淺析二灘水電站監控系統升級改造

鄭 德 芳， 韓 勇， 周 佳

(雅礱江流域水電開發有限公司 二灘水力發電廠，四川 攀枝花 617000)

二灘水電站監控系統采用德國ABB公司(現德國ALSTOM公司)Advant OCS系列分布式控制系統,主要包括監控系統網絡、4臺操作員站、13套現地控制單元LPU、6臺遠程I/O裝置，IMS系統、調度通信系統、AGC/AVC系統、集控接口系統等。該系統用于監視和控制6臺水輪發電機組、18臺單相主變壓器、500 kV GIS開關站、進水口快速閘門、水工泄洪閘門、6.3 kV廠用電、油水風等設備，并實現與四川省調、國調、雅礱江流域集控中心數據通信，實現了流域集控中心遠方集控和電廠無人值班的運行方式。

二灘水電站監控系統自1998年投運至今，已安全運行14 a，但也暴露出眾多不足。為解決系統硬件配置較低、系統不開放、元件老化以及備品備件無法采購等問題，2013年，二灘水電站開始進行監控系統的全面改造升級，與安德里茨公司簽訂了改造協議。

1 新老監控系統的比較

新監控系統采用奧地利安德里茨公司自主研發的NEPTUE水電站計算機監控SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統搭建。NEPTUE是將現代化的分布式控制系統優勢與安德里茨水電集團積累的水電站技術經驗進行完美結合，是一個“全分布的采用綜合過程控制技術的水電站綜合自動化監控系統”，可以滿足不同類型水電站的功能要求，符合當今水電站SCADA系統標準。安德里茨公司的水電站計算機監控系統現地智能控制單元采用AK1703智能PLC裝置，較ABB系統具有許多獨特、顯著的優點：

(1)程序可讀性和可修改性能升級。安德里茨水電集團的計算機監控系統，包括中控室的后臺基本軟件和現地LCU基本軟件，不用在現場編程和修改源代碼，為電廠按時發電提供了保障：增加或刪除了系統中的數據庫點時，數據庫進程一直在線運行，無需重啟。

(2)硬件配置性能升級。中央CPU模板主頻高，內存大。

(3)運行可靠性能升級。雙中央CPU模板冗余切換時間為0 ms，達到了真正無擾動。而ABB系統CPU切換時間至少需要一個掃描周期。智能PLC裝置AK1703冗余雙中央CPU模板同時工作，即同時接收和處理來自監控后臺系統和下面所有I/O模板的數據。當主用中央CPU通信單元的模板或網卡發生故障時，備用中央CPU通信單元的模板瞬間打開所有的通信輸出通道，接替所有的任務，從而不間斷地繼續完成所有工作。

(4)設計理念升級。全SOE量設計理念，所有輸入信號都帶有模板實時時標，實時時標在I/O模板上直接記錄。而ABB系統的信號上傳采用的是掃描方式。

(5)設計標準規范升級。上位機與下位機LCU(AK1703 ACP)之間的通訊采用國際標準電力規約IEC60870-5-104，是世界上唯一一家在監控系統內部通訊采用IEC60870-5-104規約的廠家。

(6)系統可擴展性升級。安德里茨公司的水電站計算機監控系統超越了一般計算機監控系統技術條件的基本要求，采用了全智能的監控部件和模件，所有I/O模板均為智能模板，板上帶有處理器，真正做到了全分布、智能分散、功能分散、危險分散的計算機監控系統，大大提高了系統的可靠性、可用性。

2 新監控系統的結構設計

二灘水電站新監控系統采用分層全分布開放式系統結構，符合“無人值班”的技術發展趨勢，系統的主要設備采用冗余配置。監控系統由主控級設備、現地控制單元設備和網絡設備構成。電站控制級采用非常人性化設計的SAT 250 SCALA系統，由2臺主服務器、2臺操作員工作站、3臺工程師工作站、2臺調度通信網關機、2臺集控通信網關機、2臺報表站、1臺WEB服務器、4臺主交換機、打印機和相關網絡設備、隔離設備等組成。現地控制單元LCU設備采用新一代智能PLC控制器AK1703 ACP和智能I/O模塊。計算機監控網絡采用總線式冗余光纖以太網邏輯結構，系統結構配置見圖1。

