摘要：本文主要回顾了改革开放30年来中国水利水电科学研究院在水电厂计算机监控系统、水情测报系统以及调速器技术等领域的发展和变化历程。详细介绍了H9000系列水电厂计算机监控系统，特别是H9000 V4.0系统在三峡右岸电站的成功应用，是我国水电站监控技术进步的一个重要标志；应用卫星、GSM技术在水情测报系统的广泛应用，已由单站向流域的发展，不断开发新产品，特别在防雷技术、中继站技术等方面取得重要成果；详细介绍了调速器技术的历程，特别是快速开关阀与逻辑插装阀组件在水轮机调速器中的成功应用，是调速器技术的一项革命性的变革，为调速器的发展带来了新的路子和活力。

　　关键词：水电厂；自动化；监控系统；水情测报；调速器；回顾
　
　　1. 引言

　　中国水利水电科学研究院自动化研究所于改革开放的1978年组建，专门从事水电厂自动化相关技术研究，主要从事水电厂计算机监控系统、水库与流域水情测报系统、水轮发电机调速器、水轮发电机励磁系统、远动通讯等领域的研究与行业归口管理工作。三十年来，自动化所围绕我国水利水电建设与生产的需要进行科研开发，努力钻研，不断进取，完成了百余项国家及省部级科研项目，完成了三峡、二滩、白山、丰满、龙羊峡、新安江、水口、乌江、公伯峡、万家寨、漫湾、岩滩、五强溪等数百项国家大型水利水电工程的自动化系统工程，为我国的水利水电自动化技术进步做出了卓越贡献。

　　本文主要回顾改革开放30年来，水科院自动化所在水利水电自动化技术领域的发展历程及取得的成就。鉴于作者手头掌握资料有限，难免有遗漏或谬误之处，敬请原谅。

　　2．水电厂计算机监控技术回顾

　　2.1 科研试点阶段的百花争艳

　　我国水电站计算机监控技术的研究与开发起步于80年代初。我所研制成功了我国第一套基于多微机分布控制 的富春江水电厂计算机监控系统，1986年获国家科技进步三等奖。到90年代初，我所还承担并完成了紧水滩、龙羊峡等水电厂的计算机监控系统项目。通过试点，尝试了水电厂采用计算机监控系统的优越性和可行性，并初步形成了几种成熟的推荐模式，为我国培养了一大批从事水电厂计算机监控系统的科研、设计、安装和运行维护的技术队伍，积累了宝贵的经验。

　　2.2 水电厂“无人值班”(少人值守)阶段的H9000系统

　　1994，水电行业开展水电厂“无人值班”(少人值守)试点及“创一流水电厂”工作，一个以计算机监控系统为核心的水电厂自动化改造热潮蓬勃兴起，为监控系统技术的发展创造了良好的局面。我所适时推出了新一代H9000系列分布开放系统，通过五强溪电站计算机监控系统的国际合作与交流，借鉴和消化国外先进技术，统一标准与设计，完成了基于64位Alpha机和UNIX操作系统的H9000 V1.0系列监控系统的开发，在四川宝珠寺、浙江湖南镇扩机、湖南凤滩获得应用，其中湖南镇扩机电站成为我国第一个真正的关门电站。

　　到2000年为止，先后用于龙羊峡、贵州东风、乌江渡、新安江、紧水滩等近百个大、中型水电站监控系统，以及西北电网水库调度、白山梯级、乌溪江梯级等电调、水调、梯级集控中心项目。其中白山梯级电站远方集控系统在国际上首次采用110km无中继100MB光纤快速以太网技术，实现了大型水电机组的远方实时监控，成为我国水电监控技术进入快速以太网时代的里程碑。

　　在该阶段，分层分布开放系统成为水电厂计算机监控系统的基本模式，大量采用开放的硬件和软件产品，软件和硬件标准化程度高，可靠性好。监控系统的应用软件实现了标准化模块化，功能齐全，实用性强，大量采用工具软件支持工程开发，开发周期短，系统的性能指标先进，基本上达到了国际同期先进水平，成功率高，满足了水电厂“无人值班”(少人值守)的要求。

　　2.3 无人值班时代的H9000系统

　　2000年初，为了配合国内水电厂运行管理的目标进一步向无人值班发展，H9000系统升级到V3.0版，有80多个水电厂获得应用，如公伯峡、黄河上游梯调、黄河小浪底远方集控中心、白山蓄能及梯级升级、凤滩扩机及改造、乌江渡扩机及改造、三板溪、碗米坡、五强溪改造、尼尔基等，出口国外5套，推广应用到引水工程泵站控制。

