亭子口水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備配置

凌洪政

（嘉陵江亭子口水利水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 蒼溪 628400）

1 工程概況

亭子口水利樞紐位于四川省廣元市蒼溪縣境內(nèi)，是嘉陵江干流開(kāi)發(fā)中唯一的控制性工程，是以防洪、發(fā)電及城鄉(xiāng)供水、灌溉為主，兼顧航運(yùn)以及攔沙減淤等其他綜合利用工程。電站共安裝4臺(tái)單機(jī)額定容量為275 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，電站總裝機(jī)1100 MW。

發(fā)電機(jī)-變壓器采用單元接線，兩組發(fā)電機(jī)-變壓器單元接線組成一組聯(lián)合單元，主變壓器高壓側(cè)僅設(shè)隔離開(kāi)關(guān)；500 kV高壓側(cè)初期采用三角形接線（終期采用四角形接線），1回500 kV電壓等級(jí)出線。

亭子口水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控范圍廣，監(jiān)控對(duì)象不僅包括亭子口水電站的水輪發(fā)電機(jī)組及輔助設(shè)備、主變壓器、500 kV開(kāi)關(guān)站、電站公用設(shè)備等電站主輔設(shè)備，同時(shí)還涵蓋電站進(jìn)水口、泄洪閘門(mén)及排水泵房等機(jī)電設(shè)備。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與四川省電力系統(tǒng)調(diào)度中心通過(guò)以太網(wǎng)口和RS232串口的接口方式通信、采用IEC 60870-5-104和IEC 60870-5-101通訊協(xié)議，將相關(guān)信息送至調(diào)度中心，接受調(diào)度中心下達(dá)的控制調(diào)節(jié)和調(diào)度命令。

2 總體設(shè)計(jì)原則

考慮到亭子口水電站在系統(tǒng)中所處的地位及電站廠房型式特點(diǎn)，為保證電站安全可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高電站運(yùn)行和管理的自動(dòng)化水平，電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循以下原則:

（1）電站按初期少人值班、遠(yuǎn)期無(wú)人值班 （少人值守）、機(jī)旁正常無(wú)人值班的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）整個(gè)系統(tǒng)采用全計(jì)算機(jī)監(jiān)控結(jié)構(gòu)。中控室取消常規(guī)的集中控制設(shè)備，采用計(jì)算機(jī)作為唯一的監(jiān)控設(shè)備；除水機(jī)后備保護(hù)外，現(xiàn)地控制單元取消常規(guī)布線邏輯回路，由具有冗余設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)設(shè)備執(zhí)行監(jiān)控。

（3）計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有可靠、完善的監(jiān)控功能，良好的開(kāi)放性，以確保系統(tǒng)可擴(kuò)展性和移植性。

（4）計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有容錯(cuò)功能，主要控制設(shè)備采用冗余配置。

（5）計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)中任何局部設(shè)備的故障均不影響監(jiān)控系統(tǒng)總體功能的實(shí)現(xiàn)。

（6）盡可能采用現(xiàn)場(chǎng)總線及遠(yuǎn)程I/O單元。監(jiān)控系統(tǒng)中的現(xiàn)地控制單元和各就地設(shè)備能獨(dú)立工作。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置

亭子口水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)分廠站級(jí)和現(xiàn)地控制單元級(jí)兩層。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 亭子口水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

廠站級(jí)設(shè)備主要包括2臺(tái)套實(shí)時(shí)信息管理服務(wù)器、2臺(tái)套歷史信息管理服務(wù)器、1套歷史數(shù)據(jù)備份服務(wù)器、2臺(tái)操作員工作站、1臺(tái)泄洪閘集控操作員站、1臺(tái)培訓(xùn)仿真工作站、1臺(tái)工程師工作站、2臺(tái)套調(diào)度通信服務(wù)器、1臺(tái)套電話語(yǔ)音報(bào)警工作站、2臺(tái)套廠內(nèi)通信服務(wù)器、1臺(tái)套WEB數(shù)據(jù)服務(wù)器、1臺(tái)套WEB發(fā)布服務(wù)器、1套模擬屏、冗余時(shí)鐘同步裝置、1臺(tái)套外設(shè)服務(wù)器及外設(shè) （打印、存儲(chǔ)設(shè)備等）等。

