水電站集成自動化的新方法

[奧地利]　C.曼 等

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水電站集成自動化的新方法

[奧地利]C.曼 等

摘要：闡述了水電站自動化系統最新的市場需求和未來面臨的挑戰。提出了一個新的具有系統集成工程特點的產品平臺，在此單一平臺上可實現勵磁、保護和同步控制等功能。還對系統安全和網絡安全問題進行了探討。

關鍵詞：水電站；水電站自動化；集成自動化

所有水輪發電機組都由電氣化系統保護,發電機機端電壓的調整和機組與電網之間的準同期都由上述電氣系統完成。近一個世紀以來，一直采用基于不同技術和工藝設計的專用機械化和機電化設備來完成這樣的操作。在過去幾十年里，電子計算機的發展帶動了整個控制、調節和自動化系統的改革與創新。數字化和軟件系統控制設備取代了具有歷史意義的機械和機電設備。盡管這些種類繁多的設備都是基于相同的技術,但目前在自動化市場，產品仍然建立在完全不同的平臺上,這與之前獨立功能化產品的發展模式相同。

自動化平臺發展的主要驅動力來自于電訊和IT行業的進步。這些領域的快速發展也影響了其他領域。

由于在各種不同類型的系統之間形成了全球數據互聯，因此保護數據流、設備接入和信道免受網絡攻擊非常重要。為此，安德里茲水電公司(Andritz Hydro)開發出一種名為HIPASE的新產品平臺，以滿足上述需求。

1HIPASE 架構

1.1硬件組態

基于一種新方法的HIPASE 平臺，是一個集成了電氣保護、電壓控制和同期功能的集成產品平臺。它基于最新的軟硬件技術，在硬件配置、用戶界面以及開發工具方面采用了相同的技術方案。

每一個HIPASE設備都由相同的架構、相同的用于過程顯示的觸控面板、相同的可調參數、相同的供電電源，以及相同的計算和通信單元組成，同時，對于常用的數字及模擬信號的輸入輸出也采用了相同的設計。數據采集和用于控制保護系統、電壓控制系統和同期系統的特殊信號的輸出均由特制的應用模塊來實現。一個具有專有協議的內部以太網總線將所有的控制模塊連接在一起。

為了簡化信號和功能需求，先前分離的單個設備可通過多個應用模塊的組合而融合在一個HIPASE上。通過與奧地利林茨大學工業設計研究所密切合作，完成了HIPASE設備的整體設計。

HIPASE平臺的基礎內部結構見圖1。

圖1　HIPASE平臺的基礎內部結構

1.2多層軟件結構

HIPASE 平臺的內部軟件是基于多層架構設計的。在最底層，硬件驅動和硬件抽象層均設計有接口，同系統內其他電子設備連接。在這些多層架構的幫助下，可以在不影響操作系統和基本軟件的前提下實現硬件管理。

為了達到電站安全標準，采用了由威騰斯坦集團開發的SafeRTOS操作系統，該系統滿足了核心應用領域主要的安全需求。工程師們遵循IEC61131-3標準[2013]開發了最頂層的應用層。借助程序組織單元開發了電站應用程序，該項技術來源于功能圖技術。

2系統安全和網絡安全

2.1系統安全

HIPASE平臺的安全架構和開發過程基于IEC 61508[2010]標準的要求，它涵蓋了“電子安全相關系統的功能安全”的要求。

HIPASE平臺內部軟件結構見圖2。

注：POU為程序組織單元。圖2　HIPASE平臺內部軟件結構

為了保障運行安全，并且滿足較高安全標準，所有信號均需采集2次，兩組獨立硬件計算兩次并分別輸出(雙安全系統冗余)。 HIPASE始終為雙通道結構。對于非功能性安全應用，HIPASE也可以用作單信道系統，但另一信道作為備用信道同時采集信號。

2.2網絡安全

由于電力生產和配電網相當復雜，所以網絡安全尤為重要。全世界主要能源組織的大量文獻均強調了網絡安全問題的重要性。

通過全方位和一體化的安全體系結構，保護HIPASE免受網絡攻擊。安全措施受硬件支持，例如在每個裝置中裝有TPM(可信平臺模塊)芯片。該芯片可以確保以下功能的實現：

(1) 安全啟動進程;

(2) 正確簽署并加載固件;

(3) 確保工程工具與設備之間的通信安全；

(4) 確保設備與外界溝通的安全。

此外，主板內部結構包括一個專用通信CPU，把來自上游端口(外部世界)的協議轉換成內部數據格式。在安全應用場景下，應用程序CPU會擴大一倍，并從通信處理器中分離出來(其請求不會被通信處理器進行處理)。因此，外界的任何攻擊均不會對應用本身產生影響。

HIPASE平臺的獨立通訊系統見圖3。

圖3　HIPASE平臺的獨立通訊系統

3工程與維護

HIAPSE的工程工具集成并全面涵蓋了工程開發的各個環節。所有用于電氣保護、電壓調節和準同期的應用程序，均使用相同的工具進行系統配置、參數修正和文檔管理。

HIPASE平臺系統工具是基于簡單的人體工程學設計，其用戶界面是與奧地利林茨大學工業設計研究所合作開發設計的。

HIPASE系統的菜單結構是按照工程流程的順序進行設計的。簡潔明了的外觀，以及直觀的用戶體驗是該系統的重要特點。這種方式貫穿于工程開發的各個環節。除了硬件配置和參數化，系統也協助完成項目特定的其他功能。

所有的參數均可通過工程工具或直接操作人機界面來調節。豐富的用戶權限管理功能，完善了上述管理操作等其他類型的工程流程設置。通過保護裝置參數化的措施，使借助可視化故障矩陣來設置緊急故障信號成為可能。此外，用戶接口工具和人機界面均采用多語系設計，可在國際上通用。

汪朝輝張卓然譯

(編輯：朱曉紅)

中圖法分類號：TV736

文獻標志碼：A

文章編號：1006-0081(2016)02-0025-02

收稿日期：2015-11-06