豐滿電站三期工程獨立運行計算機監控系統智能化研究

孟繁欣，張 蕾，趙海濤，獨健鴻，黃 琢

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豐滿電站三期工程獨立運行計算機監控系統智能化研究

孟繁欣1，張 蕾1，趙海濤2，獨健鴻3，黃 琢2

（1. 豐滿大壩重建工程建設局，吉林 132108；2. 遼寧電力科學研究院，沈陽 110006；3. 豐滿發電廠，吉林 132108）

本文簡要地介紹了根據豐滿電站三期工程獨立運行要求新建計算機監控系統的實施內容。總結了采用WW SP2012R2作為開發平臺形成的豐滿電站三期工程計算機監控軟件系統的技術特點和優勢，客觀分析了采用IEC61850標準建立水電站智能化系統的現實問題。在分析、提煉智能化水電站一體化平臺構成要素的基礎上，深入剖析、概括了System Platform 2012 R2平臺軟件的一體化特征和技術優勢，探討了按System Platform 2012 R2架構實現智能化的可能性問題。

水電廠智能化；System Platform 2012 R2；AchastrA架構；.Net結構

0 前言

豐滿水電站全面治理（重建）工程先期啟動三期電站獨立運行改造工程，包括對一次接入系統進行改造，在三期電站側新建獨立變電所，取消豐滿220kV變電所聯絡線，對二次系統接入系統、機組LCU進行改造，新建公用LCU，建立獨立運行的計算機監控系統，使三期電站具備獨立運行的條件。新大壩建造期間，用原有大壩建筑體作為上圍堰，通過三期電站獨立運行，滿足在新大壩及新電站建設期間的發電、庫水排放和保障下游生活供水的需要。

本文對三期電站獨立運行計算機監控系統的智能化要素問題進行重點討論和分析。

1 機組LCU改造

機組LCU改造在保留現有機組LCU的前提下進行?，F有11號機和12號機LCU以Schneider Quantum系列PLC系統為主控單元，CPU模塊型號為140CPU43412，不支持雙CPU冗余結構，PLC系統IO模塊配置已滿足機組監控的需要。

根據豐滿電站三期工程獨立運行的要求，本次機組LCU改造的內容有以下幾點：

1）改善現地級系統網絡結構，原監控系統現地網絡配置為MBPLUS+單以太網，監控以MBPLUS為主的冗余結構。改造后，增加一個以太網模塊，取消作為上位機與現地級間主監控網的MBPLUS網，將原單以太網與改造為雙以太網冗余結構，提高實時性，應用先進的切換技術，改善冗余切換速度，提高現地網可靠性。

2）改造內容是保留現有配置的條件下，根據總體要求，增加支持PMU系統的模塊，每套機組LCU增加開入模塊2塊，滿足PMU系統接入的要求。

3）增加140ERT85410Z模塊3塊，使機組LCU具備事件記錄功能。

4）LCU內部配置MBPLUS網，實現網絡延伸，接入調速器和勵磁調節器等輔機設備。

2 新增LCU系統和接入裝置

為滿足三期電站獨立運行的需要，在三期電站側新建了獨立變電所，由高廠變引出，新建廠用10kV系統Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段和Ⅳ段，設備綜合監控通過新增LCU系統和接入裝置實現。

（1）新增公用系統LCU，采用Schneider Quantum系列PLC系統為主控單元，CPU模塊型號為支持雙CPU冗余結構的140CPU67160，配置雙以太網模塊構成以太網冗余結構，配置智能模塊和IO模塊，完成現地信息采集和控制。

（2）廠用系統10kV系統Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段和Ⅳ段開關柜，柜內分別配置了RCS-9611CS、RCS-9616CS、RCS-9621CS、RCS-9628CS和RCS-9629CS通信控制裝置，通過增加MB(485) -以太網網關的方式，形成與現地以太網統一的通訊規約，接入現地網系統。

3 系統結構與基于WW SP2012R2的軟件系統

3.1 系統結構

在系統結構設計上，計算機監控系統采用成熟、通用的系統結構，即全開放、分層、全分布式結構[1]。電站級主機系統分為前臺和后臺兩類，按角色需求配置，系統功能模塊化分配，網絡主框架采用以太網分段方式，呈分級結構，現地系統按設備分布建立現地監控單元(LCU)，LCU內部以現場總線作延伸以支持系統分級結構。

