瀑布溝水電站計算機監控系統的網絡設計與實現

文正國，楊春霞，余 靜，遲海龍

（北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

瀑布溝水電站計算機監控系統的網絡設計與實現

文正國，楊春霞，余 靜，遲海龍

（北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

瀑布溝水電站計算機監控系統采用了北京中水科水電科技開發有限公司的新一代H 9000V 4.0水電站計算機監控系統。介紹瀑布溝水電站計算機監控系統廠站層和現地層網絡的結構、配置以及安全防護的設計與實現等。

H 9000計算機監控系統；快速以太網；安全防護；網絡對時

0 引言

瀑布溝水電站位于大渡河中游，地處四川省西部漢源和甘洛兩縣交界處，距成都市直線距離約200km，距重慶市直線距離約360km，靠近負荷中心，是大渡河流域規劃19級電站中裝機容量最大的電站。該電站以發電為主，兼顧攔沙、防洪等綜合利用效益。電站裝設6臺600MW的混流式水輪發電機組，電站利用小時數為4420h，在系統中擔負調峰、調頻及事故備用，枯水期擔負峰腰荷，豐水期主要擔負基荷和部分腰荷，是四川電力系統中的骨干電站之一。

1 網絡設計

1.1 網絡需求

瀑布溝水電站采用了H9000V4.0計算機監控系統，分為廠站層和現地層兩個部分，廠站層包含2臺數據服務器、2臺應用服務器、3臺操作員站、2臺調度通信工作站、4臺通信網關機、1臺廠內通信服務器、4臺站控級交換機以及打印機等主機和網絡設備，主要位于地面副廠房中控室和計算機室內。現地層包含13個LCU，分別位于地下廠房、地面副廠房、開關站、進水口、大壩和尼日河首部等部位，分布相當分散，有的LCU距離長達13km。系統對外需要與深溪溝水電站、大渡河流域成都集控中心、四川省調、華中網調等進行通信，對內需要與主設備運行狀態分析系統、通風空調控制系統、微機五防裝置、消防監控系統、工業電視系統、能量采集計費系統、水情自動測報系統、電站MIS系統等進行通信。

瀑布溝水電站計算機監控系統按照“無人值班”(少人值守)的原則設計，其網絡必須根據電站的具體情況和監控系統的實際需求進行設計，主要有以下幾點：

（1）網絡應滿足監控系統數據采集、設備控制的需要；

（2）網絡應滿足監控系統設備包括主機、PLC等的時鐘同步需要；

（3）網絡設備應具有很高的可靠性，滿足無人值班的需要；

（4）網絡通信鏈路應具有冗余性，局部的設備故障不應影響監控系統和現場設備的正常運行；

（5）網絡所連接的設備位置分散，距離遠，應根據實際情況采用不同的通訊介質；

（6）網絡實時性好、抗干擾能力強，適應電站的現場環境；

（7）系統應對通信設備、通道、狀態進行監視和報警；

（8）系統應滿足電力二次系統安全防護的要求。

1.2 技術方案

（1）主干網采用完全冗余的2個星型以太網，任何單個網絡設備或通道發生故障不會影響系統的正常運行；

（2）主干網主要采用光纖作為傳輸介質，傳輸速率1000Mbps；

（3）兩個網絡的光纖采用不同的光纜，敷設在不同的通道內；每條光纖傳輸通道均留有備用的光纖；

（4）主干網交換機采用Hischmann公司的工業級快速以太網交換機MACH4000系列，可靠性非常高，可擴展性強；其它節點交換機也均采用Hischmann公司的工業級以太網交換機；交換機支持基于端口的VLAN（虛擬局域網）劃分，支持SNMP V3網絡管理功能；

（5）所有交換機均采用雙24V電源供電；

（6）各節點計算機或LCU均采用雙網卡接入監控系統網絡；

（7）各節點計算機均使用光口或RJ45電口直接連到交換機上，不采用光纖收發器或光端機作介質轉換設備；

（8）光纖根據距離決定采用單模或多模光纖；

（9）系統內的重要主機包括調度遠動通信工作站、通信網關機、數據服務器、廠內通信數據服務器等均采用安全加固的操作系統；系統采用硬件防火墻用于計算機監控系統與安全II區之間的邏輯隔離，采用正/反向安全隔離裝置用于生產控制大區與管理信息大區（安全III區）之間的安全隔離，采用電力縱向加密認證裝置用于計算機監控系統與大渡河流域成都集控中心和深溪溝電站的通信通道；

（10） H9000系統軟件具備雙網自動檢測、報警、切換功能，確保通訊正常；廣播數據同時在雙網上進行傳輸，確保數據完整不丟失；

（11） 由于所有計算機、PLC和網絡設備均支持NTP網絡對時協議 (主機、網絡設備和PLC的CPU)或更高精度的PTP網絡對時協議(PLC的SOE機箱)，整個系統的時鐘同步決定采用基于網絡的對時協議。

