摘要：本文主要回顧了改革開放30年來中國水利水電科學研究院在水電廠計算機監控係統、水情測報係統以及調速器技術等領域的發展和變化曆程。詳細介紹了H9000係列水電廠計算機監控係統，特別是H9000 V4.0係統在三峽右岸電站的成功應用，是我國水電站監控技術進步的一個重要標誌；應用衛星、GSM技術在水情測報係統的廣泛應用，已由單站向流域的發展，不斷開發新產品，特別在防雷技術、中繼站技術等方麵取得重要成果；詳細介紹了調速器技術的曆程，特別是快速開關閥與邏輯插裝閥組件在水輪機調速器中的成功應用，是調速器技術的一項革命性的變革，為調速器的發展帶來了新的路子和活力。

　　關鍵詞：水電廠；自動化；監控係統；水情測報；調速器；回顧

　　1. 引言

　　中國水利水電科學研究院自動化研究所於改革開放的1978年組建，專門從事水電廠自動化相關技術研究，主要從事水電廠計算機監控係統、水庫與流域水情測報係統、水輪發電機調速器、水輪發電機勵磁係統、遠動通訊等領域的研究與行業歸口管理工作。三十年來，自動化所圍繞我國水利188體育官網app 與生產的需要進行科研開發，努力鑽研，不斷進取，完成了百餘項國家及省部級科研項目，完成了三峽、二灘、白山、豐滿、龍羊峽、新安江、水口、烏江、公伯峽、萬家寨、漫灣、岩灘、五強溪等數百項國家大型水利水電工程的自動化係統工程，為我國的水利水電自動化技術進步做出了卓越貢獻。

　　本文主要回顧改革開放30年來，水科院自動化所在水利水電自動化技術領域的發展曆程及取得的成就。鑒於作者手頭掌握資料有限，難免有遺漏或謬誤之處，敬請原諒。

　　2．水電廠計算機監控技術回顧

　　2.1 科研試點階段的百花爭豔

　　我國水電站計算機監控技術的研究與開發起步於80年代初。我所研製成功了我國第一套基於多微機分布控製 的富春江水電廠計算機監控係統，1986年獲國家科技進步三等獎。到90年代初，我所還承擔並完成了緊水灘、龍羊峽等水電廠的計算機監控係統項目。通過試點，嚐試了水電廠采用計算機監控係統的優越性和可行性，並初步形成了幾種成熟的推薦模式，為我國培養了一大批從事水電廠計算機監控係統的科研、設計、安裝和運行維護的技術隊伍，積累了寶貴的經驗。

　　2.2 水電廠“無人值班”(少人值守)階段的H9000係統

　　1994，水電行業開展水電廠“無人值班”(少人值守)試點及“創一流水電廠”工作，一個以計算機監控係統為核心的水電廠自動化改造熱潮蓬勃興起，為監控係統技術的發展創造了良好的局麵。我所適時推出了新一代H9000係列分布開放係統，通過五強溪電站計算機監控係統的國際合作與交流，借鑒和消化國外先進技術，統一標準與設計，完成了基於64位Alpha機和UNIX操作係統的H9000 V1.0係列監控係統的開發，在四川寶珠寺、浙江湖南鎮擴機、湖南鳳灘獲得應用，其中湖南鎮擴機電站成為我國第一個真正的關門電站。

　　到2000年為止，先後用於龍羊峽、貴州東風、烏江渡、新安江、緊水灘等近百個大、中型水電站監控係統，以及西北電網水庫調度、白山梯級、烏溪江梯級等電調、水調、梯級集控中心項目。其中白山梯級電站遠方集控係統在國際上首次采用110km無中繼100MB光纖快速以太網技術，實現了大型水電機組的遠方實時監控，成為我國水電監控技術進入快速以太網時代的裏程碑。

