巨型水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計特點與實踐

宋琳莉，林 峰，李 伶

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川省成都市 610072）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，水電站趨向于大規(guī)?；l(fā)展，近年來不少巨型[大（1）型]水電站陸續(xù)建成投運。計算機監(jiān)控系統(tǒng)是自動化系統(tǒng)的重要組成部分，也是實現(xiàn)水電站“無人值班”（少人值守）的關(guān)鍵設(shè)備，一旦計算機監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計時出現(xiàn)疏漏，極易埋下重大安全隱患。因此，針對巨型水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)化整體設(shè)計越來越引起業(yè)內(nèi)人士的重視，同時隨著智能化水電站相關(guān)規(guī)程規(guī)范的相繼出臺，智能化水電站建設(shè)已成為未來水電行業(yè)發(fā)展的趨勢，這些都給巨型水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計工作帶來了更高的挑戰(zhàn)。

巨型水電站有地理位置偏遠、樞紐及廠區(qū)建筑規(guī)模大、設(shè)備布置分散、機組單機裝機容量大、機組臺數(shù)多、全廠監(jiān)控測點多分布廣、全系統(tǒng)內(nèi)外部數(shù)據(jù)通信復(fù)雜、系統(tǒng)可靠性要求高等特點。在設(shè)計中需要特別注意根據(jù)這些特點進行針對性的設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計特點

整個系統(tǒng)采用全計算機監(jiān)控結(jié)構(gòu)。除設(shè)置有緊急停機和事故停機按鈕外，中控室通常不設(shè)置常規(guī)的集中控制設(shè)備，采用計算機作為唯一的監(jiān)控設(shè)備；現(xiàn)地控制單元（LCU）不設(shè)置常規(guī)布線邏輯回路，由具有冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算機設(shè)備執(zhí)行監(jiān)控；同時設(shè)置獨立PLC構(gòu)成的水機保護回路，水機保護PLC常采用和機組LCU PLC同一品牌產(chǎn)品，既可獨立于機組LCU完成緊急停機或事故停機，又可直接接入機組LCU交換機便于監(jiān)測水機保護PLC狀態(tài)。

根據(jù)巨型水電站樞紐及廠區(qū)建筑規(guī)模大、設(shè)備安裝部位分散、I/O點數(shù)量龐大的特點，大量采用現(xiàn)場總線及遠程測控裝置的設(shè)計方案，盡量將LCU或分布式I/O、遠程I/O裝置就近布置在被控設(shè)備附近，并采用冗余通信的方式接入監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)或LCU下級網(wǎng)絡(luò)，減少硬接線電纜，降低信號電纜干擾對系統(tǒng)可靠運行的影響[5]。

系統(tǒng)各PLC主控單元、主要服務(wù)器全冗余架構(gòu)，將單點故障率降至最低。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

巨型水電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常有控制網(wǎng)或控制網(wǎng)+信息網(wǎng)組合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等兩種組網(wǎng)方式。

2.1 控制網(wǎng)+信息網(wǎng)組合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

電站控制網(wǎng)只連接與LCU實時監(jiān)控直接相關(guān)的設(shè)備，與其他系統(tǒng)設(shè)備和信息隔離；該層網(wǎng)絡(luò)為雙冗余熱備，采用1000Mbps交換式以太網(wǎng)，TCP/IP協(xié)議，遵循IEEE802.3標準[2]。

根據(jù)巨型水電站的工程建筑規(guī)模大、節(jié)點設(shè)備分布范圍廣的特點，通常在廠內(nèi)合適的位置分別布置控制網(wǎng)主干交換機，各主干交換機之間通過2路光纜互連構(gòu)成1000Mbps雙環(huán)型以太網(wǎng)；每套現(xiàn)地LCU配置2臺控制網(wǎng)子交換機，分別通過光纜以雙星型方式就近接入控制網(wǎng)主干交換機，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率100Mbps；廠站層各節(jié)點設(shè)備通過2路網(wǎng)絡(luò)雙絞線或光纖接口以雙星型方式接入就近控制網(wǎng)主干交換機，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率1000Mbps。

全廠控制網(wǎng)構(gòu)成雙千兆主干環(huán)網(wǎng)加雙百兆星型接入網(wǎng)的混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。電站控制網(wǎng)交換機應(yīng)采用工業(yè)以太交換機，其中主干網(wǎng)交換機宜采用模塊化結(jié)構(gòu)以便于擴充。