2 網絡結構

瀑布溝水電站計算機監控系統分為2個部分，即按控制對象設置的由LCU構成的現地控制層和由負責數據采集處理、監視、報警、控制、通信和管理任務的計算機設備組成的廠站層，相應的其網絡也分為LCU現地網和主干網兩部分。

2.1 主干網

針對瀑布溝水電站計算機監控系統對網絡的要求，主干網采用按IEEE802.3設計的分層星型結構的快速交換式以太網，局域網通信規約TCP/IP，網絡介質主要采用光纖，傳輸速率1000Mbps，交換機采用與網絡相同速率的三層以太網交換機。4臺快速交換式以太網交換機組成核心網絡設備，其中1、2號交換機構成冗余配置，布置在地下副廠房，3、4號交換機構成冗余配置，布置在地面副廠房，1號交換機與3號交換機之間，以及2號交換機與4號交換機之間通過1000Mbps單模光口連成雙網，雙網的兩根光纜敷設在不同的通道內。

每套現地LCU均配備了2臺現地以太網交換機，分別通過光纖接入主干網核心交換機，其中地下廠房和地下副廠房的8套現地控制單元（1～8LCU）均通過多模光纖與地下副廠房內的1、2號核心交換機相連接，地面副廠房、大壩和進水口的4套現地控制單元（9～12LCU）通過多模光口與地面副廠房內的3、4交換機相連。由于尼日河首部閘門現地控制單元（13LCU）距離廠房13km，因此采用單模光纖與地面核心交換機相連接。布置在中控室和計算機室的主機設備通過RJ45電口與3、4號核心交換機進行連接。

用于與華中網調、四川省調進行通信的調度通信工作站，均配備4個網口，其中2個用于連接監控系統，2個用于對外通信。通過冗余通信通道進行通信，以電力調度數據專網為主通道，常規遠動專用通道（即點對點方式）為備用通道。主通道采用DL/T634.5104-2002(IEC60870-5-104)協議，傳輸速率2Mbps，配置電力縱向加密認證裝置；備用通道采用DL/T 634.5101-2002(IEC60870-5-101)或SC1801協議，傳輸速率1200bps。

用于與大渡河流域成都集控中心進行通信的通訊網關機，均配備4個網口，其中2個用于連接監控系統，2個用于對外通信。采用冗余光纖通信通道，主通道采用100Mbps以太網接口，備用通道采用10Mbps以太網接口，另外還提供一個IEC60870-5-101點對點專用為備用通道。

用于與深溪溝水電站進行通信的通訊網關機，均配備4個網口，其中2個用于連接監控系統，2個用于對外通信。采用冗余單模光纖通信通道，配置電力縱向加密認證裝置。

廠內通信數據服務器也配備4個網口，通過交換機與廠內其它系統進行數據通信，并采用硬件防火墻和正/反向安全隔離裝置進行網絡防護。

瀑布溝水電站計算機監控系統網絡結構圖如圖1所示。

圖1 監控系統網絡結構圖

2.2 現地控制網

瀑布溝水電站計算機監控系統現地控制網絡有兩種形式：現地總線網絡和現地以太網絡。現地總線網絡不僅是LCU中控制器和遠程I/O之間的連接介質，而且也是監控系統LCU與電廠其他輔機系統的通訊網絡。現地以太網既是廠站層和現地控制層數據交換的主要通訊介質，還是現地LCU之間交換數據及實現SOE模塊以太網對時的途徑。圖2為一個典型的LCU結構示意圖。

圖2 LCU的典型結構

（1）現地總線網絡

瀑布溝水電站計算機監控系統LCU為美國羅克韋爾公司生產的ControlLogix系列PLC，采用ControlNet總線。LCU的典型結構是控制器+遠程IO的結構。控制器和遠程IO之間采用Controlnet總線相連。對于短距離的遠程子站，直接用RG6電纜相連。對于長距離的遠程子站，中間采用光纖連接，避免感應雷的干擾，提高可靠性。圖2中CNET-A和CNET-B即為控制器與遠程RIO之間的ControlNet總線。為提高可靠性，采用了雙冗余總線。瀑布溝電站輔機系統均采用美國羅克韋爾公司生產的ControlLogix系列PLC，為監控系統與輔機系統直接采用ControlNet總線相連提供了可能。圖2中CNET-C和CNET-D即為監控系統LCU與輔機系統之間的ControlNet總線。采用現場總線相連的方式節省了大量電纜，減少了施工時間和日常維護工作量。