　　在該階段，分層分布開放係統成為水電廠計算機監控係統的基本模式，大量采用開放的硬件和軟件產品，軟件和硬件標準化程度高，可靠性好。監控係統的應用軟件實現了標準化模塊化，功能齊全，實用性強，大量采用工具軟件支持工程開發，開發周期短，係統的性能指標先進，基本上達到了國際同期先進水平，成功率高，滿足了水電廠“無人值班”(少人值守)的要求。

　　2.3 無人值班時代的H9000係統

　　2000年初，為了配合國內水電廠運行管理的目標進一步向無人值班發展，H9000係統升級到V3.0版，有80多個水電廠獲得應用，如公伯峽、黃河上遊梯調、黃河小浪底遠方集控中心、白山蓄能及梯級升級、鳳灘擴機及改造、烏江渡擴機及改造、三板溪、碗米坡、五強溪改造、尼爾基等，出口國外5套，推廣應用到引水工程泵站控製。

　　H9000 V3.0係統主要解決了下列幾個關鍵技術：(1) 采用了PLC直接接入以太網的方式，在控製主回路中取消了IPC，大幅度提高了監控係統的可靠性，完全滿足了水電廠無人值班運行對監控係統可靠性的要求。(3) 通訊規約庫進一步完善，不僅支持各種傳統的遠動規約，而且研製開發了IEC 870-5-101係列、DNP3.0、TASE-2規約等國際標準通訊規約，形成了較為完善的通訊軟件包。電力調度可將水電廠監控係統看成一個虛擬的遠程終端RTU。(4)在AGC/AVC等高級應用軟件的應用方麵有較大進步，白山、烏溪江等實現了梯級聯合AGC，在龍羊峽、烏江渡等近20個水電廠實現了調度遠方AGC，其中貴州東風水電廠實現了電站監控係統按省調負荷曲線自動開停機和負荷調整。

　　2001年，與Alstom公司聯合中標三峽左岸電站計算機監控係統，與ABB公司聯合中標三峽梯調自動化係統，我方承擔了三峽梯級AGC等重要功能。

　　2.4巨型機組時代的H9000V4.0監控係統

　　隨著三峽工程左岸電站首台機組2003年7月發電，三峽右岸電站、龍灘等一批特大型水電站的建設也全麵展開，進入建設高潮，標誌著中國188體育官網app 進入巨型機組特大型電站時代。結合2005年5月簽約的三峽右岸水電站計算機監控係統項目，研製開發了嶄新的H9000 V4.0係統，在三峽右岸已順利投運，隨後在三峽右岸地下、瀑布溝、瑞麗江、沙灣、西津、安康等20多個電站獲得推廣應用。H9000 V4.0係統的
主要技術進步體現在以下幾方麵：

　　(1) 強大的數據采集與處理功能

　　針對特大型電站海量數據的高可靠與高實時性采集，H9000 V4.0係統采取的主要技術措施包括：同時采用主進程、多子進程及多線程技術；按數據類型的多重TCP/IP連接並行工作模式；PLC數據掃描周期的多重數據傳送請求與處理；采用PLC冗餘優化策略，實現網絡和LCU CPU的快速自動切換。

　　在數據處理方麵的主要改進包括：高精度、寬數據表示範圍；數據屬性更加豐富；三態點的處理更加靈活；數據記錄區的分類更加合理；利用條件閉鎖係統，實現了智能報警；完善重複報警處理機製以及數據趨勢報警功能，等等，使係統使用更加符合運行人員的習慣，操作更加便捷。

　　(2) 完善的安全性與可靠性措施
為確保係統高可靠性，各層的重要設備均采取雙重冗餘配置。冗餘配置時，主備之間應可實現無擾動自動切換。並采用負荷平衡管理與互備冗餘技術，正常運行時，各數據采集服務器雙機熱備，各承擔50%的負荷；係統異常時，一套服務器可承擔全部數據采集負荷。因此，與常規的主備冗餘配置相比，係統的可靠性得到進一步的提高。針對特大型電站控製設備多和操作分散的特點，增加了操作員站控製範圍設定功能及操作對象鎖定功能。控製命令均增加了時標閉鎖條件檢查。

