水電站計算機監控系統智能化改造的思考

俞鴻飛，徐　麟，束炳芳，包震洲，王　霄，肖　龍

（1.浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江 麗水 323000；2.國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇 南京 210003）

水電站計算機監控系統智能化改造的思考

俞鴻飛1，徐麟2，束炳芳1，包震洲1，王霄1，肖龍1

（1.浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江 麗水 323000；2.國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇 南京 210003）

摘要：簡述了水電廠計算機監控系統的應用現狀和發展趨勢，提出了智能化改造的基本目標和技術原則，概括了監控系統結構和特點，重點探討智能化改造關鍵技術——統一平臺。

關鍵詞：水電廠；計算機監控系統；智能化改造；發展趨勢；統一平臺

0　引言

隨著計算機技術、信息技術、網絡技術和測控技術的飛速發展，近10多年來KVM系統、大屏系統、觸摸屏、磁盤陣列、工業交換機、二次系統安全防護設備（如橫向物理隔離裝置、縱向認證加密裝置等）、時鐘同步系統、數據備份系統、遠程診斷系統等通用新技術在水電廠計算機監控系統得到廣泛的應用。同時電站裝機容量的不斷擴大、控制流程的日益復雜、安全性要求的顯著提升等大型水電機組特點，對水電廠計算機監控系統在實時性、可靠性、系統安全、可維修性和可用性等方面提出了更高的要求。

1　水電廠計算機監控系統應用現狀和發展趨勢

隨著水電廠“無人值班”（少人值守）工作的推廣和無人值班工作的開展，國內大中型計算機監控系統市場已步入成熟期。設備選型方面，主流上位機硬件平臺多采用國際知名品牌的計算機產品，現地控制單元（LCU）多采用國際或國內知名品牌的PLC（或智能控制設備）產品；主流軟件平臺主要包括UNIX、LINUX操作系統，C、JAVA等編程語言以及ORACLE、MYSQL數據庫等。

目前大中型水電廠計算機監控系統基于已成熟應用分層分布式開放冗余結構，在傳統現地控制層和電站控制層的基礎上，將非實時控制信息（如歷史數據庫查詢信息等）分離出來由生產管理層處理，同時增設電站信息層處理WEB信息發布等業務。這些設計提高了整個系統的實時性、安全性、可靠性和可維護性[3]。

新型水電廠計算機監控系統軟件架構集成了傳統的客戶/服務器（C/S）模式和基于J2EE的瀏覽器/服務器（B/S）模式，具有良好的可移植性、可擴展性和易用性。現場總線網、控制網采用高效的通信協議，實時數據流和非實時數據流分層處理，提高了系統實時性。硬件濾波采集技術、智能測控儀表、開關保護器和各種冗余技術（包括電源、網絡、服務器、數據庫等方面）已成熟應用，提高了系統的可靠性。電廠運行方式無擾動切換策略、AGC/AVC與一次調頻/PSS的協調控制策略和安全閉鎖策略、各種電力二次系統安全防護設備和防誤操作閉鎖策略（如雙用戶登錄、語音畫面提示等）已逐步推廣應用，提高了系統的安全性。智能報警技術、智能事故分析技術、面向對象技術和LCU的遠程分布和智能分布技術已逐步推廣，使用運行和維護更高效。

隨著國家大力發展清潔能源和國家電網公司堅強智能電網戰略的實施，基于IEC61850標準的智能PLC技術作為智能水電廠的重要組成部分，將成為水電廠計算機監控系統新的發展趨勢[4]。

2　智能化改造的基本目標和技術原則

2.1基本目標

1）生產過程控制的智能化：完成電站計算機監控系統的智能化升級，通過對通信傳輸和計算機網絡系統的改造，實現電站遠方智能集中控制。

2）運行調度決策的智能化：實現智能化聯合調度，提高全廠經濟運行水平。

3）數據信息平臺的一體化：完成數據信息統一平臺建設，逐步實現各自動化系統之間、系統與數據采集之間的IEC61850互聯，實現各生產自動化系統、管理信息化系統數據的共享與綜合應用。

2.2技術原則

1）安全可靠性：智能化改造首先必須遵守的安全、可靠性的原則。應采用成熟可靠的技術和產品，確保改造后的系統能安全、穩定、可靠地運行。

2）開放性：廣泛采用國際、國家或行業標準和規范，如IEC61850，提高系統的開放性。應選用國際或國內知名廠商的標準化產品，以方便備品備件及后續升級，系統接口采用標準化開放型接口，保證第三方設備的直接接入。

