淺析二灘水電站監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造

鄭 德 芳， 韓 勇， 周 佳

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司 二灘水力發(fā)電廠(chǎng)，四川 攀枝花 617000)

二灘水電站監(jiān)控系統(tǒng)采用德國(guó)ABB公司(現(xiàn)德國(guó)ALSTOM公司)Advant OCS系列分布式控制系統(tǒng),主要包括監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、4臺(tái)操作員站、13套現(xiàn)地控制單元LPU、6臺(tái)遠(yuǎn)程I/O裝置，IMS系統(tǒng)、調(diào)度通信系統(tǒng)、AGC/AVC系統(tǒng)、集控接口系統(tǒng)等。該系統(tǒng)用于監(jiān)視和控制6臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組、18臺(tái)單相主變壓器、500 kV GIS開(kāi)關(guān)站、進(jìn)水口快速閘門(mén)、水工泄洪閘門(mén)、6.3 kV廠(chǎng)用電、油水風(fēng)等設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)與四川省調(diào)、國(guó)調(diào)、雅礱江流域集控中心數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)了流域集控中心遠(yuǎn)方集控和電廠(chǎng)無(wú)人值班的運(yùn)行方式。

二灘水電站監(jiān)控系統(tǒng)自1998年投運(yùn)至今，已安全運(yùn)行14 a，但也暴露出眾多不足。為解決系統(tǒng)硬件配置較低、系統(tǒng)不開(kāi)放、元件老化以及備品備件無(wú)法采購(gòu)等問(wèn)題，2013年，二灘水電站開(kāi)始進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的全面改造升級(jí)，與安德里茨公司簽訂了改造協(xié)議。

1 新老監(jiān)控系統(tǒng)的比較

新監(jiān)控系統(tǒng)采用奧地利安德里茨公司自主研發(fā)的NEPTUE水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)搭建。NEPTUE是將現(xiàn)代化的分布式控制系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)與安德里茨水電集團(tuán)積累的水電站技術(shù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行完美結(jié)合，是一個(gè)“全分布的采用綜合過(guò)程控制技術(shù)的水電站綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)”，可以滿(mǎn)足不同類(lèi)型水電站的功能要求，符合當(dāng)今水電站SCADA系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。安德里茨公司的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地智能控制單元采用AK1703智能PLC裝置，較ABB系統(tǒng)具有許多獨(dú)特、顯著的優(yōu)點(diǎn)：

(1)程序可讀性和可修改性能升級(jí)。安德里茨水電集團(tuán)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，包括中控室的后臺(tái)基本軟件和現(xiàn)地LCU基本軟件，不用在現(xiàn)場(chǎng)編程和修改源代碼，為電廠(chǎng)按時(shí)發(fā)電提供了保障：增加或刪除了系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)程一直在線(xiàn)運(yùn)行，無(wú)需重啟。

(2)硬件配置性能升級(jí)。中央CPU模板主頻高，內(nèi)存大。

(3)運(yùn)行可靠性能升級(jí)。雙中央CPU模板冗余切換時(shí)間為0 ms，達(dá)到了真正無(wú)擾動(dòng)。而ABB系統(tǒng)CPU切換時(shí)間至少需要一個(gè)掃描周期。智能PLC裝置AK1703冗余雙中央CPU模板同時(shí)工作，即同時(shí)接收和處理來(lái)自監(jiān)控后臺(tái)系統(tǒng)和下面所有I/O模板的數(shù)據(jù)。當(dāng)主用中央CPU通信單元的模板或網(wǎng)卡發(fā)生故障時(shí)，備用中央CPU通信單元的模板瞬間打開(kāi)所有的通信輸出通道，接替所有的任務(wù)，從而不間斷地繼續(xù)完成所有工作。

(4)設(shè)計(jì)理念升級(jí)。全SOE量設(shè)計(jì)理念，所有輸入信號(hào)都帶有模板實(shí)時(shí)時(shí)標(biāo)，實(shí)時(shí)時(shí)標(biāo)在I/O模板上直接記錄。而ABB系統(tǒng)的信號(hào)上傳采用的是掃描方式。

(5)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范升級(jí)。上位機(jī)與下位機(jī)LCU(AK1703 ACP)之間的通訊采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)電力規(guī)約IEC60870-5-104，是世界上唯一一家在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部通訊采用IEC60870-5-104規(guī)約的廠(chǎng)家。

