全國產(chǎn)化計算機監(jiān)控系統(tǒng)在水電廠的應用

張捷 高繼榮 張子皿 胡佳寧

1. 中國水利水電科學院 北京 100038；2. 華能大理徐村水電廠 云南 大理 671000 3. 北京中水科水電科技開發(fā)有限公司 北京 100038

引言

華能大理水電有限責任公司徐村水電廠位于云南省大理州漾濞縣與巍山縣交界的漾濞江中段，電站裝機容量85.8MW（3×28.6MW）。該電廠以前使用GE公司的PLC產(chǎn)品，由于目前中美兩國關系緊張，為了防止因政治原因造成的“卡脖子”問題，需要對現(xiàn)有系統(tǒng)進行改造，硬件及軟件系統(tǒng)全部需國產(chǎn)化[1]。本項目圍繞著水電領域核心技術自主可控的目標，針對水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，研制國產(chǎn)化自主可控的PLC計算機監(jiān)控系統(tǒng)，包括現(xiàn)地LCU軟硬件、上位監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件集成，以及水電站控制邏輯、算法，并應用。實現(xiàn)水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的自主可控，提升水電控制設備及軟件的安全可控水平。

1 電廠監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構

徐村水電廠分為現(xiàn)地控制層、廠站控制層、GPS對時系統(tǒng)三部分。

現(xiàn)地控制層包括以下設備：3套機組LCU、1套開關站LCU、1套公用LCU、1套壩區(qū)LCU、1套防水淹廠房LCU。

廠站層包括以下設備：2套實時數(shù)據(jù)服務器、4套操作員工作站、1套工程師工作站、1套廠內通訊服務器、1套歷史數(shù)據(jù)服務器、2套調度通訊服務器、1套語音報警及ON-CALL服務器、1套生產(chǎn)信息服務器、1套集控通訊服務器、6臺交換機、3臺縱向加密裝置、1臺橫向隔離裝置、1臺防火墻。

GPS對時系統(tǒng)包括以下設備：1臺GPS主鐘、5臺GPS二級鐘。

具體結構圖如圖1所示（圖見文末）。

圖1 徐村水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)總體結構圖

2 電廠監(jiān)控系統(tǒng)的設計原則

徐村水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)按照以下原則進行設計。

2.1 核心部件冗余設計，提高機組控制的安全性

水電廠對于安全性的要求較高，部分核心部件需要采用冗余設計，在某個設備或線路損壞的情況下，備用設備或線路可以接過控制權繼續(xù)控制機組。徐村的核心部件冗余設計如下[2]。

2.1.1 電源冗余。徐村水電廠采用雙電源冗余為控制設備、I/O回路提供電源，在一路電源丟失的情況下，另外一路電源可以繼續(xù)為其供電。

2.1.2 控制器冗余。徐村水電廠控制器采用冗余設計，在主用控制器出現(xiàn)故障的時候，備用控制器可以接管控制權。

2.1.3 I/O總線冗余。徐村水電廠采用雙I/O總線方式設計，在一條總線出現(xiàn)斷線的情況下，仍可以通過另外一條總線控制設備。

2.1.4 網(wǎng)絡冗余。徐村水電廠采用冗余網(wǎng)絡設計，在一條網(wǎng)絡出現(xiàn)問題的時候，仍可以通過另外一條網(wǎng)絡控制設備。

2.1.5 獨立水機控制及電源設計。徐村水電廠采用獨立水機控制方式，即采用單獨的控制器控制機組事故停機，同時，水機控制單元擁有獨立的電源，一旦主控制器部分電源全部丟失，仍可以通過水機控制單元停機。

2.1.6 服務器冗余設計。徐村水電廠采用冗余服務器控制方式，主用服務器損壞的情況下，計算機監(jiān)控系統(tǒng)仍可以通過備用服務器對數(shù)據(jù)進行采集，對設備進行控制。

2.1.7 時鐘信號冗余設計。徐村水電廠采用GPS、北斗雙時鐘信號守時模式，在一個信號消失的情況下，時鐘采用另外一個信號對時。

2.2 核心設備及系統(tǒng)全部國產(chǎn)化[3]

①主要執(zhí)行部件-PLC和同期裝置全部國產(chǎn)化；②主要測量部件-功率變送器和交流采樣表全部國產(chǎn)化；③主要供電設備-電源全部國產(chǎn)化；④計算機操作系統(tǒng)全部國產(chǎn)化；⑤計算機監(jiān)控系統(tǒng)全部國產(chǎn)化；⑥對時系統(tǒng)采用國產(chǎn)北斗定時。

2.2.1 對外通訊采用國際標準。與外部設備通訊采用國際標準IEC104、IEC103、MODBUS等標準規(guī)約，大大提升了采集效率。

2.2.2 采用多控制權操作模式。徐村水電廠控制權模式可以在集控、廠站、現(xiàn)地側進行無擾切換，切換到調度側，操作人員可以在下關對遠在60KM外的水輪機進行開停機操作；切換到廠站側，操作人員可以在水電廠房內的中控室對水輪機進行開停機操作；切換到現(xiàn)地側，操作員可以通過現(xiàn)地LCU的觸摸屏對水輪機進行開停機操作。

