鳳灘水電廠調(diào)度通訊仿真RTU設(shè)計與應(yīng)用

周希念，戴 民，龔傳利，毛 琦，姚維達

（1.湖南省電力公司，湖南長沙 410007；2.鳳灘水力發(fā)電廠，湖南沅陵 419600；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

鳳灘水電廠調(diào)度通訊仿真RTU設(shè)計與應(yīng)用

周希念1，戴 民2，龔傳利3，毛 琦3，姚維達3

（1.湖南省電力公司，湖南長沙 410007；2.鳳灘水力發(fā)電廠，湖南沅陵 419600；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

分析比較了物理RTU和仿真RTU，提出仿真RTU替代物理RTU是水電廠與調(diào)度通訊的必然方向。文中介紹鳳灘水電廠仿真RTU設(shè)計原則以及仿真RTU結(jié)構(gòu)特點，并分析了經(jīng)濟與社會效益。鳳灘仿真RTU的實現(xiàn)可以供其他水電廠借鑒。

水電廠；仿真RTU

0 引言

由于電力生產(chǎn)單位設(shè)備投入運行后，要將本單位主要生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時地發(fā)往各級電力調(diào)度部門，供其對整個電網(wǎng)的運行情況進行監(jiān)控。因此在發(fā)電廠內(nèi)都設(shè)有遠程終端單元，即RTU。通常電網(wǎng)調(diào)度用的RTU裝置自帶處理器，并且集中了多種I/O模塊，這些模塊可以安裝在一個機柜內(nèi)，也可以分散安裝在各間隔單元中，通過單獨鋪設(shè)的信號電纜完成對現(xiàn)地生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，RTU主設(shè)備把直接采集或通過現(xiàn)場總線采集的實時數(shù)據(jù)集中處理后，按照遠動通訊規(guī)約，用電力專用modem經(jīng)通信通道上傳給電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)遙測、遙信功能；同樣RTU也可以接收電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)下傳的數(shù)據(jù)，按照調(diào)度要求直接控制生產(chǎn)設(shè)備，實現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)對現(xiàn)地設(shè)備的遙調(diào)、遙控功能。RTU實際上是一個可靠性高、實時性好的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。但RTU硬件成本高，維護不方便，增加四遙的點數(shù)需要增加I/O模塊，每個電廠平均需要數(shù)百萬投資。隨著電力建設(shè)的不斷發(fā)展，計算機監(jiān)控系統(tǒng)在水電廠得到了越來越廣泛的應(yīng)用，計算機通訊技術(shù)已經(jīng)非常成熟，且具有實時性好，運行安全穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集信息量大，數(shù)據(jù)處理能力強等特點，用計算機監(jiān)控系統(tǒng)仿真現(xiàn)場RTU功能，以“虛擬RTU”替代真正的RTU設(shè)備與電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)進行通訊，實現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)對現(xiàn)地設(shè)備的遙測、遙信、遙調(diào)和遙控功能已經(jīng)成為必然。使用計算機監(jiān)控系統(tǒng)虛擬RTU不僅可以減少現(xiàn)場電纜鋪設(shè)量，簡化現(xiàn)地設(shè)備和減少運行人員的維護工作量，還可為用戶降低設(shè)備投資，平均每個電廠投資僅十萬元左右。

鳳灘水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用中國水利水電科學(xué)院H9000V4.0分布開放式水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)具有最新國際標(biāo)準(zhǔn)通訊規(guī)約庫及軟件包等。電廠原采用SC1801規(guī)約的物理RTU與省調(diào)通訊，由于其昂貴的購置費和維護費用，電廠在監(jiān)控系統(tǒng)改造中淘汰了物理RTU，采用sc1801規(guī)約虛擬RTU與省調(diào)通訊，實現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)對現(xiàn)地設(shè)備的遙測、遙信、遙調(diào)和遙控功能。

1 仿真RTU設(shè)計原則及結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

根據(jù)無人值班（少人值守）的要求，結(jié)合我國國情，盡可能采用國內(nèi)外最新技術(shù)的原則，調(diào)度仿真RTU不僅應(yīng)具有可靠、完善的功能，應(yīng)遵守如下的設(shè)計原則，而且還要具有良好的開放性能，以確保系統(tǒng)的可擴性、移植性和聯(lián)網(wǎng)功能，以保護電廠的投資。