3）先進性：追求技術先進和一定的超前性，但不盲目追求先進而損害安全可靠性，充分考慮技術的先進性與生產的安全性的合理平衡。

4）具有信息數字化、功能集成化、結構緊湊化、狀態可視化等主要技術特征，符合易擴展、易升級、易改造、易維護的工業化應用要求。

3　水電廠計算機監控系統結構和特點

3.1系統結構

1）按照智能水電廠自動化系統的結構，在邏輯結構上分為三個層次，根據IEC61850通信協議定義，這三個層次分別稱為“過程層”、“現地控制層”、“站控層”。各層次內部及層次之間采用高速網絡通信。

2）分布式結構

為了提高系統的實時性及可靠性，系統采用全分布式體系結構，即功能分布和分布式數據庫系統。整個系統分成廠站層和現地控制單元兩層。全廠實時數據庫和歷史數據庫分布在廠站計算機中，各單元數據庫分布在各個LCU中，系統各功能分布在系統的各個節點上，每個節點嚴格執行指定的任務和通過系統網絡與其它節點進行通訊。

3）網絡結構

控制主干網采用傳輸速率1 000Mb/s的雙光纖網絡，其通訊協議和標準應是通用、先進且成熟可靠的產品。該層網絡為雙冗余熱備。

廠站層的信息網采用傳輸速率1 000Mb/s，傳輸速率應為自適應式，采用TCP/IP協議，遵循IEEE802.3標準。傳輸介質為超五類雙絞線或1000Mb/s光纖。

4）現地控制單元通過100M以太網，直接實現與上位機（廠級計算機）的通訊，現地控制單元采用分層分布式系統結構，輔助設備（包括溫度、壓油泵、技術供水和頂蓋泵等）采用現地PLC進行數據采集處理，實現對機組輔助設備的監控。

3.2系統特點

1）整個系統采用全計算機監控結構。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；同時設置獨立PLC構成的水機后備保護回路。

2）現地監控單元與上位機采用IEC61850標準協議進行通訊。

3）調速器裝置、勵磁裝置和保護裝置直接與上位機采用IEC61850標準協議進行通訊，同時LCU也能夠與調速器、勵磁、保護進行實時通訊。

4）現地監控單元內部采用IEC61850或現場總線，保證能與雙冗余的CPU進行通訊。冗余配置是指CPU冗余（雙CPU）和與上位機通訊網絡冗余，其它輸入輸出模件不作冗余配置。

5）加強現地層控制功能，提高現地層可靠性。

4　智能化改造關鍵技術——統一平臺

4.1信息流程與處理

現地級自動化系統的數據是智能化統一平臺的基礎數據源，對于直接接入的系統智能統一平臺的應用設計中對設備數據實現統一的數字化傳輸，數據傳輸應以國際公認的電力行業標準IEC61850為基礎，在現地數據傳輸層實現標準化的信息傳送，各現地級自動化系統或智能化設備以應用節點的形式加入標準協議的高速數據通信總線，共享總線中的信息數據，數據總線針對重要和特殊的應用提供傳輸冗余機制，各現地系統通過標準的數據總線即可實現各類水電廠運行調度數據的共享，保證數據統一性。

對于不直接接入統一平臺的系統，數據在經過現場統一總線傳輸后，由各系統自己負責分析處理，最終由各系統匯總按IEC61970標準傳輸至統一平臺數據中心，由統一平臺數據中心統一對外發布各種數據和進行綜合決策分析。

各種數據服務匯總至應用服務層后，由服務組件對各種信息進行分析處理，形成統一平臺需求的最終信息結果，并以多種客戶端表現形式展現給用戶，該層為信息的最終處理加工層，同時也是最終平臺客戶請求的各種數據的通道，包括實時信息與資源分析結果，最終均通過該層提供給用戶。

系統優化調度控制應用具備以IEC61970為基礎的面向服務的對外信息交流接口，可將本系統的優化調度方案或其他應用所需的數據信息傳送至上級電力調度機構或上下游電廠，同時也可從上級電力調度機構或其他部門接受調度運行或各種應用資源，從而實現電廠運行調度管理交互，統一平臺的應用服務提供此種應用。