現(xiàn)地控制級(jí)按電站設(shè)備分布設(shè)置，整個(gè)電站設(shè)置4套機(jī)組現(xiàn)地控制單元 （LCU1～LCU4）、1套公用現(xiàn)地控制單元 （LCU5）、1套開(kāi)關(guān)站現(xiàn)地控制單元（LCU6）和1套大壩現(xiàn)地控制單元 （LCU7）。

各機(jī)組現(xiàn)地控制單元均由3塊本地柜、1塊機(jī)組測(cè)溫單元柜、1塊機(jī)組遠(yuǎn)程I/O柜組成；公用LCU5由1塊本地柜和1塊空壓機(jī)及排水系統(tǒng)遠(yuǎn)程I/O柜、2塊機(jī)組直流系統(tǒng)遠(yuǎn)程I/O柜、2塊電站10 kV廠用電遠(yuǎn)程I/O柜、4塊400 V廠用電遠(yuǎn)程I/O柜組成；開(kāi)關(guān)站LCU6由2塊本地柜、1塊550 kV GIS遠(yuǎn)程I/O柜、1塊開(kāi)關(guān)站直流系統(tǒng)遠(yuǎn)程I/O柜組成；大壩LCU7由1塊本地柜、2塊大壩10 kV/400 V廠用電遠(yuǎn)程I/O柜組成。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用冗余工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用TCP/IP協(xié)議，遵循IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率為100 Mb/s，傳輸介質(zhì)采用光纖。

電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)各LCU以下采用冗余的現(xiàn)場(chǎng)總線用以連接遠(yuǎn)程I／O及各現(xiàn)地智能監(jiān)測(cè)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)總線為環(huán)形總線型冗余結(jié)構(gòu)。每個(gè)LCU設(shè)置無(wú)主從關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)或通用協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線，通信速率不低于1 Mb/s，以及有主從關(guān)系通信協(xié)議的串口或自由定義的現(xiàn)場(chǎng)總線，通信速率不低于19.2 kb/s?？偩€介質(zhì)為光纖和雙絞線結(jié)合使用的方式。

配置2套容量為30 kV·A的不間斷電源UPS，互為備用，輸入電源失去后電池持續(xù)供電時(shí)間為1 h。

4 與GIS保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)的接口

傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)站設(shè)備通過(guò)I/O方式與電站監(jiān)控系統(tǒng)接口，以保證上送調(diào)度的信息量是直采直送。亭子口500 kV開(kāi)關(guān)站GIS系統(tǒng)采用保護(hù)測(cè)控一體化的技術(shù)方案，該方案是以基于GIS智能控制、保護(hù)為核心，實(shí)現(xiàn)全開(kāi)關(guān)站保護(hù)、測(cè)控等的分布式設(shè)計(jì)方案，保護(hù)集中布置在輔助盤(pán)室、測(cè)控系統(tǒng)管理機(jī)柜布置在中控室、智能匯控柜分散布置在GIS室。

電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與500 kV開(kāi)關(guān)站GIS系統(tǒng)的接口采用網(wǎng)絡(luò)通信和I/O兩種方式。

電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的2臺(tái)廠內(nèi)通訊服務(wù)器作為主站與500 kV GIS測(cè)控系統(tǒng)的管理機(jī)RCS-9698H進(jìn)行通訊。每臺(tái)廠內(nèi)通信服務(wù)器配置4個(gè)以太網(wǎng)口，與管理機(jī)RCS-9698H采用交叉冗余連接方式，管理機(jī)采用雙主機(jī)模式對(duì)主站通信。

為保證監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)500 kV開(kāi)關(guān)站控制和調(diào)節(jié)的可靠性和實(shí)時(shí)性，GIS各斷路器位置、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)等實(shí)時(shí)性要求高且與控制直接相關(guān)的信號(hào)采用I/O方式直接接入布置在GIS室的監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程I/O柜。實(shí)時(shí)性要求較低且與控制無(wú)關(guān)的信息如氣隔信號(hào)等可以通過(guò)GIS保護(hù)測(cè)控一體化裝置以網(wǎng)絡(luò)通信方式接入電站監(jiān)控系統(tǒng)。

