巨型水電站監(jiān)控系統(tǒng)改造過(guò)渡期通信研究

潘苗苗，黃家志，艾遠(yuǎn)高，楊 云，張衛(wèi)君

（1.三峽水力發(fā)電廠,湖北 宜昌 443133；2.北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100038）

某巨型水電站布置14臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組（單機(jī)額定出力700 MW），總裝機(jī)容量9 800 MW。其計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象幾乎涵蓋電站所有設(shè)備：14臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備、14臺(tái)三相主變壓器、500 kV GIS開(kāi)關(guān)站、泄洪設(shè)施、10 kV廠用電、油氣水設(shè)備等。由于機(jī)組容量大，控制監(jiān)視對(duì)象多，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的I/O點(diǎn)總量多達(dá)39 000點(diǎn)（不包括通信和計(jì)算點(diǎn)的數(shù)量），是世界上鮮見(jiàn)的超級(jí)巨型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

在電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造過(guò)程中，由于現(xiàn)地控制器ABB AC450所使用的MB300網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約與接口的專用性和封閉性，使得新系統(tǒng)上位機(jī)投運(yùn)后不能實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)地控制器的直接通信，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)未改造機(jī)組的監(jiān)控，因而在新系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)投入運(yùn)行后，將形成新、老系統(tǒng)共同運(yùn)行的過(guò)渡期?？紤]到監(jiān)控系統(tǒng)的改造不可能在短期內(nèi)完成，老系統(tǒng)必須保留原有的AS500操作員站，以實(shí)現(xiàn)對(duì)未改造LCU的監(jiān)視與控制，同時(shí)老系統(tǒng)中與廠站層實(shí)現(xiàn)通信接口的各AC450控制器也必須在整個(gè)改造期間予以保留，以實(shí)現(xiàn)將未改造LCU的數(shù)據(jù)接入新系統(tǒng)中，即將老系統(tǒng)中的上位機(jī)功能遷移至新系統(tǒng)。這樣當(dāng)新系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，在新老系統(tǒng)過(guò)渡期內(nèi)，AGC/AVC高級(jí)應(yīng)用、調(diào)度通訊、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等廠站層功能都可以順利接管。由此可見(jiàn)，對(duì)老監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)現(xiàn)有通信接口的研究是新老系統(tǒng)平穩(wěn)過(guò)渡的關(guān)鍵。

因此，通過(guò)本研究對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)內(nèi)各子系統(tǒng)通信接口的軟/硬件內(nèi)容進(jìn)行全面分析和解析就顯得十分重要，研究的結(jié)果將可以幫助相關(guān)技術(shù)人員快速準(zhǔn)確開(kāi)發(fā)出新系統(tǒng)與老系統(tǒng)的接口程序，以實(shí)現(xiàn)新老系統(tǒng)的平穩(wěn)過(guò)渡和過(guò)渡期內(nèi)電站穩(wěn)定運(yùn)行。

1 改造背景

該巨型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“老系統(tǒng)”）由ABB標(biāo)準(zhǔn)的Advant OCS工業(yè)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制系統(tǒng)和ALSTOM公司在其基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的HPC-IMS電站歷史信息管理系統(tǒng)組成，于2003年投入運(yùn)行，至今該套監(jiān)控系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)16年。經(jīng)過(guò)多年連續(xù)運(yùn)行，設(shè)備逐漸老化，逐步暴露出設(shè)備和軟件的固有缺陷，故障率逐漸增多，部分設(shè)備備件已停產(chǎn)，備件購(gòu)買困難且昂貴，特別是操作員站無(wú)法遷移其他型號(hào)工作站，直接影響電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行，成為制約電站安全生產(chǎn)和智慧電站建設(shè)的瓶頸。

隨著國(guó)內(nèi)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的不斷進(jìn)步成熟，且在國(guó)內(nèi)大中型電站已廣泛應(yīng)用。綜合考慮，確定采用北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司iP9000一體化平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱“新系統(tǒng)”）對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行整體更新改造，并在過(guò)渡期實(shí)現(xiàn)兩套系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行。

2 改造過(guò)渡過(guò)程通信研究主要內(nèi)容

監(jiān)控系統(tǒng)改造過(guò)渡期方案如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)改造過(guò)渡期方案

根據(jù)改造過(guò)渡期的方案，本研究項(xiàng)目的主要內(nèi)容包括：

2.1 上位機(jī)與轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)控制器TN1/TN2接口分析

轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)控制器TN1/ TN2用作現(xiàn)地LCU與數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的接口控制器，其他LCU通過(guò)程序把數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)集方式傳送至TN1/TN2，TN1/TN2再通過(guò)VIP通信方式把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。通過(guò)分析該接口并掌握其數(shù)據(jù)格式，新上位機(jī)系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)處理服務(wù)器即可通過(guò)AC450控制器TN1/TN2實(shí)現(xiàn)對(duì)未改造LCU的歷史數(shù)據(jù)采集，通信接口為VIP協(xié)議。需分析老系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器程序，解析其現(xiàn)有數(shù)據(jù)格式；分析如何把原來(lái)由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器通過(guò)UDP方式發(fā)給調(diào)度通信網(wǎng)關(guān)機(jī)的模擬量信息以合適的方式發(fā)給新系統(tǒng)的調(diào)度通信服務(wù)器。

2.2 上位機(jī)與應(yīng)用程序控制器APPC1/APPC2的接口分析

應(yīng)用程序控制器APPC1/APPC2主要作為現(xiàn)地LCU和應(yīng)用程序工作站之間的通信接口，其他LCU通過(guò)程序把數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)集方式傳送至APPC1/APPC2，APPC1/APPC2再通過(guò)VIP通信方式把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用程序工作站，同時(shí)APPC1/APPC2還包含部分簡(jiǎn)單的AGC/AVC程序，如有功、無(wú)功設(shè)定值數(shù)據(jù)源選擇，調(diào)度曲線方式下有功總設(shè)定值的計(jì)算功能。新系統(tǒng)的應(yīng)用程序服務(wù)器須通過(guò)AC450控制器APPC1/APPC2實(shí)現(xiàn)與未改造機(jī)組LCU的數(shù)據(jù)交換，通信接口為VIP協(xié)議。通過(guò)分析該接口并掌握其數(shù)據(jù)格式及數(shù)據(jù)意義，新系統(tǒng)AGC/AVC程序應(yīng)能通過(guò)APPC控制器接收未改造機(jī)組的實(shí)時(shí)有功、無(wú)功、機(jī)組狀態(tài)等信息，并能把分配值、開(kāi)停機(jī)命令等信息通過(guò)APPC控制器轉(zhuǎn)發(fā)給機(jī)組LCU。

2.3 上位機(jī)與RCI和MIMIC控制器的接口分析

轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)控制器RCI和MIMIC作為現(xiàn)地LCU與調(diào)度通信服務(wù)器1/2之間的通信接口，使用IEC101協(xié)議與現(xiàn)地LCU的AC450控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。各現(xiàn)地LCU為從站，轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)控制器RCI和MIMIC既為主站也為從站。通過(guò)分析該接口并掌握其數(shù)據(jù)格式，新系統(tǒng)的調(diào)度通信服務(wù)器即可通過(guò)與AC450控制器RCI和MIMIC通信實(shí)現(xiàn)對(duì)未改造LCU的事件信息采集，并把調(diào)度調(diào)節(jié)和控制命令發(fā)送給相應(yīng)LCU控制器，通信接口為IEC101協(xié)議。

3 通信接口分析

3.1 VIP通信接口分析

VIP通信的TCP/IP接口模件為ABB的CI546模件，采用UDP通信協(xié)議。VIP通信接口參數(shù)通過(guò)VIP-NETW、VIP-NODE、VIP-LINK和VIP-CHAN 4個(gè)功能塊進(jìn)行配置，VIP-NETW用于配置和監(jiān)視VIP網(wǎng)絡(luò)，VIP-NODE將參與VIP通信的外部主機(jī)定義為一個(gè)VIP網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，VIP-LINK用于在CI546和NODE之間建立通信鏈接，VIP-CHAN在通信鏈接內(nèi)定義用于傳遞通信消息的多個(gè)通道。VIP-W通信模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。

VIP通 信 數(shù) 據(jù) 包 的 格 式 與TCP和UDP通信報(bào)文格式相似，數(shù)據(jù)包由header和data組成。header包含有兩部分，message length（消息長(zhǎng)度）和message id（消息號(hào)）組成。對(duì)于UDP協(xié)議，message length最大為9 500 bytes。對(duì)于TCP協(xié)議，message length最大為65 535 bytes。

圖2

1個(gè)data里，可以隨意包含多種數(shù)據(jù)，如整型、布爾型、實(shí)型和組數(shù)據(jù)，每種類型的數(shù)據(jù)格式如圖3。

圖3 數(shù)據(jù)格式

組數(shù)據(jù)是將同一類型數(shù)據(jù)組合的數(shù)據(jù)包，可以是16位整型、32位整型和實(shí)型數(shù)據(jù)。頭2個(gè)字節(jié)代表包大小，即組數(shù)據(jù)中包含數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，不能超過(guò)255。

