淺談某蓄能水電廠計算機監控系統上位機改造

王宗收，李世昌，朱傳宗，吳 妍，于 瀟

（河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

1 引言

近幾年來我國經濟水平增長迅猛日新月異，社會的高速發展離不開電力能源的支持，這種強大的電力需求也使得中國電力水平有了很大的提高，尤其是抽水蓄能電站近幾年來發展速度驚人。抽水蓄能電站在電網中主要起著削峰填谷、事故備用以及調頻的作用，與火電、核電、風電相結合，節省了大量的資源，在電網中扮演的角色也越來越重要。由于我國抽蓄事業起步較晚，電站使用的多種設備尤其是控制系統軟硬件大多采用的是國外技術，而國外多個廠家在多年的變革中經歷了解體與合并，導致現在抽水蓄能電廠監控設備維護成本高，監控系統備品備件不足，另外由于抽水蓄能電站監控大多于20世紀末設計，當時監控系統的研發與生產技術已無法滿足現在抽水蓄能電站的要求，因此這些弊端嚴重影響了我國抽蓄事業的發展[1]。

隨著我國工業技術的發展以及自動化水平的提高，計算機硬件與軟件的技術水平都較以前有了長足的發展，具有了能夠獨立設計抽水蓄能電站計算機監控系統的能力，因此對電站監控系統的改造正在一步步的開始進行。本次抽水蓄能電站監控改造項目總體分為兩部分，上位機改造與下位機改造。本文主要介紹上位機改造，上位機改造完成后再對下位機進行改造，最終實現抽水蓄能電站計算機監控系統的全面升級改造。

2 上位機改造背景

現有蓄能水電廠監控系統由于設備投運時間長以及設備老化等原因，經常會出現一系列的問題，下面就幾個較為常見的故障進行簡單介紹。如值守人員值守過程中突然發現數據服務器中斷報警，檢查發現實時服務器黑屏，檢查主機發現不斷重復啟動。據以往經驗來看，主機不斷重復啟動的原因可能有如下幾點，①設備電源模塊故障，這類故障不太常見；②主機CPU熱保護動作，導致不斷自動啟動主機；③板卡積灰較多造成某點短路進而保護動作，這種情況在故障中最為常見；④主板故障。運維人員根據以往的經驗進行處理。首先將主機拆開，清掃硬盤、內存條、CPU風扇等部位灰塵，清理完畢后進行試驗，發現仍不能正常啟動；在CPU與散熱器之間涂抹銀硅脂促進散熱，經查資料添加銀硅脂后允許立即開機，立即回裝固定，進行試驗，試驗失敗。然后更換其主機電源模塊進行試驗，仍無法正常啟動，最后將原主機硬盤拆下裝至該臺主機上進行試驗，主機可以正常運行，但存在第5口內存條故障報警及時間不正確的現象，運行2 h后再次中斷且屏幕上數據迅速滾動，暫時將主機關閉，防止CPU過熱損傷主機，然后將第5口內存條更換至第6口，再次進行上電試驗，運行正常。再如值守人員監盤過程中發現報警：CIS2 ETHERNET coupler1 OUT OF SERVICE 與 DUAl-LINK STATION INTERFACE OUT OF SERVICE。操作員工作站CVS無法控制機組運行與負荷調整，操作員工作站失去了服務功能，監控系統2號數據服務器CIS2失去服務功能，上行和下發的數據無法通過CIS2再進行傳送，最終更換電源模塊后恢復正常。除了這些影響機組運行的故障外還經常出現一些一級報警，如：CCC FUNCTION FAULT，CCC STATIAON CONTRONETI FAULT，OPERATOR STATION2 CONTRONETI OUTSERVICE，CIS 1 ETHERNET COUPLER 1 OUTSERVICE，這些偶爾出現的報警雖然會瞬時復歸，不會影響機組的正常運行，但會嚴重影響值守人員的判斷，影響運行人員正常的監盤工作。可以看出上述報警大多是因為監控系統上位機設備老化，或者出現的通信故障造成。

因此，現有的監控系統已無法滿足抽水蓄能電站的需求，影響了電站的正常運行，監控系統升級改造迫在眉睫。本次電站改造緊緊圍繞“無人值班”（少人值守）的原則[2]，以提高監控系統的穩定性、安全性、可靠性為根本，做到新設計的監控系統使用方便、維護升級簡單、畫面可讀性強、便于擴充的目的。此次上位機改造主要包括3部分：上位機硬件系統更換、監控系統構架升級、上位機軟件系統改造，下面就各個改造環節進行簡單的介紹。