網絡結構上，采用分層、雙網冗余結構，在不同的層面上采用不同的冗余策略。

監控網絡采用分層以太網來避免網絡呈平面結構。上位機網絡不僅用于數據交互，還要完成電站級系統域管理和任務派發等管理信息傳輸任務，以及站控層主機間文件傳輸和數據備份等操作?，F地網絡本質上具有現場總線屬性，完成LCU設備數據讀寫功能，利用以太網的速度優勢，提高LCU與站控層主機間通信的實時性。

3.2 基于WW SP2012R2的軟件系統

豐滿電站三期工程計算機監控系統最早形成于1998年7月份，為三期擴建工程基建項目，隨三期擴建工程一并竣工投運，建成時獨立于95年起建立的一、二期計算機監控系統運行。結合2007年12號機自動化改造和2008年11號機自動化改造，實現了與老廠計算機監控系統的系統集成，形成了跨接右岸一、二期和左岸三期工程的全廠統一計算機監控系統，該系統是將Wonderware公司的Intouch9.5等工業自動化軟件應用于水電廠監控系統開發形成的。

結合對豐滿發電廠原有監控系統特點的繼承性，參考近年來的技術積累，盡可能采用先進技術，盡可能采用國際知名的自動化支持軟件供應商、知名自動化設備制造商提供的軟件和設備，保護用戶投資，為系統后續應用提供可靠的維護和升級能力等要求。豐滿發電廠三期電站計算機監控系統采用Wonderware System Platform 2012 R2 (簡作WW SP2012R2，Intouch軟件多代技術升級版)作為系統開發平臺，該平臺軟件的優越性主要表現在以下幾個方面：

（1）在技術上完全基于Microsoft .NET技術，建立的整個工廠應用模型可以被靈活地部署到一個或多個基于Windows 2008 Server的服務中，可以充分利用每臺服務器的資源。

WW SP2012R2是由Wonderware公司隨著Microsoft .NET技術發布，早在Industrial Application Server 2.1（IAS2.1）系統中就采用了.NET技術，IAS2.1系統應用于2007-2008年進行的太平灣發電廠計算機監控系統改造項目中。在這里，有必要簡單介紹應用.NET技術的優勢。

.NET技術在面向對象編程技術上更加徹底。利用Microsoft .NET技術可以實現對系統的集中管理，這樣，我們就可以對物理上分布的本地應用構成健壯的拓撲結構，同時又能集中管理。

（2）WW SP2012R2是建立在ArchestrA[2]體系結構之上的一個強大的新應用平臺。作為ArchestrA 體系結構的顯著特征，不僅支持Client/Server結構的數據訪問，還增加了Peer To Peer結構的數據訪問機制。它為用戶提供了開發集中化的應用機制或高度分布的點到點應用的機制，基礎是可靠的、分布式的點到點通信的ArchestrA 體系結構。應用中的每臺工作站或服務器都是域名空間的一部分，這種域名空間允許把應用自由地分布到系統中的全部工作站上，數據源可以是能夠聯網的站點，沒有位置限制。

ArchestrA 體系結構建構了數據引擎驅動域名空間的先例，還為數據引擎提供了數據引擎備份功能，此項功能為建立強健的監控系統奠定了技術基礎。

（3）WW SP2012R2提供了一個可伸縮、集成的體系結構，這種體系結構可滿足從小型、簡單的應用到高度復雜的系統的要求。它提供了快速方便地配置新的節點與功能的能力，提供了杰出的可伸縮性。

WW SP2012R2不會因為總體結構的原因把工程師限制在某個拓撲結構之中。這是種體系結構，可以柔性地解決擴展自動化應用的問題，因為它對系統規模沒有限制，性能問題很容易通過引入新的節點來解決。通過工廠模型，可以把新的工作站與定義的任何數據點自動地集成到初始應用中。公用的分布式點到點域名空間意味著全部信息都在節點之間共享，不需要用戶進行額外設計或配置。

（4）在WW SP2012R2的IDE中，維護工程師可以在應用服務器上方便地跨越大型分布式網絡部署和管理他們的自動化應用，不再需要對系統中每臺PC上的應用分別進行安裝與維護。

WW SP2012R2集中管理整個系統的診斷工作，可以節省工程師診斷和檢修時間。

從網絡上的任何工作站(本地或遠程)都可以查看整個系統的狀態。系統診斷包括診斷組成WW SP2012R2的所有工作站和服務器的狀態，包括系統通信、歷史分析功能和監控應用功能，甚至網絡健康狀態等。這些診斷方法利用了Microsoft 管理控制臺，因此所有的人員都可以利用一個公共的、熟悉的Windows 管理工具箱。

