潮州供水樞紐電站計算機監控系統改造設計

陳云昊

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

1 工程概述

潮州供水樞紐位于韓江流域下游東、西河段內，壩址距潮州市約3.8 km，壩址控制集水面積為29 084 km2，潮安站多年平均降雨量為1 610 mm，多年平均徑流量為251億m3。潮州供水樞紐分東溪電站和西溪電站，分別坐落于樞紐東溪右岸和西溪左岸，屬于低水頭徑流式電站。東溪電站和西溪電站共安裝有4臺燈泡貫流式機組，總裝機容量為46 MW，保證出力為9 710 kW，年利用小時數為4 449 h。其中，東溪電站裝機容量為2×9 MW，出線T接110 kV潮橋I線；西溪電站裝機容量為2×14 MW，出線T接110 kV潮官線。東溪電站和西溪電站投運至今，累計發電約11.5億kWh。

潮州供水樞紐工程的建設結合了水資源綜合調度和優化，最大限度提升樞紐的綜合效益。該工程建立了自動化系統和計算機網絡，實現機電設備、水資源及水工建筑物的自動化控制、預測運行調度和監視管理，有效提高了樞紐運行管理水平，達到最佳經濟效益。

2 現狀及存在問題

1.1 工程計算機監控系統現狀

潮州供水樞紐于2005年建成并投運。該工程建立了水情測報系統、電站計算機監控系統、攔河閘監控系統、船閘監控系統、收費調度系統、工業電視系統、通信網絡系統、樞紐消防預警系統、大壩安全監測系統等11個子系統。全系統通過計算機網絡連接，所有信息數據匯入位于運行管理大樓計算機中心的中心服務器，系統共分為3層，分別為：潮州供水樞紐管理中心計算機系統(管理層)，位于運行管理大樓；樞紐調度中心計算機系統(調度層)，位于運行管理大樓，包括多個應用子系統；現地層，電站監控現地單元。實現調度層、監控層和現地層3種控制方式。原樞紐計算機監控系統如圖1所示。

潮州供水樞紐計算機監控系統已運行10多年，滿足了潮州供水樞紐的日常生產需要，極大地提高了生產效率和自動化水平。隨著運行年限增加，出現了設備陳舊老化，部分設備產品已淘汰，備品備件采購困難等問題，系統的可利用資源明顯降低，響應慢，通訊故障、死機現象增多；系統軟件受硬件配置限制無法升級，不能很好滿足調度運行要求。

1.2 存在的問題

1) 硬件設備存在的問題

原計算機監控系統上位機已投運超過10 a，隨著運行年限的增加，上位機設備出現陳舊老化、響應緩慢、頻繁死機等現象。因上位機設備產品已停產，維修備件采購困難，對樞紐運行維護造成不利影響。

樞紐東、西溪電站輔機及公用系統控制柜觸摸屏已停產，維修更換困難。原樞紐輔機及公用系統設備通過磁力啟動器進行設備開機，經過多年的運行，磁力啟動器故障率逐漸增加，常發生因發熱而造成控制柜燒毀的現象，存在較大的安全隱患。

圖1 改造前潮州供水樞紐電站計算機監控系統結構示意

2) 軟件存在的問題

潮州供水樞紐計算機監控系統的監控軟件EC2000運行時間長久，樞紐上位機出現中病毒、死機、運行緩慢、通信中斷等現象。因監控軟件EC2000已停產多年，熟悉該軟件系統維護的技術人員也在逐年減少，樞紐計算機系統的運行管理面臨著極大的安全風險。

EC2000監控軟件需安裝在WINDOS NT架構下，目前該架構已停產多年，市面上主流的計算機大多已不支持WINDOWS NT架構。此現象導致了樞紐計算機監控系統主機工作站無法進行更換，一旦發生工作站系統崩潰，樞紐的運行安全將受到嚴重影響。

3 改造目標及原則

3.1 改造目標

1) 改造后的樞紐電站計算機監控系統采用技術成熟且性能可靠的硬件設備和軟件系統，軟硬件配置充分利用信息科技領域的先進技術，消除原系統故障缺陷，使新系統能適應信息技術快速發展的需要[1]。

2) 應用互聯網+和大數據技術，以信息數字化、通信網絡化、運行最優化、決策智能化為特征，自動完成采集、測量、控制、保護等功能，具備經濟運行、在線分析評估決策支持、安全防護多系統聯動功能，實現生產運行安全可靠、經濟高效[2]。

3.2 改造原則

1) 潮州供水樞紐計算機監控系統對樞紐東溪水電站和西溪水電站實行集控中心集中控制，電站按“無人值班”(少人值守)的原則進行總體設計及系統配置[3]。

2) 潮州供水樞紐計算機監控系統實時、準確、可靠并有效地完成對各電站所有被控對象的安全監視和控制。

3) 計算機監控系統為容錯設計，設計高度可靠、冗余，系統本身的局部故障不影響現場設備的正常運行，不因其中1臺機器設備發生故障而引起數據信息傳輸的停滯及系統的誤判斷。各現地控制單元在脫離主控級設備監控下，仍具備獨立正常運行的能力。

