OPC協議在水電站監控系統國產化改造中的應用探討

鄒琦華

（中國華電集團有限公司衢州烏溪江分公司，浙江衢州 324000）

1 引言

OPC（OLE for Process Control），早期的定義是微軟公司的嵌入技術、對象鏈接期間的技術，同時也是工業自動化軟件面向對象的開發提供的一項統一標準。早期的水電站監控軟件存在諸多弊端，特別是在開放性、靈活性、可重用性方面比較欠缺。現今使用的監控系統智能化更強，在開放性、靈活性、可重用性方面效果明顯更強。與此同時，隨著各類智能硬件設備的不斷更新和豐富，采用一種更加標準、完善的通信協議非常必要，OPC 協議是為工廠底層設備數據進行傳輸和分類而提供一種標準，也是對控制室數據中的各項數據進行管理的一種標準，可以規避通信設備限制，使得系統更具有簡便性。

2 水電站監控系統國產化改造背景

目前，我國多地的監控系統建立時間較早，使用了較長時間，在以前的監測體系中，軟硬件平臺的可靠性較差，再加上售后服務落后、不能保證時效性，導致監控系統的作用受到限制，難以擴充，從而導致水電站監控系統儲存的各項數據在挖掘收集時容易出現紕漏，同時也使得多種主要設備容易發生故障[1]；一些水電站監控供應商出現變更時，運行的各項設備會處于停產狀態，導致監控系統產品不能持續得到良好的技術支持和售后服務，水電站也無法再繼續更新和維護系統軟硬件，最終造成水電站的安全系統軟硬件的運行受到影響；目前，現有的監測系統已不能適應電站越來越高的運營和管理需求，其中，工程師站、LCU 人機接口計算機、報警工作站、通信工作站、報表工作站等多項設備使用的系統均為Windows XP 系統，安全性相對較低，而國家能源局在2016 年頒布的《電力監控系統安全防護專項監管報告》中便提出了要不斷推進電力監控系統實現國產化。

3 水電站監控系統國產化改造過程

某水電站位于下游河段。該電站為引水式開發，引用流量6.0 m/s，設計水頭254.30 m，保證功率4.33 MW，年發電量6.603 7×107kW·h，年利用小時數為5 241 h。

3.1 水電站監控系統改造前期策劃

3.1.1 水電站監控系統控制軟件

華能睿渥HNICS-H316 控制軟件為我國抽水蓄能電站應用較為廣泛、技術較為成熟的國產化軟件類型。

3.1.2 監控系統現地控制單元PLC

該水電站監控系統中地控制單元PLC 為我國在抽水蓄能電站中應用較為廣泛、技術較為成熟的國產PLC，該PLC 監控系統通過雙CPU 熱備冗余方案，實現了CPU 冗余和網絡冗余，符合中大型電站對監控系統的根本要求，能夠有效解決控制柜空間問題和降低系統成本。

3.1.3 監控功能系統網絡結構

水電站監控系統的組成部分主要包括：電站控制級、獨立光纖硬布線緊急操作裝置、現地控制單元級等。（1）電站控制級的設計方法為高度冗余，采取雙主計算機方案，局域網絡采用快速交換式以太環網結構，局域網絡傳播速度在1 000 Mb/s以上。（2）選擇PLC 和獨立的光纖作為本組系統的獨立光纖硬布線緊急操作裝置，確保在水電站遇到緊急事故而需要緊急關閉或機組緊急停機的時候能夠達到預定要求。除此之外，水電站監控系統在中心聯絡及受其調度的接口的處理方式上選擇預留與集中控制類型，整個系統的設計和實施原則遵循擴充性、可靠性、安全性以及簡便性；電站網絡結構為傳播速度應高于1 000 Mb/s 的冗余光纖快速交換式以太環網結構。（3）現地控制單元設備（LCU）、電站控制級設備使用的網絡均為局域網，根據實際情況合理選擇網絡交換機，要求與電站環境相適宜，應采用工業用以太網，傳輸速度≥1 000 Mb/s。冗余網絡選用備用芯數在4 芯以上的獨立光纜，2 根獨立電纜可現場監控設備連接后，可選擇現場總線技術和以太網作為面向監控對象的現場設備網絡，通信方式的選擇范圍為IEC 60870-5-103、Profibus-DP、Worldfip、Genius、FF、Modbus、Device net、IEC 60870-5-101 等，通信選擇一種主要類型，盡量不多于3 種；若無法應用數字通信的設備，可采用硬布線I/O。另一方面，一些重要的安全運行信息、事故信號、控制命令必須將硬布線I/O 和現場總線通信聯合應用，以此提高通信運行的可靠性[2]。

3.2 技術難題

與常規的水電站不同，抽水蓄能電站對通信有更高的要求，在運行過程中，抽水蓄能電站靜止變頻器啟動和設備組背對背啟動需要通過各種LCU 可編程邏輯控制器實現信息（PLC）的交流。如此，新舊PLC 之間數據交互問題得以解決，這樣才能實現對水電監控系統的成功改造，對于新老系統過渡運行，在操作技術方面存在的問題是阿爾斯通核心控制器C80-75 PLC 和國產化監控系統之間的數據流通。當前，阿爾斯通C80-75 PLC 由通用電氣GE 生產，OPC 服務器作為新監控設備，運行期間讀取和置位C80-75 PLC 各類型寄存器是基于OPC 網絡協議完成，并由此實現了舊系統LUC 數據與新監控系統的交互。這種方式提高了通信的可靠性和安全性以及實時性，運行過程中不需要改動舊系統程序便能進行數據交互，從而使現地控制單元的原廠狀態得到最大程度的保持，除此之外，選擇GE 數據網關還能夠完成新老系統的無縫通信，優勢眾多。

