潮州供水樞紐電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造設(shè)計

陳云昊

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510635)

1 工程概述

潮州供水樞紐位于韓江流域下游東、西河段內(nèi)，壩址距潮州市約3.8 km，壩址控制集水面積為29 084 km2，潮安站多年平均降雨量為1 610 mm，多年平均徑流量為251億m3。潮州供水樞紐分東溪電站和西溪電站，分別坐落于樞紐東溪右岸和西溪左岸，屬于低水頭徑流式電站。東溪電站和西溪電站共安裝有4臺燈泡貫流式機組，總裝機容量為46 MW，保證出力為9 710 kW，年利用小時數(shù)為4 449 h。其中，東溪電站裝機容量為2×9 MW，出線T接110 kV潮橋I線；西溪電站裝機容量為2×14 MW，出線T接110 kV潮官線。東溪電站和西溪電站投運至今，累計發(fā)電約11.5億kWh。

潮州供水樞紐工程的建設(shè)結(jié)合了水資源綜合調(diào)度和優(yōu)化，最大限度提升樞紐的綜合效益。該工程建立了自動化系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)機電設(shè)備、水資源及水工建筑物的自動化控制、預測運行調(diào)度和監(jiān)視管理，有效提高了樞紐運行管理水平，達到最佳經(jīng)濟效益。

2 現(xiàn)狀及存在問題

1.1 工程計算機監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

潮州供水樞紐于2005年建成并投運。該工程建立了水情測報系統(tǒng)、電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、攔河閘監(jiān)控系統(tǒng)、船閘監(jiān)控系統(tǒng)、收費調(diào)度系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、樞紐消防預警系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)等11個子系統(tǒng)。全系統(tǒng)通過計算機網(wǎng)絡(luò)連接，所有信息數(shù)據(jù)匯入位于運行管理大樓計算機中心的中心服務器，系統(tǒng)共分為3層，分別為：潮州供水樞紐管理中心計算機系統(tǒng)(管理層)，位于運行管理大樓；樞紐調(diào)度中心計算機系統(tǒng)(調(diào)度層)，位于運行管理大樓，包括多個應用子系統(tǒng)；現(xiàn)地層，電站監(jiān)控現(xiàn)地單元。實現(xiàn)調(diào)度層、監(jiān)控層和現(xiàn)地層3種控制方式。原樞紐計算機監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

潮州供水樞紐計算機監(jiān)控系統(tǒng)已運行10多年，滿足了潮州供水樞紐的日常生產(chǎn)需要，極大地提高了生產(chǎn)效率和自動化水平。隨著運行年限增加，出現(xiàn)了設(shè)備陳舊老化，部分設(shè)備產(chǎn)品已淘汰，備品備件采購困難等問題，系統(tǒng)的可利用資源明顯降低，響應慢，通訊故障、死機現(xiàn)象增多；系統(tǒng)軟件受硬件配置限制無法升級，不能很好滿足調(diào)度運行要求。

1.2 存在的問題

1) 硬件設(shè)備存在的問題

原計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機已投運超過10 a，隨著運行年限的增加，上位機設(shè)備出現(xiàn)陳舊老化、響應緩慢、頻繁死機等現(xiàn)象。因上位機設(shè)備產(chǎn)品已停產(chǎn)，維修備件采購困難，對樞紐運行維護造成不利影響。

樞紐東、西溪電站輔機及公用系統(tǒng)控制柜觸摸屏已停產(chǎn)，維修更換困難。原樞紐輔機及公用系統(tǒng)設(shè)備通過磁力啟動器進行設(shè)備開機，經(jīng)過多年的運行，磁力啟動器故障率逐漸增加，常發(fā)生因發(fā)熱而造成控制柜燒毀的現(xiàn)象，存在較大的安全隱患。

圖1 改造前潮州供水樞紐電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2) 軟件存在的問題

潮州供水樞紐計算機監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控軟件EC2000運行時間長久，樞紐上位機出現(xiàn)中病毒、死機、運行緩慢、通信中斷等現(xiàn)象。因監(jiān)控軟件EC2000已停產(chǎn)多年，熟悉該軟件系統(tǒng)維護的技術(shù)人員也在逐年減少，樞紐計算機系統(tǒng)的運行管理面臨著極大的安全風險。

EC2000監(jiān)控軟件需安裝在WINDOS NT架構(gòu)下，目前該架構(gòu)已停產(chǎn)多年，市面上主流的計算機大多已不支持WINDOWS NT架構(gòu)。此現(xiàn)象導致了樞紐計算機監(jiān)控系統(tǒng)主機工作站無法進行更換，一旦發(fā)生工作站系統(tǒng)崩潰，樞紐的運行安全將受到嚴重影響。

