水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)智能化改造的思考

俞鴻飛，徐　麟，束炳芳，包震洲，王　霄，肖　龍

（1.浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003）

水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)智能化改造的思考

俞鴻飛1，徐麟2，束炳芳1，包震洲1，王霄1，肖龍1

（1.浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003）

摘要：簡述了水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，提出了智能化改造的基本目標(biāo)和技術(shù)原則，概括了監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點，重點探討智能化改造關(guān)鍵技術(shù)——統(tǒng)一平臺。

關(guān)鍵詞：水電廠；計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；智能化改造；發(fā)展趨勢；統(tǒng)一平臺

0　引言

隨著計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和測控技術(shù)的飛速發(fā)展，近10多年來KVM系統(tǒng)、大屏系統(tǒng)、觸摸屏、磁盤陣列、工業(yè)交換機(jī)、二次系統(tǒng)安全防護(hù)設(shè)備（如橫向物理隔離裝置、縱向認(rèn)證加密裝置等）、時鐘同步系統(tǒng)、數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)、遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)等通用新技術(shù)在水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。同時電站裝機(jī)容量的不斷擴(kuò)大、控制流程的日益復(fù)雜、安全性要求的顯著提升等大型水電機(jī)組特點，對水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在實時性、可靠性、系統(tǒng)安全、可維修性和可用性等方面提出了更高的要求。

1　水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

隨著水電廠“無人值班”（少人值守）工作的推廣和無人值班工作的開展，國內(nèi)大中型計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)市場已步入成熟期。設(shè)備選型方面，主流上位機(jī)硬件平臺多采用國際知名品牌的計算機(jī)產(chǎn)品，現(xiàn)地控制單元（LCU）多采用國際或國內(nèi)知名品牌的PLC（或智能控制設(shè)備）產(chǎn)品；主流軟件平臺主要包括UNIX、LINUX操作系統(tǒng)，C、JAVA等編程語言以及ORACLE、MYSQL數(shù)據(jù)庫等。

目前大中型水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基于已成熟應(yīng)用分層分布式開放冗余結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)現(xiàn)地控制層和電站控制層的基礎(chǔ)上，將非實時控制信息（如歷史數(shù)據(jù)庫查詢信息等）分離出來由生產(chǎn)管理層處理，同時增設(shè)電站信息層處理WEB信息發(fā)布等業(yè)務(wù)。這些設(shè)計提高了整個系統(tǒng)的實時性、安全性、可靠性和可維護(hù)性[3]。

新型水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)集成了傳統(tǒng)的客戶/服務(wù)器（C/S）模式和基于J2EE的瀏覽器/服務(wù)器（B/S）模式，具有良好的可移植性、可擴(kuò)展性和易用性。現(xiàn)場總線網(wǎng)、控制網(wǎng)采用高效的通信協(xié)議，實時數(shù)據(jù)流和非實時數(shù)據(jù)流分層處理，提高了系統(tǒng)實時性。硬件濾波采集技術(shù)、智能測控儀表、開關(guān)保護(hù)器和各種冗余技術(shù)（包括電源、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫等方面）已成熟應(yīng)用，提高了系統(tǒng)的可靠性。電廠運行方式無擾動切換策略、AGC/AVC與一次調(diào)頻/PSS的協(xié)調(diào)控制策略和安全閉鎖策略、各種電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)設(shè)備和防誤操作閉鎖策略（如雙用戶登錄、語音畫面提示等）已逐步推廣應(yīng)用，提高了系統(tǒng)的安全性。智能報警技術(shù)、智能事故分析技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)和LCU的遠(yuǎn)程分布和智能分布技術(shù)已逐步推廣，使用運行和維護(hù)更高效。

隨著國家大力發(fā)展清潔能源和國家電網(wǎng)公司堅強(qiáng)智能電網(wǎng)戰(zhàn)略的實施，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的智能PLC技術(shù)作為智能水電廠的重要組成部分，將成為水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)新的發(fā)展趨勢[4]。

2　智能化改造的基本目標(biāo)和技術(shù)原則

2.1基本目標(biāo)

1）生產(chǎn)過程控制的智能化：完成電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的智能化升級，通過對通信傳輸和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的改造，實現(xiàn)電站遠(yuǎn)方智能集中控制。