智能化統一平臺的數據在現地監控系統、數據中心、應用服務平臺、外聯部門間相互交互，整體結構如圖1所示。

圖1智能化統一平臺總體架構

4.2統一平臺結構

系統采用面向服務的SOA集成方式，分為數據訪問層、應用服務層、人機界面層等三層體系結構，其中，數據訪問層主要負責水電廠數據模型的統一標準的制定與數據信息維護，其中主要包括文件、歷史數據、實時數據等，在底層規范的基礎之上設計關系型數據庫，并提供統一的數據訪問層接口，可通過接口直接進行數據與模型的操作，屏蔽數據庫的特異性，接口通過對象引用直接調用，保證數據層效率，數據層同時需維護水電廠各區數據的同步，將不同區的數據根據需求進行跨區同步，并保證數據的一致性。

應用服務層需提供各類業務邏輯的服務器端服務接口支持，能夠實現遠程對象調用與管理、消息的注冊、監聽與管理，同時服務應具備可擴展性，支持企業級服務集成，以及各類服務中間件，保證系統服務層接口能夠適應不同場合的應用。服務架構應統一考慮各類通用業務的設計，如權限、日志、事務、異步、異常等，滿足不同水電廠應用的需求，保證二次開發與擴展的可行性。同時服務接口需根據業務進行高度抽象與規劃，保證服務端程序在今后的復用性以及應用的可組態性。針對采集、通信、報警、任務，分別制定不同的技術框架滿足日常運行維護的需求，并考慮對統一服務發布接口的支持。

人機界面層需制定統一的圖形、報表應用標準，實現不同類圖形應用的一體化規范設計，各類圖形對象可通過統一的描述規范實現存儲、展示與編輯。需建立C/Sswing框架與Web應用框架，保證從中間服務層以上應用的一致性。人機界面應實現布局管理與插件式應用，使得人機界面的應用可根據需求不斷進行添加與修改，并保證后續開發的可擴展性。

系統結構如圖2所示：

圖2智能化統一平臺系統結構

4.3統一平臺基本應用

1）系統監視與管理

對整個系統進行分布化管理,包括系統配置管理、進程管理、安全管理、資源性能監視、備份/恢復管理等。并提供各類維護工具以維護系統的完整性和可用性，提高系統運行效率。

2）對外信息發布

智能統一平臺建設的一個重要功能，是作為WEB門戶與對外信息中心的載體。針對發電企業對實時過程數據和生產管理與決策分析等不同層面的實際需求，實現對分散于各部門（廠站）專業系統的數據進行規范化組織，統一管理，集中加工處理以及系統間的數據交互的標準化，并在此基礎上提供多種方式的數據展現、報表、分析和維護功能，以及進一步的數據挖掘，最終簡化日常海量數據處理工作，為生產運行各個環節以及決策制定提供可靠支持。

對外信息發布的客戶端配置不受地點、硬件、軟件的制約，客戶端終端(普通安裝WINDOWS系列操作系統的PC機或便攜機)可在任何地點，通過撥號或網絡線連接到Web服務器上。服務器端維護簡單，只需簡單配置以及安裝程序文件，并重啟Web服務軟件即可立即生效。客戶端除了安裝Web瀏覽器以外，不需任何其他應用軟件的支持，在瀏覽器上訪問Web服務方法同一般的上網瀏覽完全一樣。

5　結語

本文通過對水電廠計算機監控系統的應用現狀和發展趨勢的分析，對水電廠計算機監控系統智能化改造的重點進行解析，力求改造后的系統設計理念先進、設備穩定、控制可靠，以保證電站的正常可靠運行。

參考文獻：

[1]DL/T578-2008水電廠計算機監控系統基本技術條件[S].

[2]楊永福，張啟明.大中型水電站計算機監控系統改造設計探討[J].水電自動化與大壩監測，2006，30(2).

[3]施沖，朱辰，方輝欽，等.水電廠計算機監控技術發展趨勢分析[J].水電自動化與大壩監測，2002，26（6）.

[4]嚴杰，蔡守輝.智能水電廠現地控制單元發展趨勢研究[C] //全國水電自動化技術學術交流研討會論文集，2010.

中圖分類號：TV736

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）07-0010-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.003

收稿日期：2015-04-30

作者簡介：俞鴻飛（1965-），男，高級工程師，從事水電廠生產技術管理工作。