2.2.3 完善的網(wǎng)絡安全防護。徐村水電廠根據(jù)各個設備的功能，將電廠劃分為如下區(qū)域：

安全區(qū)I：實時控制區(qū)，用于放置電廠一些與生產(chǎn)相關的設備，例如：SCADA服務器，通訊服務器，歷史服務器，AGC/AVC服務器。

安全區(qū)II：非控制生產(chǎn)區(qū)，用于放置不具備控制功能的設備，例如：ON-CALL系統(tǒng)和廠內服務器系統(tǒng)。

安全區(qū)III：生產(chǎn)管理區(qū)，用于放置生產(chǎn)管理的系統(tǒng)，例如：生產(chǎn)信息服務器。

I區(qū)與II區(qū)之間通過防火墻隔離，II區(qū)與III區(qū)之間通過橫向隔離裝置隔離，調度與廠站層之間采用縱向加密裝置隔離。

3 本次改造的難點

3.1 基于國產(chǎn)PLC的現(xiàn)地LCU研制

PLC是電廠數(shù)據(jù)采集和設備控制的核心部件，該設備是否穩(wěn)定可靠直接決定電廠能否安全可靠的運行，本次改造的PLC全部采用國產(chǎn)零部件設計，包括CPU均為國產(chǎn)化產(chǎn)品。

3.2 國產(chǎn)操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫與國產(chǎn)服務器適配

本次改造，操作系統(tǒng)采用更加安全的國產(chǎn)系統(tǒng)替代之前的Windows系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫替代之前的Oracle系統(tǒng)，所以，兩種系統(tǒng)能否在一起運行，兼容性如何，均需要進行適配。

3.3 計算機監(jiān)控系統(tǒng)與國產(chǎn)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫及國產(chǎn)服務器的適配及研發(fā)

計算機監(jiān)控系統(tǒng)作為水電廠控制的核心部件，同樣采用國產(chǎn)化系統(tǒng)，為使其滿足兼容性要求，需要對其進行適配；操作系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)全部國產(chǎn)化，系統(tǒng)之間的兼容性如何，國產(chǎn)操作系統(tǒng)上是否有監(jiān)控系統(tǒng)需要的函數(shù)庫，監(jiān)控系統(tǒng)能否正常運行在國產(chǎn)操作系統(tǒng)上，都需要進行適配工作。

3.4 計算機監(jiān)控系統(tǒng)與國產(chǎn)PLC適配及研發(fā)

本次采用的國產(chǎn)PLC為最新產(chǎn)品，以前在水電廠沒有應用的實例，故需要與計算機系統(tǒng)進行接口的開發(fā)，已滿足計算機監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的采集與設備的控制要求。

3.5 國產(chǎn)操作系統(tǒng)與硬件設備的適配

操作系統(tǒng)和服務器全部國產(chǎn)化，服務器的網(wǎng)卡、顯卡、聲卡、短信報警裝置等硬件設備能否正常運行在國產(chǎn)操作系統(tǒng)下，需要進行適配工作。

3.5.1 國產(chǎn)觸摸屏與國產(chǎn)PLC適配及研發(fā)。國產(chǎn)PLC與國產(chǎn)觸摸屏之間為首次通訊，需要考慮通訊的接口配置問題，通訊的效率問題，通訊存儲空間問題。

3.5.2 串口通信裝置與國產(chǎn)PLC適配及研發(fā)。串口通信裝置與國產(chǎn)PLC之間為首次通訊，需要考慮通訊的接口配置問題，通訊的效率問題，通訊存儲空間問題，網(wǎng)絡切換問題。

3.5.3 水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)順控、邏輯、算法的設計與開發(fā)。本次改造采用國產(chǎn)PLC，需要熟悉國產(chǎn)PLC的屬性，并考慮如何將原控制器中的順控流程、邏輯與算法移植到國產(chǎn)PLC中，并完全實現(xiàn)原控制器中的所有設計意圖。

4 改造后的測試

本次改造完畢之后，需要對整個系統(tǒng)進行測試，確定設備及功能的正確性，具體如下：

4.1 國產(chǎn)PLC的性能測試

PLC的性能測試包括模擬量輸入通道精度測試，數(shù)字量輸入通道開關測試，數(shù)字量輸出通道開關測試，模擬量輸出通道精度測試，SOE通道精度測試，CPU切換測試。

4.2 水電廠控制邏輯測試

水電廠控制邏輯測試包括機組開機測試、停機測試、緊急停機測試、機械事故停機測試、電氣事故停機測試、有無功率調節(jié)測試，刀閘分合測試，水機保護邏輯測試。

4.3 通訊性能測試

數(shù)據(jù)采集服務器與CPU之間的通訊測試，歷史數(shù)據(jù)服務器與數(shù)據(jù)采集服務器之間的通訊測試，廠內通訊服務器與廠內設備之間的通訊測試，調度側與廠站側之間的通訊測試。

4.4 畫面邏輯測試

畫面邏輯是否準確無誤，畫面設備布置是否美觀，畫面上的操作命令是否準確無誤。

4.5 高級功能測試

AGC、AVC功能測試，ON-CALL功能測試，報表功能測試。

4.6 壩區(qū)臨時方案測試

壩區(qū)目前仍采用GE PLC，改造之后需要通過監(jiān)控系統(tǒng)與GE PLC之間進行通訊，直接控制壩區(qū)閘門。

4.7 時鐘對時切換測試

目前時鐘對時系統(tǒng)既支持GPS時鐘對時，也支持北斗時鐘對時，在某一個時鐘錯誤的時候，系統(tǒng)可以進行無擾切換，保持時鐘的正確。

4.8 網(wǎng)絡切換測試

本次改造采用雙網(wǎng)冗余結構，在任何一個網(wǎng)絡出現(xiàn)問題的時候，系統(tǒng)會在另外一個網(wǎng)絡上進行正常工作。

5 結束語

徐村計算機監(jiān)控系統(tǒng)的投運，完全滿足了全國產(chǎn)化的要求，可以對機組進行安全可靠的控制和數(shù)據(jù)采集，為國產(chǎn)化系統(tǒng)的推廣打下了良好的基礎。