淺析大橋水庫水力發電廠通訊網絡現狀及未來發展方向

蘇　亞

(涼山州大橋水電開發總公司，四川 西昌　615000)

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淺析大橋水庫水力發電廠通訊網絡現狀及未來發展方向

蘇亞

(涼山州大橋水電開發總公司，四川 西昌615000)

摘要：介紹了大橋水庫水力發電廠計算機監控網絡目前的狀況及存在的問題，對未來計算機監控網絡的建設及遠控中心網絡建設做初步的規劃。

關鍵詞：水利發電廠；監控系統網絡；遠控中心網絡

Abstract：The current situation and existing problems of computer monitoring network in hydroelectric power plant of Daqiao Reservoir are introduced, and the preliminary planning for the network construction of future computer monitoring and remote control center is carried out.

Key words：hydroelectric generation plant; monitoring system network; remote control center network

大橋水庫水力發電廠位于四川省涼山州冕寧縣境內，是安寧河流域開發的龍頭電廠，電廠為引水式電廠。電廠最大水頭189 m，設計水頭156 m，最小水頭130 m。安裝4臺立軸混流式水輪發電機組，單機容量25 MW共 100 MW。電廠始建于1993年11月，于2000年6月投產。大橋水庫水力發電廠水庫具有年調節性能，是四川電網枯季主力電廠之一。

1大橋電廠計算機網絡基本情況

1.1電廠計算機監控系統網絡情況

受制于當時的技術與價格等因素，大橋電廠廠內計算機監控系統網絡為單星型網絡，該結構一般只設置一個獨立的網絡來連接上位機各節點和現地各控制單元。這種結構的優點是網絡設備使用少、結構簡單、造價低;但同樣也有不少缺點，如過度依賴單一網絡，中心節點工作負擔過重，單一網絡或任一中心節點故障后整個計算機監控系統便趨于癱瘓。

大橋電廠計算機監控系統網絡層次分廠站級和現地級：廠站級網絡，由100 Mbps的工業以太網交換機、2臺上位機操作員站、2臺后臺服務器及2臺通訊機組成，負責全廠設備的監視、控制指令的下達和管理；現地級網絡，由開關站LCU、公用LCU和4臺機組LCU組成，負責上位機下達指令的執行，負責機組數據采集及上送，以及和其他設備的管理工作如勵磁系統、調速系統的調節控制和輔助設備監視工作。

1.2省調通信的情況

大橋電廠目前采用光纖網絡和省調通訊，通過租用電信的2 M帶寬，經冕寧及西昌的電信通訊站進行轉接，接入西昌電業局通訊網絡，從而進入四川省電力系統專用數據網。

2大橋電廠網絡系統目前存在的問題

2.1電廠計算機監控系統網絡存在的問題

由于大橋電廠使用單星型網絡結構，中間節點交接機工作任務重以及設備老化等原因，光纖與交換機之間采用了以太網轉換器增加了中間環節，降低了網絡可靠性。運行中多次出現上位機操作員站對機組發出指令后，下位機LCU不執行或延遲執行的情況。依據國網四川省電力公司規定，國網四川省調度控制中心下發電廠負荷曲線調整指令后，電廠必須在一分鐘以內完成負荷調整，電廠運行人員必須在規定時間內完成相關操作。運行人員曾經在上位機下達負荷調整指令后，機組負荷并未按照相應指令進行調整，但計算機監控系統簡報窗口提示指令已經下發，多次操作無效后，緊急狀況下，運行人員只能快速趕到廠房，在現地對機組LCU進行負荷調整操作，搶在規定的時間內完成負荷曲線調整。

圖1　單星型網絡結構圖

面對此故障，采用從上位機系統“PING”下位機系統查看網絡延遲及數據接收狀況發現上下位機網絡丟包率高達13%，造成指令的延遲執行，對機組的安全運行影響非常大，電廠的經濟效益也受到很大的影響。