巨型電站由于數(shù)據(jù)量巨大，通信負荷較大，一般可設(shè)置信息網(wǎng)，用于提高系統(tǒng)性能，合理分配網(wǎng)絡(luò)通信負荷。電站信息網(wǎng)可用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息分流，采用1000Mbps交換式以太網(wǎng)。該層網(wǎng)絡(luò)為雙冗余熱備分別布置2臺信息網(wǎng)主干交換機，信息網(wǎng)各廠站層設(shè)備采用雙星形方式接入信息網(wǎng)主干交換機；各LCU現(xiàn)地配置1臺信息網(wǎng)子交換機，就近接入電站信息網(wǎng)主干交換機。

2.2 控制網(wǎng)

全站僅設(shè)控制網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)為雙網(wǎng)冗余方式，廠站層及現(xiàn)地層設(shè)備均連接至控制網(wǎng)主干交換機。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可根據(jù)各節(jié)點設(shè)備的分布，采用環(huán)形、星形或環(huán)形-星形混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.3 小結(jié)

以上兩種組網(wǎng)方式均在巨型水電站中有大量成功應(yīng)用經(jīng)驗。控制網(wǎng)+信息網(wǎng)組合方式隔離不同網(wǎng)絡(luò)信息，減少相互干擾，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息分流，提高了系統(tǒng)性能，但增加了信息網(wǎng)主干交換機、LCU信息網(wǎng)子交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，同時各廠站層節(jié)點設(shè)備需增加網(wǎng)卡配置，是設(shè)計時需考慮的經(jīng)濟性因素。

3 與外部數(shù)據(jù)通信

3.1 LCU對外數(shù)據(jù)通信

巨型水電站由于監(jiān)視及控制對象眾多，常規(guī)外部信號硬接線量大，且因為控制對象分散距離往往較遠，按照傳統(tǒng)方式敷設(shè)硬接線信號電纜工作量較大，且不易檢修維護。因此監(jiān)控系統(tǒng)LCU與外部其他自動化系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信優(yōu)先選用現(xiàn)場總線通信方式。

LCU與外部系統(tǒng)通信根據(jù)不同的系統(tǒng)特點主要有以下幾類：

（1）LCU配置獨立通信管理機，通信管理機通過RS-232、RS-485現(xiàn)場總線接口與智能儀表設(shè)備及自動化系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，通信規(guī)約多采用Modbus等[3]。同時通信管理機通過以太網(wǎng)接口接入LCU子交換機與PLC進行數(shù)據(jù)交互，通信規(guī)約多采用IEC60870-5-104。這種方式數(shù)據(jù)通信適用于通信速率慢，實時性要求不高，數(shù)據(jù)量不大，可靠性要求一般，傳輸距離較近的情況，如交流采樣表、電度表、直流系統(tǒng)、UPS等系統(tǒng)的通信。

（2）LCU內(nèi)PLC采用目前業(yè)內(nèi)主流的工業(yè)現(xiàn)場總線（EtherNet/IP、Modbus Plus、Profibus DP等 ）與裝設(shè)有成套PLC的其他自動化控制系統(tǒng)以及帶有標準現(xiàn)場總線接口的智能儀表進行數(shù)據(jù)交互，通信規(guī)約多采用總線標準協(xié)議。這類數(shù)據(jù)通信方式適用于通信速率快、實時性要求高、數(shù)據(jù)量大、可靠性要求高、傳輸距離較遠的情況，如勵磁、調(diào)速器、輔助設(shè)備控制等系統(tǒng)的通信[3]。在巨型水電站有廣泛應(yīng)用，設(shè)計時需注意自動化系統(tǒng)中的控制器的選型應(yīng)能與LCU內(nèi)的PLC支持相同的現(xiàn)場總線通信，也可選配專用協(xié)議轉(zhuǎn)換接口設(shè)備實現(xiàn)不同總線協(xié)議間的轉(zhuǎn)換互通。

3.2 LCU間數(shù)據(jù)通信

工程設(shè)計中常遇到不同LCU間需要交互數(shù)據(jù)的情況，例如機組LCU需要采集主變壓器高壓側(cè)隔刀、地刀位置信號等，用于做發(fā)電機出口斷路器、隔刀、地刀的閉鎖邏輯，但巨型水電站主變壓器高壓側(cè)信號常由開關(guān)站LCU采集，且機組LCU和開關(guān)站LCU距離往往較遠，因此需要LCU間進行數(shù)據(jù)通信。

