水電站通信運行狀況及特性分析研究

張 毅，李建輝，姚維達，劉曉波，段振國，袁 宏

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

水電站通信運行狀況及特性分析研究

張 毅，李建輝，姚維達，劉曉波，段振國，袁 宏

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

結(jié)合承擔(dān)的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)工程，對當(dāng)前水電站數(shù)字化設(shè)備的通信運行狀況及特性進行了分析研究和總結(jié)，分別分析介紹了當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地層設(shè)備互聯(lián)通信情況，監(jiān)控系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的互聯(lián)通信狀況，以及上級自動化系統(tǒng)的通信互聯(lián)情況。在此基礎(chǔ)上，對今后水電站數(shù)字化設(shè)備互聯(lián)通信的發(fā)展趨勢提出了看法和認識。

水電站；計算機監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)字化設(shè)備；通信

0 前言

目前水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本上以面向網(wǎng)絡(luò)的分層分布式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，廠站級設(shè)備大多采用高速以太網(wǎng)或光纖環(huán)網(wǎng)等通用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接高性能的計算機工作站、服務(wù)器；在現(xiàn)地層和被控設(shè)備現(xiàn)場則較多地采用PLC等智能現(xiàn)地控制單元，再通過現(xiàn)場總線與基礎(chǔ)層的智能I/O設(shè)備、智能儀表、遠程I/O單元等相連接構(gòu)成現(xiàn)地控制子系統(tǒng)，與廠站級系統(tǒng)結(jié)合形成整個控制系統(tǒng)。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜、從集中式控制向分布式發(fā)展、從單層網(wǎng)絡(luò)向多層網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的過程。計算機監(jiān)控系統(tǒng)向分布式、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展過程表明，任何一種技術(shù)有了新的突破，都必然帶來監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的進步與革新。

隨著計算機通信技術(shù)的發(fā)展，水電廠各種儀表、設(shè)備和輔機系統(tǒng)的數(shù)字化和智能化日趨完善，促進了水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)的采集控制范圍不斷擴大，現(xiàn)地層設(shè)備的互聯(lián)方式也從以往的I/O通道發(fā)展到現(xiàn)在更多地采用通信方式互聯(lián)。近期，結(jié)合承擔(dān)的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)工程，我們對當(dāng)前水電站數(shù)字化設(shè)備的通信運行狀況及特性進行了分析研究和總結(jié)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地層設(shè)備的互聯(lián)

1.1 現(xiàn)地層設(shè)備互聯(lián)通信方式

現(xiàn)地層設(shè)備的互聯(lián)通信可以增加數(shù)據(jù)采集的靈活性和數(shù)量、節(jié)省大量電纜、減少施工時間，目前常用的通信互聯(lián)方式包括串行通信、現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)通信方式。

（1）串行通信接口（RS232/485/422）

串行通信接口RS232/485/422是目前監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元與外圍系統(tǒng)和設(shè)備連接的主要通信接口方式。由于現(xiàn)地需要通信互聯(lián)的設(shè)備較多，且各設(shè)備通信接口和規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)不一，串行通信接口和編程比較簡單且形式多樣，能比較好地適應(yīng)當(dāng)前各現(xiàn)地裝置、智能設(shè)備、儀表通信接入的實際情況。通常RS-232C串口為一對一通信模式，適用于柜內(nèi)設(shè)備通信，距離不超過15米；而RS-485/422主從模式可實現(xiàn)一個主站對多個子站進行通信，通信最遠距離可達到1200m。為通信的可靠和提高抗干擾性能，通信距離較遠時，宜采用光纖通信介質(zhì)或加中繼驅(qū)動裝置，串行通信接口的通信速率建議不高于9600bps。

除參與控制的設(shè)備需直接接入主PLC控制器外，監(jiān)控系統(tǒng)一般均通過配置通信工作站、嵌入式智能通信裝置、串口轉(zhuǎn)現(xiàn)場總線設(shè)備等，提供8～16個串行口接入現(xiàn)場串行通信設(shè)備，并通過網(wǎng)絡(luò)接口連接監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

目前，水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備通信時沒有統(tǒng)一的通信規(guī)約，由于各生產(chǎn)廠家的規(guī)約不同，在實際通信中很難做到標(biāo)準(zhǔn)化，工作量較大。

（2）現(xiàn)場總線網(wǎng)

根據(jù)國際電工委員會(IEC)的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，它的關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數(shù)字通信。

