水電站通信運行狀況及特性分析研究

張 毅，李建輝，姚維達，劉曉波，段振國，袁 宏

（中國水利水電科學研究院，北京 100038）

水電站通信運行狀況及特性分析研究

張 毅，李建輝，姚維達，劉曉波，段振國，袁 宏

（中國水利水電科學研究院，北京 100038）

結合承擔的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)工程，對當前水電站數(shù)字化設備的通信運行狀況及特性進行了分析研究和總結，分別分析介紹了當前監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地層設備互聯(lián)通信情況，監(jiān)控系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的互聯(lián)通信狀況，以及上級自動化系統(tǒng)的通信互聯(lián)情況。在此基礎上，對今后水電站數(shù)字化設備互聯(lián)通信的發(fā)展趨勢提出了看法和認識。

水電站；計算機監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)字化設備；通信

0 前言

目前水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本上以面向網(wǎng)絡的分層分布式系統(tǒng)為基礎，廠站級設備大多采用高速以太網(wǎng)或光纖環(huán)網(wǎng)等通用網(wǎng)絡設備連接高性能的計算機工作站、服務器；在現(xiàn)地層和被控設備現(xiàn)場則較多地采用PLC等智能現(xiàn)地控制單元，再通過現(xiàn)場總線與基礎層的智能I/O設備、智能儀表、遠程I/O單元等相連接構成現(xiàn)地控制子系統(tǒng)，與廠站級系統(tǒng)結合形成整個控制系統(tǒng)。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從簡單到復雜、從集中式控制向分布式發(fā)展、從單層網(wǎng)絡向多層網(wǎng)絡發(fā)展的過程。計算機監(jiān)控系統(tǒng)向分布式、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展過程表明，任何一種技術有了新的突破，都必然帶來監(jiān)控系統(tǒng)技術的進步與革新。

隨著計算機通信技術的發(fā)展，水電廠各種儀表、設備和輔機系統(tǒng)的數(shù)字化和智能化日趨完善，促進了水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術的不斷發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)的采集控制范圍不斷擴大，現(xiàn)地層設備的互聯(lián)方式也從以往的I/O通道發(fā)展到現(xiàn)在更多地采用通信方式互聯(lián)。近期，結合承擔的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)工程，我們對當前水電站數(shù)字化設備的通信運行狀況及特性進行了分析研究和總結。

1 監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地層設備的互聯(lián)

1.1 現(xiàn)地層設備互聯(lián)通信方式

現(xiàn)地層設備的互聯(lián)通信可以增加數(shù)據(jù)采集的靈活性和數(shù)量、節(jié)省大量電纜、減少施工時間，目前常用的通信互聯(lián)方式包括串行通信、現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)通信方式。

（1）串行通信接口（RS232/485/422）

串行通信接口RS232/485/422是目前監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元與外圍系統(tǒng)和設備連接的主要通信接口方式。由于現(xiàn)地需要通信互聯(lián)的設備較多，且各設備通信接口和規(guī)約標準不一，串行通信接口和編程比較簡單且形式多樣，能比較好地適應當前各現(xiàn)地裝置、智能設備、儀表通信接入的實際情況。通常RS-232C串口為一對一通信模式，適用于柜內(nèi)設備通信，距離不超過15米；而RS-485/422主從模式可實現(xiàn)一個主站對多個子站進行通信，通信最遠距離可達到1200m。為通信的可靠和提高抗干擾性能，通信距離較遠時，宜采用光纖通信介質(zhì)或加中繼驅(qū)動裝置，串行通信接口的通信速率建議不高于9600bps。

除參與控制的設備需直接接入主PLC控制器外，監(jiān)控系統(tǒng)一般均通過配置通信工作站、嵌入式智能通信裝置、串口轉(zhuǎn)現(xiàn)場總線設備等，提供8～16個串行口接入現(xiàn)場串行通信設備，并通過網(wǎng)絡接口連接監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡。

目前，水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場設備通信時沒有統(tǒng)一的通信規(guī)約，由于各生產(chǎn)廠家的規(guī)約不同，在實際通信中很難做到標準化，工作量較大。

（2）現(xiàn)場總線網(wǎng)

根據(jù)國際電工委員會(IEC)的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡，它的關鍵標志是能支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數(shù)字通信。

