大源渡水電站計算機監控系統改造設計與技術分析

賀意飛

（湖南省水運建設投資集團有限公司，湖南 長沙410004）

1 概況

大源渡水電站位于衡山和衡東兩縣交界處的湘江干流上，是由湖南湘江航運建設開發公司建設的國家重點工程，裝機為4臺30 MW的燈泡貫流式機組。1998年12月，首臺機組并網發電，1999年10月，全部4臺機組投入商業運行。計算機監控系統全部由奧地利ELIN公司提供。2008年，計算機監控系統做了局部改造，但由于最初設計與技術限制原因，系統還存在一些問題。

2 原監控系統結構介紹與分析

2.1 現地控制單元

機組LCU1～LCU4的CPU機架采用AK1703系列模件，CPU通過以太網與SAT公司的上位機SCALA6.3系統連接。早一代SK系列IO模件配置在AK1703機架中，與CPU協同工作。同時，CPU通過SIM-BUS總線與AM系列IO模件連接，進行數據交互。中壓室I段、II段LCU采用TM1703系列模件，通過以太網與上位機連接。開關站I段、II段LCU，CPU機架采用AK1703 CPU，僅負責與上位機通信。該CPU通過SIM-BUS總線與3套AM系列模件連接，3套AM模件分別獨立負責開關站I段、II段與近區的IO采集、邏輯運算。設置獨立的LCU9，實現與全廠LCU通信，再將數據轉發至LCU10。LCU10負責與調度通信，模擬屏開出和模出的驅動。

2.2 電站控制層

上位機采用冗余配置，互為熱備用，兼做操作員站與歷史數據存儲站。安裝操作系統為Windows XP，監控軟件為SCALA系統。全廠網絡為單環網結構。電站控制層與現地控制單元之間采用國際標準化開放系統規約IEC61870-4-104協議。系統結構圖見圖1。

2.3 原監控系統存在的主要問題

（1）經過近20年運行和多次局部改造，現地控制單元雖然實現了以太網通信，但是模件種類繁多，雜合了ELIN公司AM、SK、AK、TM 4代產品。LCU構架復雜，新CPU帶老IO的設計模式，放大了SIM-BUS總線的瓶頸問題。由此帶來的運行及維護風險隨著時間推移不斷提升。

（2）數據流設計繁瑣。現地數據送至調度，先后需要經過LCU采集，經由以太環網發送至LCU9匯集，轉發網關LCU10，最終通過LCU10的通信處理模件送出至調度。全過程有2個104主站、子站進程及1個101子站進程傳遞數據。繁瑣的中間環節降低了上送數據的實時性，同時對于通信中斷后的故障分析造成了諸多潛在問題點。

（3）上位機系統采用Windows操作系統，不滿足電力系統二次安防的強制需求。監控軟件SCALA為純英文人機界面，對于運行維護人員友好性不足。

（4）環網架構提高了系統的可靠性，但隨著技術的發展，雙星型網絡與雙環網的普及，全系統的網絡有優化提升的空間。

圖1 系統結構圖

2.4 原計算機監控系統改造的必要性

基于大源渡水電站計算機監控系統的硬件日益老化，產品類型繁雜，多次局部升級引入的不徹底等種種現狀，利用最新的技術成果，建設新一代滿足二次安防標準的計算機監控系統越發顯得重要。與此同時，為適應企業生產與管理需要，在長沙設立聯調中心，實現對大源渡水電站的遠程監視與控制，也是計算機監控系統改造實施中需要增加的重要功能。

3 新監控系統改造設計

3.1 總體介紹

采用南瑞集團NC3.0計算機監控系統，按無人值班原則設計，選用開放式、分層分布的系統結構，主要分為3層：電站側兩層，分別為廠站集中監控層（即上位機系統）和現地監控層（即下位機系統），長沙聯調中心側一層，為聯調集中監控層。3層協調完成電站的管理、控制、調節等任務。其中，上位機系統采用按模塊化、結構化設計的、具有良好開放性和可移植性的面向大型電廠的NC2000 V3.0監控軟件，主要完成全廠數據分析/處理/存儲/查詢、控制調節、AGC/AVC/EDC高級運算、調度/梯調通信、事故指導等功能。