2.2省調通信存在問題

大橋電廠外部網絡通信目前采用租用電信帶寬的方式，日常使用中可靠性差。由于冕寧電信通訊機房遠離縣城，機房電源處于農村電網中，農村電網供電可靠性差，經常發生線路故障造成機房停電，且停電時間長，一般為1～2天。停電后機房蓄電池組只能保證3 h供電時間，因此大橋電廠對外通訊網絡經常會出現1～2天的中斷時間，電廠的實時數據不能上送，國網四川省調度控制中心的各類調令不能接受，嚴重影響到電廠的安全運行。按照國網四川省電力公司要求，電廠數據網絡中斷時間不能超過4 h，超過4 h將按20 000 kW·h發電量進行處罰。經統計，近3年來由光纖線路故障造成通訊中斷的情況就有十幾起，且中斷時間都不低于4 h，累計處罰電量超過200 000 kW·h，對電廠的經濟效益造成了巨大損失。

3大橋電廠網絡及遠控中心網絡建設方案

3.1大橋電廠站內計算機監控網絡改造方案

擬建中的大橋電廠遠控中心監控系統通過遠控中心通訊服務器與大橋電廠遠控中心通訊服務器連接，監視和控制大橋水庫水力發電廠的運行設備。為滿足遠控中心功能要求大橋電廠站內計算機監控系統網絡也將做相應的升級建設。計算機監控系統網絡建設需結合計算機監控系統配置和設備選型應符合計算機發展迅速的特點，充分利用計算機領域的先進技術，系統達到當前的國際先進水平，建設完成后解決目前計算機監控網絡存在的問題，確保電廠的安全穩定運行。

為達到系統升級目的，首先大橋電廠站內監控系統網絡結構將由單星型網絡改為雙星型網絡。改造后的監控系統網絡滿足網絡使用的可靠性和安全性，無論監控網絡中任何一節點出現故障都不會影響整個網絡的運行。同時，將使用傳輸效率更高，傳輸質量更可靠的光纖交換機取代以太網轉換器，減少故障環節，保障通訊質量。其次，基于現地級網絡的機組LCU由目前的單PLC配置改為雙PLC配置，即采用雙機雙網的CPU模件構成CPU冗余系統。2個CPU模件1個為主機運行，1個為從機運行， CPU模件之間通過高速內部總線實時備份數據。主CPU完成梯形的執行，并且向從CPU實時備份數據。當主CPU模件出現故障時，從CPU能夠自動升為主機運行，保證系統運行不受影響。

圖2　雙CPU雙星型網絡結構圖

3.2遠控中心網絡系統

3.2.1網絡系統結構

整個遠控的監控系統網絡架構由以下3部分構成：

1)主干網絡：即貫穿四川涼山大橋水電廠遠控中心和大橋水電廠監控系統網絡的網絡，為1 000 Mbps的交換式雙星型以太網。在該主干網上連接遠控中心上位機設備和電廠監控系統的遠控中心通信服務器。

2)站級網絡：大橋電廠內部的計算機監控系統網絡，由不低于100 Mbps的工業以太網構成，連接電廠內服務器兼操作員站和各個現地控制單元LCU。

3)現地級網絡：電廠現地控制單元設備。

為滿足國網四川省電力公司要求，遠控中心網絡需具備雙通道專網配置，兩回專網光纖通道路組成如下：通道1，由大橋電廠220 kV線路進石棉新棉開關站，租用新棉開關站帶寬接入國網四川省電力公司系統專網；通道2，從位于西昌大橋開發總公司基地內大橋電廠遠控中心自建光纖線路至國網涼山供電公司，由國網涼山供電公司接入國網四川省電力公司系統專網。同時目前正在使用的租用電信2 M帶寬通道將作為備用通道。建設完成后大橋電廠將同時具備3條獨立線路與國網四川省電力公司進行數據實時傳輸和業務下達，徹底改變目前頻繁斷鏈的通訊狀況，對電廠運行的安全性和穩定性有極大的提升。