現(xiàn)場總線將監(jiān)控系統(tǒng)的控制功能分散到更底層的現(xiàn)場設備，系統(tǒng)的數(shù)字通信總線從控制室延伸到現(xiàn)場測量儀表、變送器和執(zhí)行機構，實現(xiàn)了與現(xiàn)場設備之間的雙向、多信息交換。現(xiàn)場總線也使得監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元成為了分布式結構的控制子系統(tǒng)。

目前世界上存在著大約40余種現(xiàn)場總線，每種總線大都有其應用的領域，且其應用領域存在彼此滲透。在水電行業(yè)，現(xiàn)場總線的應用主要包括Modbus Plus、Profibus-DP、CAN、DeviceNet、ControlNet等。現(xiàn)場總線的應用主要根據(jù)所采用的控制系統(tǒng)設備來確定總線的類型。

（3）工業(yè)以太網(wǎng)

近年來，工業(yè)以太網(wǎng)技術發(fā)展迅速，新一代的工業(yè)自動化網(wǎng)絡幾乎都是建立在以太網(wǎng)基礎之上，使工業(yè)以太網(wǎng)成為當前的技術熱點和工業(yè)控制系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。

目前工業(yè)以太網(wǎng)還主要應用在監(jiān)控廠站層與現(xiàn)地層的互聯(lián)，而在現(xiàn)場設備互聯(lián)仍主要采用現(xiàn)場總線技術。隨著技術的發(fā)展，以太網(wǎng)技術正以其開放性以及性能和成本優(yōu)勢迅速地進入工業(yè)控制系統(tǒng)的各級網(wǎng)絡。

基于以太網(wǎng)的工業(yè)以太網(wǎng)總線目前已有ProfiNet、ModbusTCP、EthernetIP三種形式。

1.2 運行情況分析

（1）監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)的接口和通訊

監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)速器及勵磁系統(tǒng)的接口方式有兩種：常規(guī)接口方式和通訊接口方式。

常規(guī)接口方式，即通過I/O與現(xiàn)地控制單元LCU連接，通過開關量接點和模擬量（4～20mA）信號監(jiān)視裝置的運行狀態(tài)，同時也通過開關量接點或模出（4～20mA）信號對裝置進行操作和調(diào)節(jié)控制。通訊接口方式，由LCU通過串口通訊接口（RS-232C/485/422）或現(xiàn)場總線（如 MB+、Profibus-DP等）與微機調(diào)速器、勵磁裝置通訊接口連接，監(jiān)視裝置的運行狀態(tài)，對裝置實施控制和完成有功（無功）功率調(diào)節(jié)。

從目前已運行的水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的情況統(tǒng)計顯示，常規(guī)接口方式占主導地位，采用通訊接口時，一般也是常規(guī)接口和數(shù)字通訊接口并存，主要的設備狀態(tài)量和控制信號由常規(guī)接口實現(xiàn)，設備參數(shù)和故障信號由通信取得，調(diào)速器或勵磁裝置通訊接口表現(xiàn)為各家的規(guī)約不統(tǒng)一，協(xié)調(diào)比較困難。

監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)速器及勵磁裝置的接口通訊規(guī)約絕大部分是采用Modbus規(guī)約（RTU方式、裝置側(cè)為從站、監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)為主站）。也有部分電站通過現(xiàn)場總線Profibus-DP、MB+等與調(diào)速器和勵磁裝置通信。由于Modbus的開放性和成熟性，開發(fā)和使用成本低，盡管其通訊效率較低，但仍然被調(diào)速器及勵磁系統(tǒng)制造廠廣泛采用。但為提高互聯(lián)的性能和便于維護應逐步向現(xiàn)場總線的方式過渡。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)與交流采樣和電能量采集裝置的接口和通訊

計算機監(jiān)控系統(tǒng)與電能量采集裝置的接口目前也有兩種方式，一種是接點脈沖方式將電量信息接入現(xiàn)地控制單元，由監(jiān)控系統(tǒng)進行脈沖的累加統(tǒng)計；另一種是通過通訊的方式上傳電量數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息等給監(jiān)控系統(tǒng)。而與交流采樣裝置的接口一般都是通信的方式。目前，已經(jīng)實施的水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，交流采樣和電能量采集裝置與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊接口最多的是RS-422/485接口。交流采樣一般都是與現(xiàn)地控制單元連接，而電能量采集裝置部分與現(xiàn)地控制單元連接，也有部分是與廠站級的通訊工作站連接，還有的電站其電能量采集裝置單獨組成一個獨立系統(tǒng)，組成了電能量計費系統(tǒng)，通過計費系統(tǒng)管理機與監(jiān)控系統(tǒng)進行接口通訊。