通過各套LCU內(nèi)PLC本身已連接的控制網(wǎng)互聯(lián)，采用可靠的PLC間現(xiàn)場總線通信協(xié)議，即可以相互讀取PLC的共享數(shù)據(jù)區(qū)，從而方便地獲得需要的數(shù)據(jù)，并可進行控制輸出。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)與智能GIS開關(guān)站數(shù)據(jù)通信

近年來投產(chǎn)的巨型水電站已有溪洛渡水電站、大崗山水電站、猴子巖水電站等數(shù)個采用GIS智能監(jiān)控系統(tǒng)的案例，即簡化或取消常規(guī)開關(guān)站LCU，采用布置在GIS現(xiàn)地的保護測控裝置完成GIS開關(guān)站的監(jiān)控功能。這類設(shè)計即是將保護裝置、智能測控裝置、操作箱集中組屏安裝，通過內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)將控監(jiān)、測量、保護功能一體化，相比傳統(tǒng)設(shè)計大量節(jié)省了保護柜、GIS現(xiàn)地匯控柜、開關(guān)站LCU間的電纜，易于檢修維護。

GIS智能監(jiān)控系統(tǒng)需與監(jiān)控系統(tǒng)通信，完成數(shù)據(jù)采集、開關(guān)站設(shè)備控制的功能。為保證通信的可靠性，通常在監(jiān)控系統(tǒng)廠站層配置專用的冗余廠內(nèi)通信服務(wù)器通過冗余以太網(wǎng)與GIS智能監(jiān)控系統(tǒng)配置的冗余遠動通信裝置通信，通信規(guī)約多采用IEC60870-5-104規(guī)約[4]。GIS智能監(jiān)控系統(tǒng)完成開關(guān)站設(shè)備的控制閉鎖邏輯及命令執(zhí)行功能，將閉鎖邏輯、故障信息等通信上傳至監(jiān)控系統(tǒng)，用于監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出控制命令前的判斷。

4 安全防護措施

巨型水電站安全防護等級為3級，防護措施要求高，應(yīng)嚴格按照國家及行業(yè)相關(guān)規(guī)程規(guī)范進行安全防護設(shè)計。安全防護實施方案須經(jīng)上級信息安全主管部門和電力調(diào)度機構(gòu)評估、審核和驗收。監(jiān)控系統(tǒng)安全防護的總體原則為“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認證”[2]。

監(jiān)控系統(tǒng)屬于控制區(qū)（安全區(qū)Ⅰ），是安全防護的重點與核心，所有監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備都必須置于安全區(qū)Ⅰ，納入統(tǒng)一的安全防護體系；至少應(yīng)配置以下安全防護措施：

（1）監(jiān)控系統(tǒng)通過廣域網(wǎng)與上級調(diào)度的通信，必須加裝經(jīng)過國家指定部門檢測認證的電力專用縱向認證加密裝置。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)（安全Ⅰ區(qū)）與非控制區(qū)（安全Ⅱ區(qū)）之間的連接采用硬件防火墻進行隔離，生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)（安全Ⅲ區(qū)）之間的連接采用正向安全隔離裝置進行隔離。

（3）操作系統(tǒng)應(yīng)安全加固。

（4）配置網(wǎng)絡(luò)防病毒系統(tǒng)。

（5）監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)部署安全審計措施、安全審計平臺。

（6）應(yīng)部署惡意代碼防護系統(tǒng)、采取防范惡意代碼措施。

（7）禁止監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的E-mail和Web服務(wù)。

（8） 嚴 禁 E-mail、Web、Telnet、Rlogin、FTP等安全風險高的通用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和以B/S或C/S方式的數(shù)據(jù)庫訪問穿越專用橫向單向安全隔離裝置，僅允許純數(shù)據(jù)的單向安全傳輸。

5 LCU的設(shè)計特點

5.1 機組測溫LCU

巨型水電站機組容量大，機組溫度量測點多達數(shù)百點，溫度量測量及機組溫度保護在監(jiān)控系統(tǒng)中是非常重要的環(huán)節(jié)[1]，設(shè)計時可將機組測溫單獨設(shè)置LCU，布置在電氣夾層，專門用于機組溫度量測量及溫度保護。