3.2 現地監控層

機組LCU統一為AK1703系列PLC，取消原SIM總線，取消AM及SK模件，升級為雙CPU雙網。增加串口通信模件，用于增加與現地觸摸屏、調速器系統、勵磁系統等的通信數據交互。增加獨立水機PLC，實現對重要事故停機信號的監控與緊急停機自啟動。水機PLC也同步接入監控主網，運行人員可以監視信號，對異常停機進行事故分析。中壓室LCU沿用TM系列模件，重構PLC代碼，實現與新上位機系統的數據上下行功能。近區與開關站I段LCU合并為LCU5，統一為AK1703系列PLC，升級為雙CPU雙網。開關站II段LCU設置為LCU6，統一為AK1703系列PLC，升級為雙CPU雙網。合并原數據轉發LCU9和調度通信LCU10功能，設置新LCU9，實現公用輔助系統設備控制、400 V備自投控制及模擬屏數顯的驅動。調度通信功能從LCU轉移至獨立的2套調度通信機，實現了冗余功能。

改造完成后的現地監控層，各LCU功能清晰，減少了耦合度；取消了內部串行總線，數據采集和刷新速率提升；全部實現雙網，增加了可靠性。

3.3 廠站側集中監控層

采用基于Linux操作系統的全中文NC3.0應用軟件。設置雙主機，1臺為主用機，負責與全廠LCU通過IEC61870-4-104協議進行通信。另外1臺為熱備用機，隨時可以無擾動切換為主用機。設置一組獨立冗余歷史存儲節點，對所有變位信號，模擬量信號、電氣量信號，及運行人員操作動作、系統自診斷信息進行存儲記錄。設置并列調度通信服務器，建立與調度的雙機雙路數據傳輸通道。

全廠設計1套對時系統，同時接收GPS與北斗雙路信號，提供NTP服務發布至監控雙主網，給系統中的所有服務器和現地控制單元CPU提供對時功能，并提供B碼輸出用于保護系統。

3.4 聯調側集中監控層

采用基于Linux操作系統的全中文NC3.0應用軟件。歷史數據存儲使用HP P6550磁盤陣列套件，為后續多電站、海量數據存儲提供有效擴展空間。設置冗余聯調通信服務器，用于與電站側服務器對接，理論通信鏈路配置為4條，其中激活鏈路1條，其余3條為熱備用，把通信中斷導致聯調對電站失去控制的風險降到最低。

設置“聯調中心、電站”2種權限模式，只有將“全廠控制權切至聯調中心”時，聯調中心才具備對電廠的控制權。但是否具備對各個LCU的操作權，仍由各LCU操作權歸屬決定。聯調中心與電站之間的通道發生故障、監控系統發生故障等原因引起遠程聯調失效時，全廠控制權和各LCU操作權則自動或者手動切換到電站。

3.5 二次安防設計實施

按照二次安防技術指導要求，全面加強系統防護。

（1）用于與PLC通信的主服務器和調度通信服務器均配置了加固操作系統。

（2）采用橫向隔離、縱向加密的原則，電站側監控系統配置防火墻，監控系統上送水情水調數據需要穿透防火墻的防護。電站側與聯調側監控系統之間配置冗余縱向加密，傳輸數據數字加密，杜絕了通道上的竊聽與篡改。

（3）服務器關閉無用端口，交換機配置接入MAC綁定策略，排除系統內部異常入侵。

4 新監控系統改造技術分析

計算機監控系統涉及到全廠設備，一是技術風險大，如有小疏漏將會造成機組非計劃停運或其他重大意外事故。二是改造過渡過程必須結合檢修計劃，單套改造時間緊迫，整體改造周期長。改造實施前，經過充分調研，設計了新老系統并列運行而通信合并的特色過渡方式。

4.1 并列運行網絡

對于改造的LCU，逐步從原監控系統環網中退出運行。因退出運行LCU的交換機作為原環網中的1個節點，一旦退出節點達到2個，將造成原環網功能的失效。于是設立替代耦合器，對接環網雙側光纖。該方案確保了原系統單網的可靠性無任何降低，同時新雙星型網絡另外重新建設，互不干擾。