交流采樣和電能量采集裝置與監(jiān)控系統(tǒng)的接口通訊規(guī)約一般都支持Modbus規(guī)約，電能量采集裝置支持DL/T719-2000電力系統(tǒng)電能累計量傳輸配套標準和DL/T645-1997多功能電表通訊規(guī)約。交流采樣裝置支持現(xiàn)場總線通信（如：Modbus Plus，Profibus-DP，Ethernet等），由于現(xiàn)場總線通信速率較快，可完全滿足水電廠機組實時控制的要求。

（3）監(jiān)控系統(tǒng)與微機保護、故障錄波裝置的接口和通訊

監(jiān)控系統(tǒng)與微機保護、故障錄波裝置的接口目前也有兩種方式，一種是I/O開關接點方式將重要的信息接入監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元，另一種是通過通訊的方式上送更多的信息給監(jiān)控系統(tǒng)，例如裝置的內(nèi)部故障信息、運行狀態(tài)、詳細的保護動作信息等。目前，已經(jīng)實施的水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，微機保護、故障錄波裝置與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊有部分是與現(xiàn)地控制單元連接，有部分是與監(jiān)控系統(tǒng)廠站級的通訊工作站連接的。微機保護、故障錄波裝置的通訊主要是上行信息，而不采取對裝置進行保護定值、參數(shù)等進行修改，以保證系統(tǒng)的運行安全。

一般與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊接口是串行端口的，其規(guī)約是IEC60870-5-103，如果是網(wǎng)絡接口的，則國內(nèi)的保護廠家在IEC60870-5-103標準規(guī)約的基礎上進行了網(wǎng)絡拓展應用，或稱為IEC60870-5-103TCP，在標準規(guī)約的通用報文格式進行了用戶定義，使103規(guī)約適用網(wǎng)絡傳輸。

微機保護、故障錄波裝置的通訊接口，從目前已運行的水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的情況統(tǒng)計顯示，一般采用RS-232C或RS-485連接居多。如果微機保護、故障錄波裝置與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊是通過廠站級的通訊工作站連接的，則通過以太網(wǎng)絡接口通信。對于計算機監(jiān)控系統(tǒng)和電站的正常運行，除必要的事故和故障信號外，大量的裝置內(nèi)部信息對于電站的運行值班人員來說是不必要的，主要是電站保護專責及事故分析時使用，如果這些信號全部進入監(jiān)控系統(tǒng)，就會導致監(jiān)控系統(tǒng)的負載率高、響應延遲。目前的發(fā)展趨勢，監(jiān)控系統(tǒng)與微機保護、故障錄波裝置等單獨組網(wǎng)，設置電站保護專責終端或保護管理機，通過數(shù)據(jù)交換服務器實現(xiàn)電站內(nèi)的信息共享。

1.3 發(fā)展趨勢

計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結構，而現(xiàn)場總線主要是作為水電廠底層設備之間的通信網(wǎng)絡。由于行業(yè)應用的特點和歷史原因，在工業(yè)控制領域形成了多種現(xiàn)場總線共存的現(xiàn)實，由于現(xiàn)場總線目前種類繁多，標準不一，使其應用和推廣受到了影響。從現(xiàn)場總線技術本身來分析，它有兩個明顯的發(fā)展趨勢：

a）尋求統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標準

b）工業(yè)以太網(wǎng)走向工業(yè)控制網(wǎng)絡

將來發(fā)展趨勢是，各種自動化元器件、各種執(zhí)行機構通過現(xiàn)場總線（包括工業(yè)以太網(wǎng)總線）接入到控制系統(tǒng)中。在水電廠房的走線槽上只有少量的現(xiàn)場總線電纜、光纜。因為自動化元器件、執(zhí)行機構、控制箱、接線盒就近布置在現(xiàn)場，中間通過現(xiàn)場總線連接，所需要電纜將會越來越少。現(xiàn)場總線技術在水電站監(jiān)控領域的廣泛應用體現(xiàn)了當前水電站數(shù)字化和智能化的發(fā)展方向。

