某水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造模式探討與實(shí)踐

張其生

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 伊犁 835000）

1 概況

某水電站于1958年動(dòng)工興建，1961年因故停建，一期工程于1979年復(fù)工，1984年底建成，裝機(jī)容量為2×6 000 kW，二期工程于2000年建成，總裝機(jī)容量為2×6 000 kW+1×16 000 kW。水電站原計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，是南京電力自動(dòng)化設(shè)備總廠研制生產(chǎn)的SD 200型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

從2000年二期投入運(yùn)行以來，出現(xiàn)的通信與監(jiān)控軟件問題：事故報(bào)警延時(shí)、通信信號(hào)延遲、誤報(bào)、現(xiàn)地LCU工控機(jī)死機(jī)、歷史數(shù)據(jù)殘缺不全等；同時(shí)目前調(diào)度端自動(dòng)化系統(tǒng)，需要電站提供實(shí)時(shí)采集的遙測(cè)、遙信數(shù)據(jù)，水電站原計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)這一要求。結(jié)合水電站實(shí)際情況，為提高計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)滿足調(diào)度端的要求，近年來開始逐步實(shí)施水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的改造工作。本次改造的系統(tǒng)，采用南京鈦能電氣有限公司研發(fā)的NAS-901水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

本次改造的目的主要有兩個(gè)：一是，滿足調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)電站遙測(cè)、遙信的要求。由監(jiān)控系統(tǒng)通信管理機(jī)向調(diào)度發(fā)送實(shí)時(shí)采集的遙信、遙測(cè)信息，并且為以后調(diào)度的遠(yuǎn)控操作，預(yù)留控制通道；為電站自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)，預(yù)留上報(bào)數(shù)據(jù)通道。二是，解決電站內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控軟件所存在的問題。將現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)改造成單一的一級(jí)局域網(wǎng)絡(luò)，并采取屏蔽措施，減少不必要的網(wǎng)絡(luò)串接設(shè)備，解決水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題。

2 系統(tǒng)改造原則

經(jīng)討論，水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造保留了原監(jiān)控系統(tǒng)全部PLC硬件設(shè)備，以改造廠站層上位機(jī)硬件設(shè)備和部分現(xiàn)地控制層硬件設(shè)備為目標(biāo)實(shí)施改造。新的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造，以利于提高水電站運(yùn)行的安全性和可靠性為基本原則，應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則[1]：

硬件系統(tǒng)：在原有系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，分析優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)化現(xiàn)有硬件系統(tǒng)。

軟件系統(tǒng)：采用成熟、先進(jìn)、可靠的軟件系統(tǒng)，以備今后按應(yīng)用需求進(jìn)行升級(jí)改造，建設(shè)優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和可操作性強(qiáng)的漢化系統(tǒng)。

成本控制：新的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，盡量在原有計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改造，在符合國(guó)家規(guī)范和安全標(biāo)準(zhǔn)的前提下，最大程度地節(jié)約成本。

3 網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)改造方案，改變了原網(wǎng)絡(luò)局部結(jié)構(gòu)，采用按單元區(qū)分的分層分布式鏈路結(jié)構(gòu)，所有輔助設(shè)備和元件與其所在單元的LCU直接通信，改變?cè)O(jiān)控系統(tǒng)中PLC和一體化工控機(jī)串口通信，一體化工控通過以太網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)。每套現(xiàn)地LCU通過自帶交換機(jī)自成一套獨(dú)立的現(xiàn)地監(jiān)視控制單元，通過觸摸屏、盤柜指示燈及按鈕可現(xiàn)地監(jiān)視控制該LCU設(shè)備，同時(shí)提升了數(shù)據(jù)交互的速度和可靠性，現(xiàn)地控制單元對(duì)該LCU數(shù)據(jù)的采集不再依賴于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，系統(tǒng)層次分明，保證了該現(xiàn)地LCU的獨(dú)立性和安全性，在上位機(jī)與下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，現(xiàn)地控制單元可對(duì)本單元設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立的完全的監(jiān)視和控制功能。改造前后通信系統(tǒng)圖如圖1和圖2所示。

4 系統(tǒng)實(shí)施方案

水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的改造，應(yīng)是逐步過渡完成的，為實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠設(shè)備的監(jiān)視控制，有兩種方案可供選擇[2]。