現(xiàn)場總線將監(jiān)控系統(tǒng)的控制功能分散到更底層的現(xiàn)場設(shè)備，系統(tǒng)的數(shù)字通信總線從控制室延伸到現(xiàn)場測量儀表、變送器和執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)了與現(xiàn)場設(shè)備之間的雙向、多信息交換?，F(xiàn)場總線也使得監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元成為了分布式結(jié)構(gòu)的控制子系統(tǒng)。

目前世界上存在著大約40余種現(xiàn)場總線，每種總線大都有其應(yīng)用的領(lǐng)域，且其應(yīng)用領(lǐng)域存在彼此滲透。在水電行業(yè)，現(xiàn)場總線的應(yīng)用主要包括Modbus Plus、Profibus-DP、CAN、DeviceNet、ControlNet等?，F(xiàn)場總線的應(yīng)用主要根據(jù)所采用的控制系統(tǒng)設(shè)備來確定總線的類型。

（3）工業(yè)以太網(wǎng)

近年來，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，新一代的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)幾乎都是建立在以太網(wǎng)基礎(chǔ)之上，使工業(yè)以太網(wǎng)成為當(dāng)前的技術(shù)熱點和工業(yè)控制系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。

目前工業(yè)以太網(wǎng)還主要應(yīng)用在監(jiān)控廠站層與現(xiàn)地層的互聯(lián)，而在現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)仍主要采用現(xiàn)場總線技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)正以其開放性以及性能和成本優(yōu)勢迅速地進入工業(yè)控制系統(tǒng)的各級網(wǎng)絡(luò)。

基于以太網(wǎng)的工業(yè)以太網(wǎng)總線目前已有ProfiNet、ModbusTCP、EthernetIP三種形式。

1.2 運行情況分析

（1）監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)的接口和通訊

監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)速器及勵磁系統(tǒng)的接口方式有兩種：常規(guī)接口方式和通訊接口方式。

常規(guī)接口方式，即通過I/O與現(xiàn)地控制單元LCU連接，通過開關(guān)量接點和模擬量（4～20mA）信號監(jiān)視裝置的運行狀態(tài)，同時也通過開關(guān)量接點或模出（4～20mA）信號對裝置進行操作和調(diào)節(jié)控制。通訊接口方式，由LCU通過串口通訊接口（RS-232C/485/422）或現(xiàn)場總線（如 MB+、Profibus-DP等）與微機調(diào)速器、勵磁裝置通訊接口連接，監(jiān)視裝置的運行狀態(tài)，對裝置實施控制和完成有功（無功）功率調(diào)節(jié)。

從目前已運行的水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的情況統(tǒng)計顯示，常規(guī)接口方式占主導(dǎo)地位，采用通訊接口時，一般也是常規(guī)接口和數(shù)字通訊接口并存，主要的設(shè)備狀態(tài)量和控制信號由常規(guī)接口實現(xiàn)，設(shè)備參數(shù)和故障信號由通信取得，調(diào)速器或勵磁裝置通訊接口表現(xiàn)為各家的規(guī)約不統(tǒng)一，協(xié)調(diào)比較困難。

監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)速器及勵磁裝置的接口通訊規(guī)約絕大部分是采用Modbus規(guī)約（RTU方式、裝置側(cè)為從站、監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)為主站）。也有部分電站通過現(xiàn)場總線Profibus-DP、MB+等與調(diào)速器和勵磁裝置通信。由于Modbus的開放性和成熟性，開發(fā)和使用成本低，盡管其通訊效率較低，但仍然被調(diào)速器及勵磁系統(tǒng)制造廠廣泛采用。但為提高互聯(lián)的性能和便于維護應(yīng)逐步向現(xiàn)場總線的方式過渡。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)與交流采樣和電能量采集裝置的接口和通訊

計算機監(jiān)控系統(tǒng)與電能量采集裝置的接口目前也有兩種方式，一種是接點脈沖方式將電量信息接入現(xiàn)地控制單元，由監(jiān)控系統(tǒng)進行脈沖的累加統(tǒng)計；另一種是通過通訊的方式上傳電量數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息等給監(jiān)控系統(tǒng)。而與交流采樣裝置的接口一般都是通信的方式。目前，已經(jīng)實施的水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，交流采樣和電能量采集裝置與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊接口最多的是RS-422/485接口。交流采樣一般都是與現(xiàn)地控制單元連接，而電能量采集裝置部分與現(xiàn)地控制單元連接，也有部分是與廠站級的通訊工作站連接，還有的電站其電能量采集裝置單獨組成一個獨立系統(tǒng)，組成了電能量計費系統(tǒng)，通過計費系統(tǒng)管理機與監(jiān)控系統(tǒng)進行接口通訊。

