基于流域水電站集控理念進(jìn)行的監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造

劉本利，鄭勇

（中國(guó)電建集團(tuán)海外投資有限公司，北京 100048）

1 監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造的背景

該流域水電站位于柬埔寨甘再河干流上，為中資企業(yè)全資投資建設(shè)的BOT水電項(xiàng)目，項(xiàng)目由碾壓混凝土重力壩、反調(diào)節(jié)堰及PH1、PH2和壩后PH3電站組成，裝機(jī)分別為3×60MW、3×3.1MW+0.8MW、1×4MW，于2012年進(jìn)入COD運(yùn)行。

由于地處東南亞，環(huán)境溫度高，濕度大，經(jīng)過近8年的運(yùn)行，監(jiān)控設(shè)備老化，故障頻發(fā)，諸多元器件和裝置已停產(chǎn)，備件配置困難；通信網(wǎng)絡(luò)可靠性差，傳輸速度慢，經(jīng)常出現(xiàn)“堵塞”或中斷；三站原監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備分別由不同的供應(yīng)商供貨，各站獨(dú)立組網(wǎng)，系統(tǒng)性差；受制于電站建設(shè)時(shí)期的技術(shù)水平，監(jiān)控系統(tǒng)工作站、服務(wù)器、現(xiàn)場(chǎng)控制PLC及通信設(shè)備的性能參數(shù)指標(biāo)愈顯不足，軟件功能簡(jiǎn)單，不能滿足當(dāng)前智能化水電站對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的高速度、大容量、智能化的要求，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此，需要對(duì)三站監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。

2 監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造原則

根據(jù)電站實(shí)際運(yùn)行情況和需求，確定改造原則：監(jiān)控系統(tǒng)按照“無人值班（少人值守）”的控制模式進(jìn)行設(shè)計(jì)；三站以小型集控模式組網(wǎng)，充分采用現(xiàn)有技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定可靠的設(shè)備或系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)、遙視，滿足“調(diào)控一體化”要求；改造需充分考慮電站原監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及端子接線布局，充分利用原有線纜，增加完善系統(tǒng)監(jiān)控功能。同時(shí)，改造工作需在柬埔寨國(guó)家電力公司批準(zhǔn)的2個(gè)月枯水檢修期內(nèi)完成，不得影響電站非技改設(shè)備的正常運(yùn)行。

3 監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鑒于三站之間的距離較近，三個(gè)電站視為地理位置擴(kuò)大的一個(gè)電廠（一廠三站），監(jiān)控系統(tǒng)基于集控理念，采用擴(kuò)大廠站模式。集控層上位機(jī)設(shè)在PH1電站，對(duì)三個(gè)電站的LCU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制命令下達(dá)，在PH2和PH3電站配置簡(jiǎn)易的上位機(jī)操作員站，在電站需要獨(dú)立操作控制時(shí)使用。流域內(nèi)主干網(wǎng)絡(luò)采用 100M/1000Mbps交換式以太網(wǎng)，雙星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，按IEEE 802.3設(shè)計(jì)，全開放分布式，通信規(guī)約TCP/IP。PH2、PH3電站通信采用雙芯單模光纖以直連方式接入主干網(wǎng)絡(luò)。PH1電站的監(jiān)控系統(tǒng)通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與柬埔寨電網(wǎng)調(diào)度的直接通信，實(shí)現(xiàn)三站實(shí)時(shí)監(jiān)控遙測(cè)、遙信數(shù)據(jù)上傳，同時(shí)，與電力生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

監(jiān)控系統(tǒng)LCU 按被控對(duì)象設(shè)置，對(duì)機(jī)組、斷路器、輔助設(shè)備和閘門等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。LCU直接監(jiān)控設(shè)備的生產(chǎn)過程，既可作為分布系統(tǒng)中的現(xiàn)地智能終端，又可作為獨(dú)立裝置單獨(dú)運(yùn)行。各個(gè)LCU通過現(xiàn)場(chǎng)總線或以太網(wǎng)接口與下級(jí)公用、輔機(jī)設(shè)備控制系統(tǒng)及其他智能設(shè)備通信。

