凌洪政

（嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)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(nèi)，是嘉陵江干流開發(fā)中唯一的控制性工程，是以防洪、發(fā)電及城鄉(xiāng)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(fā)電機組，電站總裝機1100 MW。

發(fā)電機-變壓器采用單元接線，兩組發(fā)電機-變壓器單元接線組成一組聯(lián)合單元，主變壓器高壓側(cè)僅設(shè)隔離開關(guān)；500 kV高壓側(cè)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(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控范圍廣，監(jiān)控對象不僅包括亭子口水電站的水輪發(fā)電機組及輔助設(shè)備、主變壓器、500 kV開關(guān)站、電站公用設(shè)備等電站主輔設(shè)備，同時還涵蓋電站進水口、泄洪閘門及排水泵房等機電設(shè)備。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)與四川省電力系統(tǒng)調(diào)度中心通過以太網(wǎng)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(xié)議，將相關(guān)信息送至調(diào)度中心，接受調(diào)度中心下達的控制調(diào)節(jié)和調(diào)度命令。

2 總體設(shè)計原則

考慮到亭子口水電站在系統(tǒng)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(jīng)濟運行，提高電站運行和管理的自動化水平，電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)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(shè)計。

（2）整個系統(tǒng)采用全計算機監(jiān)控結(jié)構(gòu)。中控室取消常規(guī)的集中控制設(shè)備，采用計算機作為唯一的監(jiān)控設(shè)備；除水機后備保護外，現(xiàn)地控制單元取消常規(guī)布線邏輯回路，由具有冗余設(shè)計的計算機設(shè)備執(zhí)行監(jiān)控。

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

（4）計算機監(jiān)控系統(tǒng)具有容錯功能，主要控制設(shè)備采用冗余配置。

（5）計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)中任何局部設(shè)備的故障均不影響監(jiān)控系統(tǒng)總體功能的實現(xiàn)。

（6）盡可能采用現(xiàn)場總線及遠程I/O單元。監(jiān)控系統(tǒng)中的現(xiàn)地控制單元和各就地設(shè)備能獨立工作。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置

亭子口水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)分廠站級和現(xiàn)地控制單元級兩層。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 亭子口水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

廠站級設(shè)備主要包括2臺套實時信息管理服務(wù)器、2臺套歷史信息管理服務(wù)器、1套歷史數(shù)據(jù)備份服務(wù)器、2臺操作員工作站、1臺泄洪閘集控操作員站、1臺培訓(xùn)仿真工作站、1臺工程師工作站、2臺套調(diào)度通信服務(wù)器、1臺套電話語音報警工作站、2臺套廠內(nèi)通信服務(wù)器、1臺套WEB數(shù)據(jù)服務(wù)器、1臺套WEB發(fā)布服務(wù)器、1套模擬屏、冗余時鐘同步裝置、1臺套外設(shè)服務(wù)器及外設(shè) （打印、存儲設(shè)備等）等。

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

各機組現(xiàn)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(tǒng)遠程I/O柜、2塊機組直流系統(tǒng)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(guān)站LCU6由2塊本地柜、1塊550 kV GIS遠程I/O柜、1塊開關(guān)站直流系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用冗余工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用TCP/IP協(xié)議，遵循IEEE802.3標準，傳輸速率為100 Mb/s，傳輸介質(zhì)采用光纖。

電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)各LCU以下采用冗余的現(xiàn)場總線用以連接遠程I／O及各現(xiàn)地智能監(jiān)測設(shè)備，現(xiàn)場總線為環(huán)形總線型冗余結(jié)構(gòu)。每個LCU設(shè)置無主從關(guān)系的標準或通用協(xié)議的現(xiàn)場總線，通信速率不低于1 Mb/s，以及有主從關(guān)系通信協(xié)議的串口或自由定義的現(xiàn)場總線，通信速率不低于19.2 kb/s。總線介質(zhì)為光纖和雙絞線結(jié)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(xù)供電時間為1 h。

4 與GIS保護測控系統(tǒng)的接口

傳統(tǒng)的開關(guān)站設(shè)備通過I/O方式與電站監(jiān)控系統(tǒng)接口，以保證上送調(diào)度的信息量是直采直送。亭子口500 kV開關(guān)站GIS系統(tǒng)采用保護測控一體化的技術(shù)方案，該方案是以基于GIS智能控制、保護為核心，實現(xiàn)全開關(guān)站保護、測控等的分布式設(shè)計方案，保護集中布置在輔助盤室、測控系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)與500 kV開關(guān)站GIS系統(tǒng)的接口采用網(wǎng)絡(luò)通信和I/O兩種方式。

電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的2臺廠內(nèi)通訊服務(wù)器作為主站與500 kV GIS測控系統(tǒng)的管理機RCS-9698H進行通訊。每臺廠內(nèi)通信服務(wù)器配置4個以太網(wǎng)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(jiān)控系統(tǒng)對500 kV開關(guān)站控制和調(diào)節(jié)的可靠性和實時性，GIS各斷路器位置、隔離開關(guān)、接地開關(guān)等實時性要求高且與控制直接相關(guān)的信號采用I/O方式直接接入布置在GIS室的監(jiān)控系統(tǒng)遠程I/O柜。實時性要求較低且與控制無關(guān)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(wǎng)絡(luò)通信方式接入電站監(jiān)控系統(tǒng)。