2）運行調(diào)度決策的智能化：實現(xiàn)智能化聯(lián)合調(diào)度，提高全廠經(jīng)濟(jì)運行水平。

3）數(shù)據(jù)信息平臺的一體化：完成數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一平臺建設(shè)，逐步實現(xiàn)各自動化系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集之間的IEC61850互聯(lián)，實現(xiàn)各生產(chǎn)自動化系統(tǒng)、管理信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享與綜合應(yīng)用。

2.2技術(shù)原則

1）安全可靠性：智能化改造首先必須遵守的安全、可靠性的原則。應(yīng)采用成熟可靠的技術(shù)和產(chǎn)品，確保改造后的系統(tǒng)能安全、穩(wěn)定、可靠地運行。

2）開放性：廣泛采用國際、國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如IEC61850，提高系統(tǒng)的開放性。應(yīng)選用國際或國內(nèi)知名廠商的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，以方便備品備件及后續(xù)升級，系統(tǒng)接口采用標(biāo)準(zhǔn)化開放型接口，保證第三方設(shè)備的直接接入。

3）先進(jìn)性：追求技術(shù)先進(jìn)和一定的超前性，但不盲目追求先進(jìn)而損害安全可靠性，充分考慮技術(shù)的先進(jìn)性與生產(chǎn)的安全性的合理平衡。

4）具有信息數(shù)字化、功能集成化、結(jié)構(gòu)緊湊化、狀態(tài)可視化等主要技術(shù)特征，符合易擴(kuò)展、易升級、易改造、易維護(hù)的工業(yè)化應(yīng)用要求。

3　水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）按照智能水電廠自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在邏輯結(jié)構(gòu)上分為三個層次，根據(jù)IEC61850通信協(xié)議定義，這三個層次分別稱為“過程層”、“現(xiàn)地控制層”、“站控層”。各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信。

2）分布式結(jié)構(gòu)

為了提高系統(tǒng)的實時性及可靠性，系統(tǒng)采用全分布式體系結(jié)構(gòu)，即功能分布和分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。整個系統(tǒng)分成廠站層和現(xiàn)地控制單元兩層。全廠實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫分布在廠站計算機(jī)中，各單元數(shù)據(jù)庫分布在各個LCU中，系統(tǒng)各功能分布在系統(tǒng)的各個節(jié)點上，每個節(jié)點嚴(yán)格執(zhí)行指定的任務(wù)和通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與其它節(jié)點進(jìn)行通訊。

3）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

控制主干網(wǎng)采用傳輸速率1 000Mb/s的雙光纖網(wǎng)絡(luò)，其通訊協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是通用、先進(jìn)且成熟可靠的產(chǎn)品。該層網(wǎng)絡(luò)為雙冗余熱備。

廠站層的信息網(wǎng)采用傳輸速率1 000Mb/s，傳輸速率應(yīng)為自適應(yīng)式，采用TCP/IP協(xié)議，遵循IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。傳輸介質(zhì)為超五類雙絞線或1000Mb/s光纖。

4）現(xiàn)地控制單元通過100M以太網(wǎng)，直接實現(xiàn)與上位機(jī)（廠級計算機(jī)）的通訊，現(xiàn)地控制單元采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，輔助設(shè)備（包括溫度、壓油泵、技術(shù)供水和頂蓋泵等）采用現(xiàn)地PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，實現(xiàn)對機(jī)組輔助設(shè)備的監(jiān)控。

3.2系統(tǒng)特點

1）整個系統(tǒng)采用全計算機(jī)監(jiān)控結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)地控制單元取消常規(guī)布線邏輯回路，由具有冗余設(shè)計的計算機(jī)設(shè)備執(zhí)行監(jiān)控；同時設(shè)置獨立PLC構(gòu)成的水機(jī)后備保護(hù)回路。

2）現(xiàn)地監(jiān)控單元與上位機(jī)采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行通訊。

3）調(diào)速器裝置、勵磁裝置和保護(hù)裝置直接與上位機(jī)采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行通訊，同時LCU也能夠與調(diào)速器、勵磁、保護(hù)進(jìn)行實時通訊。