電站監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)關(guān)站LCU及500 kV GIS測(cè)控系統(tǒng)都有自動(dòng)準(zhǔn)同期功能，均能實(shí)現(xiàn)500 kV開(kāi)關(guān)站斷路器的同期合閘。根據(jù)500 kV開(kāi)關(guān)站斷路器應(yīng)由專(zhuān)用的同期裝置完成的原則，確定500 kV開(kāi)關(guān)站斷路器的同期合閘由開(kāi)關(guān)站LCU的同期裝置實(shí)現(xiàn)。

5 監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

亭子口水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)有以下主要特點(diǎn)。

5.1 取消模擬屏驅(qū)動(dòng)器

整個(gè)模擬屏內(nèi)數(shù)據(jù)信號(hào)采用485網(wǎng)絡(luò)分布式連接方式，設(shè)備主要包括1臺(tái)屏控機(jī)、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)單元、遙信驅(qū)動(dòng)單元和遙測(cè)驅(qū)動(dòng)單元。屏控機(jī)將從廠內(nèi)通信服務(wù)器收到的RS232信號(hào)送到網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)單元，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)單元轉(zhuǎn)換成8路485網(wǎng)絡(luò)接口信號(hào)，而每路485接口可驅(qū)動(dòng)128個(gè)遙信驅(qū)動(dòng)單元和遙測(cè)驅(qū)動(dòng)單元。每個(gè)遙信驅(qū)動(dòng)單元可驅(qū)動(dòng)16個(gè)信號(hào)指示燈，每個(gè)遙測(cè)驅(qū)動(dòng)單元可驅(qū)動(dòng)1個(gè)表計(jì)。

5.2 配置冗余時(shí)鐘同步系統(tǒng)

冗余的時(shí)鐘同步系統(tǒng)設(shè)備采用單片機(jī)控制，同時(shí)具有GPS信號(hào)和BD北斗信號(hào)接收能力，主要由2套 GPS主時(shí)鐘 （SK-2UA）、2套GPS/北斗雙模天線以及雙機(jī)切換裝置、GPS擴(kuò)展箱等組成。

GPS/北斗衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的主站級(jí)計(jì)算機(jī)和各現(xiàn)地控制單元 （LCU）進(jìn)行時(shí)鐘同步。它通過(guò)串口方式向廠級(jí)管理工作站傳送時(shí)鐘信息，通過(guò)向DCF77規(guī)約接口，向各LCU的SOE模件發(fā)送時(shí)鐘同步數(shù)據(jù)。

時(shí)鐘裝置除為監(jiān)控系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間外、還具有多種串口通信及脈沖對(duì)時(shí)和IRIG－B對(duì)時(shí)信號(hào)，以滿足繼電保護(hù)裝置、故障錄波裝置及電能量采集裝置等設(shè)備的對(duì)時(shí)需要。

5.3 采用無(wú)硬盤(pán)通訊管理機(jī)

調(diào)度服務(wù)器作為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中與電力調(diào)度通信的計(jì)算機(jī)，目前主要采用有硬盤(pán)的工業(yè)級(jí)控制微機(jī)或無(wú)硬盤(pán)的工業(yè)級(jí)控制微機(jī)。有硬盤(pán)的工業(yè)級(jí)控制微機(jī)，硬盤(pán)采用普通商用的硬盤(pán)，對(duì)環(huán)境 （包括抗干擾、抗灰塵、抗振動(dòng)等方面）的要求無(wú)法達(dá)到工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)硬盤(pán)的工業(yè)級(jí)控制微機(jī)由于沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的硬盤(pán)保存數(shù)據(jù)，而是通過(guò)CF卡來(lái)保存計(jì)算機(jī)所需要的操作系統(tǒng)軟件及通訊軟件等必須的軟件，所傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)均不保存，采用直接直發(fā)的方式。在這種方式下，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性能夠得到較大的保證，但存在發(fā)生通訊網(wǎng)絡(luò)中斷，前面通訊的數(shù)據(jù)立即丟失的缺點(diǎn)。