圖1 水電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造的硬件配置

為了提高通信可靠性，原站內(nèi)傳輸介質(zhì)由同軸電纜更換為超六類網(wǎng)線，同時(shí)，更換以太網(wǎng)通訊模塊，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)雙網(wǎng)配置。考慮加入PH2、PH3電站的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)后，形成小型的集控模式，原有的2套操作員站略顯不夠，增加配置1套操作員站，用于監(jiān)控PH2、PH3電站的數(shù)據(jù)。PH1電站監(jiān)控系統(tǒng)主要設(shè)備包括：2臺(tái)冗余的數(shù)據(jù)服務(wù)器、3臺(tái)操作員工作站、1臺(tái)工程師工作站、1臺(tái)便攜式、1臺(tái)調(diào)度通信服務(wù)器、1臺(tái)廠內(nèi)通信工作站、3套機(jī)組LCU、1套公用LCU、1套開關(guān)站LCU、兩臺(tái)100M/1000Mbps主干網(wǎng)交換機(jī)、1套GPS+北斗對(duì)時(shí)時(shí)鐘、2臺(tái)打印機(jī)等設(shè)備。PH2、PH3電站作為流域監(jiān)控系統(tǒng)的擴(kuò)大廠站級(jí)，配置詳見圖1。

三站所有LCU設(shè)備均進(jìn)行更換，PLC采用雙CPU冗余配置，每個(gè)CPU帶雙以太網(wǎng)口，提高現(xiàn)地設(shè)備自動(dòng)化水平和可靠性。LCU設(shè)備原位置布置，其中，PH1站取水口LCU與壩區(qū)LCU合并，接入PH3子交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造功能要求

監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造的設(shè)備配置和功能要求符合發(fā)展迅速的特點(diǎn)，利用領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，達(dá)到了當(dāng)前的國(guó)際先進(jìn)水平。系統(tǒng)高度可靠、冗余，設(shè)備的局部故障不影響現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行，系統(tǒng)的MTBF、MTTR及各項(xiàng)可用性指標(biāo)均應(yīng)達(dá)到中國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水電廠監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件（DL/T578-2008）》、《水力發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定》DL/T5065及《梯級(jí)水電廠集中監(jiān)控工程設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T5345-2006的規(guī)定。

PH1電站作為流域監(jiān)控系統(tǒng)的主控級(jí)，其監(jiān)控系統(tǒng)具備梯級(jí)電站集控功能，同時(shí)，兼作流域各電站監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)流域內(nèi)各電站主要機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視與控制；PH2、PH3電站配置的操作員站能夠獨(dú)立監(jiān)視與控制該廠站正常運(yùn)行，在需要獨(dú)立監(jiān)控時(shí)，可接受切換控制權(quán)，實(shí)現(xiàn)集控直控和電站控制兩級(jí)控制。

LCU對(duì)各生產(chǎn)對(duì)象監(jiān)控，帶有其監(jiān)控范圍內(nèi)的完整的數(shù)據(jù)庫，分別設(shè)有其監(jiān)控范圍內(nèi)完整的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，當(dāng)與上位機(jī)系統(tǒng)通信中斷時(shí)，能保存至少2h的歷史數(shù)據(jù)，并能在通信正常后，響應(yīng)上位機(jī)系統(tǒng)的命令將中斷期間的歷史數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)，恢復(fù)上位機(jī)的歷史數(shù)據(jù)庫。在LAN網(wǎng)上的各LCU之間應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)部分DI、AI及其他綜合點(diǎn)的數(shù)據(jù)共享。LCU具備較強(qiáng)的獨(dú)立運(yùn)行能力，在脫離廠站級(jí)的狀態(tài)下，能夠完成其監(jiān)控范圍內(nèi)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理、設(shè)定值修改、設(shè)備工況調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換、事故處理等任務(wù)。

4 設(shè)備選型

鑒于項(xiàng)目為BOT項(xiàng)目性質(zhì)和設(shè)計(jì)要求，堅(jiān)持以設(shè)備全生命周期理念，確保設(shè)備滿足安全、效能運(yùn)行，控制設(shè)備購(gòu)置、運(yùn)行、維護(hù)及處置成本，達(dá)到投資效益綜合最優(yōu)的改造目標(biāo)。設(shè)備品質(zhì)定位立足“中國(guó)制造”，同時(shí)，嚴(yán)格把控核心、關(guān)鍵、敏感設(shè)備的選型和配置，包括設(shè)備技術(shù)參數(shù)、規(guī)格類型、制造工藝的高品質(zhì)高品牌要求，選取少維護(hù)或免維護(hù)的產(chǎn)品，保證設(shè)備的本質(zhì)安全和全生命周期的高可靠性、高性價(jià)比。

服務(wù)器采用電力行業(yè)專用產(chǎn)品型號(hào)HP DL380 G10；工作站為HP Z6G4；PLC選用施耐德Quantun+系列，機(jī)架、模塊采用同系列同檔次產(chǎn)品；工業(yè)交換機(jī)采用西門子三層交換機(jī)6GK6222系列產(chǎn)品；同步時(shí)鐘系統(tǒng)采用北斗和GPS雙輸入產(chǎn)品，可自動(dòng)切換。