交流采樣和電能量采集裝置與監(jiān)控系統(tǒng)的接口通訊規(guī)約一般都支持Modbus規(guī)約，電能量采集裝置支持DL/T719-2000電力系統(tǒng)電能累計量傳輸配套標(biāo)準(zhǔn)和DL/T645-1997多功能電表通訊規(guī)約。交流采樣裝置支持現(xiàn)場總線通信（如：Modbus Plus，Profibus-DP，Ethernet等），由于現(xiàn)場總線通信速率較快，可完全滿足水電廠機組實時控制的要求。

（3）監(jiān)控系統(tǒng)與微機保護、故障錄波裝置的接口和通訊

監(jiān)控系統(tǒng)與微機保護、故障錄波裝置的接口目前也有兩種方式，一種是I/O開關(guān)接點方式將重要的信息接入監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元，另一種是通過通訊的方式上送更多的信息給監(jiān)控系統(tǒng)，例如裝置的內(nèi)部故障信息、運行狀態(tài)、詳細的保護動作信息等。目前，已經(jīng)實施的水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，微機保護、故障錄波裝置與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊有部分是與現(xiàn)地控制單元連接，有部分是與監(jiān)控系統(tǒng)廠站級的通訊工作站連接的。微機保護、故障錄波裝置的通訊主要是上行信息，而不采取對裝置進行保護定值、參數(shù)等進行修改，以保證系統(tǒng)的運行安全。

一般與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊接口是串行端口的，其規(guī)約是IEC60870-5-103，如果是網(wǎng)絡(luò)接口的，則國內(nèi)的保護廠家在IEC60870-5-103標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約的基礎(chǔ)上進行了網(wǎng)絡(luò)拓展應(yīng)用，或稱為IEC60870-5-103TCP，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約的通用報文格式進行了用戶定義，使103規(guī)約適用網(wǎng)絡(luò)傳輸。

微機保護、故障錄波裝置的通訊接口，從目前已運行的水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的情況統(tǒng)計顯示，一般采用RS-232C或RS-485連接居多。如果微機保護、故障錄波裝置與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊是通過廠站級的通訊工作站連接的，則通過以太網(wǎng)絡(luò)接口通信。對于計算機監(jiān)控系統(tǒng)和電站的正常運行，除必要的事故和故障信號外，大量的裝置內(nèi)部信息對于電站的運行值班人員來說是不必要的，主要是電站保護專責(zé)及事故分析時使用，如果這些信號全部進入監(jiān)控系統(tǒng)，就會導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)的負載率高、響應(yīng)延遲。目前的發(fā)展趨勢，監(jiān)控系統(tǒng)與微機保護、故障錄波裝置等單獨組網(wǎng)，設(shè)置電站保護專責(zé)終端或保護管理機，通過數(shù)據(jù)交換服務(wù)器實現(xiàn)電站內(nèi)的信息共享。

1.3 發(fā)展趨勢

計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)場總線主要是作為水電廠底層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)。由于行業(yè)應(yīng)用的特點和歷史原因，在工業(yè)控制領(lǐng)域形成了多種現(xiàn)場總線共存的現(xiàn)實，由于現(xiàn)場總線目前種類繁多，標(biāo)準(zhǔn)不一，使其應(yīng)用和推廣受到了影響。從現(xiàn)場總線技術(shù)本身來分析，它有兩個明顯的發(fā)展趨勢：

a）尋求統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)

b）工業(yè)以太網(wǎng)走向工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)

將來發(fā)展趨勢是，各種自動化元器件、各種執(zhí)行機構(gòu)通過現(xiàn)場總線（包括工業(yè)以太網(wǎng)總線）接入到控制系統(tǒng)中。在水電廠房的走線槽上只有少量的現(xiàn)場總線電纜、光纜。因為自動化元器件、執(zhí)行機構(gòu)、控制箱、接線盒就近布置在現(xiàn)場，中間通過現(xiàn)場總線連接，所需要電纜將會越來越少?，F(xiàn)場總線技術(shù)在水電站監(jiān)控領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用體現(xiàn)了當(dāng)前水電站數(shù)字化和智能化的發(fā)展方向。

近年來，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，性能不斷提高、成本迅速降低，以太網(wǎng)技術(shù)有望介入設(shè)備低層，廣泛取代現(xiàn)有現(xiàn)場總線技術(shù)，可是就目前而言，多種工業(yè)總線技術(shù)并存的現(xiàn)狀還會維持一段時間。大部分現(xiàn)場層設(shè)備互聯(lián)仍然會首選現(xiàn)場總線技術(shù)。