近年來，工業(yè)以太網(wǎng)技術發(fā)展迅速，性能不斷提高、成本迅速降低，以太網(wǎng)技術有望介入設備低層，廣泛取代現(xiàn)有現(xiàn)場總線技術，可是就目前而言，多種工業(yè)總線技術并存的現(xiàn)狀還會維持一段時間。大部分現(xiàn)場層設備互聯(lián)仍然會首選現(xiàn)場總線技術。

監(jiān)控系統(tǒng)的主輔一體化將是今后的發(fā)展趨勢，采用一體化設計，在產(chǎn)品性能、參數(shù)、布置、接線、控制策略上彼此銜接，主輔機控制系統(tǒng)選用同一現(xiàn)場總線，形成一個整體。輔機與主機監(jiān)控可以通過現(xiàn)場總線進行數(shù)據(jù)交換，可以有效避免數(shù)據(jù)通信障礙，實現(xiàn)無縫的連接。輔機的信號就不必要通過電纜到主機監(jiān)控的LCU盤柜中，可以節(jié)省大量電纜費用及施工的費用，LCU盤柜的電纜數(shù)量也相應減少很多，維護量也減少很多。

總的來說，彼此數(shù)據(jù)相關性強、同步性、實時性要求高的應用情況宜用遠程IO方式較好。比如機組輔機，采用遠程IO較好。對于公用輔機，采用分布式IO較好，因為公用輔機彼此相關性很弱，而且要求彼此不相互影響為好。采用分布式IO既能滿足各自獨立，又具備數(shù)據(jù)交換性好的特點，是一種比較好的方式。對于一個實際水電廠，具體是采用LCU的遠程IO還是分布IO方式，選擇是相對的，需要根據(jù)實際情況做出決定。

2 監(jiān)控系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的互聯(lián)通訊

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)與MIS系統(tǒng)的接口和通訊

將關鍵的實時數(shù)據(jù)集成到MIS系統(tǒng)中并進行合理的應用，可以滿足有關領導和部門對企業(yè)進行動態(tài)管理、動態(tài)決策等的需要，同時對運行維護管理水平的提高也具有重要意義。根據(jù)《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》，在生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)之間必須設置經(jīng)國家指定部門檢測認證的電力專用單向物理隔離裝置。

通過正向安全隔離裝置，此時監(jiān)控系統(tǒng)有兩種方式與MIS進行數(shù)據(jù)通訊：（1）將監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)利用UDP方式同步廣播到外部網(wǎng)絡的MIS系統(tǒng)，MIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收程序收到數(shù)據(jù)后寫數(shù)據(jù)庫；（2）基于數(shù)據(jù)庫整表同步技術，將數(shù)據(jù)表完整地同步到外網(wǎng)。

在早期的監(jiān)控系統(tǒng)與MIS系統(tǒng)的連接中，一般通過串行通信接口的方式，通信規(guī)約也沒有一個固定的標準，但由于串口速度的限制，此方法只適用于數(shù)據(jù)量較小的電站，優(yōu)點是費用低。

目前WEB發(fā)布方式獲得較多應用，監(jiān)控系統(tǒng)通過配置獨立的信息發(fā)布網(wǎng)絡交換機和服務器實現(xiàn)WEB發(fā)布功能，并通過網(wǎng)絡物理隔離裝置實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)至信息發(fā)布網(wǎng)絡的單向數(shù)據(jù)傳輸。采用WEB發(fā)布方式，監(jiān)控系統(tǒng)的畫面可直接在WEB站點上展示，公司生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)可不進行任何程序開發(fā)和修改。客戶端采用IE瀏覽器，訪問監(jiān)控系統(tǒng)的WEB發(fā)布服務器即可查詢到與監(jiān)控系統(tǒng)一致的所有實時畫面，為系統(tǒng)的維護與管理帶來了便利。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)與水調(diào)、水情測報系統(tǒng)的接口和通訊

根據(jù)《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》，生產(chǎn)控制大區(qū)內(nèi)部的安全區(qū)之間應當采用具有訪問控制功能的設備、防火墻或者相當功能的設施，實現(xiàn)邏輯隔離。

由于監(jiān)控與水調(diào)、水情測報、大壩監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換一般采用防火墻進行隔離，由于水調(diào)、水情測報、大壩監(jiān)測系統(tǒng)一般都配有商業(yè)數(shù)據(jù)庫，可在商業(yè)數(shù)據(jù)庫中設計中間數(shù)據(jù)庫表，實現(xiàn)各個子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的共享和交換。另外，幾個子系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)量不大，且水情、大壩系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化速度不快，水情對監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時更新需求也不高，所以數(shù)據(jù)傳輸采用網(wǎng)絡或串口的規(guī)約均可。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)與全廠狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的接口和通訊