5 監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造實(shí)施

由于工期短，在改造工作準(zhǔn)備階段，對(duì)原監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備、圖紙、軟件程序進(jìn)行了充分的清查、理解和實(shí)地測(cè)繪工作，原有電纜、接線詳細(xì)標(biāo)識(shí)，確定端子排接線位置，并以此為依據(jù)進(jìn)行新設(shè)備的設(shè)計(jì)。

根據(jù)調(diào)度和檢修計(jì)劃安排，保證河道生態(tài)放流，監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造實(shí)施由PH3電站開始，然后，是PH1、PH2同步進(jìn)行，原有設(shè)備拆除、新設(shè)備安裝、接線、通電調(diào)試及功能測(cè)試均按照施工程序有序完成。項(xiàng)目監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造工作在2個(gè)月內(nèi)全部完成，8臺(tái)機(jī)組順利歸調(diào)，升級(jí)改造效果良好：

（1）監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)后，采用集控模式進(jìn)行運(yùn)行控制，優(yōu)化了機(jī)組調(diào)度方式，節(jié)省了運(yùn)行成本，經(jīng)濟(jì)效益相應(yīng)提高。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性顯著提高，基于三個(gè)電站統(tǒng)一采用南自公司HERC8000系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集、分析、處理及控制方面更加快捷高效，監(jiān)控系統(tǒng)中的主機(jī)兼數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、調(diào)度服務(wù)器一體化切換裝置自由切換操作，提高了全站系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）系統(tǒng)通信能力明顯加強(qiáng)，西門子工業(yè)級(jí)三層交換機(jī)及現(xiàn)地交換機(jī)和通信模塊配合使用，構(gòu)建的雙星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，大幅提升數(shù)據(jù)交換能力，并有效屏蔽強(qiáng)電磁信號(hào)干擾。

（4）充分利用擴(kuò)大廠站的短距離優(yōu)勢(shì)，將PH2、PH3電站以直連方式接入集控的主干網(wǎng)絡(luò)，減少了中間設(shè)備，提高了通信靠性，并降低投入成本。

（5）調(diào)度可靠性顯著加強(qiáng)，改造后的上位機(jī)用兩臺(tái)通信服務(wù)器并列運(yùn)行，可無擾動(dòng)切換，提高調(diào)度通信的可靠性和穩(wěn)定性。

（6）GPS+北斗冗余配置結(jié)構(gòu)提高了全站自動(dòng)化系統(tǒng)的對(duì)時(shí)功能。

（7）三站統(tǒng)一設(shè)備規(guī)格型號(hào)，提高設(shè)備備品備件的通用性和互換性，達(dá)到降低庫存數(shù)量、減少運(yùn)維成本的目的。

（8）實(shí)現(xiàn)流域集中控制，為無人值班（少人值守）提供了必要條件，為境外項(xiàng)目可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

6 結(jié)語及建議

本次監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造取得了圓滿成功，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備配置和選型、設(shè)備質(zhì)量、進(jìn)度控制、改造成本等各方面均達(dá)到了既定目標(biāo)，設(shè)備投運(yùn)以來，運(yùn)行良好，為海外BOT項(xiàng)目的監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造提供了成功的借鑒經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，也有以下幾點(diǎn)建議：

（1）監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改造涉及全廠的自動(dòng)化系統(tǒng)及元器件，隨著監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)，全廠自動(dòng)化系統(tǒng)元件也應(yīng)逐步升級(jí)，整體提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

（2）各項(xiàng)目的直流電源及UPS系統(tǒng)設(shè)備往往在建設(shè)初期隨監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)投運(yùn)，設(shè)備壽命基本一致，建議在改造監(jiān)控監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，同時(shí)，考慮相應(yīng)電源系統(tǒng)的升級(jí)改造。

（3）監(jiān)控系統(tǒng)中的電源模塊因長(zhǎng)期帶電工作，且一般運(yùn)行環(huán)境較差，建議設(shè)備選型務(wù)必選用高品質(zhì)、大容量產(chǎn)品，保證監(jiān)控系統(tǒng)電源安全。

（4）隨著“云、大、物、移、智”的普及，監(jiān)控系統(tǒng)的通信、數(shù)據(jù)處理等方面正在大幅提升，網(wǎng)絡(luò)安全也是升級(jí)改造的重要研究課題。