3 改造目標及原則

3.1 改造目標

1) 改造后的樞紐電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用技術(shù)成熟且性能可靠的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)，軟硬件配置充分利用信息科技領(lǐng)域的先進技術(shù)，消除原系統(tǒng)故障缺陷，使新系統(tǒng)能適應信息技術(shù)快速發(fā)展的需要[1]。

2) 應用互聯(lián)網(wǎng)+和大數(shù)據(jù)技術(shù)，以信息數(shù)字化、通信網(wǎng)絡(luò)化、運行最優(yōu)化、決策智能化為特征，自動完成采集、測量、控制、保護等功能，具備經(jīng)濟運行、在線分析評估決策支持、安全防護多系統(tǒng)聯(lián)動功能，實現(xiàn)生產(chǎn)運行安全可靠、經(jīng)濟高效[2]。

3.2 改造原則

1) 潮州供水樞紐計算機監(jiān)控系統(tǒng)對樞紐東溪水電站和西溪水電站實行集控中心集中控制，電站按“無人值班”(少人值守)的原則進行總體設(shè)計及系統(tǒng)配置[3]。

2) 潮州供水樞紐計算機監(jiān)控系統(tǒng)實時、準確、可靠并有效地完成對各電站所有被控對象的安全監(jiān)視和控制。

3) 計算機監(jiān)控系統(tǒng)為容錯設(shè)計，設(shè)計高度可靠、冗余，系統(tǒng)本身的局部故障不影響現(xiàn)場設(shè)備的正常運行，不因其中1臺機器設(shè)備發(fā)生故障而引起數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)耐跋到y(tǒng)的誤判斷。各現(xiàn)地控制單元在脫離主控級設(shè)備監(jiān)控下，仍具備獨立正常運行的能力。

4 計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造設(shè)計

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

改造后的潮州供水樞紐計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用雙機雙網(wǎng)熱備冗余的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)為雙環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)，現(xiàn)地控制單元主控模件采用雙CPU熱備冗余結(jié)構(gòu)，充分保證了計算機監(jiān)控系統(tǒng)的高可靠性和高可利用率[4]。改造后的樞紐計算機監(jiān)控系統(tǒng)將集控中心、東溪電站和西溪電站三處上位機系統(tǒng)進行整合，在集控中心配置統(tǒng)一的計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機設(shè)備實現(xiàn)對東溪電站和西溪電站各機組的監(jiān)視控制[5]。東溪電站和西溪電站廠房中控室不再設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)上位機設(shè)備，各電站只保留兩套操作員工作站并配置兩套網(wǎng)絡(luò)交換機。東溪電站、西溪電站和集控中心交換機通過光纜連接，形成雙環(huán)網(wǎng)。改造后的潮州供水樞紐計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改造后潮州供水樞紐電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

4.2 系統(tǒng)功能

改造后的潮州供水樞紐計算機監(jiān)控系統(tǒng)在樞紐集控中心設(shè)置集控計算機監(jiān)控系統(tǒng)，接受電網(wǎng)負荷設(shè)定，與水調(diào)自動化系統(tǒng)配合，根據(jù)流域水情、雨量報告、東、西溪電站水文動能及電站設(shè)備運行情況等相關(guān)參數(shù)，在滿足電網(wǎng)正常調(diào)度的前提下，對各電站參與調(diào)度控制的機組制定運行計劃，做到經(jīng)濟調(diào)度，確保各電站發(fā)電出力，自動分配有功和無功負荷到各電站[6]。樞紐電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)與電網(wǎng)調(diào)度信息管理系統(tǒng)相連，向其提供電站的生產(chǎn)運行信息，并接受調(diào)度給定的電站總負荷、下達的日負荷曲線、電壓曲線及AGV、AVC命令，實現(xiàn)對電站的自動控制。

4.3 硬件更新

改造后的潮州供水樞紐計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機采用開放式分層分布結(jié)構(gòu)，全分布數(shù)據(jù)庫。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用冗余快速交換式雙環(huán)網(wǎng)工業(yè)以太局域網(wǎng)絡(luò)，遵循IEEE802.3u標準、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議[7]。數(shù)據(jù)傳輸速率可達1 000/100 Mbps。系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)鏈路斷線時，具備鏈路備份并進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸恢復的功能。