4）現(xiàn)地監(jiān)控單元內(nèi)部采用IEC61850或現(xiàn)場總線，保證能與雙冗余的CPU進(jìn)行通訊。冗余配置是指CPU冗余（雙CPU）和與上位機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)冗余，其它輸入輸出模件不作冗余配置。

5）加強(qiáng)現(xiàn)地層控制功能，提高現(xiàn)地層可靠性。

4　智能化改造關(guān)鍵技術(shù)——統(tǒng)一平臺

4.1信息流程與處理

現(xiàn)地級自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是智能化統(tǒng)一平臺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，對于直接接入的系統(tǒng)智能統(tǒng)一平臺的應(yīng)用設(shè)計中對設(shè)備數(shù)據(jù)實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)字化傳輸，數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)以國際公認(rèn)的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEC61850為基礎(chǔ)，在現(xiàn)地數(shù)據(jù)傳輸層實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的信息傳送，各現(xiàn)地級自動化系統(tǒng)或智能化設(shè)備以應(yīng)用節(jié)點的形式加入標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的高速數(shù)據(jù)通信總線，共享總線中的信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總線針對重要和特殊的應(yīng)用提供傳輸冗余機(jī)制，各現(xiàn)地系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)總線即可實現(xiàn)各類水電廠運行調(diào)度數(shù)據(jù)的共享，保證數(shù)據(jù)統(tǒng)一性。

對于不直接接入統(tǒng)一平臺的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)在經(jīng)過現(xiàn)場統(tǒng)一總線傳輸后，由各系統(tǒng)自己負(fù)責(zé)分析處理，最終由各系統(tǒng)匯總按IEC61970標(biāo)準(zhǔn)傳輸至統(tǒng)一平臺數(shù)據(jù)中心，由統(tǒng)一平臺數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一對外發(fā)布各種數(shù)據(jù)和進(jìn)行綜合決策分析。

各種數(shù)據(jù)服務(wù)匯總至應(yīng)用服務(wù)層后，由服務(wù)組件對各種信息進(jìn)行分析處理，形成統(tǒng)一平臺需求的最終信息結(jié)果，并以多種客戶端表現(xiàn)形式展現(xiàn)給用戶，該層為信息的最終處理加工層，同時也是最終平臺客戶請求的各種數(shù)據(jù)的通道，包括實時信息與資源分析結(jié)果，最終均通過該層提供給用戶。

系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度控制應(yīng)用具備以IEC61970為基礎(chǔ)的面向服務(wù)的對外信息交流接口，可將本系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度方案或其他應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)信息傳送至上級電力調(diào)度機(jī)構(gòu)或上下游電廠，同時也可從上級電力調(diào)度機(jī)構(gòu)或其他部門接受調(diào)度運行或各種應(yīng)用資源，從而實現(xiàn)電廠運行調(diào)度管理交互，統(tǒng)一平臺的應(yīng)用服務(wù)提供此種應(yīng)用。

智能化統(tǒng)一平臺的數(shù)據(jù)在現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心、應(yīng)用服務(wù)平臺、外聯(lián)部門間相互交互，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1智能化統(tǒng)一平臺總體架構(gòu)

4.2統(tǒng)一平臺結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用面向服務(wù)的SOA集成方式，分為數(shù)據(jù)訪問層、應(yīng)用服務(wù)層、人機(jī)界面層等三層體系結(jié)構(gòu)，其中，數(shù)據(jù)訪問層主要負(fù)責(zé)水電廠數(shù)據(jù)模型的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的制定與數(shù)據(jù)信息維護(hù)，其中主要包括文件、歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)等，在底層規(guī)范的基礎(chǔ)之上設(shè)計關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，并提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問層接口，可通過接口直接進(jìn)行數(shù)據(jù)與模型的操作，屏蔽數(shù)據(jù)庫的特異性，接口通過對象引用直接調(diào)用，保證數(shù)據(jù)層效率，數(shù)據(jù)層同時需維護(hù)水電廠各區(qū)數(shù)據(jù)的同步，將不同區(qū)的數(shù)據(jù)根據(jù)需求進(jìn)行跨區(qū)同步，并保證數(shù)據(jù)的一致性。