監(jiān)控系統(tǒng)的主輔一體化將是今后的發(fā)展趨勢，采用一體化設(shè)計，在產(chǎn)品性能、參數(shù)、布置、接線、控制策略上彼此銜接，主輔機控制系統(tǒng)選用同一現(xiàn)場總線，形成一個整體。輔機與主機監(jiān)控可以通過現(xiàn)場總線進行數(shù)據(jù)交換，可以有效避免數(shù)據(jù)通信障礙，實現(xiàn)無縫的連接。輔機的信號就不必要通過電纜到主機監(jiān)控的LCU盤柜中，可以節(jié)省大量電纜費用及施工的費用，LCU盤柜的電纜數(shù)量也相應(yīng)減少很多，維護量也減少很多。

總的來說，彼此數(shù)據(jù)相關(guān)性強、同步性、實時性要求高的應(yīng)用情況宜用遠程IO方式較好。比如機組輔機，采用遠程IO較好。對于公用輔機，采用分布式IO較好，因為公用輔機彼此相關(guān)性很弱，而且要求彼此不相互影響為好。采用分布式IO既能滿足各自獨立，又具備數(shù)據(jù)交換性好的特點，是一種比較好的方式。對于一個實際水電廠，具體是采用LCU的遠程IO還是分布IO方式，選擇是相對的，需要根據(jù)實際情況做出決定。

2 監(jiān)控系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的互聯(lián)通訊

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)與MIS系統(tǒng)的接口和通訊

將關(guān)鍵的實時數(shù)據(jù)集成到MIS系統(tǒng)中并進行合理的應(yīng)用，可以滿足有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和部門對企業(yè)進行動態(tài)管理、動態(tài)決策等的需要，同時對運行維護管理水平的提高也具有重要意義。根據(jù)《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》，在生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)之間必須設(shè)置經(jīng)國家指定部門檢測認證的電力專用單向物理隔離裝置。

通過正向安全隔離裝置，此時監(jiān)控系統(tǒng)有兩種方式與MIS進行數(shù)據(jù)通訊：（1）將監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)利用UDP方式同步廣播到外部網(wǎng)絡(luò)的MIS系統(tǒng)，MIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收程序收到數(shù)據(jù)后寫數(shù)據(jù)庫；（2）基于數(shù)據(jù)庫整表同步技術(shù)，將數(shù)據(jù)表完整地同步到外網(wǎng)。

在早期的監(jiān)控系統(tǒng)與MIS系統(tǒng)的連接中，一般通過串行通信接口的方式，通信規(guī)約也沒有一個固定的標(biāo)準(zhǔn)，但由于串口速度的限制，此方法只適用于數(shù)據(jù)量較小的電站，優(yōu)點是費用低。

目前WEB發(fā)布方式獲得較多應(yīng)用，監(jiān)控系統(tǒng)通過配置獨立的信息發(fā)布網(wǎng)絡(luò)交換機和服務(wù)器實現(xiàn)WEB發(fā)布功能，并通過網(wǎng)絡(luò)物理隔離裝置實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)至信息發(fā)布網(wǎng)絡(luò)的單向數(shù)據(jù)傳輸。采用WEB發(fā)布方式，監(jiān)控系統(tǒng)的畫面可直接在WEB站點上展示，公司生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)可不進行任何程序開發(fā)和修改?？蛻舳瞬捎肐E瀏覽器，訪問監(jiān)控系統(tǒng)的WEB發(fā)布服務(wù)器即可查詢到與監(jiān)控系統(tǒng)一致的所有實時畫面，為系統(tǒng)的維護與管理帶來了便利。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)與水調(diào)、水情測報系統(tǒng)的接口和通訊

根據(jù)《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》，生產(chǎn)控制大區(qū)內(nèi)部的安全區(qū)之間應(yīng)當(dāng)采用具有訪問控制功能的設(shè)備、防火墻或者相當(dāng)功能的設(shè)施，實現(xiàn)邏輯隔離。

由于監(jiān)控與水調(diào)、水情測報、大壩監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換一般采用防火墻進行隔離，由于水調(diào)、水情測報、大壩監(jiān)測系統(tǒng)一般都配有商業(yè)數(shù)據(jù)庫，可在商業(yè)數(shù)據(jù)庫中設(shè)計中間數(shù)據(jù)庫表，實現(xiàn)各個子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的共享和交換。另外，幾個子系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)量不大，且水情、大壩系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化速度不快，水情對監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時更新需求也不高，所以數(shù)據(jù)傳輸采用網(wǎng)絡(luò)或串口的規(guī)約均可。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)與全廠狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的接口和通訊