方案一：在新的系統(tǒng)改造完成前，工作人員在新舊兩套設(shè)備中分別監(jiān)控和運(yùn)行與其對(duì)應(yīng)的設(shè)備，逐漸將功能轉(zhuǎn)移到新系統(tǒng)中。此種方式對(duì)舊系統(tǒng)影響較小，但存在改造完成前新系統(tǒng)中不能監(jiān)控的問題。

方案二：在對(duì)舊系統(tǒng)操作改造過程中，工作人員可以通過通信方式，對(duì)新舊兩套系統(tǒng)同時(shí)操作，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠所有設(shè)備進(jìn)行操控。此種方式涉及新舊兩套監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜切換過程，存在著一定的溝通環(huán)節(jié)與實(shí)施困難。

圖1 改造前通信系統(tǒng)圖

圖2 改造后通信系統(tǒng)圖

水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造采用第一種方案，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)地LCU工控機(jī)需要拆除更換，就中斷了與原上位機(jī)系統(tǒng)的通信，因此，先將前期工作準(zhǔn)備好，最后再更換現(xiàn)地LCU工控機(jī)，防止影響原系統(tǒng)的正常運(yùn)行。首先鋪設(shè)通信電纜，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)框架預(yù)先搭設(shè)完畢，然后將新計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接入搭設(shè)好的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用以太網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)地LCU的數(shù)據(jù)交互，先將公用LCU系統(tǒng)接入，根據(jù)機(jī)組的檢修計(jì)劃，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，將遙信，遙測(cè)信號(hào)逐一調(diào)試完畢，最后根據(jù)調(diào)度計(jì)劃申請(qǐng)控制系統(tǒng)的調(diào)試。針對(duì)遙控操作采用了仿真調(diào)試系統(tǒng)，在調(diào)試前先用仿真軟件接收上位機(jī)下發(fā)的遙控命令，仔細(xì)核對(duì)后再進(jìn)行實(shí)際設(shè)備的操作，這樣不但減少了失誤操作的可能，也大大減少了調(diào)試時(shí)間，為電廠的正常運(yùn)行爭(zhēng)取了時(shí)間[3]。

5 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

原監(jiān)控系統(tǒng)配置情況：上位機(jī)為兩臺(tái)64位的Alpha計(jì)算機(jī)和1臺(tái)通信管理機(jī)，兩套機(jī)組LCU，一套公用LCU。其中，一套機(jī)組LCU負(fù)責(zé)1號(hào)、2號(hào)機(jī)組的信號(hào)監(jiān)視、電氣量采集等，不對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制；第二套機(jī)組LCU負(fù)責(zé)3號(hào)機(jī)組的信號(hào)監(jiān)視、電氣量采集，機(jī)組控制等工作；公用LCU負(fù)責(zé)公用系統(tǒng)，開關(guān)站的信號(hào)監(jiān)視，開關(guān)控制等工作。現(xiàn)地控制單元(LCU)，采用美國(guó)通用電氣公司GE-9030系列PLC，PLC通過串口將數(shù)據(jù)送到現(xiàn)地一體化工控機(jī)，現(xiàn)地LCU上的一體化工控機(jī)運(yùn)行監(jiān)控軟件，通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到操作員站。

改造方案及配置：64位的Alpha計(jì)算機(jī)，硬件與軟件與現(xiàn)今使用的32位機(jī)型硬件和軟件商均不兼容，計(jì)算機(jī)已運(yùn)行10年左右，運(yùn)行速度偏慢，性能已不能滿足目前電站運(yùn)行的需要，改造方案中更換成目前監(jiān)控系統(tǒng)流行配置的HP XW4600系列工作站，更換原CRT顯示器為液晶顯示器。

原監(jiān)控系統(tǒng)中GPS裝置損壞，更換成具有串口通信、B碼對(duì)時(shí)、32路硬接點(diǎn)對(duì)時(shí)，完成上位機(jī)系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、LCU系統(tǒng)的對(duì)時(shí)。

機(jī)組及公用LCU中的PLC增加網(wǎng)絡(luò)通信模塊，以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC通過網(wǎng)絡(luò)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，現(xiàn)地LCU增加交換機(jī)以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地觸摸屏與PLC的數(shù)據(jù)交互，增加一臺(tái)思科交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)主控層與現(xiàn)地層的數(shù)據(jù)交互。