4 計算機監控系統改造設計

4.1 系統結構

改造后的潮州供水樞紐計算機監控系統采用雙機雙網熱備冗余的系統結構，系統主干網絡為雙環形工業以太網，現地控制單元主控模件采用雙CPU熱備冗余結構，充分保證了計算機監控系統的高可靠性和高可利用率[4]。改造后的樞紐計算機監控系統將集控中心、東溪電站和西溪電站三處上位機系統進行整合，在集控中心配置統一的計算機監控系統上位機設備實現對東溪電站和西溪電站各機組的監視控制[5]。東溪電站和西溪電站廠房中控室不再設置監控系統上位機設備，各電站只保留兩套操作員工作站并配置兩套網絡交換機。東溪電站、西溪電站和集控中心交換機通過光纜連接，形成雙環網。改造后的潮州供水樞紐計算機監控系統結構如圖2所示。

圖2 改造后潮州供水樞紐電站計算機監控系統結構示意

4.2 系統功能

改造后的潮州供水樞紐計算機監控系統在樞紐集控中心設置集控計算機監控系統，接受電網負荷設定，與水調自動化系統配合，根據流域水情、雨量報告、東、西溪電站水文動能及電站設備運行情況等相關參數，在滿足電網正常調度的前提下，對各電站參與調度控制的機組制定運行計劃，做到經濟調度，確保各電站發電出力，自動分配有功和無功負荷到各電站[6]。樞紐電站計算機監控系統與電網調度信息管理系統相連，向其提供電站的生產運行信息，并接受調度給定的電站總負荷、下達的日負荷曲線、電壓曲線及AGV、AVC命令，實現對電站的自動控制。

4.3 硬件更新

改造后的潮州供水樞紐計算機監控系統上位機采用開放式分層分布結構，全分布數據庫。網絡結構采用冗余快速交換式雙環網工業以太局域網絡，遵循IEEE802.3u標準、TCP/IP網絡傳輸協議[7]。數據傳輸速率可達1 000/100 Mbps。系統在網絡鏈路斷線時，具備鏈路備份并進行網絡數據傳輸恢復的功能。

1) 網絡交換機：網絡交換機采用千兆工業級以太網交換機，冗余配置。集控中心、西溪電站及東溪電站三點間重新鋪設光纖搭建雙環網，重新搭建后的系統能有效避免網絡瓶頸，防止全網癱瘓。

2) 計算機：主控級計算機按功能分布設置，包括操作員工作站、通信工作站、實時數據服務器、歷史數據服務器、工程師工作站、語音報警工作站及ON-CALL工作站等。各計算機通過RJ45電口與網絡交換機相連，傳輸介質采用雙絞網線。

3) GPS時鐘對時系統：為保證時間的統一，本項目在集控中心安裝一套GPS系統，通過光纖及GPS拓展板完成西溪電站和東溪電站的對時系統功能。

4) 現地控制單元LCU：改造后的現地控制單元LCU具備較強的獨立運行能力，在脫離集控中心上位機的狀態下能夠完成對其監控范圍內設備的實時數據采集、處理、設定值修改、設備工況調節轉換、事故處理等任務，并帶有其監控范圍內設備的完整數據庫[8]。

改造后的現地控制單元LCU采用雙CPU、雙網、雙總線結構。兩個CPU模塊分別為主機運行和從機運行，通過高速內部總線進行實時數據備份。當主CPU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[9]。

4.4 軟件功能完善

新監控系統軟件平臺實現了一體化的數據存儲和完備的統計分析功能，可實現自動化部署和集中管理，支持IEC61850標準接入，具備安全可靠、集成標準、決策智能等特點，滿足潮州供水樞紐東、西溪電站生產過程控制智能化、運行調度決策智能化及數據信息一體化的要求[10]。改造后的監控系統軟件主要包括以下特點。

1) 統一標準的數據存儲：改造后的監控系統作為統一的數據信息平臺，具備對各自動化系統的數據信息進行整理組合的能力，通過標準數據接口和通用數據協議，對各子系統數據進行提取、傳送、處理、存儲，有效提升生產運行和管理維護的效率[1]。

2) 數據交換支持功能：改造后的監控系統可通過標準的通信協議進行數據信息傳輸，如遠動通信規約IEC60870-5系列、變電站數據通信協議IEC61850-7系列。

3) 數據存儲功能支持：改造后的監控系統具備合理的數據模型，采用數據壓縮、特征值存儲等方式，解決電力系統海量且多類型(開關量、模擬量、電度量、曲線等)的數據存儲問題。

4) 數據統計分析：改造后的監控系統軟件平臺豐富了生產數據統計的功能，新增的數據信息記錄分析功能包括模擬量越復限時間點查詢、開關量與模擬量在曲線圖中的對比查詢、開關量動作時間、開關量持續時間等。新系統同時改善了人機接口環境和操作界面，有效減少運行人員對新系統的適應時間[12]。

5) 用戶權限分類：對比原監控系統軟件，新監控系統軟件具備更細致的用戶管理功能，可根據對象、節點、功能進行控制對象的制定。新系統同時支持組群管理功能，可對組群內用戶的管理權限進行統一定義[12]。

5 結語

潮州供水樞紐電站計算機監控系統改造針對原系統現狀和問題，以雙機雙網熱備冗余結構為基礎，對硬件設備和軟件功能進行更新和完善，使改造后的計算機監控系統保證了高可靠性和高利用率，充分滿足潮州供水樞紐電站運行管理的需求，供其他同類型工程借鑒。