高可靠性：采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，保證任何局部設(shè)備的故障均不影響系統(tǒng)總體功能的實現(xiàn)，提高系統(tǒng)的可靠性和實時性并減少系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)資源的占用。為提供可靠性，一般應(yīng)采用冗余配置，雙主機、雙網(wǎng)絡(luò)、雙通道。

先進性：立足當(dāng)前水電廠綜合自動化計算機監(jiān)控系統(tǒng)的最新研究應(yīng)用成果和發(fā)展趨勢，采用國內(nèi)外最新技術(shù)，并結(jié)合我國國情，按現(xiàn)場無人值班（少人值守）原則設(shè)計。以保證系統(tǒng)具有國內(nèi)乃至國際領(lǐng)先地位。

實時性：調(diào)度仿真RTU與水電廠監(jiān)控系統(tǒng)主干網(wǎng)應(yīng)采用開放式冗余高速網(wǎng)絡(luò)，并進行有效配置，以防止通信瓶頸的出現(xiàn)；主機應(yīng)選用在水電廠綜合自動化系統(tǒng)中成功應(yīng)用的最新高性能機型，配備經(jīng)過實際檢驗的功能強大、性能優(yōu)異的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，以保證仿真RTU的實時性。

可擴展性：仿真RTU不僅應(yīng)具有可靠、完善的功能，而且還要具有良好的開放性能，以確保系統(tǒng)的可擴性、移植性。所采用的技術(shù)和結(jié)構(gòu)應(yīng)適應(yīng)未來發(fā)展趨勢，并支持和便于分階段投運設(shè)備。

成熟性：根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外水電站綜合自動化系統(tǒng)的成功經(jīng)驗，所采用的系統(tǒng)方案、設(shè)備、軟件等都應(yīng)是經(jīng)過實際運行考驗的先進成熟產(chǎn)品，并能獲得良好的技術(shù)支持。

可維護性：充分利用H9000系統(tǒng)的現(xiàn)有工具軟件，減少開發(fā)維護工作量，提高開發(fā)維護效率。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鳳灘水電廠調(diào)度仿真RTU由硬件和軟件構(gòu)成的。硬件為二臺通訊服務(wù)器；軟件是調(diào)度通信仿真軟件包，運行在通訊服務(wù)器上，仿真RTU軟件以H9000計算機監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件為應(yīng)用平臺，支持Windows和UNIX操作系統(tǒng)。

鳳灘水電廠調(diào)度仿真RTU在電站內(nèi)側(cè)通過網(wǎng)絡(luò)接口與計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)交換機連接，實現(xiàn)與計算機監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)交換，通過冗余10/100MB快速以太網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，其容量大，速度快，實時性、開放性俱佳。外側(cè)通過調(diào)制解調(diào)器和通信系統(tǒng)提供的兩條通信專線通道實現(xiàn)與調(diào)度中心系統(tǒng)的互連。

2 鳳灘水電廠仿真RTU的特點與應(yīng)用

鳳灘水電廠調(diào)度仿真RTU以獨立通訊工作站為硬件平臺，以監(jiān)控系統(tǒng)為應(yīng)用軟件平臺，通過監(jiān)控系統(tǒng)局域網(wǎng)獲得各類遙測遙信數(shù)據(jù)且具有較高的實時性，其中遙信變位傳送至主站時間≤3s，重要遙測量越定值變化傳送至主站時間≤3s，事件記錄分辨率＜10ms；調(diào)度仿真RTU可以及時轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度系統(tǒng)下達的遙控命令和遙調(diào)命令，若該命令直接下達到設(shè)備，則響應(yīng)時間≤3s。調(diào)度仿真RTU通過軟件實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)功能規(guī)范中規(guī)定的各項功能，包括：采集并發(fā)送狀態(tài)量信息、遙信變位優(yōu)先傳送、采集并發(fā)送數(shù)字量信息、采集并發(fā)送脈沖計數(shù)值、采集并發(fā)送模擬量測值、接收并執(zhí)行遙控命令、接收并執(zhí)行調(diào)整命令、被測量越定值傳送、越限告警、事件順序記錄、程序自恢復(fù)、主備通道自動切換，遙測、遙信、遙控、遙調(diào)容量組合等。

