三峽左岸計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造關(guān)鍵技術(shù)

張衛(wèi)君，謝秋華，孫監(jiān)湖，何 婷，郭 睿

（1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038；2.三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443000）

三峽水力發(fā)電廠由左岸電站、右岸電站、右岸地下電站和電源電站組成，共裝有32臺(tái)70萬(wàn)kW水輪發(fā)電機(jī)組和2臺(tái)5萬(wàn)kW水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)2 250萬(wàn)kW，是世界上最大的水電站。三峽左岸電站有14臺(tái)700 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，于2003年投入運(yùn)行，經(jīng)過十多年的運(yùn)行，設(shè)備進(jìn)入老化期，功能也不滿足應(yīng)用發(fā)展的需求。三峽左岸電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造，以習(xí)近平總書記“大國(guó)重器一定要掌握在自己手里”的重要指示精神為指導(dǎo)，充分響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)安全法和發(fā)改委14號(hào)令配套文件要求“生產(chǎn)控制大區(qū)具備控制功能的系統(tǒng)應(yīng)逐步推廣應(yīng)用以密碼硬件為核心的可信計(jì)算技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境安全可信，免疫未知惡意代碼破壞，應(yīng)對(duì)高級(jí)別的惡意攻擊。”[1]，在具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的iP9000智能一體化平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上部署可信密碼模塊和可信軟件基，實(shí)現(xiàn)了首創(chuàng)基于主動(dòng)免疫的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在三峽左岸電站的投運(yùn)。

在自動(dòng)控制及信息化領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)企業(yè)起步較晚，缺少基礎(chǔ)IT領(lǐng)域的領(lǐng)軍巨頭， 硬件芯片、操作系統(tǒng)、平臺(tái)軟件等方面依然在很大程度上依賴進(jìn)口，核心技術(shù)受制于人的局面并未根本改變。

隨著中美戰(zhàn)略安全博弈的加劇以及網(wǎng)絡(luò)安全形勢(shì)的日趨嚴(yán)峻，我國(guó)在關(guān)鍵技術(shù)上受制于人這一薄弱環(huán)節(jié)存在的風(fēng)險(xiǎn)日益凸顯，依靠進(jìn)口的技術(shù)和產(chǎn)品隨時(shí)有被鉗制的風(fēng)險(xiǎn)；核心器件采用進(jìn)口產(chǎn)品無法保證網(wǎng)絡(luò)安全。在2018年全國(guó)網(wǎng)絡(luò)安全和信息化工作會(huì)議，習(xí)近平總書記明確提出“沒有網(wǎng)絡(luò)安全就沒有國(guó)家安全”。實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵產(chǎn)品自主可控是保障網(wǎng)絡(luò)安全和實(shí)體產(chǎn)業(yè)不再受制于人的根基。

與此同時(shí)， 針對(duì)“智能化”、“智慧化”的發(fā)展方向，水利水電行業(yè)作為實(shí)體經(jīng)濟(jì)的重要領(lǐng)域和重要支撐，其核心控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化、智能化是必由之路。

北京中水科水電科技開發(fā)有限公司iP9000智能一體化平臺(tái)結(jié)合三峽左岸計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造項(xiàng)目,基于安全自主、智能化背景研制。平臺(tái)主要將原來分散的業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一平臺(tái)的整合，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)(SOA)，利用先進(jìn)的面向?qū)ο蟮姆椒▽?duì)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)，對(duì)監(jiān)視、報(bào)警和預(yù)警進(jìn)行智能的優(yōu)化，提供強(qiáng)大的高級(jí)應(yīng)用功能，通過適配各種國(guó)產(chǎn)服務(wù)器、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)等，實(shí)現(xiàn)完全自主可控[2]。

1 改造過渡期方案設(shè)計(jì)

按照“改造過渡方案安全可靠、簡(jiǎn)單、宜實(shí)施”的基本設(shè)計(jì)原則，在三峽左岸電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造過程中，新的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“新系統(tǒng)”)與原有的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“老系統(tǒng)”）共存，過渡期將老系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入新系統(tǒng)，新系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)外（梯調(diào)、網(wǎng)調(diào)、國(guó)調(diào)）通信、全廠AGC功能及已改造LCU的全監(jiān)視和全控制，老系統(tǒng)對(duì)未改造LCU實(shí)行全監(jiān)視和全控制。

左岸電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的改造過渡期長(zhǎng)達(dá)三年，在過渡期新老系統(tǒng)并列運(yùn)行，但調(diào)度通信的改造工作主要在監(jiān)控系統(tǒng)改造的前期完成。在新系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，采用老系統(tǒng)的VIP協(xié)議和IEC101協(xié)議通過備用通道TN2、APPC2、RCI接收老系統(tǒng)全部數(shù)據(jù)，將新系統(tǒng)接入新建設(shè)的雙平面調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行上送數(shù)據(jù)的調(diào)試（包括國(guó)調(diào)、網(wǎng)調(diào)）。在上送數(shù)據(jù)調(diào)試完成后，逐一斷開備用通道與老系統(tǒng)連接，改接到新系統(tǒng)，進(jìn)行新系統(tǒng)與調(diào)度（包括國(guó)調(diào)、網(wǎng)調(diào)和梯調(diào)）下行數(shù)據(jù)的調(diào)試。改造過渡期系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 改造過渡期系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)改造過程關(guān)鍵技術(shù)