圖1 二灘水電站監控系統結構設計圖

2.1 上位機控制系統250SCALA

安德里茨250SCALA上位機系統基于Windows操作平臺，視窗操作，全漢化顯示，采用文字、聲音、圖形、圖像等手段，把工作人員的操作、事故、故障、參數越限等情況均作提示。250SCALA上位機系統具有數據采集、數/模轉換、控制和調節、優化運行、數據通信、記錄、管理、運行狀態顯示、圖表打印等功能，用于監視和控制6臺水輪發電機組、18臺單相主變壓器、500 kVGIS開關站、進水口快速閘門、大壩泄洪閘門、6 kV廠用電、油水風等設備。

250SCALA是安德里茨公司最新一代運用人類生態工程學理論而設計的控制中心主站系統，其基于客戶/服務器結構，具有多客戶支持能力、實時多任務處理以及功能集成化等特點。網絡上接入的每一個設備都具有自己特定的功能，實現了功能的分布，既具備了網絡某一設備故障只影響局部功能的優點，又利于系統升級功能的擴充。其主要硬件配置及功能如下。

2.1.1 主服務器(2套)

(1)配置：主服務器為SUN公司生產的SUN ORACLE SPARC T4-1高檔服務器。兩臺數據服務器的配置相同，操作系統采用Solaris 10系統，以冗余熱備用方式工作，主備切換無擾動地完成。

(2)功能：兩套主服務器在正常運行時，集程序服務器和數據服務器功能于一體，主要進行數據庫的管理；歷史數據的存檔、歸類、檢索和管理；與下位機及上位機各站點的通訊等。

2.1.2 操作員站(2套)

(1)配置：操作員站為HP公司生產的HP DL380p GEN8。操作系統采用Windows Server 2008 R2 Standard 64-bit系統。

(2)功能：操作員站是全廠集中監視和控制功能的人機接口，實現實時畫面顯示，多窗口顯示操作管理，事故報警和事件記錄，各種報表顯示，系統自診斷信息的顯示，操作員站操作權限的登錄及其管理，應用控制操作、運行設備的控制操作、系統配置操作、負荷調整操作等各種操作處理。兩套操作員工作站完全獨立并存。

2.1.3 工程師站(3套)

(1)配置：工程師站服務器為三臺HP公司生產的HP DL380p GEN8。3臺工程師站配置相同，其中一臺為移動工程師站。操作系統采用Windows Server 2008 R2 Standard 64-bit系統。

(2)功能：工程師工作站主要作為系統的開發、維護及故障處理等功能使用。同時，還可作為操作員工作站的熱備用機。

2.1.4 集控通信網關機(2套)

(1)配置：集控通信網關機選用兩套安德里茨智能控制器AK 1703，每個機架均配置2個中央CPU：C-2017,1個協調CPU：C-2014，第一塊2017上配置一個SM-2556模塊，第二塊2017上配置一個SM-2557、一個SM-2551模塊，采用101、104規約進行通信。

(2)功能：集控通信網關機用于監控系統與遠方集控中心的數據通信，還具有遠動數據處理及通信功能，按照直采直送原則，直接接收來自LCU的數據，進行處理后按照多通信方式及通訊規約完成與遠方集控中心的數據交換。

2.1.5 調度通信網關機(2套)

(1)配置：調度通信網關機為兩臺DA-683工業計算機，同時為調度網關機配置了一臺KVM顯示器。

(2)功能：調度通信網關機用于監控系統與省調數據通信，按照直采直送原則，直接接收來自LCU的數據，進行處理后按照不同的通信方式及通訊規約完成與多個調度端的數據交換。

2.1.6 報表站(2套)

(1)配置：廠內配置了兩臺報表站，均采用HP公司生產的HP DL380p GEN8。操作系統采用Windows Server 2008 R2 Standard 64-bit系統。

(2)功能：報表站主要用于歷史數據、歷史事件的查詢、數據曲線分析等。

2.1.7 WEB服務器(1套)

(1)配置：WEB服務器采用HP公司生產的HP DL380p GEN8。操作系統采用Windows Server 2008 R2 Standard 64-bit系統。