在確定采用仿真RTU方案后，鳳灘水電廠與監(jiān)控廠家進行了仿真RTU系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計、開發(fā)及實驗室聯(lián)調(diào)工作。并測試了相關(guān)的功能、性能，其中完成了有關(guān)SOE功能，使事件分辨率達到了毫秒級，滿足了湖南省調(diào)度系統(tǒng)對仿真RTU軟件的要求，并通過了與湖南省中調(diào)的實驗室聯(lián)調(diào)測試。鳳灘水電廠采用雙套仿真RTU，從2004年開始現(xiàn)場安裝調(diào)試，并投入使用，替代原有RTU設(shè)備與湖南省電網(wǎng)調(diào)度中心系統(tǒng)進行通訊，實現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)對現(xiàn)地設(shè)備的遙測、遙信、遙調(diào)和遙控功能。通信規(guī)約支持湖南省調(diào)使用的SC1801及104等多種規(guī)約。目前仿真RTU在鳳灘水電廠運行情況良好，可用率≥99.8%，同時也大大減少了維護人員的工作量。

2.1 通訊規(guī)約選擇功能

調(diào)度仿真RTU與電力調(diào)度中心主站通訊的內(nèi)容用遙測、遙信、遙控和遙調(diào)信息表文件定義。信息表文件采用結(jié)構(gòu)化文本格式，該格式根據(jù)調(diào)度通訊雙方約定的RTU遠動規(guī)約類型而制定，信息表結(jié)構(gòu)清晰便于運行人員修改和維護。調(diào)度仿真RTU的通信規(guī)約，早期使用DNP3.0、SC1801，目前已更換為104規(guī)約。

2.2 調(diào)度命令驗證和日志記錄功能

調(diào)度仿真RTU不但可以直接轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度系統(tǒng)下達的遙調(diào)遙控命令去控制設(shè)備運行，而且還可以通過監(jiān)控系統(tǒng)本身的控制命令閉鎖功能對收到的遙調(diào)遙控令進行驗證，只有當(dāng)現(xiàn)場條件確實具備后才轉(zhuǎn)發(fā)控制命令，否則拒絕執(zhí)行。調(diào)度系統(tǒng)下達的所有遙調(diào)遙控命令都會在調(diào)度仿真RTU通訊服務(wù)器中留下記錄并形成日志文件，供有關(guān)人員查詢。

2.3 靈活的冗余通信配置方式

運行人員可以在調(diào)度仿真RTU通訊服務(wù)器上查看全廠實時數(shù)據(jù)庫、顯示監(jiān)控系統(tǒng)所有畫面。用戶也可以用IPM做圖工具自己繪制針對RTU通訊的相關(guān)畫面以便集中監(jiān)視調(diào)度通訊遙測遙信數(shù)據(jù)和通訊狀態(tài)。由于調(diào)度仿真RTU運行在通訊服務(wù)器上，所以具有較靈活的組合方式實現(xiàn)冗余功能提高通訊系統(tǒng)可靠性。例如：通過調(diào)度仿真RTU通訊服務(wù)器上的多個串行接口分別連接調(diào)度系統(tǒng)冗余通訊通道可實現(xiàn)“單機多通道冗余”運行方式；使用兩臺調(diào)度仿真RTU通訊服務(wù)器分別連接調(diào)度系統(tǒng)通訊冗余通道可實現(xiàn)“雙機雙通道冗余”運行方式；若監(jiān)控系統(tǒng)配置了網(wǎng)絡(luò)串行服務(wù)器和兩臺調(diào)度仿真RTU通訊服務(wù)器，將網(wǎng)絡(luò)串行服務(wù)器上的串行接口與調(diào)度系統(tǒng)通訊單通道或冗余通道相連，則可以實現(xiàn)更加靈活的“雙機單通道”或“雙機多通道冗余”運行方式。