(6)系統(tǒng)可擴(kuò)展性升級(jí)。安德里茨公司的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)超越了一般計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)條件的基本要求，采用了全智能的監(jiān)控部件和模件，所有I/O模板均為智能模板，板上帶有處理器，真正做到了全分布、智能分散、功能分散、危險(xiǎn)分散的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性。

2 新監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

二灘水電站新監(jiān)控系統(tǒng)采用分層全分布開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，符合“無(wú)人值班”的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，系統(tǒng)的主要設(shè)備采用冗余配置。監(jiān)控系統(tǒng)由主控級(jí)設(shè)備、現(xiàn)地控制單元設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成。電站控制級(jí)采用非常人性化設(shè)計(jì)的SAT 250 SCALA系統(tǒng)，由2臺(tái)主服務(wù)器、2臺(tái)操作員工作站、3臺(tái)工程師工作站、2臺(tái)調(diào)度通信網(wǎng)關(guān)機(jī)、2臺(tái)集控通信網(wǎng)關(guān)機(jī)、2臺(tái)報(bào)表站、1臺(tái)WEB服務(wù)器、4臺(tái)主交換機(jī)、打印機(jī)和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、隔離設(shè)備等組成?，F(xiàn)地控制單元LCU設(shè)備采用新一代智能PLC控制器AK1703 ACP和智能I/O模塊。計(jì)算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用總線(xiàn)式冗余光纖以太網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置見(jiàn)圖1。

圖1 二灘水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.1 上位機(jī)控制系統(tǒng)250SCALA

安德里茨250SCALA上位機(jī)系統(tǒng)基于Windows操作平臺(tái)，視窗操作，全漢化顯示，采用文字、聲音、圖形、圖像等手段，把工作人員的操作、事故、故障、參數(shù)越限等情況均作提示。250SCALA上位機(jī)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、控制和調(diào)節(jié)、優(yōu)化運(yùn)行、數(shù)據(jù)通信、記錄、管理、運(yùn)行狀態(tài)顯示、圖表打印等功能，用于監(jiān)視和控制6臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組、18臺(tái)單相主變壓器、500 kVGIS開(kāi)關(guān)站、進(jìn)水口快速閘門(mén)、大壩泄洪閘門(mén)、6 kV廠(chǎng)用電、油水風(fēng)等設(shè)備。

250SCALA是安德里茨公司最新一代運(yùn)用人類(lèi)生態(tài)工程學(xué)理論而設(shè)計(jì)的控制中心主站系統(tǒng)，其基于客戶(hù)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，具有多客戶(hù)支持能力、實(shí)時(shí)多任務(wù)處理以及功能集成化等特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)上接入的每一個(gè)設(shè)備都具有自己特定的功能，實(shí)現(xiàn)了功能的分布，既具備了網(wǎng)絡(luò)某一設(shè)備故障只影響局部功能的優(yōu)點(diǎn)，又利于系統(tǒng)升級(jí)功能的擴(kuò)充。其主要硬件配置及功能如下。

2.1.1 主服務(wù)器(2套)

(1)配置：主服務(wù)器為SUN公司生產(chǎn)的SUN ORACLE SPARC T4-1高檔服務(wù)器。兩臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器的配置相同，操作系統(tǒng)采用Solaris 10系統(tǒng)，以冗余熱備用方式工作，主備切換無(wú)擾動(dòng)地完成。

(2)功能：兩套主服務(wù)器在正常運(yùn)行時(shí)，集程序服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器功能于一體，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的管理；歷史數(shù)據(jù)的存檔、歸類(lèi)、檢索和管理；與下位機(jī)及上位機(jī)各站點(diǎn)的通訊等。

2.1.2 操作員站(2套)

(1)配置：操作員站為HP公司生產(chǎn)的HP DL380p GEN8。操作系統(tǒng)采用Windows Server 2008 R2 Standard 64-bit系統(tǒng)。

(2)功能：操作員站是全廠(chǎng)集中監(jiān)視和控制功能的人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)畫(huà)面顯示，多窗口顯示操作管理，事故報(bào)警和事件記錄，各種報(bào)表顯示，系統(tǒng)自診斷信息的顯示，操作員站操作權(quán)限的登錄及其管理，應(yīng)用控制操作、運(yùn)行設(shè)備的控制操作、系統(tǒng)配置操作、負(fù)荷調(diào)整操作等各種操作處理。兩套操作員工作站完全獨(dú)立并存。

2.1.3 工程師站(3套)

