廣蓄B廠上位機(jī)系統(tǒng)改造技術(shù)研究

單鵬珠，陳杰，陳龍，張柏

（1. 南京南瑞集團(tuán)公司 水利水電技術(shù)分公司，江蘇 南京 210000；2. 丹江口水力發(fā)電廠，湖北 丹江口 442700）

廣州蓄能水電廠是我國第一座高水頭、世界上裝機(jī)容量最大的抽水蓄能電廠，電廠二期工程（即廣蓄B廠）總裝機(jī)容量為120萬kW，安裝了4臺30萬kW可逆式水泵水輪機(jī)組。廣蓄B廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)PROKON-LSX系統(tǒng)是由德國西門子（SIEMENS）公司設(shè)計開發(fā)的雙總線型、分布式計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[1]，主機(jī)硬件采用的是SUN SPARC ULTRA 1 Model 140型工作站，操作系統(tǒng)為SUN Solaris 2.5。

廣州蓄能水電廠B廠的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由調(diào)度層、中控層和現(xiàn)地控制層組成。其中，調(diào)度層包括廣東省電力中心的EMS系統(tǒng)和本廠中控層相連接的通信設(shè)備，中控層由計算機(jī)控制系統(tǒng)PROKON-LSX實現(xiàn)全廠設(shè)備的監(jiān)視和控制，現(xiàn)地控制層則由西門子可編程控制器SIMATIC S5 PLC對電廠的10個RTU單元進(jìn)行管理。廣蓄B廠上位機(jī)系統(tǒng)改造主要針對中控層的PROKON-LSX系統(tǒng)。

廣蓄B廠中控層的上位機(jī)系統(tǒng)PROKON-LSX與現(xiàn)地控制層的西門子可編程控制器SIMATIC S5 PLC之間通過冗余的SINEC H1數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，該總線系統(tǒng)同時也實現(xiàn)中控層和現(xiàn)地控制層的數(shù)據(jù)交換。廣蓄B廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 西門子PROKON-LSX系統(tǒng)存在的問題

圖1 廣蓄B廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 SCADA structure diagram of Guangzhou pumped storage plant B

廣蓄B廠計算機(jī)監(jiān)控上位機(jī)系統(tǒng)于1998年正式投入商業(yè)運行，至今運行時間已超過16年，由于監(jiān)控系統(tǒng)老化所導(dǎo)致的硬件故障及軟件功能不足的問題日益突出。限于早期計算機(jī)自動化發(fā)展水平，西門子PROKON-LSX上位機(jī)系統(tǒng)所采用的軟、硬件技術(shù)已經(jīng)不能滿足電廠生產(chǎn)運行及日常維護(hù)的需要[2]，上位機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)改造勢在必行。

1.1 硬件問題

1）上位機(jī)主計算機(jī)SUN UlTRA 1 140工作站硬件老化嚴(yán)重，其硬件故障將直接影響上位機(jī)系統(tǒng)運行，造成監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓等嚴(yán)重后果；

2）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器鏡像硬盤故障率高，容量僅有2.1 G，無法進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)歸檔。

3）西門子上位機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)備已全部停產(chǎn)，備品備件采購困難，有些設(shè)備甚至無法采購。

1.2 軟件問題

1）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器無數(shù)據(jù)冗余功能，任何數(shù)據(jù)庫硬盤故障，均將導(dǎo)致整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)崩潰，從而丟失所有的歷史數(shù)據(jù)。

2）PROKON-LSX操作系統(tǒng)采用solaris 2.5及oracle7.3.1數(shù)據(jù)庫，其功能單一、安全性低，系統(tǒng)操作極為不便，人機(jī)交互困難，無任何有效的系統(tǒng)維護(hù)軟件，維護(hù)工作繁瑣且容易出錯。

3）系統(tǒng)功能存在設(shè)計缺陷，報表和畫面設(shè)計較為簡單，無法滿足當(dāng)前電廠運行的需求；操作員站也經(jīng)常出現(xiàn)死機(jī)、畫面無法刷新等故障。

4）與中調(diào)通信的網(wǎng)關(guān)機(jī)在通訊故障時無報警提示和故障記錄，只能由人工巡檢發(fā)現(xiàn)故障，給運維排查問題帶來極大困難。