在與調(diào)度通信中，采用無(wú)硬盤(pán)方式的工業(yè)級(jí)控制微機(jī)，實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，一旦網(wǎng)絡(luò)通訊恢復(fù)，最新的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)就會(huì)立刻傳輸?shù)秸{(diào)度中心，而那些由于網(wǎng)絡(luò)通訊中斷而丟失的數(shù)據(jù)對(duì)于調(diào)度系統(tǒng)的影響不是很大，因此，目前對(duì)于實(shí)現(xiàn)調(diào)度通訊功能這種實(shí)時(shí)性、可靠性要求較高的計(jì)算機(jī)大多采用無(wú)硬盤(pán)的工業(yè)級(jí)控制微機(jī)。

基于上述考慮，亭子口水電站的調(diào)度服務(wù)器采用專(zhuān)用的無(wú)硬盤(pán)通訊管理機(jī)。

5.4 電站監(jiān)控系統(tǒng)二次安全防護(hù)設(shè)備的配置

電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是安全防護(hù)的重點(diǎn)，電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的防護(hù)措施主要是對(duì)重要的服務(wù)器和通信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行安全加固，以提高操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性。

根據(jù)電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定，電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)屬于生產(chǎn)控制大區(qū)的控制區(qū) （安全區(qū)I），其中WEB服務(wù)器外移至安全區(qū)Ⅲ，作為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行。從安全區(qū)Ⅰ、Ⅱ往安全區(qū)Ⅲ單向傳輸信息須采用電力專(zhuān)用橫向單向安全隔離裝置 （正向隔離裝置）。

亭子口水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)配置了1套NARI公司的Syskeeper2000型正向安全隔離裝置，用于安全區(qū)I/II到安全區(qū)Ⅲ的單向數(shù)據(jù)傳遞；該裝置硬件裝置采用非Intel（及兼容）的雙微處理器；軟件系統(tǒng)基于特別配置的Linux內(nèi)核；實(shí)現(xiàn)兩個(gè)安全區(qū)之間的非網(wǎng)絡(luò)方式的安全數(shù)據(jù)交換，并且保證安全隔離裝置內(nèi)外兩個(gè)處理系統(tǒng)不同時(shí)連通；取消所有網(wǎng)絡(luò)功能，并且采取無(wú)IP地址的透明監(jiān)聽(tīng)方式，支持網(wǎng)路地址轉(zhuǎn)換，內(nèi)設(shè)綜合報(bào)文過(guò)濾，防止穿透性TCP連接；應(yīng)用層解析，支持身份認(rèn)證，單向數(shù)據(jù)通信控制，單向連接控制，維護(hù)管理界面靈活方便。

監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息管理服務(wù)器 （2臺(tái)）、操作員工作站 （2臺(tái)）、工程師工作站 （1臺(tái)）、調(diào)度通信服務(wù)器 （2臺(tái)）、WEB服務(wù)器 （1臺(tái)）、泄洪閘集控操作員站 （1臺(tái)）等關(guān)鍵位置使用了主機(jī)安全加固軟件。主機(jī)加固軟件采用的操作系統(tǒng)保護(hù)可在不改變操作系統(tǒng)內(nèi)核的情況下，對(duì)核心服務(wù)器進(jìn)行保護(hù)。

6 結(jié) 語(yǔ)

亭子口水電站監(jiān)控系統(tǒng)是在滿足合同及相關(guān)規(guī)程規(guī)范的基礎(chǔ)上，在保證系統(tǒng)安全可靠前提下，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)發(fā)展及工程實(shí)際特點(diǎn)，充分考慮適應(yīng)用戶(hù)的要求，按照冗余化和開(kāi)放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用了先進(jìn)的軟、硬件配置，使其成為技術(shù)領(lǐng)先、成熟可靠，且能充分滿足水電站各方面實(shí)用性要求的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)已在亭子口水利樞紐水電站中應(yīng)用一年多，運(yùn)行正常，使用效果較好，對(duì)于今后類(lèi)似電站的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。

［1］方輝欽.現(xiàn)代水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)與試驗(yàn)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2004.

［2］朱晨，施沖，龐敏，等.基于分布式對(duì)象技術(shù)的NC2000水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件［J］.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2002,26（5）:10-13，21.