(1)配置：工程師站服務(wù)器為三臺(tái)HP公司生產(chǎn)的HP DL380p GEN8。3臺(tái)工程師站配置相同，其中一臺(tái)為移動(dòng)工程師站。操作系統(tǒng)采用Windows Server 2008 R2 Standard 64-bit系統(tǒng)。

(2)功能：工程師工作站主要作為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、維護(hù)及故障處理等功能使用。同時(shí)，還可作為操作員工作站的熱備用機(jī)。

2.1.4 集控通信網(wǎng)關(guān)機(jī)(2套)

(1)配置：集控通信網(wǎng)關(guān)機(jī)選用兩套安德里茨智能控制器AK 1703，每個(gè)機(jī)架均配置2個(gè)中央CPU：C-2017,1個(gè)協(xié)調(diào)CPU：C-2014，第一塊2017上配置一個(gè)SM-2556模塊，第二塊2017上配置一個(gè)SM-2557、一個(gè)SM-2551模塊，采用101、104規(guī)約進(jìn)行通信。

(2)功能：集控通信網(wǎng)關(guān)機(jī)用于監(jiān)控系統(tǒng)與遠(yuǎn)方集控中心的數(shù)據(jù)通信，還具有遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)處理及通信功能，按照直采直送原則，直接接收來(lái)自L(fǎng)CU的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后按照多通信方式及通訊規(guī)約完成與遠(yuǎn)方集控中心的數(shù)據(jù)交換。

2.1.5 調(diào)度通信網(wǎng)關(guān)機(jī)(2套)

(1)配置：調(diào)度通信網(wǎng)關(guān)機(jī)為兩臺(tái)DA-683工業(yè)計(jì)算機(jī)，同時(shí)為調(diào)度網(wǎng)關(guān)機(jī)配置了一臺(tái)KVM顯示器。

(2)功能：調(diào)度通信網(wǎng)關(guān)機(jī)用于監(jiān)控系統(tǒng)與省調(diào)數(shù)據(jù)通信，按照直采直送原則，直接接收來(lái)自L(fǎng)CU的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后按照不同的通信方式及通訊規(guī)約完成與多個(gè)調(diào)度端的數(shù)據(jù)交換。

2.1.6 報(bào)表站(2套)

(1)配置：廠(chǎng)內(nèi)配置了兩臺(tái)報(bào)表站，均采用HP公司生產(chǎn)的HP DL380p GEN8。操作系統(tǒng)采用Windows Server 2008 R2 Standard 64-bit系統(tǒng)。

(2)功能：報(bào)表站主要用于歷史數(shù)據(jù)、歷史事件的查詢(xún)、數(shù)據(jù)曲線(xiàn)分析等。

2.1.7 WEB服務(wù)器(1套)

(1)配置：WEB服務(wù)器采用HP公司生產(chǎn)的HP DL380p GEN8。操作系統(tǒng)采用Windows Server 2008 R2 Standard 64-bit系統(tǒng)。

(2)功能：運(yùn)用WEB服務(wù)器，通過(guò)隔離裝置和防火墻，將監(jiān)控系統(tǒng)信息傳入辦公區(qū)域，可以在辦公電腦上隨時(shí)查詢(xún)、訪(fǎng)問(wèn)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)、事件信息。

2.2 現(xiàn)地控制單元LCU系統(tǒng)

二灘水電站現(xiàn)地控制單元系統(tǒng)采用安德里茨智能控制器AK1703，此設(shè)備基于32位微處理器技術(shù)，采用多CPU體系結(jié)構(gòu)。而且它的每個(gè)I/O模板也都帶有各自的CPU，從而具有廣泛的通信方式和龐大的通信能力，可以配置各種通訊方式(以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、串口等)和一百余種通信規(guī)約。在控制裝置AK1703中配置了獨(dú)立冗余功能，外置的SM-2556以太網(wǎng)通信模板采用國(guó)際電力標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約IEC60870-5-104，通信速率10/100 M自適應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了與地下廠(chǎng)房交換機(jī)或地面中控室交換機(jī)的冗余通信。

AK1703 ACP采用智能控制裝置的串行通信模板SM-2551并可擴(kuò)展，每個(gè)串口支持獨(dú)立的編程和不同的規(guī)約，所有串行通信模板硬件通用，只需下載不同的通信固件便可以實(shí)現(xiàn)不同規(guī)約的通信。SM-2551支持幾十種不同的串行通信規(guī)約，主要包括IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、MODBUS、DNP等。