從目前流行的技術(shù)趨勢(shì)看，采用工控機(jī)代價(jià)高而且故障點(diǎn)增多，造成整個(gè)系統(tǒng)的可靠性下降[4]。一體化工控機(jī)中網(wǎng)絡(luò)硬盤及風(fēng)扇老化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，備件的采購較困難，CPU運(yùn)行速度緩慢，性能指標(biāo)無法滿足電站運(yùn)行要求。目前在運(yùn)行過程中，也經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失、傳輸延時(shí)過長(zhǎng)、現(xiàn)地工控機(jī)死機(jī)等現(xiàn)象，而作為數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站工控機(jī)一旦死機(jī)，所有的數(shù)據(jù)都將無法傳送，后臺(tái)監(jiān)控將癱瘓。改造方案中取消現(xiàn)地LCU研華一體化工控機(jī)，更換成觸摸屏（配置以太網(wǎng)及4串口）。原研華一體化工控機(jī)上的現(xiàn)地自動(dòng)操作、監(jiān)視功能由觸摸屏代替。

在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造中，基本保留了原現(xiàn)地控制單元LCU中除一體化工控機(jī)外的全部硬件設(shè)備，施工改造難度較小。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本工程用觸摸屏兼有一定的通信管理機(jī)功能，通過以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)PLC以及上位機(jī)通信，這種方案和電站的主干通信網(wǎng)（以太網(wǎng)）相一致，可靠性和通信速度比串行鏈路高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)；對(duì)于LCU，觸摸屏除了完成現(xiàn)地監(jiān)控功能，還代替通信管理機(jī)將部分現(xiàn)地設(shè)備（如調(diào)速勵(lì)磁等）接入其中，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。

更換原國(guó)內(nèi)某品牌的監(jiān)控軟件，改用南京鈦能電氣有限公司的Talent View監(jiān)控軟件，該軟件具有組態(tài)靈活，使用簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)，在不改變?cè)瓩C(jī)組PLC程序的前提下，完全應(yīng)用以前的接口，實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)、遙信、遙調(diào)、遙控、參數(shù)越限報(bào)警、事故順序記錄、故障及狀態(tài)顯示記錄、語音報(bào)警、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能，這樣減小了機(jī)組LCU的調(diào)試工作量，只需要更換監(jiān)控系統(tǒng)軟件即可，為現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組的正常運(yùn)行爭(zhēng)取更多的時(shí)間。

在此次改造中還涉及到調(diào)度通信，增加一臺(tái)通信管理機(jī)，用于對(duì)調(diào)度上送數(shù)據(jù)及接受調(diào)度的控制，通過光纖通道進(jìn)行傳輸，大大提高了調(diào)度通信的速率，減少了信號(hào)的延遲，提高了系統(tǒng)的可靠性。

7 系統(tǒng)改造存在的問題及對(duì)策

第一，水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造，是一項(xiàng)具體而系統(tǒng)的工程，其中新系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，最困難也最容易出現(xiàn)的問題，是改造前的資料不能完好的輸送到新系統(tǒng)中，因此，前期圖紙等在系統(tǒng)進(jìn)行變更后要及時(shí)復(fù)制和更新，以便新設(shè)備和圖紙的配套使用。

第二，上位機(jī)部分屬于水電站系統(tǒng)的核心部分，涉及與其他眾多設(shè)備的通信問題，包括與各級(jí)調(diào)度部門、保護(hù)系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)、水情系統(tǒng)、GPS裝置、返回屏、電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，往往出現(xiàn)通信規(guī)約和點(diǎn)表缺失的情況，必須通過逐一排查測(cè)試進(jìn)行確認(rèn)。因此，對(duì)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)管理上提出了相應(yīng)要求，在日常維護(hù)中必須把資料的保存和數(shù)據(jù)更新工作做好[5]。

第三，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造過程往往還涉及到工期問題，由于系統(tǒng)改造機(jī)組一般在正常運(yùn)行，這就需要改造過程既快又準(zhǔn)確，做好充分的準(zhǔn)備措施不可缺少，考慮到可能出現(xiàn)的問題，做好必要的防護(hù)措施。

8 結(jié)語

水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的改造，是一項(xiàng)復(fù)雜而又細(xì)致的工作。在改造前必須充分地對(duì)原監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了解，分析原系統(tǒng)存在的優(yōu)缺點(diǎn)，在改造中保留優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)不足之處。尤其存在特殊設(shè)備的情況，在改造實(shí)施前，必須進(jìn)行認(rèn)真分析，做好方案比較。某水電正是充分考慮到以上因素，所以改造順利，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，改造情況良好，是一例成功改造的典范。