5）系統(tǒng)不具備AGC和AVC成組控制功能，只能采用單機(jī)控制方式。

1.3 售后服務(wù)問題

2003年，西門子水電公司業(yè)務(wù)發(fā)生變更后，西門子中止了對廣蓄B廠監(jiān)控系統(tǒng)的售后服務(wù)及技術(shù)支持，此后電廠監(jiān)控系統(tǒng)所有維護(hù)檢修工作只能依靠電廠運維人員自行研究處理，這在國內(nèi)其他電廠是絕無僅有的。西門子售后服務(wù)及技術(shù)支持的中斷造成了電廠監(jiān)控系統(tǒng)檢修維護(hù)難以深入，部分運行設(shè)備的缺陷甚至無法處理，而且廠內(nèi)技術(shù)人員也無法得到相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，廠內(nèi)技術(shù)力量出現(xiàn)斷層。

2 上位機(jī)改造技術(shù)難點

廣蓄B廠上位機(jī)系統(tǒng)改造主要是計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中控室層PROKON-LSX的硬件設(shè)備及軟件功能的升級改造。鑒于我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化技術(shù)日臻成熟穩(wěn)定，如遼寧蒲石河、安徽響水澗等大型抽水蓄能電站在2011年均已投入商業(yè)運行，因此從運行維護(hù)、經(jīng)濟(jì)成本及售后服務(wù)等多方面綜合考慮[3]，廣蓄B廠上位機(jī)系統(tǒng)改造優(yōu)先選用國產(chǎn)化監(jiān)控系統(tǒng)。

廣蓄B廠上位機(jī)系統(tǒng)改造需要實現(xiàn)與原有西門子現(xiàn)地控制層（RTU）的數(shù)據(jù)交換，并由新的上位機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)全廠設(shè)備的監(jiān)視和控制，因此廣蓄B廠上位機(jī)系統(tǒng)改造存在以下技術(shù)難點：

1）如何實現(xiàn)新上位機(jī)系統(tǒng)與SIMATIC PLC的數(shù)據(jù)通信，這是本次改造中最大的技術(shù)難點。

西門子原監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)PROKON-LSX 與SIMATIC S5 PLC使用SINEC H1協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，西門子SINEC H1協(xié)議為西門子內(nèi)部通訊協(xié)議，對外不公開，只能采用西門子的專用通訊網(wǎng)卡CP1430TCP才能實現(xiàn)與SIMATIC S5 PLC的數(shù)據(jù)通信[4]。本次技術(shù)研究突破西門子的技術(shù)封鎖，采用了直接數(shù)據(jù)通信和間接數(shù)據(jù)通信2種方法來實現(xiàn)新的上位機(jī)系統(tǒng)與SIMATIC S5 PLC的數(shù)據(jù)通信。

2）上位機(jī)系統(tǒng)的改造須綜合考慮后續(xù)的LCU現(xiàn)地單元改造，避免造成新的技術(shù)難點和過度投資。

3 與SIMATIC S5 PLC的直接數(shù)據(jù)通信

3.1 直接數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)方法

與SIMATIC S5 PLC的直接數(shù)據(jù)通信，實際上就是對西門子SINEC H1協(xié)議進(jìn)行技術(shù)解密，通過對現(xiàn)有SINEC H1協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信報文的分析，解析出SIMATIC S5 PLC的通信格式，還原通信數(shù)據(jù)；然后在新的上位機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用解析出的通信格式，使用C語言編程實現(xiàn)與SIMATIC S5 PLC的上下行的數(shù)據(jù)交互。

西門子SINEC H1工業(yè)以太網(wǎng)的通信協(xié)議采用了以太網(wǎng)協(xié)議與ISO8073，并在物理層與數(shù)據(jù)鏈路使用了IEEE802.3協(xié)議[5]，SINEC H1協(xié)議的解密實現(xiàn)過程如下：

1） 通 過 地 址 族 為AF_INET、 類 型 為SOCK_STREAM來創(chuàng)建socket套接字。

2）使用ioctl的IO通道管理函數(shù)來獲得上位機(jī)通訊網(wǎng)卡所對應(yīng)的MAC地址，共占6個字節(jié)，該MAC地址作為源地址（Source MAC Address），而SIMATIC S5 PLC的CP1430通訊模塊對應(yīng)的MAC地址作為目標(biāo)地址（Destination MAC Address）。IEEE 802.3的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式，如表1所示。

表1 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式Tab. 1 Ethernet data frame format

3）將socket 中 的sll_family、sll_protocol、sll_ifindex、sll_hatype、sll_pkttype、sll_halen、源地址、目標(biāo)地址等參數(shù)初始化，并使用這些參數(shù)進(jìn)行SOCKET連接，該連接必須使用SOCK_RAW參數(shù)完成，以便能接受到包括802.3協(xié)議在內(nèi)的所有底層信息。SOCKET建立成功后將返回生成的SOCKET，后續(xù)所有操作就在此SOCKET基礎(chǔ)上完成。