　　(3) 用戶友好的人機聯係係統

　　采用最新的GTK圖形標準，程序代碼運行效率高，同一源程序可在Unix和Windows平台下運行，不僅保持了H9000應用圖形係統兼容的特點，而且實現了源代碼級的跨平台兼容。

　　新版OIX軟件界麵新穎美觀大方，人機界麵非常友好，保持了H9000係統麵向對象操作的特點，支持多屏、多窗口顯示，全鼠標驅動,圖形可無級縮放,支持矢量漢字，數據狀態等信息可采用豐富的色彩庫、三維符號圖形庫、字符庫、動態曲線、表格等方式表示，立體三維、實時動畫等多媒體圖形功能更加豐富多彩，還可方便地采用模擬儀表、發電機P-Q圖、閘門水位圖等專業圖形。

　　針對特大型電站信息量大的特點，報警處理記錄充分考慮運行人員的習慣，將事故信息與其它信息自動分開顯示，並提供多種跟蹤查詢搜索功能及調試手段。在重要設備操作時，不僅可以進行有關操作過程監視，而且可以通過邏輯圖直觀地監視影響這些操作的條件。增加了控製對象數據類型，在操作員站上可以很方便的完成設備控製操作，查看到與控製對象相關的所有實時信息。

　　(4) 自動發電控製

　　針對AGC調頻方式難以給出確定的頻差係數的問題，調頻和調壓采用自適應係數，具有自學習自適合的功能，可有效確保係統安全調節穩定；對於超大型機組AGC有功調節的安全性問題，采用功率跟蹤和功率補償措施；負荷曲線方式引入分步調節算法，減少對電網衝擊；能根據水頭－出力－效率－流量曲線盡可能提高電廠效率；對於電廠效率優化問題，采用修正等容量比例負荷分配。這些措施提高了電廠運行效率，保證了電網安全。2007年9月20日，三峽右岸電站AGC正式投運，標誌著國產監控係統AGC首次成功應用於700MW水電機組。

　　(5) 開放的報表定製技術

　　HReport報表子係統以Microsoft Excel自動化技術、OleDb數據庫訪問技術以及XML技術為基礎，用.Net構建Excel插件，利用Excel完成報表靜態部分的編輯，通過將查詢變量關聯到Excel的樣式，完成表格動態數據格式的定製。報表定製簡單，用戶界麵友好，管理查閱方便。報表與Excel電子表格和SVG文檔兼容，可通過Excel訪問，或通過WEB信息發布係統向外發布。

　　(6) 曆史數據管理係統

　　HistA子係統完成H9000 V4.0係統的曆史數據存儲、查詢與維護管理功能，以Oracle等為後台數據庫，B/S與C/S相結合的體係結構，不僅可提供各類報表日誌，而且可形成各類報警記錄曆史數據，如各類報警信息、溫度趨勢分析記錄、相關量記錄信息、重要運行工況轉換記錄、各種曆史曲線等。

　　(7) 培訓仿真係統

　　OTS2000操作員培訓仿真係統是H9000係統的一個獨立子係統。該係統首先建立了一套標準化的水電站計算機監控係統被控對象的仿真模型，並定義了被控對象的描述語言SimuLog，開發了仿真語言的編譯係統SimuGen和仿真器SimuEngine，實現了水電廠現場設備的仿真。SimuLog語言不僅可以仿真簡單的狀態量變化過程，也可仿真連續係統和非線形係統，並支持仿真任務的監視、管理與調度，與H9000係統融為一個有機的整體。

　　(8) 狀態趨勢分析係統

　　SMA2000狀態監測分析係統以H9000 V4.0為基礎,以Oracle 10g 為後台數據庫，采用B/S 與C/S 混合結構。該係統通過各機組、公用及開關站的數據采集監測及分析係統，在線監測設備的運行狀況，分析設備的運行趨勢，提供檢修指導。監測與分析可在電站局域網內進行，也可通過互聯網遠程訪問。具有特征值分析、比較分析、相關量分析、虛擬曲線分析以及數據挖掘技術等數據分析手段。該係統在三峽電站已投入運行。

