亭子口水電站計算機監控系統設計及設備配置

凌洪政

（嘉陵江亭子口水利水電開發有限公司，四川 蒼溪 628400）

1 工程概況

亭子口水利樞紐位于四川省廣元市蒼溪縣境內，是嘉陵江干流開發中唯一的控制性工程，是以防洪、發電及城鄉供水、灌溉為主，兼顧航運以及攔沙減淤等其他綜合利用工程。電站共安裝4臺單機額定容量為275 MW的水輪發電機組，電站總裝機1100 MW。

發電機-變壓器采用單元接線，兩組發電機-變壓器單元接線組成一組聯合單元，主變壓器高壓側僅設隔離開關；500 kV高壓側初期采用三角形接線（終期采用四角形接線），1回500 kV電壓等級出線。

亭子口水電站計算機監控系統監控范圍廣，監控對象不僅包括亭子口水電站的水輪發電機組及輔助設備、主變壓器、500 kV開關站、電站公用設備等電站主輔設備，同時還涵蓋電站進水口、泄洪閘門及排水泵房等機電設備。

計算機監控系統與四川省電力系統調度中心通過以太網口和RS232串口的接口方式通信、采用IEC 60870-5-104和IEC 60870-5-101通訊協議，將相關信息送至調度中心，接受調度中心下達的控制調節和調度命令。

2 總體設計原則

考慮到亭子口水電站在系統中所處的地位及電站廠房型式特點，為保證電站安全可靠、經濟運行，提高電站運行和管理的自動化水平，電站計算機監控系統的設計遵循以下原則:

（1）電站按初期少人值班、遠期無人值班 （少人值守）、機旁正常無人值班的原則進行設計。

（2）整個系統采用全計算機監控結構。中控室取消常規的集中控制設備，采用計算機作為唯一的監控設備；除水機后備保護外，現地控制單元取消常規布線邏輯回路，由具有冗余設計的計算機設備執行監控。

（3）計算機監控系統具有可靠、完善的監控功能，良好的開放性，以確保系統可擴展性和移植性。

（4）計算機監控系統具有容錯功能，主要控制設備采用冗余配置。

（5）計算機監控系統采用分層分布式結構，保證系統中任何局部設備的故障均不影響監控系統總體功能的實現。

（6）盡可能采用現場總線及遠程I/O單元。監控系統中的現地控制單元和各就地設備能獨立工作。

3 系統結構及配置

亭子口水電站計算機監控系統采用分層分布式結構。整個系統分廠站級和現地控制單元級兩層。監控系統結構見圖1。

圖1 亭子口水電站計算機監控系統結構示意

廠站級設備主要包括2臺套實時信息管理服務器、2臺套歷史信息管理服務器、1套歷史數據備份服務器、2臺操作員工作站、1臺泄洪閘集控操作員站、1臺培訓仿真工作站、1臺工程師工作站、2臺套調度通信服務器、1臺套電話語音報警工作站、2臺套廠內通信服務器、1臺套WEB數據服務器、1臺套WEB發布服務器、1套模擬屏、冗余時鐘同步裝置、1臺套外設服務器及外設 （打印、存儲設備等）等。

現地控制級按電站設備分布設置，整個電站設置4套機組現地控制單元 （LCU1～LCU4）、1套公用現地控制單元 （LCU5）、1套開關站現地控制單元（LCU6）和1套大壩現地控制單元 （LCU7）。

各機組現地控制單元均由3塊本地柜、1塊機組測溫單元柜、1塊機組遠程I/O柜組成；公用LCU5由1塊本地柜和1塊空壓機及排水系統遠程I/O柜、2塊機組直流系統遠程I/O柜、2塊電站10 kV廠用電遠程I/O柜、4塊400 V廠用電遠程I/O柜組成；開關站LCU6由2塊本地柜、1塊550 kV GIS遠程I/O柜、1塊開關站直流系統遠程I/O柜組成；大壩LCU7由1塊本地柜、2塊大壩10 kV/400 V廠用電遠程I/O柜組成。

計算機監控系統網絡采用冗余工業以太網結構，采用TCP/IP協議，遵循IEEE802.3標準，傳輸速率為100 Mb/s，傳輸介質采用光纖。

電站計算機監控系統各LCU以下采用冗余的現場總線用以連接遠程I／O及各現地智能監測設備，現場總線為環形總線型冗余結構。每個LCU設置無主從關系的標準或通用協議的現場總線，通信速率不低于1 Mb/s，以及有主從關系通信協議的串口或自由定義的現場總線，通信速率不低于19.2 kb/s。總線介質為光纖和雙絞線結合使用的方式。

配置2套容量為30 kV·A的不間斷電源UPS，互為備用，輸入電源失去后電池持續供電時間為1 h。

4 與GIS保護測控系統的接口

傳統的開關站設備通過I/O方式與電站監控系統接口，以保證上送調度的信息量是直采直送。亭子口500 kV開關站GIS系統采用保護測控一體化的技術方案，該方案是以基于GIS智能控制、保護為核心，實現全開關站保護、測控等的分布式設計方案，保護集中布置在輔助盤室、測控系統管理機柜布置在中控室、智能匯控柜分散布置在GIS室。

電站計算機監控系統與500 kV開關站GIS系統的接口采用網絡通信和I/O兩種方式。

電站計算機監控系統的2臺廠內通訊服務器作為主站與500 kV GIS測控系統的管理機RCS-9698H進行通訊。每臺廠內通信服務器配置4個以太網口，與管理機RCS-9698H采用交叉冗余連接方式，管理機采用雙主機模式對主站通信。