4）建立連接過程：首先上位機(jī)軟件發(fā)請求幀（Connect Request，功能碼0xe1），SIMATIC S5 PLC會回復(fù)確認(rèn)請求幀（Connect Confirm，功能碼0xd1），其后軟件再發(fā)確認(rèn)幀（Acknowledge，功能碼0x60），通過這3個交互過程，建立通訊鏈接并激活。

5）請求數(shù)據(jù)過程：軟件讀取SIMATIC S5 PLC數(shù)據(jù)，就要發(fā)數(shù)據(jù)幀（Data，功能碼0xf0），SIMATIC S5 PLC先會對該數(shù)據(jù)幀回復(fù)確認(rèn)幀（Acknowledge，功能碼0x60），代表其收到了數(shù)據(jù)幀，緊接著再發(fā)一封數(shù)據(jù)幀（Data，功能碼0xf0）回復(fù)SIMATIC S5 PLC內(nèi)的數(shù)據(jù)。軟件收到SIMATIC S5 PLC回復(fù)的數(shù)據(jù)幀后，要再發(fā)一封確認(rèn)幀（Acknowledge，功能碼0x60）予以回復(fù)確認(rèn)。此時，一次數(shù)據(jù)的請求過程完成。

6）斷開連接過程：首先本發(fā)明軟件發(fā)請求幀（Disconnect Request，功能碼0x80），SIMATIC S5 PLC會回復(fù)確認(rèn)請求幀（Disconnect Confirm，功能碼0xc0），其后軟件再發(fā)確認(rèn)幀（Acknowledge，功能碼0x60），通訊連接即斷開。

以上對上位機(jī)與SIMATIC S5 PLC通訊的過程進(jìn)行了闡述，其中數(shù)據(jù)幀（Data）包含了SIMATIC S5 PLC通訊的SINEC H1規(guī)約，這樣能正確完整地收到所有有效數(shù)據(jù)。在SINEC H1規(guī)約中，可以通過指定不同功能碼來讀取不同的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容，如輸入輸出寄存器、內(nèi)部寄存器、DB數(shù)據(jù)塊等，為了保證數(shù)據(jù)傳輸速率，可以在SIMATIC S5 PLC程序中將所有數(shù)據(jù)匯總到一個DB塊中，供上位機(jī)讀寫[6]。

3.2 系統(tǒng)連接方式

新上位機(jī)系統(tǒng)配置雙光纖冗余環(huán)網(wǎng)，監(jiān)控系統(tǒng)主交換機(jī)通過AUI-RJ45轉(zhuǎn)換器與SIMATIC S5 PLC的1430TF網(wǎng)卡進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接；新上位機(jī)系統(tǒng)所有服務(wù)器和工作站采用網(wǎng)絡(luò)屏蔽雙絞線與監(jiān)控系統(tǒng)主交換機(jī)連接。直接數(shù)據(jù)通信的連接方式如圖2所示。

4 與SIMATIC S5 PLC的間接數(shù)據(jù)通信

4.1 間接數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)方法

SIMATIC S5 PLC的間接數(shù)據(jù)通信是指通過SIMATIC S7 PLC作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，SIMATIC S5 PLC與SIMATIC S7 PLC完成數(shù)據(jù)交互后，再由SIMATIC S7 PLC實現(xiàn)與新的上位機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。SIMATIC S7 PLC起到了一個數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的作用。

新上位機(jī)系統(tǒng)與SIMATIC S7 PLC使用TCP/IP專有協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，SIMATIC S7 PLC通過西門子FETCH/WRITE協(xié)議采集SIMATIC S5 PLC所有I/O數(shù)據(jù)，并上送新上位機(jī)系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)所有控制指令也通過SIMATIC S7 PLC下發(fā)到SIMATIC S5 PLC，從而實現(xiàn)新上位機(jī)系統(tǒng)對全廠設(shè)備的監(jiān)視和控制功能。

4.2 系統(tǒng)連接方式

4.2.1 新上位機(jī)系統(tǒng)與SIMATIC S7 PLC

新上位機(jī)系統(tǒng)配置雙光纖冗余環(huán)網(wǎng)，赫斯曼交換機(jī)通過光纖與各LCU的2臺SIMATIC S7 PLC連接，新上位機(jī)服務(wù)器和工作站采用網(wǎng)絡(luò)屏蔽雙絞線與交換機(jī)連接。