（2）現地以太網絡

現地以太網由交換機和雙絞線搭建而成。它是廠站層和現地控制層數據交換的主要通道，所以采用了雙冗余的以太網絡形式。同時現地以太網負責LCU之間數據的橫向傳遞。圖2中虛線所示即為現地以太網。圖2中以太網A還是對時網絡物理通道的提供者。

a）數據交換網

在瀑布溝水電站計算機監控系統中數據服務器通過控制網讀取LCU中數據，采用基于以太網的CIP協議。瀑布溝電站LCU使用的每個以太網模塊最多可以支持64個連接，每次請求的最大數據量為512byte。H9000系統采用多通道并行的通訊模式。同時，對各種數據類型劃分優先級，實時性要求高的開關量、模擬量、SOE量優先級高，而溫度量、脈沖量等實時要求不太高的數據類型優先級較低，從而確保高優先級的數據類型在較短時間內采集。

計算機監控系統LCU之間數據交換可以通過現地以太網用MESSAGE指令的方式很容易地進行。計算機監控系統LCU中還設計有智能通訊控制器，負責將采集的串口數據轉換成以太網數據傳遞到控制器中，和別的數據一起通過PLC的以太網卡傳遞到主干網，這樣在現地大量的數據已經轉換成以太網數據，減少了主干網上和外圍系統的交換數據量。

b）現地對時網

瀑布溝水電站配置了一套冗余高精度GPS時鐘同步系統，實現整個電站所有自動裝置（包括計算機監控系統）的時鐘同步。對于廠站層設備和現地PLC的CPU機箱，時鐘同步系統通過以太網接口接入監控系統網絡，提供NTP網絡對時服務，精度可達10ms。對于現地PLC的SOE模塊，由于需要PTP網絡對時協議進行對時，因此設置一套專門負責全廠SOE模塊對時的機箱，將時鐘同步系統提供的IRIG-B交流B碼信號轉換成PTP網絡對時信號接入監控系統網絡。在每個SOE遠程機箱上都配有一塊以太網模塊EN2T接入網絡，通過PTP協議進行對時，對時精度可以達到500ns。現地控制層對時網絡如圖3所示。

圖3 現地LCU對時網絡示意圖

3 系統特點

（1）硬件高度冗余：系統配置的網絡設備、網絡通道、主機、PLC等硬件設備廣泛采用分布處理技術和多層次的冗余措施，并均采用雙電源供電，大大提高了可靠性；

（2）完善的監測報警功能：系統具備完善的硬件、軟件自診斷與自恢復功能，可隨時對網絡通道、主機網絡狀態、數據采集狀態、現地PLC網絡的模塊狀態、通信鏈路狀態等進行檢測，所有信息都有上位機報警及顯示；當系統發現正在使用的網絡通道發生故障時可快速、自動地切換到另一條冗余的通道上；

（3）方便的網絡管理：系統配備了一套可視化的網絡管理軟件，實現統一的基于SNMP的網絡管理，管理所有重要的支持SNMP的網絡交換機，可自動形成網絡的拓撲結構，配置交換機端口，劃分VLAN；

（4）簡單、精確的對時網絡：無論是廠站層的計算機主機，還是現地控制層設備的CPU機箱、SOE機箱，所有需要對時的設備均直接接入以太網，通過NTP協議或PTP協議進行對時，對時精度高，網絡結構簡單便于維護。

4 結語

隨著水電廠自動化水平和設備安全運行要求的不斷提高，計算機監控系統在電廠生產管理中越來越重要，計算機監控系統網絡的安全性和可靠性與電廠的安全生產緊密相關，對于瀑布溝之類的巨型電站尤為重要。一個設計完善、配置先進、安全可靠的網絡，是瀑布溝水電站順利投產發電，最終實現“無人值班”(少人值守)可靠運行的基礎和保障。

[1]王德寬，袁宏，王崢嬴，等.H9000V4.0計算機監控系統技術特點概要[J].水電自動化與大壩監測，2007，31（3）：16-18.

[2]張毅，王德寬，王桂平，等.面向巨型機組特大型電站的新一代水電廠監控系統的研制開發[J].水電自動化與大壩監測，2008，32（1）.1-6.

[3]劉曉波.水電廠計算機監控系統發展趨勢探討[C]，2007年中國國際發電技術會議論文集，《綠色電力-二十一世紀中國發電新趨勢》.2007年5月第一版.中國電力出版社，627-632.

TP393.02

B

1672-5387（2010）03-0018-04

2010-04-28

文正國(1975-)，男，碩士，畢業于北京郵電大學，從事水電站計算機監控系統技術的研究與開發，重點領域為監控系統總體設計與實現、實時數據庫、數據處理等方面。（E-mail：jkwenzg@iwhr.com）