4.2 新老系統的數據交互

因機組的電氣量數據采集接入點及斷路器位置信號在中壓室LCU7，因此當單套機組LCU改造完成后，新LCU必須從老系統LCU7讀取數據，以保障機組數據狀態的完整性。綜合考慮了多種實施可能性后，最終采用如下方案：建立1套橋接CPU作為過渡節點，該CPU一路網口連接新監控系統，作為系統中的一個節點；一路網口連接老監控系統，也作為系統中的一個節點。如圖2所示，第一步，橋接CPU作為104主站，獲取老系統LCU7子站上送的數據。第二步，橋接CPU內部把收到的數據轉換為104子站數據，送至新監控系統MAIN服務器。第三步，MAIN服務器利用和機組LCU的已有104通信，用遙控遙調模式，把數據下載至機組LCU。

圖2 老系統向新系統通信

與此同時，新改造的機組LCU信號還需要通過原監控系統通道送至調度。如圖3所示，第一步，MAIN服務器把調度需要的數據，通過與橋接CPU已建立的104通信，采用遙控遙調方式下載至橋接CPU。第二步，通過橋接CPU與老系統已建立的104通信，采用遙控遙調方式把數據流傳輸至LCU9。此時，分析截取原LCU9中對應機組LCU的數據編碼地址，把橋接CPU轉發來的數據依然寫入原地址中，則完成新系統數據替換工作。對于真實與調度建立通信的LCU10，則感受不到任何配置上的變化，無需修改與調度關聯的參數，真正做到了數據平滑過渡。

圖3 新系統向老系統通信

利用以上方式，在實際逐套LCU的改造中，數據交互分段進行替代。對于調度與運行人員，減少了改造帶來的影響。

5 目前監控系統存在的問題

通過升級改造，大源渡水電站計算機監控系統的性能和穩定性大大提高，但是由于各種原因，目前監控系統依然存在幾個問題，要特別引起運行、維護人員的重視。

（1）現有二次安防的設備，隨著安全防護標準的不斷提升，不能完全滿足其最高標準。比如，缺少入侵檢測設備，對于來自系統內部的入侵，只能通過封閉端口、網口等物理措施，阻斷入侵，但無法記錄、跟蹤入侵點、入侵行為和入侵時間，進而無法評估和反饋全系統的安全性。缺少日志審計設備，對分散在全系統中各型號裝置的日志文件，缺乏集中管理與分析。

（2）電站側集中監控層和聯調側集中監控層，暫時只考慮了計算機監控系統的接入。隨著智能水電廠的技術進步與標準發展，水電站使用統一數據平臺已經初顯趨勢。統一數據平臺涵蓋監控、水情水調、振動振擺、狀態檢測、趨勢分析、工業視頻、環動監測、安全警告等多專業，連接了之前分散的數據孤島，為大數據智能分析提供了數據基礎。把現有的集中監控層發展為統一數據平臺是下一步可以考慮的方向。

（3）現地監控層LCU數據耦合度依然很高。受制于建站初期二次布線的約束，不同LCU之間數據交互依然非常復雜，導致某單套關鍵LCU停運至少會影響關聯LCU的數據正常運算。多點對多點的網狀數據流傳輸模型，也給后續維護和PLC代碼完善增加了難度。

（4）模擬屏驅動模式陳舊。為適應現有模擬屏，此次改造配置了造價高昂的PLC模件，而主流模擬屏早已摒棄傳統二次回路驅動，改用串口通信驅動，更優秀的產品則采用網絡通信方式。模擬屏本身也逐步被大屏幕所替代。因建站初期設計的模擬屏包含手動同期回路，導致其遲遲不能升級換代，成為了限制計算機監控系統進一步智能化的一個瓶頸。

6 總結

大源渡水電站計算機監控系統改造從2016年9月開始實施，至2019年2月全部竣工。從目前運行情況來看，此次升級改造是成功的，改造后的系統采用NARI集團的NC3.0，配合西門子的AK1703系列PLC，兼容性問題得到了較好的解決，同時也為計算機監控系統向全面國產化發展奠定了堅實的基礎。