3.3 實施主要步驟

3.3.1 位機系統的改造和升級

在安裝和調試完新的監控系統上位機及網絡之后，需要完成以下工作：（1）對原監控系統的各個現地控制元PLC 內每一個變量的寄存器地址進行詳細的梳理，在進行新老系統數據交互過程中選擇OPC 網絡協議進行訪問，重新建立畫面和數據庫，通過這種方式控制和監視新監控系統上位機與老監控系統PLC，對實時通信進行調度和實現。（2）通過放空“上庫”的方式檢修監控設備時，應對每臺儀器進行新監控系統網絡OPC 網關機與現地控制單元LCU 與新接入的監控系統進行試驗和調試，重點是驗證OPC 側的數據讀寫功能、通信冗余切換功能、數據刷新速率，在LCU 完全連接測試完畢后，所有LCU 都與新的監測體系連接，保證了可靠的數據傳輸。（3）通信服務器和OPC 網關機之間使用雙鏈路的交叉連接，從而達到主備用的目的。通信轉換為新的監控系統，并要保證在改造過程中，電站和調度室的自動服務一直處于正常狀態，不得被打斷，保證與調度的主要信息完整，確保AVC（自動電壓控制系統）、AGC（有功功率自動控制系統）的正常連接不中斷，以此最大限度地確保電廠生產的完全性和連續性。

3.3.2 監控系統現地控制單元的升級改造

進行改造前，（1）應優化原監控系統控制邏輯，以此確保原有程序的功能在系統升級改造之后正常保留，將原有的程序中由于正常情況引起的狀變導致的警報解除，從而達到一個警報和一個故障相對應的目標，在減少值守人員工作冗雜性的同時提高其工作的精確性。（2）采用更加簡單直接的條件重新編寫舊程序中較為冗余繁雜的邏輯，以此減少占用內存，最大限度地提升PLC 處理速度。（3）進行改造時，采用法蘭連接的方式將傳統的控制裝置與環網相連，避免對雙環網絡結構造成影響，將1 號機組的現場控制單元單獨分離出來，以防止在運行過程中誤認為盤柜的線路和錯誤報警信息。（4）升級后，LCU 配備了兩個備用CPU，通過這種方法可以實時備份數據，并可以直接連接到上位機主交換機，與上位機的每個節點進行通訊。

在改造過程中，新舊下位機之間的數據通信問題突出，特別是與多個LCU 通信的過程中，這種背景下，每一個LCU 間的數據輸送是通過OPC 網絡協議讀取C80-75 PLC 寄存器，然后和新監控系統PLC 進行數據雙向交互，并進一步開展新監控系統與舊系統LCU 的數據交互而達到目標。其他現地LCU 的接入調試升級改造方法則按照機組LCU、附屬用房LCU、公用輔機LCU、上下庫LCU 的次序進行。

3.3.3 現場使用

首先，在進行升級改造的過程中，采用OPC 網關機進行隔離的方式，實現了新舊系統上位機的并聯運行，避免了新舊系統之間的兼容問題，提高了系統的穩定性；其次，在升級改造過渡期間，針對已完成升級的現場控制裝置PLC，采用光纜備用通道構成環形網絡，與新的監測系統的上位機相連，而尚未更新的現場控制裝置PLC 構成的環網，通過OPC 網關機連接新的監控系統上位機，二者之間利用OPC 網關機交換數據，從而完成SFC 抽水啟動、設備組背靠背啟動抽水，同時也保證了整個改造的順利進行，保證了抽水和發電不受影響。

4 改造后的效果

1）通過系統改造后，原上位機SUN 主機設備停產、技術支持困難、無備件可更換的問題得到了有效解決；所應用的新系統上位機為主流品牌，系統所用的各項硬件配置冗余，日常所用的各種備件也比舊機更加充足。

2）原監控系統光纖環網斷網無法自動切換問題得到了有效解決。通過對新監控光纖環網重新進行了敷設，這樣就可以使以太網的帶寬從100 Mbit/s 提高到1 000 Mbit/s。

3）該方案有效地解決了原有系統不能滿足二次安防新需求的問題。升級后的新系統全面滿足二次安防要求，同時還配備了安全監測平臺。

4）提高了原有數據服務器的穩定度及曲線和報表的檢索能力，改進后新的系統具有更多曲線和報告的檢索功能，由于新系統的存儲容量更大，因此，運行期間的數據能夠更完整、豐富地儲存，更有利于隨時查詢歷史數據。

5）提高了系統調度通訊鏈接的擴展能力。通過對新型通信網絡的重新設計，可以滿足多通道、多平面的需求[3]。

6）提升了主機操作系統的安全性。新系統采用Linux 系統。

7）改善了監控系統人機界面。舊系統全部采用英文，而新的系統則全面支持中文，還能夠按照實際要求自由定制人機界面，使界面更加友好。

5 結語

如今，電力已成為各行各業的基礎設施，這就導致了水電站承載的負荷不斷加重，因此，無論是水電站各項基礎設備設施還是配套的監控系統，均需要不斷地改進和完善。水電站監控系統國產化改造是我國水電站系統的一次重要改革，在這一改革中，OPC 協議引入的一些重要標準具有很強的開放性、靈活性、可重用性，并通過本研究再次得到驗證。