機組測溫LCU有遠程I/O站模式（即不帶CPU）、獨立LCU（帶CPU）模式，兩種模式在巨型水電站中均有應(yīng)用。

（1）遠程I/O模式下溫度量處理程序和溫度保護判斷邏輯在機組LCU的CPU中完成，溫度量數(shù)據(jù)和機組LCU采集的其他數(shù)據(jù)及信息一起上送至廠站層，這種模式節(jié)省了CPU模件，經(jīng)濟性較好，也可滿足監(jiān)控系統(tǒng)功能要求，但存在提高了機組LCU CPU負載，數(shù)據(jù)刷新時間稍長的弊端，遠程I/O模式無法配置現(xiàn)地觸摸屏，也給運行維護帶來不便。

（2）獨立LCU模式下溫度量處理程序和溫度保護判斷邏輯在測溫LCU的專用CPU中完成，溫度量數(shù)據(jù)經(jīng)控制網(wǎng)直接上送至廠站層，可降低機組LCU CPU負載，數(shù)據(jù)刷新時間較遠程I/O模式更短，也可在現(xiàn)地配置觸摸屏，便于運行維護，但此模式增加了硬件設(shè)備，增大了投資。

在工程設(shè)計中應(yīng)根據(jù)實際情況比選確定機組測溫LCU模式。

5.2 機組功率調(diào)節(jié)設(shè)計

為保證巨型水電站機組功率測量的準確、可靠、實時，可在監(jiān)控系統(tǒng)中配置智能交流采樣表和功率變送器，2種設(shè)備采集的數(shù)據(jù)互為冗余備用[1]，監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)據(jù)測值和通道品質(zhì)自動/手動切換2路數(shù)據(jù)源，保證測量和功率調(diào)節(jié)的安全穩(wěn)定。

有功/無功具備3種調(diào)節(jié)功能，可通過AO、通信、脈沖命令的方式進行功率調(diào)節(jié)。

AO調(diào)節(jié)方式下，機組LCU配置專用的AO模件，將負荷給定值經(jīng)轉(zhuǎn)換算法轉(zhuǎn)換成模擬量，輸出4～20mA模擬量至調(diào)節(jié)機構(gòu)（調(diào)速器、勵磁），經(jīng)調(diào)節(jié)機構(gòu)內(nèi)部閉環(huán)調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)負荷，這種模式可靠性高，調(diào)節(jié)速度快、精度高。

通信調(diào)節(jié)方式下，監(jiān)控系統(tǒng)將負荷給定值按設(shè)定的通信協(xié)議發(fā)送至調(diào)節(jié)機構(gòu)（調(diào)速器、勵磁），經(jīng)調(diào)節(jié)機構(gòu)內(nèi)部閉環(huán)調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)負荷，調(diào)節(jié)速度快、精度高。

傳統(tǒng)脈沖調(diào)節(jié)方式由監(jiān)控系統(tǒng)將負荷給定值通過調(diào)整功率增/減繼電器脈寬、周期的方式將調(diào)節(jié)命令接至調(diào)節(jié)機構(gòu)（調(diào)速器、勵磁）的開關(guān)量輸入回路來調(diào)節(jié)負荷，這種模式采用硬接線布線，可靠性高，但調(diào)節(jié)速度慢、精度低。

目前在巨型水電站機組功率調(diào)節(jié)設(shè)計多采用AO調(diào)節(jié)方式、通信調(diào)節(jié)方式互為備用，而傳統(tǒng)脈沖調(diào)節(jié)方式一般作為前兩種方式的后備方式。

6 發(fā)展與展望

隨著國家在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新和變革轉(zhuǎn)型，電力行業(yè)內(nèi)水電站智能化升級步伐也在逐步加快。2016年頒布實施的電力行業(yè)標準《智能水電廠技術(shù)導(dǎo)則》更是預(yù)示了未來水電站智能化的發(fā)展方向。雖然就目前國內(nèi)水電站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀而言，智能化、數(shù)字化結(jié)構(gòu)體系還尚未成熟，還有較長的路要走，需各大生產(chǎn)商、集成商及業(yè)主、設(shè)計院的共同努力以達成共識，但未來的巨型電站海量數(shù)據(jù)信息將經(jīng)過數(shù)據(jù)挖掘、智能判斷可為運行控制和綜合管理提供決策，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計也必將轉(zhuǎn)向智能化體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，以適應(yīng)智能電網(wǎng)源網(wǎng)協(xié)調(diào)的要求，通過構(gòu)建新型一體化管控平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)一體化控制，將智能控制理論及方法廣泛應(yīng)用于水電站自動控制，實現(xiàn)生產(chǎn)運行安全可靠、經(jīng)濟高效、友好互動目標的水電廠。