制过的光信号转换成电信号，该电信号可接入紧急停机回路中，以实现紧急操作的功能。

4.6 运行管理方式

拉萨集中控制室人员负责监视、遥控操作，需要统计监控装置、自动装置异常及故障情况，及时将运行中发现的异常和问题反馈给现场值守运行人员，及时消除缺陷。发电厂根据实际情况，现场可无人，也可保留少量值守人员，用于处理通讯中断、设备突发故障等机组的紧急操作，也用于安防、消防的现场值班。维护人员需定期(如每月)对就地设备进行巡视，做好巡视记录，对存在异常的设备适当增加巡视次数，具体运行管理方式可根据实际运行需要以及公司管理规定提出。

5 结语

随着互联网技术的发展，远程监控将被用到工业生产各种现场的设备和参数，大量节省人力、物力和财力。本文的研究内容是在查阅了大量国内外科技文献的基础上，对国内外现有远程监控系统的实际案例进行了分析，并结合地热电站进行远程监控时所涉及的关键性技术进行了探讨。对电站实施远程监控，将是一个复杂而庞大的工程，明确涉及到控制网络、信息网络、计算机软硬件等方面内容，充分它充分体现了自动化技术、计算机技术、通信技术的综合与渗透。本文的研究思路可供以后的地热电站实现远程监控时借鉴使用，同时也可为太阳能光热、风电等新能源电站实现超远距离监控提供参考。

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