　　3．水情測報係統技術發展回顧

　　水科院自動化所是我國最早專門從事水情自動測報係統與相關技術研究應用的單位,已有30多年的曆史，與國外發達國家相比，雖然起步較晚，但發展很快,由短波問答式發展到超短波自報式，近十年衛星、短信等通信技術在我所的水情自動測報係統中得到了廣泛地應用。

　　3.1 科研攻關與超短波通訊時代 (1975～1990)

　　1980年，黃龍灘、烏江渡、天橋、鳳灘四座大型水電站在特大洪水中遭受水淹廠房重大事故。1981年，電力部決定在全國重點水電站和在建工程建立水情自動測報係統，並委托我院研製黃龍灘水電廠水情測報和防洪調度自動化係統，自動化所負責總體與設備及通信布網，水資源所負責實時洪水預報程序，黃龍灘水電廠配合。

　　開始我們采用國際通用的召喚式遙測體製，由於電源、交通及防雷問題，國內這類係統不久紛紛失敗，包括全套引進歐洲共同體的遙測係統。於是我們獨立研製開發了新型遙測站，采用最先進的低功耗單片機技術，守候耗電遠遠低於國外同類產品。設計製造的高強度遙測站鋁合金外殼，其抗雷電能力極強，優於國外同類產品。調度中心站、分中心係統也完成開發，可以接收遙測站發來的信息。水資源所也完成了對黃龍灘水電廠庫區的雨量轉換為水量、徑流過程進行若幹年模擬、計算、改進，可以在計算機上獲得較正確的洪水預報結果。

　　根據試驗成果和國內的設備狀況，決定采用超短波通信。為了摸清超短波傳輸特點，1981年11月開始在黃龍灘庫區鄂西北山區開展高山複雜地形超短波通信試驗。總結了一套超短波通信布網設計方法，在黃龍灘工程中投入使用。

　　由於黃龍灘庫區地處鄂西北，許多中繼站、雨量站和水文站在偏僻的高山峻嶺之中，沒有電源，沒有道路，通信組人員多次進行實地測試。經過中繼站多次選址，信道反複計算，1985年全流域的超短波遙測通信網才塵埃落定。該通信網自1986年投入運行以來，經受了狂風暴雨、電閃雷鳴、嚴重幹擾的考驗，運行可靠。證明了我們推出的超短波通信設計方法是正確的。該方法在後來的超短波水情自動測報係統工程中多次推廣應用。

　　1986年黃龍灘水電廠水情測報和防洪調度自動化係統投入運行，水情自動測報係統進入實用階段。1988年12月通過部級鑒定，1991年5月獲能源部科技進步二等獎，1991年11月獲國家科技進步三等獎。
1990年9月，能源部在黃龍灘水電廠主持召開了全國水情自動化測報經驗交流會。與會代表一致認為：該係統是我國第一個成功運行的水情自動測報係統；該係統的工作體製、硬件設備及軟件優於國外同類產品，擁有自主知識產權，填補國內空白。該係統在當時和後來相當長的一段時間裏成為國內水情自動測報係統標誌性工程。

　　3.2市場化與衛星通訊時代 (1991～2004)

　　我所研製成功富春江水電廠衛星水情自動測報係統，在國內率先將先進的Inmarsat衛星技術運用在水情自動測報領域。研製我國第一套映秀灣－太平驛水電廠VSAT衛星水情自動測報係統，采用以色列GILAT公司的衛星設備，使用亞洲2號通信衛星。研製我國第一套萬安水電站GSM短信水情自動測報係統。有力地推動了衛星、GSM短信技術在水電、水利、水文係統廣泛應用。

　　研製成功北京玉淵潭電站和河北承德戴營水文站水質自動監測係統，通過超短波、GSM/CDMA短信及全線通衛星等通信手段，將實時采集的水質參數發送到中心站，實現了天上降雨、地麵成水、地下入滲以及用水的統一監測。