　　H9000 V3.0系统主要解决了下列几个关键技术：(1) 采用了PLC直接接入以太网的方式，在控制主回路中取消了IPC，大幅度提高了监控系统的可靠性，完全满足了水电厂无人值班运行对监控系统可靠性的要求。(3) 通讯规约库进一步完善，不仅支持各种传统的远动规约，而且研制开发了IEC 870-5-101系列、DNP3.0、TASE-2规约等国际标准通讯规约，形成了较为完善的通讯软件包。电力调度可将水电厂监控系统看成一个虚拟的远程终端RTU。(4)在AGC/AVC等高级应用软件的应用方面有较大进步，白山、乌溪江等实现了梯级联合AGC，在龙羊峡、乌江渡等近20个水电厂实现了调度远方AGC，其中贵州东风水电厂实现了电站监控系统按省调负荷曲线自动开停机和负荷调整。

　　2001年，与Alstom公司联合中标三峡左岸电站计算机监控系统，与ABB公司联合中标三峡梯调自动化系统，我方承担了三峡梯级AGC等重要功能。

　　2.4巨型机组时代的H9000V4.0监控系统

　　随着三峡工程左岸电站首台机组2003年7月发电，三峡右岸电站、龙滩等一批特大型水电站的建设也全面展开，进入建设高潮，标志着中国水电建设进入巨型机组特大型电站时代。结合2005年5月签约的三峡右岸水电站计算机监控系统项目，研制开发了崭新的H9000 V4.0系统，在三峡右岸已顺利投运，随后在三峡右岸地下、瀑布沟、瑞丽江、沙湾、西津、安康等20多个电站获得推广应用。H9000 V4.0系统的
主要技术进步体现在以下几方面：

　　(1) 强大的数据采集与处理功能

　　针对特大型电站海量数据的高可靠与高实时性采集，H9000 V4.0系统采取的主要技术措施包括：同时采用主进程、多子进程及多线程技术；按数据类型的多重TCP/IP连接并行工作模式；PLC数据扫描周期的多重数据传送请求与处理；采用PLC冗余优化策略，实现网络和LCU CPU的快速自动切换。

　　在数据处理方面的主要改进包括：高精度、宽数据表示范围；数据属性更加丰富；三态点的处理更加灵活；数据记录区的分类更加合理；利用条件闭锁系统，实现了智能报警；完善重复报警处理机制以及数据趋势报警功能，等等，使系统使用更加符合运行人员的习惯，操作更加便捷。

　　(2) 完善的安全性与可靠性措施
为确保系统高可靠性，各层的重要设备均采取双重冗余配置。冗余配置时，主备之间应可实现无扰动自动切换。并采用负荷平衡管理与互备冗余技术，正常运行时，各数据采集服务器双机热备，各承担50%的负荷；系统异常时，一套服务器可承担全部数据采集负荷。因此，与常规的主备冗余配置相比，系统的可靠性得到进一步的提高。针对特大型电站控制设备多和操作分散的特点，增加了操作员站控制范围设定功能及操作对象锁定功能。控制命令均增加了时标闭锁条件检查。

　　(3) 用户友好的人机联系系统

　　采用最新的GTK图形标准，程序代码运行效率高，同一源程序可在Unix和Windows平台下运行，不仅保持了H9000应用图形系统兼容的特点，而且实现了源代码级的跨平台兼容。

　　新版OIX软件界面新颖美观大方，人机界面非常友好，保持了H9000系统面向对象操作的特点，支持多屏、多窗口显示，全鼠标驱动,图形可无级缩放,支持矢量汉字，数据状态等信息可采用丰富的色彩库、三维符号图形库、字符库、动态曲线、表格等方式表示，立体三维、实时动画等多媒体图形功能更加丰富多彩，还可方便地采用模拟仪表、发电机P-Q图、闸门水位图等专业图形。

　　针对特大型电站信息量大的特点，报警处理记录充分考虑运行人员的习惯，将事故信息与其它信息自动分开显示，并提供多种跟踪查询搜索功能及调试手段。在重要设备操作时，不仅可以进行有关操作过程监视，而且可以通过逻辑图直观地监视影响这些操作的条件。增加了控制对象数据类型，在操作员站上可以很方便的完成设备控制操作，查看到与控制对象相关的所有实时信息。