水電機組狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)需要在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)包括：1）水機部分：機組振動和擺度、壓力脈動、效率、空蝕、泥沙磨損；2）電氣部分：發(fā)電機氣隙、發(fā)電機、變壓器、GIS局部放電等、磁場強度；3）輔設(shè)部分：變壓器、GIS油氣、開關(guān)分段特性與行程特性等。以上這些數(shù)據(jù)監(jiān)控不采集，由狀態(tài)檢修系統(tǒng)采集后送監(jiān)控系統(tǒng)。此外，監(jiān)控采集的溫度、液位、出力、電流、電壓等模擬量以及開關(guān)動作、泵組和風(fēng)機啟停等狀態(tài)量，需由監(jiān)控送狀態(tài)檢修。

全廠狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)一般位于管理信息大區(qū)（安全Ⅲ區(qū)），兩個系統(tǒng)間數(shù)據(jù)雙向交換需通過電力專用正反向物理隔離裝置，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠程診斷已成為可能，面向全廠、建立遠程的狀態(tài)監(jiān)測與診斷數(shù)據(jù)庫平臺，狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)可以和監(jiān)控系統(tǒng)位于安全Ⅲ區(qū)的WEB數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

2.4 計算機監(jiān)控系統(tǒng)與閘門監(jiān)控系統(tǒng)的接口和通訊

計算機監(jiān)控系統(tǒng)與閘門監(jiān)控系統(tǒng)的接口，目前有幾種方式：一種是閘門監(jiān)控單元作為監(jiān)控系統(tǒng)的一個現(xiàn)地控制單元接入監(jiān)控系統(tǒng)，直接采集閘門的設(shè)備狀態(tài)和運行參數(shù)信息，監(jiān)視閘門的運行狀態(tài)，并對其進行控制；另一種是閘門監(jiān)控單元單獨組成一個子系統(tǒng)，然后通過通訊的方式與監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊，將閘門系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)和運行參數(shù)等信息上送給監(jiān)控系統(tǒng)。目前，已經(jīng)實施的水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，閘門監(jiān)控系統(tǒng)與計算機監(jiān)控系統(tǒng)的通訊接口有：RS-422/485串行接口、現(xiàn)場總線接口和以太網(wǎng)接口等。

如果水電廠需要監(jiān)視和控制的閘門較多，則各閘門控制單元組成一個完整的控制系統(tǒng)，并具有上位機監(jiān)視控制、人機界面操作單元和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，此時閘門控制系統(tǒng)一般通過網(wǎng)絡(luò)的方式與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊工作站（或服務(wù)器）進行通信和數(shù)據(jù)交換，監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)視閘門的運行狀況和實時參數(shù)，中控值班人員可直接對閘門進行控制，但操作需得到水工閘門值班人員的認可。

監(jiān)控系統(tǒng)與閘門系統(tǒng)的通信規(guī)約目前還沒有形成一個定式，如果通信接口采用串口或以太網(wǎng)接口方式，則通信規(guī)約通常由主、輔控制系統(tǒng)雙方廠家自行約定；如果采用現(xiàn)場總線方式，則采用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線規(guī)約，如MB＋、Profibus-DP等。

2.5 監(jiān)控系統(tǒng)與大屏、模擬返回屏的接口和通訊

一般水電廠均配置大屏幕顯示墻或模擬返回屏，監(jiān)控系統(tǒng)與模擬返回屏的接口方式有2種，一是串口通訊，監(jiān)控將模擬返回屏中所需要的模擬量和開關(guān)量送到模擬返回屏的控制裝置，由模擬返回屏的控制裝置驅(qū)動模擬返回屏中的表計和狀態(tài)指示燈的顯示，目前大部分的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)與返回屏通信接口均采用此種方式。另一是監(jiān)控通過開出繼電器和模出直接驅(qū)動模擬返回屏中的儀表，即監(jiān)控系統(tǒng)另外配置一套模擬屏驅(qū)動現(xiàn)地控制單元，由它直接驅(qū)動模擬屏的相關(guān)表計和指示燈，目前三峽左岸、右岸電站的模擬返回屏就是采用這種驅(qū)動方式。