圖4 組數(shù)據(jù)示例

3.2 IEC101通信接口分析

IEC101通信的串口接口模件為ABB的CI535模件，采用IEC870-5-101標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。通信主站需通過(guò)R-CONF功能塊配置通信接口參數(shù)， 并起到啟、停、監(jiān)視通信的作用；通信從站配置R-IND（從站上送單點(diǎn)和雙點(diǎn)信息）、R-AV（從站上送模擬量）、R-SETP（主站下發(fā)設(shè)定值）、R-GO（主站下發(fā)命令）等功能塊。

每個(gè)R-IND模塊最多可傳送16個(gè)帶品質(zhì)位的開(kāi)關(guān)量，當(dāng)開(kāi)關(guān)量發(fā)生變位時(shí)，模塊立即發(fā)送報(bào)文。各個(gè)報(bào)文包通過(guò)數(shù)據(jù)包ID（即BLOCK_N）進(jìn)行識(shí)別，每個(gè)開(kāi)關(guān)量通過(guò)所屬R-IND的BLOCK_N和在R-IND中的位置確定。

每個(gè)R-AV模塊可以傳送1個(gè)模擬量，模擬量的上下限必須與主站通信配置文件中的上下限相一致。各個(gè)報(bào)文包通過(guò)數(shù)據(jù)包ID（即BLOCK_N）進(jìn)行識(shí)別。

每個(gè)R-SETP用來(lái)接收主站下發(fā)的遙調(diào)命令，各個(gè)命令包通過(guò)對(duì)象ID （OBJECT_N）進(jìn)行識(shí)別，遙調(diào)命令的上下限必須與主站配置文件中的上下限相一致，且調(diào)度側(cè)下發(fā)的設(shè)定值也必須在此范圍之內(nèi)。

每個(gè)R-GO用來(lái)接收主站下發(fā)的遙控命令，各個(gè)命令包通過(guò)對(duì)象ID（OBJECT_N）進(jìn)行識(shí)別，每個(gè)遙控命令通過(guò)所屬R-GO的OBJECT _N和在R-GO中的位置確定。

主站通信點(diǎn)表中的測(cè)點(diǎn)均以IEC通道號(hào)標(biāo)注，與從站程序中的測(cè)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。IEC通道號(hào)計(jì)算公式如下：

開(kāi)關(guān)量IEC通道號(hào)＝R-IND的BLOCK_N×16＋（開(kāi)關(guān)量在R-IND 中的位置－1）

模擬量IEC通道號(hào)＝R-AV的BLOCK_N+16 384

R-SETP通道號(hào)＝R-SETP的OBJECT_N+450 56

R-GO通道號(hào)＝R-GO的OBJECT_N×15+49 392+R-GO中的位置

開(kāi)關(guān)量IEC通道號(hào)即為ASDU1中的信息體地址，模擬量IEC通道號(hào)即為ASDU9中的信息體地址，遙調(diào)命令I(lǐng)EC通道號(hào)即為ASDU48中的信息體地址，遙控命令I(lǐng)EC通道號(hào)即為ASDU51中的信息體地址。

從站有兩類數(shù)據(jù)上送，包括變化的開(kāi)關(guān)量是一類數(shù)據(jù)，變化的模擬量是二類數(shù)據(jù)。主站不停向從站發(fā)送詢問(wèn)報(bào)文，詢問(wèn)從站是否有變化信息發(fā)送。一類信息的傳送可以打斷二類信息的傳送。主站也定時(shí)向從站發(fā)送一次總召喚命令，從站立刻把系統(tǒng)內(nèi)包含的開(kāi)關(guān)量和模擬量信息全部發(fā)給主站。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本項(xiàng)研究，對(duì)本巨型電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)各子系統(tǒng)的主要通信接口有了清晰的認(rèn)識(shí)。通過(guò)分析各通信接口的硬件和軟件組成，形成的最終研究報(bào)告將可直接應(yīng)用于該電站監(jiān)控系統(tǒng)改造過(guò)程中，指導(dǎo)相關(guān)技術(shù)人員完成新上位機(jī)系統(tǒng)中與老系統(tǒng)連接的各通信接口軟件開(kāi)發(fā)和調(diào)試，對(duì)于電站監(jiān)控系統(tǒng)改造的成功實(shí)施將起到重要作用，特別是對(duì)新老上位機(jī)系統(tǒng)并存時(shí)期內(nèi)電站設(shè)備正常運(yùn)行和上位機(jī)各項(xiàng)功能正常運(yùn)行至關(guān)重要。

同時(shí)，參與本研究項(xiàng)目的相關(guān)人員對(duì)于對(duì)電站監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和接口形式有了更深入的了解，在后期監(jiān)控系統(tǒng)維護(hù)乃至改造過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。