　　(4) 自动发电控制

　　针对AGC调频方式难以给出确定的频差系数的问题，调频和调压采用自适应系数，具有自学习自适合的功能，可有效确保系统安全调节稳定；对于超大型机组AGC有功调节的安全性问题，采用功率跟踪和功率补偿措施；负荷曲线方式引入分步调节算法，减少对电网冲击；能根据水头－出力－效率－流量曲线尽可能提高电厂效率；对于电厂效率优化问题，采用修正等容量比例负荷分配。这些措施提高了电厂运行效率，保证了电网安全。2007年9月20日，三峡右岸电站AGC正式投运，标志着国产监控系统AGC首次成功应用于700MW水电机组。

　　(5) 开放的报表定制技术

　　HReport报表子系统以Microsoft Excel自动化技术、OleDb数据库访问技术以及XML技术为基础，用.Net构建Excel插件，利用Excel完成报表静态部分的编辑，通过将查询变量关联到Excel的样式，完成表格动态数据格式的定制。报表定制简单，用户界面友好，管理查阅方便。报表与Excel电子表格和SVG文档兼容，可通过Excel访问，或通过WEB信息发布系统向外发布。

　　(6) 历史数据管理系统

　　HistA子系统完成H9000 V4.0系统的历史数据存储、查询与维护管理功能，以Oracle等为后台数据库，B/S与C/S相结合的体系结构，不仅可提供各类报表日志，而且可形成各类报警记录历史数据，如各类报警信息、温度趋势分析记录、相关量记录信息、重要运行工况转换记录、各种历史曲线等。

　　(7) 培训仿真系统

　　OTS2000操作员培训仿真系统是H9000系统的一个独立子系统。该系统首先建立了一套标准化的水电站计算机监控系统被控对象的仿真模型，并定义了被控对象的描述语言SimuLog，开发了仿真语言的编译系统SimuGen和仿真器SimuEngine，实现了水电厂现场设备的仿真。SimuLog语言不仅可以仿真简单的状态量变化过程，也可仿真连续系统和非线形系统，并支持仿真任务的监视、管理与调度，与H9000系统融为一个有机的整体。

　　(8) 状态趋势分析系统

　　SMA2000状态监测分析系统以H9000 V4.0为基础,以Oracle 10g 为后台数据库，采用B/S 与C/S 混合结构。该系统通过各机组、公用及开关站的数据采集监测及分析系统，在线监测设备的运行状况，分析设备的运行趋势，提供检修指导。监测与分析可在电站局域网内进行，也可通过互联网远程访问。具有特征值分析、比较分析、相关量分析、虚拟曲线分析以及数据挖掘技术等数据分析手段。该系统在三峡电站已投入运行。

　　3．水情测报系统技术发展回顾

　　水科院自动化所是我国最早专门从事水情自动测报系统与相关技术研究应用的单位,已有30多年的历史，与国外发达国家相比，虽然起步较晚，但发展很快,由短波问答式发展到超短波自报式，近十年卫星、短信等通信技术在我所的水情自动测报系统中得到了广泛地应用。

　　3.1 科研攻关与超短波通讯时代 (1975～1990)

　　1980年，黄龙滩、乌江渡、天桥、凤滩四座大型水电站在特大洪水中遭受水淹厂房重大事故。1981年，电力部决定在全国重点水电站和在建工程建立水情自动测报系统，并委托我院研制黄龙滩水电厂水情测报和防洪调度自动化系统，自动化所负责总体与设备及通信布网，水资源所负责实时洪水预报程序，黄龙滩水电厂配合。

　　开始我们采用国际通用的召唤式遥测体制，由于电源、交通及防雷问题，国内这类系统不久纷纷失败，包括全套引进欧洲共同体的遥测系统。于是我们独立研制开发了新型遥测站，采用最先进的低功耗单片机技术，守候耗电远远低于国外同类产品。设计制造的高强度遥测站铝合金外壳，其抗雷电能力极强，优于国外同类产品。调度中心站、分中心系统也完成开发，可以接收遥测站发来的信息。水资源所也完成了对黄龙滩水电厂库区的雨量转换为水量、径流过程进行若干年模拟、计算、改进，可以在计算机上获得较正确的洪水预报结果。

　　根据试验成果和国内的设备状况，决定采用超短波通信。为了摸清超短波传输特点，1981年11月开始在黄龙滩库区鄂西北山区开展高山复杂地形超短波通信试验。总结了一套超短波通信布网设计方法，在黄龙滩工程中投入使用。