新上位機(jī)系統(tǒng)主機(jī)服務(wù)器與SIMATIC S7 PLC采用冗余通信工作方式，主機(jī)服務(wù)器分別與各LCU的2臺SIMATIC S7 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)數(shù)據(jù)庫由工作模式為主的服務(wù)器進(jìn)行更新，確保數(shù)據(jù)來源的唯一性?？刂屏畹南掳l(fā)也由工作模式為主的服務(wù)器下發(fā)，確?？刂浦噶畹奈ㄒ恍?。

4.2.2 SIMATIC S7 PLC與SIMATIC S5 PLC SIMATIC S7 PLC與SIMATIC S5 PLC通過AUIRJ45轉(zhuǎn)換器直接連接。

4.2.3 新老上位機(jī)系統(tǒng)并列運行方式新上位機(jī)系統(tǒng)與西門子原上位機(jī)系統(tǒng)在運行初期采用并列運行的工作方式，西門子老系統(tǒng)可作為備

用方式暫時保留，待新系統(tǒng)長期運行穩(wěn)定后即可拆除老的上位機(jī)系統(tǒng)。間接數(shù)據(jù)通信的連接方式如圖3所示。

5 2種通訊技術(shù)方案探討

圖2 新上位機(jī)系統(tǒng)直接數(shù)據(jù)通信連接示意圖Fig. 2 Direct data communication connection diagram of new upper SCADA

圖3 新上位機(jī)系統(tǒng)間接數(shù)據(jù)通信連接示意圖Fig. 3 Indirect data communication connection diagram of new upper SCADA

直接數(shù)據(jù)通信方式是直接與SIMATIC S5 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，沒有中間環(huán)節(jié)，機(jī)組生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)刷新迅速，控制調(diào)節(jié)指令也能夠快速執(zhí)行，因此這種方式有很高的實時性。但是由于這種方式是基于對西門子SINEC H1協(xié)議進(jìn)行解密后實現(xiàn)的，其數(shù)據(jù)通信的可靠性和穩(wěn)定性需要經(jīng)過長時間的運行檢驗，雖然與某臺機(jī)組的直接通訊測試結(jié)果表明，機(jī)組所有生產(chǎn)信息均可實現(xiàn)在線刷新，控制調(diào)節(jié)指令也能準(zhǔn)確執(zhí)行，但是用戶從穩(wěn)定性和可靠性考慮，這種直接數(shù)據(jù)通信方式宜作為備用方案。

間接數(shù)據(jù)通信方式是由SIMATIC S7 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，這種方式唯一的缺點就是中間環(huán)節(jié)較多，實時性弱于直接通信方式，但是穩(wěn)定性和可靠性高。SIMATIC S7 PLC與SIMATIC S5 PLC之間通過西門子內(nèi)部通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，能夠保證通訊的可靠性和穩(wěn)定性；SIMATIC S7 PLC與新上位機(jī)系統(tǒng)使用西門子基于TCP的Fetch/Write通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，這種通訊方式已經(jīng)在葛洲壩、魯布革、龔嘴等多個電廠通過了實際運行的檢驗，通訊的可靠性和穩(wěn)定性也沒有問題。此外，現(xiàn)場進(jìn)行的間接通訊測試表明，雖然使用SIMATIC S7 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，但是數(shù)據(jù)采集的周期仍保證在100 ms以內(nèi)，實時性能夠滿足電力生產(chǎn)的需求。

選用間接數(shù)據(jù)通信方式還有一個優(yōu)勢就是有利于后期LCU升級改造。由于SIMATIC S5 PLC在90年代就已經(jīng)停產(chǎn)，其最新PLC型號為SIMATIC S7系列，間接數(shù)據(jù)通信方式采用的SIMATIC S7 PLC在后期進(jìn)行LCU的升級改造時可以直接代替現(xiàn)有的SIMATIC S5 PLC，一方面可以節(jié)省用戶的投資，降低改造成本，另一方面，也可以大大縮短設(shè)備采購和現(xiàn)場調(diào)試的周期。

6 后期現(xiàn)地控制單元改造實施方案

抽水蓄能電站可逆式水泵水輪機(jī)組I/O點多，工況復(fù)雜，且各LCU控制單元之間聯(lián)系密切，因此后期LCU的改造復(fù)雜程度很高，需要綜合考慮，詳細(xì)規(guī)劃，后期LCU改造可以考慮以下2種實施方案。