　　我所先後承建了60多套水情自動測報係統，90年代初在建裝機百萬千瓦以上五朵金花中的三朵金花雲南漫灣、湖南五強溪、廣西岩灘的水情自動測報係統由我所中標承建，其它大中型水電站包括雲南小灣、景洪、糯紮渡、江西萬安、柘林、湖南鳳灘、浙江富春江、四川二灘、映秀灣、青海李家峽、公伯峽、陝西安康、吉林豐滿、白山等，大型水利樞紐工程包括山西萬家寨、四川武都、廣東飛來峽等。

　　3.3 流域水情與水調時代(2005～至今)

　　隨著電力體製改革，水電市場發生了劇變。由原來一個電站的水情水調市場發展成為一個流域數個甚至十幾個電站的梯級水調自動化市場。各電源公司紛紛大力開展梯級流域開發，成立了梯級調度中心。

　　2007年2月，簽署三峽屏山～寸灘區間水情遙測係統90個遙測站的開發、生產與安裝調試合同。該係統是三峽梯級水庫水調自動化係統工程中的水情測報係統的二期工程，是三峽梯級水利樞紐水調自動化係統穩定運行的基石。在美國Sutron公司的RTU上開發專用的應用軟件，使RTU與傳感器和通信設備融為一體，實現數據的采集與通信功能。另外包括設計、生產人工置數顯示終端、振鈴檢測器、加電控製器等外圍部件，構成一個完整的水情信息遙測站。

　　4．水輪機調速器技術發展回顧

　　1978年,自動化研究所設水輪機調節專業，主要工作是接受水電部科技司領導，歸口管理全國調速專業的行業工作。1990年之後，我們更加注重不斷將技術轉化為生產力，在市場競爭中不斷發展。
1990年開發成功基於MCS51的單片機水輪機微機調速器在龔嘴投運，我所第一代微機調速器的誕生。同年完成鹽鍋峽水電站T-100機械液壓調速器改電調項目，創機械調速器在保留主配以下的前提下改造為電調的先河。

　　1990年參與編寫的國家標準《水輪機調速器與油壓裝置技術條件GB9652-88》，獲機械電子工業部三等獎。1991年主持編寫的電力行業標準《水輪機電液調節係統及裝置技術規程SD295-88》，獲能源部科技進步三等獎。這些標準及其後續修訂版已成為指導調速器設計生產、設備招標的權威性參考文件，深受廣大電力行業用戶的歡迎。

　　在水電廠動態測試及仿真技術方麵，1991年先後開發成功基於80C186微機的電廠綜合測試仿真係統和基於80386微機的水輪機調速器動態特性仿真係統開發成功。1998年基於便攜機的水輪機調速器測試仿真係統開發成功。1992年《在水輪機調節係統動力學分析中描述水輪機特性的一種新方法》簡便實用，為水輪機調節係統仿真測試儀的改型奠定了基礎，獲能源部科技進步二等獎。1994年，微機調速器通用調節特性控製與仿真程序開發成功，為開發基於不同控製器平台的微機調速器奠定了的理論基礎。

　　在1992年-1997年的時間內，研究開發了一係列新型調速器，為下階段的發展奠定了一定的基礎。1992年采用動圈式工業伺服閥、標準液壓閥、液壓集成塊等，研製成功適用於軸流轉槳式水輪機的調速器機械櫃。同年研製成功適用於軸流轉槳式水輪機調節的STD總線結構MCS51微機調速器。1993年開發成功調速器電液轉換步進缸，是國內較早嚐試步進電機作電液轉換的實例之一，為開發基於步進電機的水輪機調速器奠定了基礎。1995年研製成功我國第一台基於GWT-100工業微機型的水輪機微機調速器，1996年通過電力部主持的鑒定，達90年代國際先進水平。2000年，以GWT-100調速器為控製手段，在柘溪電站現場完成單機－孤立網中調速器穩定性研究。1997年研製成功基於反應式步進電機的MCS96微機調速器。