(2)功能：運用WEB服務器，通過隔離裝置和防火墻，將監控系統信息傳入辦公區域，可以在辦公電腦上隨時查詢、訪問監控系統數據、事件信息。

2.2 現地控制單元LCU系統

二灘水電站現地控制單元系統采用安德里茨智能控制器AK1703，此設備基于32位微處理器技術，采用多CPU體系結構。而且它的每個I/O模板也都帶有各自的CPU，從而具有廣泛的通信方式和龐大的通信能力，可以配置各種通訊方式(以太網、現場總線、串口等)和一百余種通信規約。在控制裝置AK1703中配置了獨立冗余功能，外置的SM-2556以太網通信模板采用國際電力標準規約IEC60870-5-104，通信速率10/100 M自適應，從而實現了與地下廠房交換機或地面中控室交換機的冗余通信。

AK1703 ACP采用智能控制裝置的串行通信模板SM-2551并可擴展，每個串口支持獨立的編程和不同的規約，所有串行通信模板硬件通用，只需下載不同的通信固件便可以實現不同規約的通信。SM-2551支持幾十種不同的串行通信規約，主要包括IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、MODBUS、DNP等。

值得說明的是：智能控制裝置AK1703 ACP能直接支持國際標準保護設備的通信規約IEC60870-5-103，而一般的現地LCU則必需通過規約轉換，才能將保護信息接入到現地控制單元中。機組LCU中的智能控制裝置AK1703 ACP與勵磁、調速器、保護設備等外部系統的通信分別配置了獨立的、一對一的串口來實現，未用共用部分，相互之間沒有影響。這樣布置，既使其中的某個通信有問題，也只影響其本身，而不會影響到與其它幾個系統的通信。以機組LCU為例，現地控制單元通信比較情況如圖2所示。

3 通訊系統

二灘水電站監控系統采用總線式冗余光纖以太網邏輯結構。網絡中的交換機選用的是德國赫斯曼公司生產的MACH4000型交換機。為協調

圖2 現地控制單元通信示意圖

冗余數據交換機制，通信網絡中需要設置一臺交換機作為RM(Redundancy Manager)來管理整個網絡內的數據通信線路。被設置成RM的交換機可以是網絡內的任意一臺交換機。當RM交換機發現主通信線路發生故障時，會自動啟用備用通信線路，從而使通信不受影響并發出報警信號。這種通信機制可以使每個光纖網絡容納一個物理斷點而通信不受影響。值得注意的一條原則是：光纖網絡內，必須有且只有一臺交換機被設置成RM交換機。如果違反了這條原則，網絡將無法正常工作，因此，在實際應用中要特別注意。圖3中，交換機SW1、SW2作為二灘水電站廠內監控系統主交換機，交換機SW3、SW4作為二灘水電站廠外監控系統主交換機，四個交換機構成2條互為冗余的監控主網。SW1與SW2，SW3與SW4之間均采用網線連接，SW2與SW4，SW1與SW3之間采用光纜連接。交換機SW1被設置為RM交換機，正常工作時,SW1至SW3的網絡不通，若SW2至SW4之間的通訊中斷，則SW1至SW3的網絡會自動連接，從而保證了網絡的實時暢通可靠性。

4 新監控系統的特點

二灘水電站監控系統的升級改造是為了滿足流域電站生產的要求，同時也是技術革新的結果。

圖3 監控網絡通訊結構圖

筆者將安德里茨監控系統的主要特點總結如下。

(1)計算機及PLC這些主要設備直接接入網絡，可獲得高速通訊能力和資源共享能力。

(2)現地控制單元(LCU)以PLC為基礎構成多機網絡系統，各PLC既可以協同工作，又可以獨立完成各自所承擔的功能。

(3)為確保系統可靠性，系統的重要設備采用冗余技術，如操作員站、網絡、PLC等。

(4)系統的網絡結構、軟硬件平臺和通信協議的設計均遵循開放性標準，使系統具備了良好的適應性和擴展性，順應了當前工業控制系統網絡化、標準化、分散化的發展方向，便于將來系統升級。

5 結 語

安德里茨監控系統的投入，強化了二灘水電站監控系統軟硬件的功能，改善了系統的操作性能，優化了系統的結構，提高了系統的可靠性、可擴展性。

參考文獻：

[1] 水力發電廠計算機監控系統設計規范,DL/T 5065-2009[S].

[2] 王定一.水電站計算機監視與控制[M].北京:中國電力出版社,2001 .