目前，豐滿新電站計算機監控系統定位于采用智能化水電廠系統，我們從以下兩個主要的方面對已經投運的豐滿電站三期工程計算機系統的智能化程度進行分析。

4 關于是否采用IEC61850標準的問題

IEC 61850標準[3]首先是應用于變電站通信網絡和系統的國際標準，IEC61850提出了一種公共的通信標準，通過對設備的一系列規范化，使其形成一個規范的輸出，實現系統的無縫連接。其主要特點如下：

（1）定義了變電站的信息分層結構

（2）采用了面向對象的數據建模技術

（3）數據自描述

（4）網絡獨立性

IEC61850建模了大多數公共實際設備和設備組件。這些模型定義了公共數據格式、標識符、行為和控制，例如變電站和饋線設備(諸如斷路器、電壓調節器和繼電保護等)。IEC61850作為制定電力系統遠動無縫通信系統基礎，作為國際上推行的改善信息技術和自動化技術的設備數據集成的標準，它解決了變電站自動化系統產品的互操作性和協議轉換問題。采用該標準還可使變電站自動化設備具有自描述、自診斷和即插即用（Plug and Play）的特性，能極大地方便系統的集成，在我國采用該標準系列的應用中，有效地提高了變電站自動化系統的技術水平，提高了變電站自動化系統安全穩定運行水平，實現了更多的互操作性。

正是因為這些特點，它不僅應用在變電站內，而且越來越多地運用于變電站與調度中心之間以及各級調度中心之間。因此，也被應用到智能化水電廠建設實踐中。

從應用于松江河智能化系統的實際效果來看，由于機組LCU、公用LCU不具備IEC61850體系結構支持功能，為實現一體化平臺的IEC61850通信要求，在LCU中加入接轉設備即IEC61850協議轉換器，將現地信息規約轉換為IEC61850，基于IEC61850的智能水電廠信息模型[4]，在智能化系統中建立實時監控應用的嘗試。但由于加入了一次、甚至更多次的轉換過程，在這種情況下，LCU的通信機制沒有變化，傳輸內容沒有增多，反而徒增一個轉換環節，不僅使系統實時性變差，還在每個通信回路上增加至少一個故障點[5]。充分發揮IEC61850體系結構的優勢的前提條件是支持IEC61850標準的智能設備在現地得到廣泛應用，如果絕大多數現地設備不具備支持功能，這種做法不值得提倡。

新建豐滿電站三期工程獨立運行計算機監控系統存在機組LCU不具備IEC61850標準支持能力這種情形，因此，未采用IEC61850標準作為通信模型，但是，也不能斷定不采用IEC61850標準就不具備智能化特征。

5 一體化平臺的問題

一個應用于國內水電廠智能化的一體化平臺模型由以下幾部分構成：

（1）數據中心

數據中心建立水電廠統一的數據模型規范與標準，即水電標準CIM模型。建立橫跨安全Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區以及一體化管控平臺與現地之間的標準水電數據交換總線，同時提供對實時數據庫、關系數據庫、文件數據庫等的標準接口。

（2）基礎服務

基礎服務在數據中心提供的標準接口和數據基礎上，實現各類應用的部署、發布、運行與管理，支持主備機制，提供通用的技術與框架支撐，為整個系統的集成和高效可靠運行提供保障。

（3）一體化應用

一體化應用應提供標準的公共人機界面框架，應能夠集成各類基礎服務的功能組件。一體化應用應能實現用戶自定義的界面展示和功能組件按自定義規則組合，完成個性化配置和智能化業務流的組裝。

我們梳理一下ArchestrA 架構模型的系統基本構造特點：

1）基于MS .NET技術的優勢；

2）基于MS SQL Server數據庫的對象結構模型，如系統平臺對象模型、引擎對象模型、區域對象模型、設備對象模型等基本系統組件類模型，開關、模擬量、消息、自定義模型等多種設備類型和數據類型模型，一些對象可作為容器構成復合對象；

3）所有模型以對象方式存在于數據庫中，因此，通信以對象結構組織數據和信息；

4）ArchestrA平臺提供統一域名空間，空間里所有對象被唯一地命名，應用中的每臺工作站或服務器都是域名空間的一部分；

5）ArchestrA平臺為成員統一規范通信接口，以唯一對象名稱自由訪問域名空間；

6）ArchestrA平臺即為數據引擎、區域模型容器，任務機為數據引擎、區域模型構成的應用，任務機管理工具實現各類應用的管理部署、發布、運行與管理，域名空間結構允許把應用自由地分布到系統中的全部工作站上，對于數據源位置沒有限制；