6.1 先獨立后整體的實施方法

依據(jù)電站檢修計劃，按順序完成改造LCU的獨立調(diào)試，待所有LCU獨立調(diào)試完成后再進(jìn)行LCU間的調(diào)試，如LCU間數(shù)據(jù)互取、背靠背拖動調(diào)試等功能，并將所有LCU一次性接入新的上位機(jī)系統(tǒng)。

本實施方案優(yōu)點是各LCU獨立調(diào)試，對未改造的LCU調(diào)試影響較小，過程可控性強(qiáng)；但是改造期間其他LCU將無法與該LCU通訊，背靠背拖動功能無法實現(xiàn)，只能使用SFC拖動實現(xiàn)抽水功能。

6.2 LCU改造與通信同步實施

改造的LCU在實現(xiàn)與其他LCU的數(shù)據(jù)通信功能時，同步進(jìn)行LCU的功能調(diào)試，包括與其他LCU的聯(lián)合調(diào)試，調(diào)試完成后接入新的上位機(jī)系統(tǒng)。

本方案由于實現(xiàn)了通信與改造的同步實施，因此對其他非改造LCU的影響最小，可以最大限度地縮短改造周期，也有利于電廠的安全穩(wěn)定運行。

7 結(jié)語

我國早期的大型抽水蓄能電站基本都使用西門子、阿爾斯通等國外監(jiān)控技術(shù)，但由于外方監(jiān)控廠家的技術(shù)封鎖，使得我國抽蓄電站運行維護(hù)成本[7]非常之高；在大型抽水蓄能電站監(jiān)控技術(shù)國產(chǎn)化后，抽蓄電站的運維成本僅為國外系統(tǒng)的1/5，大大減輕了電站的運維成本。

本文針對廣蓄B廠西門子監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)改造所提出的技術(shù)解決方案突破了SIMATIC S5 PLC通信的技術(shù)壁壘，為廣蓄B廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化提供了技術(shù)支撐，同時本文也可以為其他使用SIMATIC S5 PLC的控制系統(tǒng)的改造提供技術(shù)參考。

[1] 劉昕. 廣州蓄能水電廠B廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 自動化博覽，2002（1）：14-16.LIU Xin. The computer monitoring system of plant B in Guangzhou pump storage power plant[J]. Automation Expo，2002（1）：14-16（in Chinese）.

[2] 汪軍，張紅芳，周慶中，等. 我國抽水蓄能電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)評析[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測，2002，26（1）：22-24.WANG Jun，ZHANG Hongfang，ZHOU Qingzhong，et al.The technical analysis of computer monitoring system of pumped storage power station in China[J]. Hydropower Automation and Dam Monitoring，2002，26（1）：22-24（in Chinese）.

[3] 周慶中，汪軍，王善永，等. 國產(chǎn)化大型抽水蓄能電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2007，31（17）：87-89.ZHOU Qingzhong，WANG Jun，WANG Shanyong，et al.The computer monitoring system of large pumped storage power station in China[J]. Automation of Electric Power System，2007，31（17）：87-89（in Chinese）.

[4] 李明河. SINEC H1局域網(wǎng)通信解析及實現(xiàn)[J]. 安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，18（3）：193-195.LI Minghe. SINEC H1 analysis and implementation of LAN communication[J]. Journal of Anhui University of Technology，2001，18（3）：193-195（in Chinese）.

[5] 盛光杰，錢江東，陸長勝，等. 工業(yè)以太H1網(wǎng)及現(xiàn)場總線應(yīng)用技術(shù)探討[J]. 武鋼技術(shù)，2006，44（6）：44-48.SHENG Guangjie，QIAN Jiangdong，LU Changsheng，et al. Discussion on application technology of industrial ethernet H1 network and field bus[J]. Wuhan Iron and Steel Technology，2006，44（6）：44-48（in Chinese）.

[6] 李友平，龐敏，周業(yè)榮，等. Siemens S5 PLC及其在水電廠監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測，2003，27（6）：17-19.LI Youping，PANG Min，ZHOU Yerong，et al. The Siemens S5 PLC and application of monitoring system in hydropower plant[J]. Hydropower Automation and Dam Monitoring，2003，27（6）：17-19（in Chinese）.

[7] 賀儒飛. 抽水蓄能機(jī)變保護(hù)國產(chǎn)化若干重要問題研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2014，30（9）: 88-91.HE Rufei. Study on some important problems of the localization of protection equipment for pumped storage power station[J]. Power System and Clean Energy，2014，30（9）: 88-91（in Chinese）.