水電機組狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)需要在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)包括：1）水機部分：機組振動和擺度、壓力脈動、效率、空蝕、泥沙磨損；2）電氣部分：發(fā)電機氣隙、發(fā)電機、變壓器、GIS局部放電等、磁場強度；3）輔設部分：變壓器、GIS油氣、開關分段特性與行程特性等。以上這些數(shù)據(jù)監(jiān)控不采集，由狀態(tài)檢修系統(tǒng)采集后送監(jiān)控系統(tǒng)。此外，監(jiān)控采集的溫度、液位、出力、電流、電壓等模擬量以及開關動作、泵組和風機啟停等狀態(tài)量，需由監(jiān)控送狀態(tài)檢修。

全廠狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)一般位于管理信息大區(qū)（安全Ⅲ區(qū)），兩個系統(tǒng)間數(shù)據(jù)雙向交換需通過電力專用正反向物理隔離裝置，隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，遠程診斷已成為可能，面向全廠、建立遠程的狀態(tài)監(jiān)測與診斷數(shù)據(jù)庫平臺，狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)可以和監(jiān)控系統(tǒng)位于安全Ⅲ區(qū)的WEB數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

2.4 計算機監(jiān)控系統(tǒng)與閘門監(jiān)控系統(tǒng)的接口和通訊

計算機監(jiān)控系統(tǒng)與閘門監(jiān)控系統(tǒng)的接口，目前有幾種方式：一種是閘門監(jiān)控單元作為監(jiān)控系統(tǒng)的一個現(xiàn)地控制單元接入監(jiān)控系統(tǒng)，直接采集閘門的設備狀態(tài)和運行參數(shù)信息，監(jiān)視閘門的運行狀態(tài)，并對其進行控制；另一種是閘門監(jiān)控單元單獨組成一個子系統(tǒng)，然后通過通訊的方式與監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊，將閘門系統(tǒng)的設備狀態(tài)和運行參數(shù)等信息上送給監(jiān)控系統(tǒng)。目前，已經(jīng)實施的水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，閘門監(jiān)控系統(tǒng)與計算機監(jiān)控系統(tǒng)的通訊接口有：RS-422/485串行接口、現(xiàn)場總線接口和以太網(wǎng)接口等。

如果水電廠需要監(jiān)視和控制的閘門較多，則各閘門控制單元組成一個完整的控制系統(tǒng)，并具有上位機監(jiān)視控制、人機界面操作單元和網(wǎng)絡系統(tǒng)，此時閘門控制系統(tǒng)一般通過網(wǎng)絡的方式與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊工作站（或服務器）進行通信和數(shù)據(jù)交換，監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)視閘門的運行狀況和實時參數(shù)，中控值班人員可直接對閘門進行控制，但操作需得到水工閘門值班人員的認可。

監(jiān)控系統(tǒng)與閘門系統(tǒng)的通信規(guī)約目前還沒有形成一個定式，如果通信接口采用串口或以太網(wǎng)接口方式，則通信規(guī)約通常由主、輔控制系統(tǒng)雙方廠家自行約定；如果采用現(xiàn)場總線方式，則采用標準的現(xiàn)場總線規(guī)約，如MB＋、Profibus-DP等。

2.5 監(jiān)控系統(tǒng)與大屏、模擬返回屏的接口和通訊

一般水電廠均配置大屏幕顯示墻或模擬返回屏，監(jiān)控系統(tǒng)與模擬返回屏的接口方式有2種，一是串口通訊，監(jiān)控將模擬返回屏中所需要的模擬量和開關量送到模擬返回屏的控制裝置，由模擬返回屏的控制裝置驅(qū)動模擬返回屏中的表計和狀態(tài)指示燈的顯示，目前大部分的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)與返回屏通信接口均采用此種方式。另一是監(jiān)控通過開出繼電器和模出直接驅(qū)動模擬返回屏中的儀表，即監(jiān)控系統(tǒng)另外配置一套模擬屏驅(qū)動現(xiàn)地控制單元，由它直接驅(qū)動模擬屏的相關表計和指示燈，目前三峽左岸、右岸電站的模擬返回屏就是采用這種驅(qū)動方式。