7）標準的公共人機界面框架，配置基本類型的圖形元件、可自定義圖形元件，可裝載工廠圖形元件庫，為各類數據類型對象提供數據連接工具和腳本工具；

8）具有遠方維護能力，應用功能可遠程部署所做的變更，在用戶無需對遠方的監控系統物理設備進行操作的前提下，實現系統的維護和功能更新；

9）具有靈活性和柔韌性，系統結構的改變對客戶端沒有影響，不需要對客戶端做任何修改。

10）由第三方公司MatrikonOPC提供的IEC 61850 OPC Server可實現WW SP2012R2對IEC61850標準的支持。

通過上述的對比分析，不難發現，采用WW SP2012R2作為開發平臺的計算機監控系統，具備智能化電站統一平臺的基本特征。

6 結論

智能水電廠是智能電網的重要組成部分，但又與智能電網關注的重點有本質的不同，應注重水電廠的安全和效益[6]。從豐滿電站三期工程計算機監控系統應用實例來看，我們可以得出如下結論：

（1）IEC61850標準本身是首先是應用于變電站通信網絡和系統的國際標準，不能完全包括水電廠的設備類型。

（2）IEC61850提出了一種公共的通信標準，通過對設備的一系列規范化，使其形成一個規范的輸出，實現系統的無縫連接。它解決了變電站自動化系統產品的互操作性和協議轉換問題，使不同設備廠家的設備方便地實現集成，增加了自動化系統使用期間的靈活性，代表了電力系統智能化的發展方向。因此，與其它協議相比，可優先采用作為實現水電廠智能化的通信標準。

（3）采用IEC61850標準實現水電廠智能化的前提是間隔層設備（如LCU）和過程層 設備應首先實現智能化（如電子互感器的應用），否則，其應用效果可能不如采用LCU生產商協議來得好。

（4）本例中，盡管未完全采用采用IEC61850標準，但是應用了IEC61850標準中的廠站層MMS通信方式。

（5）采用WW SP2012R2作為開發平臺的計算機監控系統，具備智能化電站統一平臺的基本特征。該系統由第三方提供OPC接入接口，支持采用IEC61850標準的系統實現。

（6）基于ArchestrA 架構模型的WW SP2012R2系統提供了一個完善的智能化統一平臺實現方案，其設備模型是通用模型，可定制水電模型。

（7）基于ArchestrA 架構模型的系統提供了統一域名空間架構，在構造中更具靈活性和柔韌性，方便地跨越大型、廣域分布式網絡部署和管理他們的自動化應用。

[1] DL/T578-95, 水電廠計算機監控系統基本技術條件[S].

[2] Training Manual, Revision E．Part Number 05-2056. Wonderware Training[M]. 2006,(1).

[3] IEC 61850-7-1, 變電站通信網絡和系統, 2003[S]．

[4] 閔崢, 等. 基于IEC61850的智能水電廠建模技術[J]. 水電自動化與大壩檢測, 2011,(4): 1-5.

[5] 趙海濤, 等. 基于IAS2.1的太平灣發電廠計算機監控系統開發[J]．水電自動化與大壩檢測, 2012(5): 26-31.

[6] 王德寬, 等. 智能水電廠自動化系統總體構想[J]. 水電自動化與大壩監測, 2011: 5-9.

Research on Independent Smart Computer Monitoring System for Project III of Fengman Hydropower Plant

MENG Fanxin1, ZHANG Lei1, ZHAO Haitao2, DU Jianhong3, HUANG Zhuo2

(1. Engineering Bureau On Comprehensive Recovery of Fengman Dam, Jilin 132108, China; 2. Liaoning Electric Power Research Institute Co., LTD, Shenyang 110006, China; 3. Fengman Hydropower Plant, Jilin 132108, China)

This paper briefly introduces the implementation of the computer monitoring and control system for the requirement of independent operation of the third project of Fengman hydropower plant. Technological feature and advantage of applied system developed on WW System Platform 2012 R2 are summarized, and practical problems in building smart system for the hydropower plant according to IEC61850 standard are analyzed objectively. On basis of analyzing and abstracting essential element of integrative platform which is core component of smart hydropower plant system, integrative character and technological advantage of WW System Platform 2012 R2 are analyzed and summarized deeply. Finally, research is done on probability of realization of intelligence of hydropower plant by WW System Platform 2012 R2 system .

intelligent power plant; system platform 2012 R2; AchastrA framework; .Net structure

TK730.8

A

1000-3983(2016)05-0061-05

2016-05-17

孟繁欣（1978-），2001年6月畢業于武漢大學電子信息學院測控技術及儀器專業，現從事水電自動控制專業技術研究工作，高級工程師。

審稿人：閔英光