3.2.2遠控中心設備配置

遠控計算機系統由2臺冗余的歷史數據服務器(含磁盤陣列)、2臺主機兼操作員工作站、1臺工程師工作站、1套ON-CALL系統工作站、2臺系統通訊服務器、2臺遠控中心通訊服務器、2臺1 000 M工業級交換機、2套IEC 870-5-101規約通信設備、1套入侵檢測系統(含入侵檢測探頭及管理計算機)、1套時鐘同步系統(主備式，GPS+北斗衛星)、1套UPS(2×40 kVA，并聯冗余)、2臺A3激光打印機等組成。

遠控中心控制網絡采用100 M/1 000 Mbps工業級以太網，通過雙星型方式連接遠控中心上位機設備。控制區網絡采用帶有3層交換功能的100 M/1 000 Mbps工業級骨干交換機，接入貫穿大橋電廠和遠控中心的光纖主干網中。

所有需要與外部系統進行交換的數據，均放置在數據交換服務器的數據庫中，以避免對實時性和安全性要求程度高的計算機監控系統的非法入侵和干擾。網絡應用層協議采用國際上通用的、使用范圍較廣的開放標準，例如IEC 61850、IEC 60870-5-104、Modbus TCP、Ethernet IP、OPC等。

遠控中心計算機系統通過以下方式與電廠通信：

1)主通道：帶寬155 Mbps光纖通道，信息傳輸采用RJ45以太網接口；

2)備用通道：帶寬155 Mbps光纖通道，信息傳輸采用RJ45以太網接口；

3)應急通道：帶寬2 Mbps電信光纖通道，信息傳輸采用RJ45以太網接口。

遠控中心計算機監控系統至大橋電廠主備通道的通信接口規約均采用IEC 60870-5-104規約，應急通道的通信接口規約采用IEC 60870-5-104規約。通道切換應按照如下的切換原則實現切換：正常情況下主通道運行，主通道故障時自動切換到備用通道運行；在主/備通道正常運行時，應監聽應急通道的狀態，當主/備通道均故障時自動切換到應急通道運行；在備用通道運行時如監測到主通道正常，可自動切換到主通道運行；在應急通道運行時如監測到主/備通道正常，可自動切換到主/備通道(主通道優先)。

4整個監控網絡系統特點

1)開放。監控系統應完全符合國際標準定義的開放式環境，如采用Unix、Windows等操作系統，其中通信網關機應采用Unix、Linux操作系統，編程采用C語言等高級語言，應用程序的開發界面采用功能圖語言。

2)分布。功能和數據庫分布在系統各節點上。使本監控系統具有更高的效率、更高的可靠度及更好的可擴性。

3)高度可靠、冗余。本系統采用冗余全光纖的1 000 Mbps交換式快速以太網、冗余系統服務器和冗余電源系統等。

5結語

整個監控網絡系統的建成將有助于大橋電廠的穩定運行，徹底解決大橋電廠目前運行中存在的電廠監控系統網絡脆弱、對外通訊不穩定等一系列問題。電廠側更新后的雙星型計算機監控系統網絡和雙CPU的PLC冗余系統當系統發生故障時，冗余配置的部件及時介入并承擔故障部件的工作，從而達到電源的無干擾切換、網絡的無干擾配置等積極效果，有效地縮減了系統的故障時間，達到了保證系統正常運行的目的。遠控中心計算機監控系統按照上述標準配置建設完成后將能夠實時、準確、有效地完成所有被控對象的安全監視和控制任務，并最終實現“無人值班”(少人值守)的運行方式，從而大大提高電廠的經濟效益。

中圖分類號：TM622

文獻標志碼：B

文章編號：1003-6954(2016)02-0091-04

作者簡介：

蘇亞(1985),從事電廠計算機監控系統維護工作。

(收稿日期：2015-11-11)