　　由于黄龙滩库区地处鄂西北，许多中继站、雨量站和水文站在偏僻的高山峻岭之中，没有电源，没有道路，通信组人员多次进行实地测试。经过中继站多次选址，信道反复计算，1985年全流域的超短波遥测通信网才尘埃落定。该通信网自1986年投入运行以来，经受了狂风暴雨、电闪雷鸣、严重干扰的考验，运行可靠。证明了我们推出的超短波通信设计方法是正确的。该方法在后来的超短波水情自动测报系统工程中多次推广应用。

　　1986年黄龙滩水电厂水情测报和防洪调度自动化系统投入运行，水情自动测报系统进入实用阶段。1988年12月通过部级鉴定，1991年5月获能源部科技进步二等奖，1991年11月获国家科技进步三等奖。
1990年9月，能源部在黄龙滩水电厂主持召开了全国水情自动化测报经验交流会。与会代表一致认为：该系统是我国第一个成功运行的水情自动测报系统；该系统的工作体制、硬件设备及软件优于国外同类产品，拥有自主知识产权，填补国内空白。该系统在当时和后来相当长的一段时间里成为国内水情自动测报系统标志性工程。

　　3.2市场化与卫星通讯时代 (1991～2004)

　　我所研制成功富春江水电厂卫星水情自动测报系统，在国内率先将先进的Inmarsat卫星技术运用在水情自动测报领域。研制我国第一套映秀湾－太平驿水电厂VSAT卫星水情自动测报系统，采用以色列GILAT公司的卫星设备，使用亚洲2号通信卫星。研制我国第一套万安水电站GSM短信水情自动测报系统。有力地推动了卫星、GSM短信技术在水电、水利、水文系统广泛应用。

　　研制成功北京玉渊潭电站和河北承德戴营水文站水质自动监测系统，通过超短波、GSM/CDMA短信及全线通卫星等通信手段，将实时采集的水质参数发送到中心站，实现了天上降雨、地面成水、地下入渗以及用水的统一监测。

　　我所先后承建了60多套水情自动测报系统，90年代初在建装机百万千瓦以上五朵金花中的三朵金花云南漫湾、湖南五强溪、广西岩滩的水情自动测报系统由我所中标承建，其它大中型水电站包括云南小湾、景洪、糯扎渡、江西万安、柘林、湖南凤滩、浙江富春江、四川二滩、映秀湾、青海李家峡、公伯峡、陕西安康、吉林丰满、白山等，大型水利枢纽工程包括山西万家寨、四川武都、广东飞来峡等。

　　3.3 流域水情与水调时代(2005～至今)

　　随着电力体制改革，水电市场发生了剧变。由原来一个电站的水情水调市场发展成为一个流域数个甚至十几个电站的梯级水调自动化市场。各电源公司纷纷大力开展梯级流域开发，成立了梯级调度中心。

　　2007年2月，签署三峡屏山～寸滩区间水情遥测系统90个遥测站的开发、生产与安装调试合同。该系统是三峡梯级水库水调自动化系统工程中的水情测报系统的二期工程，是三峡梯级水利枢纽水调自动化系统稳定运行的基石。在美国Sutron公司的RTU上开发专用的应用软件，使RTU与传感器和通信设备融为一体，实现数据的采集与通信功能。另外包括设计、生产人工置数显示终端、振铃检测器、加电控制器等外围部件，构成一个完整的水情信息遥测站。

　　4．水轮机调速器技术发展回顾

　　1978年,自动化研究所设水轮机调节专业，主要工作是接受水电部科技司领导，归口管理全国调速专业的行业工作。1990年之后，我们更加注重不断将技术转化为生产力，在市场竞争中不断发展。
1990年开发成功基于MCS51的单片机水轮机微机调速器在龚嘴投运，我所第一代微机调速器的诞生。同年完成盐锅峡水电站T-100机械液压调速器改电调项目，创机械调速器在保留主配以下的前提下改造为电调的先河。

　　1990年参与编写的国家标准《水轮机调速器与油压装置技术条件GB9652-88》，获机械电子工业部三等奖。1991年主持编写的电力行业标准《水轮机电液调节系统及装置技术规程SD295-88》，获能源部科技进步三等奖。这些标准及其后续修订版已成为指导调速器设计生产、设备招标的权威性参考文件，深受广大电力行业用户的欢迎。