2.1 國(guó)產(chǎn)密碼的可信計(jì)算、自主可控軟硬件的應(yīng)用

該體系設(shè)計(jì)以“主動(dòng)免疫，綜合防御，風(fēng)險(xiǎn)防范，災(zāi)難恢復(fù)”十六字方針為核心思想，以國(guó)密算法為基礎(chǔ)，可信計(jì)算技術(shù)為核心，安全可控為目標(biāo)，安全免疫為特征，充分利用可信計(jì)算環(huán)境，保障水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)完全免疫已知或未知的網(wǎng)絡(luò)安全威脅，保障水電站業(yè)務(wù)系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行。

可信計(jì)算環(huán)境包括可信密碼模塊和可信軟件基，以嵌入計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)主板的電力可信計(jì)算密碼模塊為信任根，建立信任鏈機(jī)制，從信任根開始，一級(jí)驗(yàn)證一級(jí)，一級(jí)信任一級(jí)，使源頭信任傳遞到應(yīng)用系統(tǒng)和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，保證系統(tǒng)全程可信可控，構(gòu)建信息系統(tǒng)的安全計(jì)算環(huán)境，從源頭上確保整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可信。

2018年左岸電站監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)改造，按照同步規(guī)劃、同步建設(shè)、同步運(yùn)行的“三同步”原則，根據(jù)前期試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試結(jié)論，左岸計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)廠站層選用國(guó)產(chǎn)服務(wù)器、交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品，部署國(guó)產(chǎn)安全操作系統(tǒng)、國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)、以及中水科技自主開發(fā)的iP9000智能一體化平臺(tái)軟件，實(shí)現(xiàn)了廠站層設(shè)備的全面國(guó)產(chǎn)化。

同時(shí)左岸計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)生產(chǎn)控制大區(qū)服務(wù)器上部署基于國(guó)產(chǎn)密碼的可信軟、硬件模塊，構(gòu)建可信計(jì)算環(huán)境，具備防御未知惡意代碼攻擊的能力，簡(jiǎn)化了以“隔離查殺”為主的傳統(tǒng)信息安全防護(hù)體系，改善了實(shí)時(shí)控制業(yè)務(wù)的效率，同時(shí)強(qiáng)化了業(yè)務(wù)程序版本一致性管控。達(dá)到了“攻擊者進(jìn)不去”、“非授權(quán)者重要信息拿不到”、“竊取保密信息看不懂”、“系統(tǒng)和信息改不了”、“系統(tǒng)工作癱不成”、“攻擊行為賴不掉”的防護(hù)效果[3，4]。

2.2 智能化一體化平臺(tái)研發(fā)及應(yīng)用

通過本項(xiàng)目建設(shè)，研究開發(fā)iP9000智能一體化平臺(tái)。iP9000智能一體化平臺(tái)采用基于SOA 架構(gòu)設(shè)計(jì)和面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，按照全冗余全分布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開發(fā)，解決了安全I(xiàn)、II、III/IV區(qū)內(nèi)統(tǒng)一的系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通及對(duì)外接口問題，同時(shí)可對(duì)各類智慧應(yīng)用提供服務(wù)支撐，為當(dāng)前水電廠智慧化建設(shè)提供成套解決方案。iP9000智能一體化平臺(tái)同時(shí)具備計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)、應(yīng)用軟件平臺(tái)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)的功能，可為智慧水電廠應(yīng)用提供運(yùn)行環(huán)境、集成環(huán)境、維護(hù)環(huán)境和開發(fā)環(huán)境。其主要技術(shù)和特點(diǎn)有：①面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)；②支持非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、可在線維護(hù)的數(shù)據(jù)庫(kù)；③標(biāo)準(zhǔn)化的公共服務(wù)；④高度一體化的業(yè)務(wù)集成；⑤基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的人機(jī)聯(lián)系和可視化；⑥圖模一體化；⑦開放的第三方應(yīng)用接入；⑧高可靠性的基于服務(wù)調(diào)度的多重?zé)醾淙哂嗟耐ㄐ牛虎後槍?duì)海量數(shù)據(jù)報(bào)警處理的實(shí)時(shí)智能報(bào)警技術(shù)[5，6]。