監(jiān)控系統(tǒng)與大屏的互聯(lián)有2種方式，一是采用RGB分屏器，這樣，大屏顯示的內(nèi)容與終端上的一致。二是采用網(wǎng)絡模式，大屏的處理器與監(jiān)控網(wǎng)絡相連，通過控制軟件，將網(wǎng)絡中任何一臺設備的人機界面顯示到大屏上，大屏相當于網(wǎng)絡中主機的一個顯示器，顯示更靈活方便。

2.6 監(jiān)控系統(tǒng)與工業(yè)電視的接口和通訊

工業(yè)電視在水電廠一般單獨成為一套系統(tǒng)，與工業(yè)電視系統(tǒng)通信主要是為了實現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動。監(jiān)控系統(tǒng)將報警信號分類通過RS232串口通信傳送給工業(yè)電視系統(tǒng)，工業(yè)電視系統(tǒng)根據(jù)接收到報警信號，將相應的攝像頭轉(zhuǎn)向故障點，并自動顯示故障畫面。

2.7 監(jiān)控系統(tǒng)的時鐘同步系統(tǒng)

對于水電廠自動化系統(tǒng)，系統(tǒng)時鐘的同步非常重要，目前的發(fā)展趨勢是時鐘同步裝置已成為一個子系統(tǒng)，同時肩負著水電廠所有自動化系統(tǒng)和設備的對時，如計算機監(jiān)控系統(tǒng)、保護系統(tǒng)、調(diào)速勵磁系統(tǒng)、輔助設備控制系統(tǒng)、直流控制系統(tǒng)、機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、微機五防系統(tǒng)等。時鐘同步系統(tǒng)的結構由單一的衛(wèi)星時鐘同步裝置發(fā)展到雙主機時鐘加分布到各設備單元的二級時鐘同步系統(tǒng)。

監(jiān)控系統(tǒng)與衛(wèi)星時鐘通信推薦采用標準的NTP網(wǎng)絡對時協(xié)議，以提高對時精度，通過衛(wèi)星時鐘上的NTP網(wǎng)絡對時接口，與監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡交換機連接，為監(jiān)控系統(tǒng)各服務器、工作站及LCU控制器CPU提供時鐘源。

對于有毫秒級時鐘精度要求的SOE模塊，應采用GPS時鐘提供的IRIG編碼脈沖、DCF77編碼脈沖或秒鐘脈沖對時信號直接對時。

目前網(wǎng)絡對時出現(xiàn)向時鐘同步精度更高的IEEE1588標準的PTP（Precision Time Protocol）精確網(wǎng)絡對時協(xié)議發(fā)展，以保證自動化信息系統(tǒng)對時鐘同步越來越高的精度要求。

3 廠站自動化系統(tǒng)與上級自動化系統(tǒng)的通訊互聯(lián)

廠站自動化系統(tǒng)主要指水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)，上級自動化系統(tǒng)分別為梯級集控中心自動化系統(tǒng)和上級電力調(diào)度中心自動化系統(tǒng)，上級電力調(diào)度中心包括我國五級電網(wǎng)調(diào)度機構。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)與集控中心系統(tǒng)的接口和通信

流域梯級集控中心是流域水電公司為實現(xiàn)流域梯級水電資源的優(yōu)化控制管理，提高流域水電公司管理水平，滿足電力市場化進程和競價上網(wǎng)的需要而組建的，實現(xiàn)梯級電站的遠方集中監(jiān)控和優(yōu)化運行管理已成為發(fā)展趨勢和方向。

在集控中心實現(xiàn)流域各梯級電站集中控制與管理，電站現(xiàn)地無人值班，意味著必須實時監(jiān)控電站運行的所有重要信息，數(shù)據(jù)量非常龐大，可靠性、實時性和安全性的要求也很高，因此應組建集控中心專用數(shù)據(jù)網(wǎng)，實現(xiàn)集控中心系統(tǒng)與各梯級電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)之間的可靠通信，保障集控中心自動化系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。

集控中心系統(tǒng)與各梯級電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)通信的主要傳輸通道宜采用寬帶光纖網(wǎng)絡通信方式，并盡量采用不同路由的冗余通道。

水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)為實現(xiàn)與集控中心的可靠通信，一般需配置兩臺集控通信網(wǎng)關機或通信服務器，通過集控中心專用數(shù)據(jù)網(wǎng)與集控中心進行廣域網(wǎng)互連通信時，為實現(xiàn)兩臺通信服務器的冗余連接，需配置2臺集控接入網(wǎng)交換機及廣域網(wǎng)路由設備，為滿足電力系統(tǒng)二次安全防護的要求，水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)在接入集控中心專用數(shù)據(jù)網(wǎng)廣域網(wǎng)時，應配置電力系統(tǒng)專用縱向加密認證裝置。