1) 網(wǎng)絡(luò)交換機：網(wǎng)絡(luò)交換機采用千兆工業(yè)級以太網(wǎng)交換機，冗余配置。集控中心、西溪電站及東溪電站三點間重新鋪設(shè)光纖搭建雙環(huán)網(wǎng)，重新搭建后的系統(tǒng)能有效避免網(wǎng)絡(luò)瓶頸，防止全網(wǎng)癱瘓。

2) 計算機：主控級計算機按功能分布設(shè)置，包括操作員工作站、通信工作站、實時數(shù)據(jù)服務器、歷史數(shù)據(jù)服務器、工程師工作站、語音報警工作站及ON-CALL工作站等。各計算機通過RJ45電口與網(wǎng)絡(luò)交換機相連，傳輸介質(zhì)采用雙絞網(wǎng)線。

3) GPS時鐘對時系統(tǒng)：為保證時間的統(tǒng)一，本項目在集控中心安裝一套GPS系統(tǒng)，通過光纖及GPS拓展板完成西溪電站和東溪電站的對時系統(tǒng)功能。

4) 現(xiàn)地控制單元LCU：改造后的現(xiàn)地控制單元LCU具備較強的獨立運行能力，在脫離集控中心上位機的狀態(tài)下能夠完成對其監(jiān)控范圍內(nèi)設(shè)備的實時數(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，并帶有其監(jiān)控范圍內(nèi)設(shè)備的完整數(shù)據(jù)庫[8]。

改造后的現(xiàn)地控制單元LCU采用雙CPU、雙網(wǎng)、雙總線結(jié)構(gòu)。兩個CPU模塊分別為主機運行和從機運行，通過高速內(nèi)部總線進行實時數(shù)據(jù)備份。當主CPU出現(xiàn)故障時，從CPU能夠自動升為主機運行，保證系統(tǒng)運行不受影響[9]。

4.4 軟件功能完善

新監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺實現(xiàn)了一體化的數(shù)據(jù)存儲和完備的統(tǒng)計分析功能，可實現(xiàn)自動化部署和集中管理，支持IEC61850標準接入，具備安全可靠、集成標準、決策智能等特點，滿足潮州供水樞紐東、西溪電站生產(chǎn)過程控制智能化、運行調(diào)度決策智能化及數(shù)據(jù)信息一體化的要求[10]。改造后的監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要包括以下特點。

1) 統(tǒng)一標準的數(shù)據(jù)存儲：改造后的監(jiān)控系統(tǒng)作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)信息平臺，具備對各自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進行整理組合的能力，通過標準數(shù)據(jù)接口和通用數(shù)據(jù)協(xié)議，對各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行提取、傳送、處理、存儲，有效提升生產(chǎn)運行和管理維護的效率[1]。

2) 數(shù)據(jù)交換支持功能：改造后的監(jiān)控系統(tǒng)可通過標準的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)信息傳輸，如遠動通信規(guī)約IEC60870-5系列、變電站數(shù)據(jù)通信協(xié)議IEC61850-7系列。

3) 數(shù)據(jù)存儲功能支持：改造后的監(jiān)控系統(tǒng)具備合理的數(shù)據(jù)模型，采用數(shù)據(jù)壓縮、特征值存儲等方式，解決電力系統(tǒng)海量且多類型(開關(guān)量、模擬量、電度量、曲線等)的數(shù)據(jù)存儲問題。

4) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析：改造后的監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺豐富了生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計的功能，新增的數(shù)據(jù)信息記錄分析功能包括模擬量越復限時間點查詢、開關(guān)量與模擬量在曲線圖中的對比查詢、開關(guān)量動作時間、開關(guān)量持續(xù)時間等。新系統(tǒng)同時改善了人機接口環(huán)境和操作界面，有效減少運行人員對新系統(tǒng)的適應時間[12]。

5) 用戶權(quán)限分類：對比原監(jiān)控系統(tǒng)軟件，新監(jiān)控系統(tǒng)軟件具備更細致的用戶管理功能，可根據(jù)對象、節(jié)點、功能進行控制對象的制定。新系統(tǒng)同時支持組群管理功能，可對組群內(nèi)用戶的管理權(quán)限進行統(tǒng)一定義[12]。

5 結(jié)語

潮州供水樞紐電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造針對原系統(tǒng)現(xiàn)狀和問題，以雙機雙網(wǎng)熱備冗余結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對硬件設(shè)備和軟件功能進行更新和完善，使改造后的計算機監(jiān)控系統(tǒng)保證了高可靠性和高利用率，充分滿足潮州供水樞紐電站運行管理的需求，供其他同類型工程借鑒。