　　1999年基於比例伺服閥的水輪機調速器先導控製組件研製成功，次年用於水口水電站進口調速器的技術改造，成功消除了水口調速器電液轉換元件動作失靈、負荷調節不穩定等現象；這是國內最早采用比例伺服閥改造進口調速器的成功嚐試。

　　1999年在國際上首次研製成功基於快速開關閥的邏輯插裝式水輪機調速器試驗樣機，在技術上處於國際領先水平，2001年在西溝電站正式投入現場工業運行，獲實用新型專利授權。CVT－XX調速器在可靠性、速動性、可控性、維護性、靈活多變的集成化等方麵具有突破性的進展，實現了全數字化調速器結構，徹底解決了長期困擾水電廠的調速器因油汙而拒動、發卡及漏油等問題，還具有顯著的節能、降耗、增壽、環保等特點。2004年通過部級鑒定，2005年獲大禹二等獎。

　　2001年研製成功基於可編程邏輯控製器(PLC)的水輪機微機調速器，使調速器電氣控製部分的可靠性實現了質的飛躍。

　　另外，還設計開發了多種自動化元件及執行機構，提高水輪機係統整體的可靠性。2002年開發成功新型位移變送器，可靠地解決了長行程位移反饋的難題。2004年開發成功水輪機進水球閥控製櫃、油泵組合閥、壓力變送器等，同年在西溝水電站投入運行。

　　2005年基於實時多任務控製的新一代PLC調速器開發成功，它與CVT機械部分實現了有機無縫結合，在係統整體可靠性、響應快速性、調節品質、控製靈活性與簡潔性等方麵實現了飛躍，次年產品投入商業運行。

　　快速開關閥與邏輯插裝閥組件在水輪機調速器中的成功應用，以全新的思路創造性地開辟了調速器發展的新路子，是一項革命性的變革，為調速器的發展帶來了新的活力。我所邏輯插裝式調速器研製成功後，得到廣大業內人士的矚目，業績不斷發展，由最初1999年的黑龍江黑河西溝電站單機容量為18MW的小機組，逐步發展到2008年福建水口電站單機容量為200MW的大型軸流機組，總裝機台數已達200多台套，產品係列已涵蓋了混流、軸流、衝擊、貫流等機型，並出口國外。

　　5. 結束語

　　三十年過去了，我們在水電廠自動化領域取得了值得驕傲的業績，但我們必須時刻保持清醒的頭腦，市場的需求在不斷變化，管理的目標在不斷變化，以計算機應用為特征的信息化技術、通訊技術、智能技術更是日新月異，未來的競爭仍猶如逆水行舟，不進則退，需要我們不斷開拓思路，不斷探索創新，在水電廠狀態檢修、流域水能資源調度與高效利用、水電站控製新技術等領域進一步突破，為我國的188體育官網app 和現代化事業做出應有的貢獻。

30 Years’ Review of Hydropower Automation
Wang Dekuan, Sun Zengyi, Wang Guiping, Zhang Jianming
(Automation Department, IWHR, Beijing, 100038)
Abstract：This paper reviews the evolution and progress of power plant automation in terms of
computerized supervision and control system for hydropower plants, hydrological
information tele-metering system and hydro-turbine governor and regulators since the establishment of the Automation Department
30 years ago. H9000 system was developed and a more advanced H9000 V4.0 system has been
successfully applied to the Three Gorges Project power station. New products for communication
technologies, such as satellite, GSM, have been developed and widely applied from single reservoir
monitoring to river basin multi-reservoir monitoring and joint operation. Several important technologies, such as
lightning-protection, relay station, governor (fast switching, logic cartridge valve), etc.,
are described.
Keyword：Hydropower station; Automation; Computerized supervision & control system; Hydrological
information tele-metering system; Governor and regulator; Review.

作者簡介：

　　王德寬(1960-)，男，教授級高級工程師，現任中國水利水電科學研究院自動化所所長，北京中水科水電科技開發有限公司總經理，長期從事水電廠自動化、計算機監控與仿真技術研究與應用。