電站監(jiān)控系統(tǒng)開關(guān)站LCU及500 kV GIS測控系統(tǒng)都有自動準同期功能，均能實現(xiàn)500 kV開關(guān)站斷路器的同期合閘。根據(jù)500 kV開關(guān)站斷路器應(yīng)由專用的同期裝置完成的原則，確定500 kV開關(guān)站斷路器的同期合閘由開關(guān)站LCU的同期裝置實現(xiàn)。

5 監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點

亭子口水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)有以下主要特點。

5.1 取消模擬屏驅(qū)動器

整個模擬屏內(nèi)數(shù)據(jù)信號采用485網(wǎng)絡(luò)分布式連接方式，設(shè)備主要包括1臺屏控機、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動單元、遙信驅(qū)動單元和遙測驅(qū)動單元。屏控機將從廠內(nèi)通信服務(wù)器收到的RS232信號送到網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動單元，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動單元轉(zhuǎn)換成8路485網(wǎng)絡(luò)接口信號，而每路485接口可驅(qū)動128個遙信驅(qū)動單元和遙測驅(qū)動單元。每個遙信驅(qū)動單元可驅(qū)動16個信號指示燈，每個遙測驅(qū)動單元可驅(qū)動1個表計。

5.2 配置冗余時鐘同步系統(tǒng)

冗余的時鐘同步系統(tǒng)設(shè)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(wèi)星時鐘系統(tǒng)對監(jiān)控系統(tǒng)的主站級計算機和各現(xiàn)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(guī)約接口，向各LCU的SOE模件發(fā)送時鐘同步數(shù)據(jù)。

時鐘裝置除為監(jiān)控系統(tǒng)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(shè)備的對時需要。

5.3 采用無硬盤通訊管理機

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

在與調(diào)度通信中，采用無硬盤方式的工業(yè)級控制微機，實時性很強，一旦網(wǎng)絡(luò)通訊恢復(fù)，最新的實時數(shù)據(jù)就會立刻傳輸?shù)秸{(diào)度中心，而那些由于網(wǎng)絡(luò)通訊中斷而丟失的數(shù)據(jù)對于調(diào)度系統(tǒng)的影響不是很大，因此，目前對于實現(xiàn)調(diào)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(yè)級控制微機。

基于上述考慮，亭子口水電站的調(diào)度服務(wù)器采用專用的無硬盤通訊管理機。

5.4 電站監(jiān)控系統(tǒng)二次安全防護設(shè)備的配置

電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)是安全防護的重點，電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的防護措施主要是對重要的服務(wù)器和通信網(wǎng)關(guān)進行安全加固，以提高操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫的安全性。

根據(jù)電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定，電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)屬于生產(chǎn)控制大區(qū)的控制區(qū) （安全區(qū)I），其中WEB服務(wù)器外移至安全區(qū)Ⅲ，作為獨立系統(tǒng)運行。從安全區(qū)Ⅰ、Ⅱ往安全區(qū)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(jiān)控系統(tǒng)配置了1套NARI公司的Syskeeper2000型正向安全隔離裝置，用于安全區(qū)I/II到安全區(qū)Ⅲ的單向數(shù)據(jù)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(tǒng)基于特別配置的Linux內(nèi)核；實現(xiàn)兩個安全區(qū)之間的非網(wǎng)絡(luò)方式的安全數(shù)據(jù)交換，并且保證安全隔離裝置內(nèi)外兩個處理系統(tǒng)不同時連通；取消所有網(wǎng)絡(luò)功能，并且采取無IP地址的透明監(jiān)聽方式，支持網(wǎng)路地址轉(zhuǎn)換，內(nèi)設(shè)綜合報文過濾，防止穿透性TCP連接；應(yīng)用層解析，支持身份認證，單向數(shù)據(jù)通信控制，單向連接控制，維護管理界面靈活方便。

監(jiān)控系統(tǒng)的實時信息管理服務(wù)器 （2臺）、操作員工作站 （2臺）、工程師工作站 （1臺）、調(diào)度通信服務(wù)器 （2臺）、WEB服務(wù)器 （1臺）、泄洪閘集控操作員站 （1臺）等關(guān)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(tǒng)保護可在不改變操作系統(tǒng)內(nèi)核的情況下，對核心服務(wù)器進行保護。

6 結(jié) 語

亭子口水電站監(jiān)控系統(tǒng)是在滿足合同及相關(guān)規(guī)程規(guī)范的基礎(chǔ)上，在保證系統(tǒng)安全可靠前提下，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)發(fā)展及工程實際特點，充分考慮適應(yīng)用戶的要求，按照冗余化和開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。該系統(tǒng)采用了先進的軟、硬件配置，使其成為技術(shù)領(lǐng)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(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)已在亭子口水利樞紐水電站中應(yīng)用一年多，運行正常，使用效果較好，對于今后類似電站的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計有一定的借鑒作用。

［1］方輝欽.現(xiàn)代水電廠計算機監(jiān)控技術(shù)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(shù)的NC2000水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)軟件［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2002,26（5）:10-13，21.