為保證監控系統對500 kV開關站控制和調節的可靠性和實時性，GIS各斷路器位置、隔離開關、接地開關等實時性要求高且與控制直接相關的信號采用I/O方式直接接入布置在GIS室的監控系統遠程I/O柜。實時性要求較低且與控制無關的信息如氣隔信號等可以通過GIS保護測控一體化裝置以網絡通信方式接入電站監控系統。

電站監控系統開關站LCU及500 kV GIS測控系統都有自動準同期功能，均能實現500 kV開關站斷路器的同期合閘。根據500 kV開關站斷路器應由專用的同期裝置完成的原則，確定500 kV開關站斷路器的同期合閘由開關站LCU的同期裝置實現。

5 監控系統的主要特點

亭子口水電站計算機監控系統有以下主要特點。

5.1 取消模擬屏驅動器

整個模擬屏內數據信號采用485網絡分布式連接方式，設備主要包括1臺屏控機、網絡驅動單元、遙信驅動單元和遙測驅動單元。屏控機將從廠內通信服務器收到的RS232信號送到網絡驅動單元，網絡驅動單元轉換成8路485網絡接口信號，而每路485接口可驅動128個遙信驅動單元和遙測驅動單元。每個遙信驅動單元可驅動16個信號指示燈，每個遙測驅動單元可驅動1個表計。

5.2 配置冗余時鐘同步系統

冗余的時鐘同步系統設備采用單片機控制，同時具有GPS信號和BD北斗信號接收能力，主要由2套 GPS主時鐘 （SK-2UA）、2套GPS/北斗雙模天線以及雙機切換裝置、GPS擴展箱等組成。

GPS/北斗衛星時鐘系統對監控系統的主站級計算機和各現地控制單元 （LCU）進行時鐘同步。它通過串口方式向廠級管理工作站傳送時鐘信息，通過向DCF77規約接口，向各LCU的SOE模件發送時鐘同步數據。

時鐘裝置除為監控系統提供標準時間外、還具有多種串口通信及脈沖對時和IRIG－B對時信號，以滿足繼電保護裝置、故障錄波裝置及電能量采集裝置等設備的對時需要。

5.3 采用無硬盤通訊管理機

調度服務器作為計算機監控系統中與電力調度通信的計算機，目前主要采用有硬盤的工業級控制微機或無硬盤的工業級控制微機。有硬盤的工業級控制微機，硬盤采用普通商用的硬盤，對環境 （包括抗干擾、抗灰塵、抗振動等方面）的要求無法達到工業級標準。無硬盤的工業級控制微機由于沒有專門的硬盤保存數據，而是通過CF卡來保存計算機所需要的操作系統軟件及通訊軟件等必須的軟件，所傳輸的實時數據均不保存，采用直接直發的方式。在這種方式下，數據的實時性能夠得到較大的保證，但存在發生通訊網絡中斷，前面通訊的數據立即丟失的缺點。

在與調度通信中，采用無硬盤方式的工業級控制微機，實時性很強，一旦網絡通訊恢復，最新的實時數據就會立刻傳輸到調度中心，而那些由于網絡通訊中斷而丟失的數據對于調度系統的影響不是很大，因此，目前對于實現調度通訊功能這種實時性、可靠性要求較高的計算機大多采用無硬盤的工業級控制微機。

基于上述考慮，亭子口水電站的調度服務器采用專用的無硬盤通訊管理機。

5.4 電站監控系統二次安全防護設備的配置

電站計算機監控系統是安全防護的重點，電站計算機監控系統內部的防護措施主要是對重要的服務器和通信網關進行安全加固，以提高操作系統、應用程序、數據庫的安全性。

根據電力二次系統安全防護規定，電站計算機監控系統屬于生產控制大區的控制區 （安全區I），其中WEB服務器外移至安全區Ⅲ，作為獨立系統運行。從安全區Ⅰ、Ⅱ往安全區Ⅲ單向傳輸信息須采用電力專用橫向單向安全隔離裝置 （正向隔離裝置）。

亭子口水電站計算機監控系統配置了1套NARI公司的Syskeeper2000型正向安全隔離裝置，用于安全區I/II到安全區Ⅲ的單向數據傳遞；該裝置硬件裝置采用非Intel（及兼容）的雙微處理器；軟件系統基于特別配置的Linux內核；實現兩個安全區之間的非網絡方式的安全數據交換，并且保證安全隔離裝置內外兩個處理系統不同時連通；取消所有網絡功能，并且采取無IP地址的透明監聽方式，支持網路地址轉換，內設綜合報文過濾，防止穿透性TCP連接；應用層解析，支持身份認證，單向數據通信控制，單向連接控制，維護管理界面靈活方便。

監控系統的實時信息管理服務器 （2臺）、操作員工作站 （2臺）、工程師工作站 （1臺）、調度通信服務器 （2臺）、WEB服務器 （1臺）、泄洪閘集控操作員站 （1臺）等關鍵位置使用了主機安全加固軟件。主機加固軟件采用的操作系統保護可在不改變操作系統內核的情況下，對核心服務器進行保護。

6 結 語

亭子口水電站監控系統是在滿足合同及相關規程規范的基礎上，在保證系統安全可靠前提下，結合現代控制技術發展及工程實際特點，充分考慮適應用戶的要求，按照冗余化和開放式的系統結構進行設計。該系統采用了先進的軟、硬件配置，使其成為技術領先、成熟可靠，且能充分滿足水電站各方面實用性要求的計算機監控系統。該監控系統已在亭子口水利樞紐水電站中應用一年多，運行正常，使用效果較好，對于今后類似電站的監控系統設計有一定的借鑒作用。

［1］方輝欽.現代水電廠計算機監控技術與試驗［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［2］朱晨，施沖，龐敏，等.基于分布式對象技術的NC2000水電廠計算機監控系統軟件［J］.水電自動化與大壩監測，2002,26（5）:10-13，21.