監(jiān)控系統(tǒng)與大屏的互聯(lián)有2種方式，一是采用RGB分屏器，這樣，大屏顯示的內(nèi)容與終端上的一致。二是采用網(wǎng)絡(luò)模式，大屏的處理器與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)相連，通過控制軟件，將網(wǎng)絡(luò)中任何一臺設(shè)備的人機界面顯示到大屏上，大屏相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)中主機的一個顯示器，顯示更靈活方便。

2.6 監(jiān)控系統(tǒng)與工業(yè)電視的接口和通訊

工業(yè)電視在水電廠一般單獨成為一套系統(tǒng)，與工業(yè)電視系統(tǒng)通信主要是為了實現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動。監(jiān)控系統(tǒng)將報警信號分類通過RS232串口通信傳送給工業(yè)電視系統(tǒng)，工業(yè)電視系統(tǒng)根據(jù)接收到報警信號，將相應(yīng)的攝像頭轉(zhuǎn)向故障點，并自動顯示故障畫面。

2.7 監(jiān)控系統(tǒng)的時鐘同步系統(tǒng)

對于水電廠自動化系統(tǒng)，系統(tǒng)時鐘的同步非常重要，目前的發(fā)展趨勢是時鐘同步裝置已成為一個子系統(tǒng)，同時肩負著水電廠所有自動化系統(tǒng)和設(shè)備的對時，如計算機監(jiān)控系統(tǒng)、保護系統(tǒng)、調(diào)速勵磁系統(tǒng)、輔助設(shè)備控制系統(tǒng)、直流控制系統(tǒng)、機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、微機五防系統(tǒng)等。時鐘同步系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由單一的衛(wèi)星時鐘同步裝置發(fā)展到雙主機時鐘加分布到各設(shè)備單元的二級時鐘同步系統(tǒng)。

監(jiān)控系統(tǒng)與衛(wèi)星時鐘通信推薦采用標(biāo)準(zhǔn)的NTP網(wǎng)絡(luò)對時協(xié)議，以提高對時精度，通過衛(wèi)星時鐘上的NTP網(wǎng)絡(luò)對時接口，與監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)交換機連接，為監(jiān)控系統(tǒng)各服務(wù)器、工作站及LCU控制器CPU提供時鐘源。

對于有毫秒級時鐘精度要求的SOE模塊，應(yīng)采用GPS時鐘提供的IRIG編碼脈沖、DCF77編碼脈沖或秒鐘脈沖對時信號直接對時。

目前網(wǎng)絡(luò)對時出現(xiàn)向時鐘同步精度更高的IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的PTP（Precision Time Protocol）精確網(wǎng)絡(luò)對時協(xié)議發(fā)展，以保證自動化信息系統(tǒng)對時鐘同步越來越高的精度要求。

3 廠站自動化系統(tǒng)與上級自動化系統(tǒng)的通訊互聯(lián)

廠站自動化系統(tǒng)主要指水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)，上級自動化系統(tǒng)分別為梯級集控中心自動化系統(tǒng)和上級電力調(diào)度中心自動化系統(tǒng)，上級電力調(diào)度中心包括我國五級電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)與集控中心系統(tǒng)的接口和通信

流域梯級集控中心是流域水電公司為實現(xiàn)流域梯級水電資源的優(yōu)化控制管理，提高流域水電公司管理水平，滿足電力市場化進程和競價上網(wǎng)的需要而組建的，實現(xiàn)梯級電站的遠方集中監(jiān)控和優(yōu)化運行管理已成為發(fā)展趨勢和方向。

在集控中心實現(xiàn)流域各梯級電站集中控制與管理，電站現(xiàn)地?zé)o人值班，意味著必須實時監(jiān)控電站運行的所有重要信息，數(shù)據(jù)量非常龐大，可靠性、實時性和安全性的要求也很高，因此應(yīng)組建集控中心專用數(shù)據(jù)網(wǎng)，實現(xiàn)集控中心系統(tǒng)與各梯級電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)之間的可靠通信，保障集控中心自動化系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。

集控中心系統(tǒng)與各梯級電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)通信的主要傳輸通道宜采用寬帶光纖網(wǎng)絡(luò)通信方式，并盡量采用不同路由的冗余通道。

水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)為實現(xiàn)與集控中心的可靠通信，一般需配置兩臺集控通信網(wǎng)關(guān)機或通信服務(wù)器，通過集控中心專用數(shù)據(jù)網(wǎng)與集控中心進行廣域網(wǎng)互連通信時，為實現(xiàn)兩臺通信服務(wù)器的冗余連接，需配置2臺集控接入網(wǎng)交換機及廣域網(wǎng)路由設(shè)備，為滿足電力系統(tǒng)二次安全防護的要求，水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)在接入集控中心專用數(shù)據(jù)網(wǎng)廣域網(wǎng)時，應(yīng)配置電力系統(tǒng)專用縱向加密認證裝置。