通信的主要方式為網(wǎng)絡通信，常用的網(wǎng)絡通信接口包括：

a)集控中心專用數(shù)據(jù)網(wǎng)的廣域網(wǎng)接口（1個或多個2Mbps的E1接口）；

b)梯級集控專用通信傳輸網(wǎng)設備的以太網(wǎng)絡接口（10/100/1000Mbps）；

c）直接光纖連接。

常用的網(wǎng)絡通信規(guī)約包括：

IEC60870-5-104（DL/T-634.5104-2002)；

電力系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)通信應用層協(xié)議DL476－1992規(guī)約；

IEC60870-6-TASE.2。

根據(jù)目前的應用情況來分析，IEC60870-5-104和DL476－1992這2種規(guī)約均為我國電力系統(tǒng)推薦采用的規(guī)約，各有優(yōu)劣，均有不少成功的應用案例。我們認為IEC60870-5-104網(wǎng)絡傳輸規(guī)約作為國際上廣泛采用的規(guī)約，通過不斷完善，應具有更好的應用前景。

IEC60870-6-TASE.2規(guī)約具有功能強，配置靈活方便，通信可靠等優(yōu)點，主要在調(diào)度系統(tǒng)間通信獲得了廣泛使用，因很多功能主要針對調(diào)度系統(tǒng)，比較復雜，且開發(fā)使用成本較高，除對系統(tǒng)功能和性能有較高要求的特大型水電站外，不適合于一般水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)與集控中心的通信。

集控中心與各梯級電站監(jiān)控系統(tǒng)通信時，一般不推薦采用串口通信方式，因速率限制，串口通信方式只能傳送最重要的少量數(shù)據(jù)，無法滿足電站現(xiàn)地無人值班遠方集中控制的要求，但串口通信方式具有簡單可靠的優(yōu)點，根據(jù)需要可作為網(wǎng)絡通信方式的備用通信方式。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)與上級調(diào)度的接口和通訊

監(jiān)控系統(tǒng)與上級調(diào)度的通訊接口一般有兩種方式，一種是專線串行通訊接口，另一種是基于網(wǎng)絡通訊的接口。串行通訊方式通過電力專用調(diào)制解調(diào)器和專線與上級調(diào)度EMS系統(tǒng)連接。網(wǎng)絡通訊方式則在電站監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)設置通信網(wǎng)關服務器，通過調(diào)度數(shù)據(jù)專用網(wǎng)的廣域網(wǎng)口實現(xiàn)與調(diào)度中心系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡通信。根據(jù)電力系統(tǒng)二次安全防護的技術要求，水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)在接入調(diào)度專用數(shù)據(jù)網(wǎng)廣域網(wǎng)時，應配置電力系統(tǒng)專用縱向加密認證裝置。

目前，水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)與上級調(diào)度中心通信的數(shù)據(jù)量一般都不大，一般只傳送電站主接線等與電網(wǎng)調(diào)度相關的信息，可采用網(wǎng)絡和串行專線通信兩種方式與上級調(diào)度系統(tǒng)進行通信，并相互備用。串口通信方式具有簡單可靠的優(yōu)點，因傳輸時延固定，當數(shù)據(jù)量不大時也具有較好的實時性，比較適合于與上級調(diào)度中心通信。

我國各大電網(wǎng)自動化系統(tǒng)規(guī)模大，涉及到的設備種類繁多，相應的所采用的通信規(guī)約種類也是多種多樣。與遠方調(diào)度中心通信常用的規(guī)約有IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、IEC60870-6-TASE.2、DNP3.0、SC1801、μ4F、CDT等。隨著調(diào)度自動化系統(tǒng)的升級改造，IEC60870-5-104（DL/T-634.5104-2002)標準與 DL/T634.5101-2002(IEC60870-5-101)標準以其標準化程度高、功能強大、幀結構及工作方式完善、性能優(yōu)異的特點，正一起逐步取代其它那些專用的協(xié)議，在我國各調(diào)度系統(tǒng)與廠站的網(wǎng)絡和串口專線通信中獲得廣泛使用。