3 上位機硬件改造

考慮到原有監控系統存在的大多數問題都與上位機硬件設備有關。針對這一現象，對幾個重點上位機改造后的節點硬件進行介紹。歷史數據庫服務器具有長期過程數據存儲、即時和各類分析、現地和遠方訪問、記錄數據與追憶等功能，而操作員站更是監視和控制著電站的運行，遠動機主要負責與調度進行實時數據通信，主機則是對數據進行實時處理，因此歷史數據庫服務器、遠動機與主機服務器及操作員站是上位機監控系統的重中之重。原有的歷史服務器與操作員站均是SUN UNIX站，系統配置為512 MB內存，40 GB硬盤，通過原有監控系統的配置可以看出，配置低及設備老化是監控系統發生故障的一個重要原因。改造后的上位機硬件系統均采用高標準配置，歷史服務器與主機服務器全部采用HP公司的DL388 G9，具有2個INTEL16核64位至強E5-2683 V464處理器，內存為32 GB，硬盤為300 GB×4，硬盤主軸旋轉速度不小于10 k r/min，可熱插拔，方便電站工作人員進行維護。主機電源采用冗余供給系統，熱插拔電源模塊，硬件支持掉電保護和電源恢復后的自啟動功能。改造后的操作員主機則采用HP Z440工作站，1個INTEL至強4核E5-1620 V4處理器，3.5 GHz主頻，8 GB內存，1 TB 7200 RPM SATA硬盤，NVS315 1 G高性能獨立顯卡，支持雙顯，2個1 000 M網口。另外為方便調度通信，電站也升級了遠動機等設備，主機采用南瑞SJ30-664通信服務器，CPU采用INTEL賽揚雙核3955處理器，128 G硬盤，4 G內存等配置，除此之外，為保證通信流暢與安全，還配置了2個電力貓，1臺MSR2600-10路由器和2臺Netkeeper縱向加密裝置，在保證與省調及網調通信流暢性的同時，也保證了傳輸信息的安全性。

另外，結合上位機監控系統改造，也對電站的對時系統設備進行升級改造。改造后的對時系統采用主從模式。對時主時鐘裝置設有1套，具有兩路輸入，分別為北斗輸入和GPS輸入，另外還配有1套匯聚時鐘與8套擴展時鐘。這些分時鐘信號分別送到各個現地控制盤、故障錄波室和線路保護室等使用。

4 監控系統網絡構架

抽水蓄能電站監控系統是對全廠的生產進行自動控制、監視、保護和數據采集，對全廠安全穩定生產起著至關重要的作用。一般電站的監控系統分為3層，即系統控制層、電站控制層、現地控制層。系統控制層即調度對全廠機組進行控制，通過對電廠的有功功率和無功功率的設置，實現機組穩定的運行。電站控制層通過運行人員在監控系統中的操作，控制信息經環網傳遞給現地控制單元，從而實現機組的控制，這種方式是電站主要控制方式。現地控制層由機組現地控制單元、公用系統現地控制單元、高壓現地控制單元等構成，在檢修試驗中，也會通過現地控制層對機組進行控制[3]。

上位機監控系統構架是連接系統控制層、電站控制層、現地控制層的信號傳輸路徑，既負責與調度的信息傳輸，也負責著控制全廠的生產運行，因此，上位機監控系統構架的好壞直接影響著機組是否可以實現自動化控制。由于抽水蓄能電站廠房位置特殊，一般都分布在地下，將不同設備分布在不同的層，如發電機層、水機層、主變洞等，這種較為復雜的廠房結構，對于上位機網絡構架也有了較高的要求。另外抽水蓄能電站在電網中的角色越來越重要，機組啟停及工況轉換頻繁，信息傳輸量極大，傳統的環網結構已不再適用。星—環結構開始被推廣應用，本次上位機改造即采用這種結構，該結構具有很高的信息傳輸可靠性，不受單個節點的影響，具有運行靈活節省成本等優點[4]。改造后的環網主要將LCU1、LCU2、LCU3、LCU4、LCU5、LCU6等機組現地控制單元設備連接到一起，環網通過A B單模交換機構成雙向單模光纖環網，每個交換機光口有4個接口，分別為上一級LCU尾纖輸入與下一級LCU尾纖輸出，交換機與尾纖相連，尾纖經光纖盒內熔接，因此通過光纖構成雙環網。然而需要注意的是一般在監控系統改造過程中，上、下位機改造是不同步的，在上位機改造過程中，需要借助OPC服務器與OPC網關機對現地控制單元進行數據的采集，實現上下位機數據的傳輸，在改造過程中將臨時交換機接入環網，臨時交換機通過連接OPC網關機，再連接在OPC服務器上，OPC服務器連接主交換機，主交換機上其他上位機設備以星型連接，每個上位機節點都同時連著A、B主交換機，實現雙機雙網。