2.4 通訊狀態(tài)監(jiān)視和程序自恢復(fù)功能

為保證調(diào)度通訊不間斷，調(diào)度仿真RTU設(shè)計了“看門狗”功能，當(dāng)某個通訊程序出現(xiàn)異常退出運行后，“看門狗”將在幾秒鐘內(nèi)（時間可以設(shè)定）把該通訊程序重新啟動并投入運行以確保上傳數(shù)據(jù)的實時性和連續(xù)性。在通信過程中，當(dāng)因通訊通道故障導(dǎo)致通訊中斷后，調(diào)度仿真RTU會立即在監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布綜合報警信息，運行值班員在操作員工作站上可以立即看到該通道的故障報警信息，并及時通知有關(guān)人員排除故障恢復(fù)通道暢通。

2.5 調(diào)度通訊與監(jiān)控系統(tǒng)無縫連接

調(diào)度仿真RTU作為監(jiān)控系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，它的各項功能完全融合在監(jiān)控系統(tǒng)平臺內(nèi)，因此調(diào)度仿真RTU能夠充分利用計算機監(jiān)控系統(tǒng)已采集到的各種信息資源實現(xiàn)資源共享。調(diào)度仿真RTU不僅能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電廠RTU設(shè)備的全部功能，而且還具有現(xiàn)地RTU設(shè)備有無法替代的作用。例如通過運行調(diào)度仿真RTU軟件，本廠監(jiān)控系統(tǒng)AGC可以直接接收上級電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)AGC的遙調(diào)遙控命令，參與并配合電網(wǎng)AGC運行。

2.6 遠方診斷功能

由于調(diào)度仿真RTU是監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，因此有特殊權(quán)限的維護管理人員可以通過計算機監(jiān)控系統(tǒng)遠程診斷接口，從遠方登錄到調(diào)度仿真RTU通訊服務(wù)器上進行運行監(jiān)視和維護。

3 經(jīng)濟和社會效益

調(diào)度仿真RTU多功能，運行穩(wěn)定，實時性好，冗余配置結(jié)構(gòu)靈活，易于功能擴充，系統(tǒng)維護管理簡單，電廠的調(diào)度通訊系統(tǒng)建設(shè)提供了新的實現(xiàn)方法，為電力系 統(tǒng)節(jié)約工程投資，降低運行維護成本創(chuàng)造了條件。調(diào)度仿真RTU在鳳灘水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)工程的實施，進一步提高了全廠生產(chǎn)自動化水平，為實現(xiàn)電站（尤其是偏遠和交通不便地區(qū)的電站）無人值班，“少人值守”奠定了基礎(chǔ)，具有非常高的推廣應(yīng)用價值。鳳灘電廠仿真RTU比物理RTU為電廠節(jié)省200余萬人民幣，每年節(jié)省維護費用30萬人民幣。

4 結(jié)束語

仿真RTU采用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，價格便宜，維護方便，在鳳灘水電廠投運以來，有效地提高了電站綜合自動化水平，取得了良好經(jīng)濟效益和社會效益。采用SC1801規(guī)約仿真RTU與省調(diào)通訊已穩(wěn)定運行五年多，在省調(diào)改通訊規(guī)約為101和104規(guī)約后，仿真RTU也作了101和104規(guī)約相應(yīng)配置，并已完成投運，運行半年多穩(wěn)定可靠。仿真RTU替代物理RTU現(xiàn)在已成為水電廠與調(diào)度通訊的必然方向，鳳灘水電廠仿真RTU設(shè)計思想可供其他水電廠借鑒。

[1]周民，張毅，王桂平，等.H9000計算機監(jiān)控系統(tǒng)虛擬RTU功能的實現(xiàn)〔J〕.水電自動化與大壩監(jiān)測，2004，3.

[2]毛琦，姚維達，張衛(wèi)君.H9000計算機監(jiān)控系統(tǒng)在鳳灘電廠的應(yīng)用〔J〕.水電站機電技術(shù)，2008，3.

[3]周民，姚維達，張毅.H9000計算機監(jiān)控系統(tǒng)的新版本〔J〕.水電自動化與大壩監(jiān)測，2002，4.

TP391.9

B

1672-5387（2010）03-0053-03

2010-04-28

周希念（1969-），男，工程師，主要從事水電廠電氣生產(chǎn)管理工作。（E-mail：zhouxn@mail.hn.sgcc.com.cn）