應(yīng)用服務(wù)層需提供各類業(yè)務(wù)邏輯的服務(wù)器端服務(wù)接口支持，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程對象調(diào)用與管理、消息的注冊、監(jiān)聽與管理，同時服務(wù)應(yīng)具備可擴(kuò)展性，支持企業(yè)級服務(wù)集成，以及各類服務(wù)中間件，保證系統(tǒng)服務(wù)層接口能夠適應(yīng)不同場合的應(yīng)用。服務(wù)架構(gòu)應(yīng)統(tǒng)一考慮各類通用業(yè)務(wù)的設(shè)計，如權(quán)限、日志、事務(wù)、異步、異常等，滿足不同水電廠應(yīng)用的需求，保證二次開發(fā)與擴(kuò)展的可行性。同時服務(wù)接口需根據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行高度抽象與規(guī)劃，保證服務(wù)端程序在今后的復(fù)用性以及應(yīng)用的可組態(tài)性。針對采集、通信、報警、任務(wù)，分別制定不同的技術(shù)框架滿足日常運行維護(hù)的需求，并考慮對統(tǒng)一服務(wù)發(fā)布接口的支持。

人機(jī)界面層需制定統(tǒng)一的圖形、報表應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)不同類圖形應(yīng)用的一體化規(guī)范設(shè)計，各類圖形對象可通過統(tǒng)一的描述規(guī)范實現(xiàn)存儲、展示與編輯。需建立C/Sswing框架與Web應(yīng)用框架，保證從中間服務(wù)層以上應(yīng)用的一致性。人機(jī)界面應(yīng)實現(xiàn)布局管理與插件式應(yīng)用，使得人機(jī)界面的應(yīng)用可根據(jù)需求不斷進(jìn)行添加與修改，并保證后續(xù)開發(fā)的可擴(kuò)展性。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2智能化統(tǒng)一平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.3統(tǒng)一平臺基本應(yīng)用

1）系統(tǒng)監(jiān)視與管理

對整個系統(tǒng)進(jìn)行分布化管理,包括系統(tǒng)配置管理、進(jìn)程管理、安全管理、資源性能監(jiān)視、備份/恢復(fù)管理等。并提供各類維護(hù)工具以維護(hù)系統(tǒng)的完整性和可用性，提高系統(tǒng)運行效率。

2）對外信息發(fā)布

智能統(tǒng)一平臺建設(shè)的一個重要功能，是作為WEB門戶與對外信息中心的載體。針對發(fā)電企業(yè)對實時過程數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理與決策分析等不同層面的實際需求，實現(xiàn)對分散于各部門（廠站）專業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化組織，統(tǒng)一管理，集中加工處理以及系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互的標(biāo)準(zhǔn)化，并在此基礎(chǔ)上提供多種方式的數(shù)據(jù)展現(xiàn)、報表、分析和維護(hù)功能，以及進(jìn)一步的數(shù)據(jù)挖掘，最終簡化日常海量數(shù)據(jù)處理工作，為生產(chǎn)運行各個環(huán)節(jié)以及決策制定提供可靠支持。

對外信息發(fā)布的客戶端配置不受地點、硬件、軟件的制約，客戶端終端(普通安裝WINDOWS系列操作系統(tǒng)的PC機(jī)或便攜機(jī))可在任何地點，通過撥號或網(wǎng)絡(luò)線連接到Web服務(wù)器上。服務(wù)器端維護(hù)簡單，只需簡單配置以及安裝程序文件，并重啟Web服務(wù)軟件即可立即生效?？蛻舳顺税惭bWeb瀏覽器以外，不需任何其他應(yīng)用軟件的支持，在瀏覽器上訪問Web服務(wù)方法同一般的上網(wǎng)瀏覽完全一樣。

5　結(jié)語

本文通過對水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的分析，對水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)智能化改造的重點進(jìn)行解析，力求改造后的系統(tǒng)設(shè)計理念先進(jìn)、設(shè)備穩(wěn)定、控制可靠，以保證電站的正?？煽窟\行。

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中圖分類號：TV736

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）07-0010-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.003

收稿日期：2015-04-30

作者簡介：俞鴻飛（1965-），男，高級工程師，從事水電廠生產(chǎn)技術(shù)管理工作。