5 NC2000在監控系統中的應用

上位機監控系統構架設計完成以后，實現對機組控制的則是建立在操作員站、主機及歷史服務器上的系統軟件，電站建設初期采用的是阿爾斯通ALSPA P320系統，由于是國外操作系統，各種操作、查詢等界面都是英文設計，因此給運維值守人員造成了一定的困難。改造后采用的系統為NC2000 V3.0系統軟件，該軟件是NARI面向水利水電行業研制的大型計算機監控系統軟件，實現了監控系統軟件真正的國產化[5]。NC2000 V3.0是分布式計算機監控系統，具有十分強大的系統功能、監視功能以及控制功能，在越來越多的水電站開始使用。該軟件的特點是面向對象設計，比如將發電機、斷路器等設備當做對象處理，這樣的思路方便進行二次開發與使用。另外該軟件可以在多種不同系統的服務器上運行，在實現電站監視控制的同時也方便運維人員學習與維護。該系統的系統功能有實時數據庫、網絡通信及冗余、歷史數據庫和生產管理、系統管理、 組態工具、其他通信軟件、自診斷及自恢復；監視功能有數據采集與處理等；控制功能可以實現機組的啟停與調節，除此之外該系統還具有強大的畫面編輯、報表系統、智能報警系統等，方便電站值守人員使用。這些功能基本滿足了電站運行的需要，保證了電站的正常運行。下面對該軟件常用的幾個功能進行介紹。

用戶設置管理可以將監控用戶劃分5個等級，即超級用戶、值長、運行、培訓和監視，不同的用戶具有不同的權限，這樣通過不同權限的設置，既可以保證日常生產控制的需要，又可以防止系統被誤動，用戶管理界面如圖1。

圖1 NC2000某電廠監控用戶管理畫面

為方便值守監視機組的運行，軟件系統提供了以下幾個基本界面：簡報、一覽表等。簡報中記錄了電站運行的最全面的信息，包括所有的操作、自診斷、事故、故障、越復限、狀變、輔設啟停表、AGC操作表、流程信息表、保護信息表、當前報警等內容，點擊上面每一項菜單就會顯示對應的信息條。每條信息都由發生時間、機器名及操作時間組成，方面運維人員對各個基本設備狀態的把握，具體簡報畫面如圖2所示。

圖2 NC2000某電廠監控系統簡報畫面

與簡報相對應的另外一個主要的界面就是一覽表，如圖3所示，簡報依托于實時數據庫，而一覽表則依托于歷史服務器，與簡報相類似，一覽表中也能看到操作、事故、狀變、越復限、故障等已經發生事件的記錄條。通過輸入時間段或者名稱等信息，便可以查詢相應的事件，為快速準確的查找出事故發生的原因提供了信息支撐。依托于歷史服務器，還可以對各種監測數據進行歷史曲線查詢。另外NC2000還有一個很方便的功能就是制作報表，報表系統通過動態連接相應的數據庫內容，可以根據電廠的需要做一些日報或者月度分析報表等，給運行人員減少了很多大的工作量。

NC2000 V3.0軟件系統除了方便運行人員日常監盤工作以外還方便升級改造。例如軟件中的數據庫功能，當電站監控量發生調整時，例如增加或者減少監測點，通過更改數據庫里面相應測點的信息即可完成。軟件中流程控制功能則可以根據電站需要編寫順控流程，方便操作。另外該軟件還具有強大的圖形編輯功能，通過點擊運行方式，系統進入圖形編輯界面，用戶同樣可以根據監測的需要，改變畫面的內容。

6 結論

隨著社會的發展，抽水蓄能電站在服務國民經濟中起著越來越重要的作用，水電廠控制的核心在于監控系統，本文主要分析了原有監控系統存在的問題，原系統已無法滿足現在抽蓄電站的需要，國產化監控上位機系統改造迫在眉睫。改造后的國產化監控系統可以很好地實現抽水蓄能電廠的監視與控制，使計算機監控系統的穩定性得到了提高，達到了方便電站運行人員監盤和系統維護升級的目的，既保證了電網系統的穩定性，也節省了大量的維護費用，電站上位機的升級改造獲得了很高的經濟效益與社會價值。