2.3 基于專家經(jīng)驗(yàn)的集群水電發(fā)電機(jī)組最優(yōu)化控制

三峽電廠位于全國(guó)互聯(lián)電網(wǎng)的中心，在電網(wǎng)調(diào)峰中承擔(dān)著重要的作用，改造前的AGC程序只能對(duì)處于穩(wěn)定區(qū)運(yùn)行的機(jī)組進(jìn)行平穩(wěn)調(diào)節(jié)，遇開/停機(jī)時(shí)，需要人工調(diào)節(jié)振動(dòng)區(qū)機(jī)組出力[7]。機(jī)組開、停機(jī)時(shí)需兼顧機(jī)組快速穿越振動(dòng)區(qū)和電網(wǎng)對(duì)電站總出力平穩(wěn)調(diào)節(jié)的需要，對(duì)操作人員要求較高，且存在耗費(fèi)大量人力、增大失誤可能性的問題，不利于電站穩(wěn)定運(yùn)行與考核。

通過對(duì)三峽電站AGC運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，對(duì)開停機(jī)前后穿越振動(dòng)區(qū)的人工調(diào)節(jié)過程進(jìn)行抽象分析，繪制流程圖，逐個(gè)分析約束條件，并以程序方式實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)了開停機(jī)前后機(jī)組穿越振動(dòng)區(qū)過程的程序化調(diào)節(jié)，完全模擬了最優(yōu)人工調(diào)節(jié)，兼顧了電站和電網(wǎng)的需求。

2.4 非開放環(huán)境下監(jiān)控系統(tǒng)改造研究及實(shí)施

在對(duì)水電站進(jìn)口監(jiān)控系統(tǒng)改造過程中，由于現(xiàn)地控制器所使用的網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約與接口的專用性和封閉性，使得新系統(tǒng)上位機(jī)投運(yùn)后不能實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)地控制器的直接通信，也就無法實(shí)現(xiàn)對(duì)未改造機(jī)組的監(jiān)控，因而在新系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)投入運(yùn)行后，將形成新、老系統(tǒng)共同運(yùn)行的過渡期。考慮到監(jiān)控系統(tǒng)的改造不可能在短期內(nèi)完成，老系統(tǒng)在過渡期內(nèi)必須保留，以實(shí)現(xiàn)對(duì)未改造LCU的監(jiān)視與控制，同時(shí)老系統(tǒng)中與廠站層實(shí)現(xiàn)通信接口的各控制器也必須在整個(gè)改造期間予以保留，以實(shí)現(xiàn)將未改造LCU的數(shù)據(jù)接入新系統(tǒng)中，即將老系統(tǒng)中的廠站層功能遷移至新系統(tǒng)。這樣當(dāng)新系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，在新老系統(tǒng)過渡期內(nèi)，AGC/AVC、調(diào)度通信、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等廠站層功能都可以順利運(yùn)行。由此可見，對(duì)水電站進(jìn)口監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)通信接口的研究與開發(fā)是新老系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合、平穩(wěn)過渡的關(guān)鍵。

本項(xiàng)目采用“廠站層一次全接管，現(xiàn)地改造分步實(shí)施”的安全平穩(wěn)過渡方式，通過解析非開放環(huán)境的老監(jiān)控系統(tǒng)特有數(shù)據(jù)通信協(xié)議——VIP數(shù)據(jù)通信協(xié)議數(shù)據(jù)，及IEC101通信數(shù)據(jù)，解決改造前所使用的國(guó)外監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約與接口專用性和封閉性的問題，實(shí)現(xiàn)改造過程中新老系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。新系統(tǒng)上線前，將老監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)全部數(shù)據(jù)傳送至新監(jiān)控系統(tǒng)，由新監(jiān)控系統(tǒng)一次性全部接管全廠設(shè)備監(jiān)控功能，在新監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)AGC/AVC、調(diào)度通信及廠內(nèi)通信功能，實(shí)現(xiàn)新老監(jiān)控系統(tǒng)并行，改造過程分步實(shí)施，不影響調(diào)度方式及值班運(yùn)行方式。

3 結(jié)束語(yǔ)

2019年9月三峽左岸監(jiān)控系統(tǒng)改造第一批設(shè)備通過出廠驗(yàn)收并開始現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，2020年1月廠站層功能全部投運(yùn)及首臺(tái)機(jī)組LCU改造完成并成功并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了廠站層設(shè)備改造對(duì)老系統(tǒng)一次接管、現(xiàn)地層設(shè)備分步實(shí)施的設(shè)計(jì)方案。截至2021年6月，三峽左岸監(jiān)控系統(tǒng)改造項(xiàng)目已完成10臺(tái)機(jī)組LCU、1套公用LCU改造工作，iP9000系統(tǒng)自投入運(yùn)行后，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。運(yùn)行人員憑借系統(tǒng)新進(jìn)的智能報(bào)警、AGC優(yōu)化控制等功能，減輕了監(jiān)盤工作強(qiáng)度，提高了監(jiān)盤值班的效率。本項(xiàng)目中的關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)，對(duì)其他計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用、監(jiān)控系統(tǒng)改造等工程項(xiàng)目有重要的指導(dǎo)作用。