通信的主要方式為網(wǎng)絡(luò)通信，常用的網(wǎng)絡(luò)通信接口包括：

a)集控中心專用數(shù)據(jù)網(wǎng)的廣域網(wǎng)接口（1個或多個2Mbps的E1接口）；

b)梯級集控專用通信傳輸網(wǎng)設(shè)備的以太網(wǎng)絡(luò)接口（10/100/1000Mbps）；

c）直接光纖連接。

常用的網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約包括：

IEC60870-5-104（DL/T-634.5104-2002)；

電力系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)通信應(yīng)用層協(xié)議DL476－1992規(guī)約；

IEC60870-6-TASE.2。

根據(jù)目前的應(yīng)用情況來分析，IEC60870-5-104和DL476－1992這2種規(guī)約均為我國電力系統(tǒng)推薦采用的規(guī)約，各有優(yōu)劣，均有不少成功的應(yīng)用案例。我們認為IEC60870-5-104網(wǎng)絡(luò)傳輸規(guī)約作為國際上廣泛采用的規(guī)約，通過不斷完善，應(yīng)具有更好的應(yīng)用前景。

IEC60870-6-TASE.2規(guī)約具有功能強，配置靈活方便，通信可靠等優(yōu)點，主要在調(diào)度系統(tǒng)間通信獲得了廣泛使用，因很多功能主要針對調(diào)度系統(tǒng)，比較復(fù)雜，且開發(fā)使用成本較高，除對系統(tǒng)功能和性能有較高要求的特大型水電站外，不適合于一般水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)與集控中心的通信。

集控中心與各梯級電站監(jiān)控系統(tǒng)通信時，一般不推薦采用串口通信方式，因速率限制，串口通信方式只能傳送最重要的少量數(shù)據(jù)，無法滿足電站現(xiàn)地?zé)o人值班遠方集中控制的要求，但串口通信方式具有簡單可靠的優(yōu)點，根據(jù)需要可作為網(wǎng)絡(luò)通信方式的備用通信方式。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)與上級調(diào)度的接口和通訊

監(jiān)控系統(tǒng)與上級調(diào)度的通訊接口一般有兩種方式，一種是專線串行通訊接口，另一種是基于網(wǎng)絡(luò)通訊的接口。串行通訊方式通過電力專用調(diào)制解調(diào)器和專線與上級調(diào)度EMS系統(tǒng)連接。網(wǎng)絡(luò)通訊方式則在電站監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)設(shè)置通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，通過調(diào)度數(shù)據(jù)專用網(wǎng)的廣域網(wǎng)口實現(xiàn)與調(diào)度中心系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。根據(jù)電力系統(tǒng)二次安全防護的技術(shù)要求，水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)在接入調(diào)度專用數(shù)據(jù)網(wǎng)廣域網(wǎng)時，應(yīng)配置電力系統(tǒng)專用縱向加密認證裝置。

目前，水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)與上級調(diào)度中心通信的數(shù)據(jù)量一般都不大，一般只傳送電站主接線等與電網(wǎng)調(diào)度相關(guān)的信息，可采用網(wǎng)絡(luò)和串行專線通信兩種方式與上級調(diào)度系統(tǒng)進行通信，并相互備用。串口通信方式具有簡單可靠的優(yōu)點，因傳輸時延固定，當(dāng)數(shù)據(jù)量不大時也具有較好的實時性，比較適合于與上級調(diào)度中心通信。

我國各大電網(wǎng)自動化系統(tǒng)規(guī)模大，涉及到的設(shè)備種類繁多，相應(yīng)的所采用的通信規(guī)約種類也是多種多樣。與遠方調(diào)度中心通信常用的規(guī)約有IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、IEC60870-6-TASE.2、DNP3.0、SC1801、μ4F、CDT等。隨著調(diào)度自動化系統(tǒng)的升級改造，IEC60870-5-104（DL/T-634.5104-2002)標(biāo)準(zhǔn)與 DL/T634.5101-2002(IEC60870-5-101)標(biāo)準(zhǔn)以其標(biāo)準(zhǔn)化程度高、功能強大、幀結(jié)構(gòu)及工作方式完善、性能優(yōu)異的特點，正一起逐步取代其它那些專用的協(xié)議，在我國各調(diào)度系統(tǒng)與廠站的網(wǎng)絡(luò)和串口專線通信中獲得廣泛使用。