IEC60870-6-TASE.2規(guī)約雖然功能強大，但過于復雜，開發(fā)使用成本較高，且很多功能均基于調(diào)度系統(tǒng)應用，主要用于調(diào)度系統(tǒng)間的通信，用于調(diào)度系統(tǒng)與水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)之間通信的，在我國主要是三峽左岸電站、右岸電站與國調(diào)、華中網(wǎng)調(diào)、梯調(diào)系統(tǒng)通信，以及二灘水電站與四川省調(diào)系統(tǒng)通信。

3.3 與上級自動化系統(tǒng)通訊的發(fā)展趨勢

隨著計算機技術和通信網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，以及各級專用光纖通信網(wǎng)的建立，水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)與上級自動化系統(tǒng)之間的通信發(fā)生了飛躍式的變化，基于高可靠性的光纖高速調(diào)度專用通信網(wǎng)絡系統(tǒng)互連通信的方式，極大地提高了通信的可靠性和實時性，使上級自動化系統(tǒng)的遠方閉環(huán)自動控制功能得以真正實施。

目前與國際接軌的標準規(guī)約IEC60870-5-104（DL/T-634.5104-2002)與DL/T634.5101-2002(IEC60870-5-101)在我國不僅得到廣泛采用，而且在通信規(guī)約軟件的一致性與完整性測試方面也逐步得到了各方面的重視，越來越多的調(diào)度中心開始要求接入的水電站采用的通信規(guī)約必須通過國家認可的檢測機構的一致性測試并提供所頒發(fā)的證書。

由于各電網(wǎng)調(diào)度中心和集控中心的要求不一致，對于遠動規(guī)約進行一致性與完整性測試推廣有一定的難度，但到國家電力部門認可的檢測機構進行遠動規(guī)約一致性與完整性測試并頒發(fā)入網(wǎng)許可證書應是今后與上級自動化系統(tǒng)通信規(guī)約的發(fā)展趨勢。對通信規(guī)約進行嚴格的一致性與完整性測試是通信規(guī)約開發(fā)中非常重要的一個環(huán)節(jié)，可有效避免因通信規(guī)約的缺陷給今后的功能擴展和長期穩(wěn)定運行留下的隱患。

目前在我國對于采用與最新的國際標準接軌的規(guī)約已達成共識，但應該看到，在如今全球經(jīng)濟一體化的過程中，特別是通信技術的飛速發(fā)展，計算機技術的日新月異的前提下，對于國外不斷推出新的通信規(guī)約，若我們沒有根據(jù)我國的實際情況進行分析，只是盲目跟進采用并推廣，必將花費巨大的人力物力，并很難在市場和技術上獲得領先與發(fā)展。

4 結論

目前越來越多數(shù)字化和智能化設備在水電站的應用，水電站數(shù)字化設備互聯(lián)通信迅速增加，通信互聯(lián)也從串口通訊向現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)方向發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元呈現(xiàn)遠程分布與智能分布趨勢，有力地推動了我國監(jiān)控系統(tǒng)技術的發(fā)展與進步。

今后，隨著電子式電流電壓互感器、智能化開關、在線檢測等技術的發(fā)展，建立基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)建模的標準信息和通信技術平臺數(shù)字化水電站已成為可能，在數(shù)字化水電監(jiān)控系統(tǒng)中，所有數(shù)據(jù)均以數(shù)字量的形式按統(tǒng)一的通信協(xié)議傳輸，站內(nèi)的各個智能設備之間具有良好的互操作性。數(shù)字化水電站自動化標準IEC61850及其數(shù)據(jù)模型具有標準化數(shù)據(jù)交換接口和統(tǒng)一數(shù)據(jù)建模的先進理念，有望實現(xiàn)真正全球范圍性的無縫通信，并在水電廠智能設備上實現(xiàn)互操作性。

而從現(xiàn)在來看，實現(xiàn)數(shù)字化水電站將是一個長期的過程，代表了未來發(fā)展的方向，我們應給與足夠的關注。

[1]水電站數(shù)字化設備通信運行狀態(tài)及特性分析研究報告[R].北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，2008年5月.

TP393.03

A

1672-5387（2010）03-0005-05

2010-04-28

張毅（1963-），男，北京中水科水電科技開發(fā)有限公司（中國水利水電科學研究院自動化所）總工，教授級高級工程師，主要從事水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術的研究與開發(fā)工作。（E-mail∶jskfb@iwhr.com）