值得說(shuō)明的是：智能控制裝置AK1703 ACP能直接支持國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)設(shè)備的通信規(guī)約IEC60870-5-103，而一般的現(xiàn)地LCU則必需通過(guò)規(guī)約轉(zhuǎn)換，才能將保護(hù)信息接入到現(xiàn)地控制單元中。機(jī)組LCU中的智能控制裝置AK1703 ACP與勵(lì)磁、調(diào)速器、保護(hù)設(shè)備等外部系統(tǒng)的通信分別配置了獨(dú)立的、一對(duì)一的串口來(lái)實(shí)現(xiàn)，未用共用部分，相互之間沒(méi)有影響。這樣布置，既使其中的某個(gè)通信有問(wèn)題，也只影響其本身，而不會(huì)影響到與其它幾個(gè)系統(tǒng)的通信。以機(jī)組LCU為例，現(xiàn)地控制單元通信比較情況如圖2所示。

3 通訊系統(tǒng)

二灘水電站監(jiān)控系統(tǒng)采用總線(xiàn)式冗余光纖以太網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)選用的是德國(guó)赫斯曼公司生產(chǎn)的MACH4000型交換機(jī)。為協(xié)調(diào)

圖2 現(xiàn)地控制單元通信示意圖

冗余數(shù)據(jù)交換機(jī)制，通信網(wǎng)絡(luò)中需要設(shè)置一臺(tái)交換機(jī)作為RM(Redundancy Manager)來(lái)管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)通信線(xiàn)路。被設(shè)置成RM的交換機(jī)可以是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任意一臺(tái)交換機(jī)。當(dāng)RM交換機(jī)發(fā)現(xiàn)主通信線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)自動(dòng)啟用備用通信線(xiàn)路，從而使通信不受影響并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。這種通信機(jī)制可以使每個(gè)光纖網(wǎng)絡(luò)容納一個(gè)物理斷點(diǎn)而通信不受影響。值得注意的一條原則是：光纖網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，必須有且只有一臺(tái)交換機(jī)被設(shè)置成RM交換機(jī)。如果違反了這條原則，網(wǎng)絡(luò)將無(wú)法正常工作，因此，在實(shí)際應(yīng)用中要特別注意。圖3中，交換機(jī)SW1、SW2作為二灘水電站廠(chǎng)內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)主交換機(jī)，交換機(jī)SW3、SW4作為二灘水電站廠(chǎng)外監(jiān)控系統(tǒng)主交換機(jī)，四個(gè)交換機(jī)構(gòu)成2條互為冗余的監(jiān)控主網(wǎng)。SW1與SW2，SW3與SW4之間均采用網(wǎng)線(xiàn)連接，SW2與SW4，SW1與SW3之間采用光纜連接。交換機(jī)SW1被設(shè)置為RM交換機(jī)，正常工作時(shí),SW1至SW3的網(wǎng)絡(luò)不通，若SW2至SW4之間的通訊中斷，則SW1至SW3的網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)連接，從而保證了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)暢通可靠性。

4 新監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)

二灘水電站監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改造是為了滿(mǎn)足流域電站生產(chǎn)的要求，同時(shí)也是技術(shù)革新的結(jié)果。

圖3 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)圖

筆者將安德里茨監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點(diǎn)總結(jié)如下。

(1)計(jì)算機(jī)及PLC這些主要設(shè)備直接接入網(wǎng)絡(luò)，可獲得高速通訊能力和資源共享能力。

(2)現(xiàn)地控制單元(LCU)以PLC為基礎(chǔ)構(gòu)成多機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，各PLC既可以協(xié)同工作，又可以獨(dú)立完成各自所承擔(dān)的功能。

(3)為確保系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)的重要設(shè)備采用冗余技術(shù)，如操作員站、網(wǎng)絡(luò)、PLC等。

(4)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、軟硬件平臺(tái)和通信協(xié)議的設(shè)計(jì)均遵循開(kāi)放性標(biāo)準(zhǔn)，使系統(tǒng)具備了良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，順應(yīng)了當(dāng)前工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化、分散化的發(fā)展方向，便于將來(lái)系統(tǒng)升級(jí)。

5 結(jié) 語(yǔ)

安德里茨監(jiān)控系統(tǒng)的投入，強(qiáng)化了二灘水電站監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件的功能，改善了系統(tǒng)的操作性能，優(yōu)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性、可擴(kuò)展性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 水力發(fā)電廠(chǎng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范,DL/T 5065-2009[S].

[2] 王定一.水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)視與控制[M].北京:中國(guó)電力出版社,2001 .