IEC60870-6-TASE.2規(guī)約雖然功能強大，但過于復(fù)雜，開發(fā)使用成本較高，且很多功能均基于調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用，主要用于調(diào)度系統(tǒng)間的通信，用于調(diào)度系統(tǒng)與水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)之間通信的，在我國主要是三峽左岸電站、右岸電站與國調(diào)、華中網(wǎng)調(diào)、梯調(diào)系統(tǒng)通信，以及二灘水電站與四川省調(diào)系統(tǒng)通信。

3.3 與上級自動化系統(tǒng)通訊的發(fā)展趨勢

隨著計算機技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，以及各級專用光纖通信網(wǎng)的建立，水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)與上級自動化系統(tǒng)之間的通信發(fā)生了飛躍式的變化，基于高可靠性的光纖高速調(diào)度專用通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互連通信的方式，極大地提高了通信的可靠性和實時性，使上級自動化系統(tǒng)的遠方閉環(huán)自動控制功能得以真正實施。

目前與國際接軌的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約IEC60870-5-104（DL/T-634.5104-2002)與DL/T634.5101-2002(IEC60870-5-101)在我國不僅得到廣泛采用，而且在通信規(guī)約軟件的一致性與完整性測試方面也逐步得到了各方面的重視，越來越多的調(diào)度中心開始要求接入的水電站采用的通信規(guī)約必須通過國家認可的檢測機構(gòu)的一致性測試并提供所頒發(fā)的證書。

由于各電網(wǎng)調(diào)度中心和集控中心的要求不一致，對于遠動規(guī)約進行一致性與完整性測試推廣有一定的難度，但到國家電力部門認可的檢測機構(gòu)進行遠動規(guī)約一致性與完整性測試并頒發(fā)入網(wǎng)許可證書應(yīng)是今后與上級自動化系統(tǒng)通信規(guī)約的發(fā)展趨勢。對通信規(guī)約進行嚴(yán)格的一致性與完整性測試是通信規(guī)約開發(fā)中非常重要的一個環(huán)節(jié)，可有效避免因通信規(guī)約的缺陷給今后的功能擴展和長期穩(wěn)定運行留下的隱患。

目前在我國對于采用與最新的國際標(biāo)準(zhǔn)接軌的規(guī)約已達成共識，但應(yīng)該看到，在如今全球經(jīng)濟一體化的過程中，特別是通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機技術(shù)的日新月異的前提下，對于國外不斷推出新的通信規(guī)約，若我們沒有根據(jù)我國的實際情況進行分析，只是盲目跟進采用并推廣，必將花費巨大的人力物力，并很難在市場和技術(shù)上獲得領(lǐng)先與發(fā)展。

4 結(jié)論

目前越來越多數(shù)字化和智能化設(shè)備在水電站的應(yīng)用，水電站數(shù)字化設(shè)備互聯(lián)通信迅速增加，通信互聯(lián)也從串口通訊向現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)方向發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元呈現(xiàn)遠程分布與智能分布趨勢，有力地推動了我國監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展與進步。

今后，隨著電子式電流電壓互感器、智能化開關(guān)、在線檢測等技術(shù)的發(fā)展，建立基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)建模的標(biāo)準(zhǔn)信息和通信技術(shù)平臺數(shù)字化水電站已成為可能，在數(shù)字化水電監(jiān)控系統(tǒng)中，所有數(shù)據(jù)均以數(shù)字量的形式按統(tǒng)一的通信協(xié)議傳輸，站內(nèi)的各個智能設(shè)備之間具有良好的互操作性。數(shù)字化水電站自動化標(biāo)準(zhǔn)IEC61850及其數(shù)據(jù)模型具有標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)交換接口和統(tǒng)一數(shù)據(jù)建模的先進理念，有望實現(xiàn)真正全球范圍性的無縫通信，并在水電廠智能設(shè)備上實現(xiàn)互操作性。

而從現(xiàn)在來看，實現(xiàn)數(shù)字化水電站將是一個長期的過程，代表了未來發(fā)展的方向，我們應(yīng)給與足夠的關(guān)注。

[1]水電站數(shù)字化設(shè)備通信運行狀態(tài)及特性分析研究報告[R].北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，2008年5月.

TP393.03

A

1672-5387（2010）03-0005-05

2010-04-28

張毅（1963-），男，北京中水科水電科技開發(fā)有限公司（中國水利水電科學(xué)研究院自動化所）總工，教授級高級工程師，主要從事水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的研究與開發(fā)工作。（E-mail∶jskfb@iwhr.com）