　　在水电厂动态测试及仿真技术方面，1991年先后开发成功基于80C186微机的电厂综合测试仿真系统和基于80386微机的水轮机调速器动态特性仿真系统开发成功。1998年基于便携机的水轮机调速器测试仿真系统开发成功。1992年《在水轮机调节系统动力学分析中描述水轮机特性的一种新方法》简便实用，为水轮机调节系统仿真测试仪的改型奠定了基础，获能源部科技进步二等奖。1994年，微机调速器通用调节特性控制与仿真程序开发成功，为开发基于不同控制器平台的微机调速器奠定了的理论基础。

　　在1992年-1997年的时间内，研究开发了一系列新型调速器，为下阶段的发展奠定了一定的基础。1992年采用动圈式工业伺服阀、标准液压阀、液压集成块等，研制成功适用于轴流转桨式水轮机的调速器机械柜。同年研制成功适用于轴流转桨式水轮机调节的STD总线结构MCS51微机调速器。1993年开发成功调速器电液转换步进缸，是国内较早尝试步进电机作电液转换的实例之一，为开发基于步进电机的水轮机调速器奠定了基础。1995年研制成功我国第一台基于GWT-100工业微机型的水轮机微机调速器，1996年通过电力部主持的鉴定，达90年代国际先进水平。2000年，以GWT-100调速器为控制手段，在柘溪电站现场完成单机－孤立网中调速器稳定性研究。1997年研制成功基于反应式步进电机的MCS96微机调速器。

　　1999年基于比例伺服阀的水轮机调速器先导控制组件研制成功，次年用于水口水电站进口调速器的技术改造，成功消除了水口调速器电液转换元件动作失灵、负荷调节不稳定等现象；这是国内最早采用比例伺服阀改造进口调速器的成功尝试。

　　1999年在国际上首次研制成功基于快速开关阀的逻辑插装式水轮机调速器试验样机，在技术上处于国际领先水平，2001年在西沟电站正式投入现场工业运行，获实用新型专利授权。CVT－XX调速器在可靠性、速动性、可控性、维护性、灵活多变的集成化等方面具有突破性的进展，实现了全数字化调速器结构，彻底解决了长期困扰水电厂的调速器因油污而拒动、发卡及漏油等问题，还具有显著的节能、降耗、增寿、环保等特点。2004年通过部级鉴定，2005年获大禹二等奖。

　　2001年研制成功基于可编程逻辑控制器(PLC)的水轮机微机调速器，使调速器电气控制部分的可靠性实现了质的飞跃。

　　另外，还设计开发了多种自动化元件及执行机构，提高水轮机系统整体的可靠性。2002年开发成功新型位移变送器，可靠地解决了长行程位移反馈的难题。2004年开发成功水轮机进水球阀控制柜、油泵组合阀、压力变送器等，同年在西沟水电站投入运行。

　　2005年基于实时多任务控制的新一代PLC调速器开发成功，它与CVT机械部分实现了有机无缝结合，在系统整体可靠性、响应快速性、调节品质、控制灵活性与简洁性等方面实现了飞跃，次年产品投入商业运行。

　　快速开关阀与逻辑插装阀组件在水轮机调速器中的成功应用，以全新的思路创造性地开辟了调速器发展的新路子，是一项革命性的变革，为调速器的发展带来了新的活力。我所逻辑插装式调速器研制成功后，得到广大业内人士的瞩目，业绩不断发展，由最初1999年的黑龙江黑河西沟电站单机容量为18MW的小机组，逐步发展到2008年福建水口电站单机容量为200MW的大型轴流机组，总装机台数已达200多台套，产品系列已涵盖了混流、轴流、冲击、贯流等机型，并出口国外。

　　5. 结束语

　　三十年过去了，我们在水电厂自动化领域取得了值得骄傲的业绩，但我们必须时刻保持清醒的头脑，市场的需求在不断变化，管理的目标在不断变化，以计算机应用为特征的信息化技术、通讯技术、智能技术更是日新月异，未来的竞争仍犹如逆水行舟，不进则退，需要我们不断开拓思路，不断探索创新，在水电厂状态检修、流域水能资源调度与高效利用、水电站控制新技术等领域进一步突破，为我国的水电建设和现代化事业做出应有的贡献。

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.

　　作者简介：

　　王德宽(1960-)，男，教授级高级工程师，现任中国水利水电科学研究院自动化所所长，北京中水科水电科技开发有限公司总经理，长期从事水电厂自动化、计算机监控与仿真技术研究与应用。