OPC協(xié)議在張河灣電站監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化改造中的應(yīng)用

李世昌，王晶晶，王宗收，李 勇

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

1 引言

張河灣電站原計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)隨主機(jī)機(jī)電設(shè)備采購，由法國阿爾斯通供貨，采用ALSTOM ALSPA P320產(chǎn)品。下位機(jī)共設(shè)置10套現(xiàn)地控制單元（LCU），分別為4臺(tái)機(jī)組LCU，1套公用LCU,1套SFC及開關(guān)站LCU，1套上庫LCU、1套下庫LCU、1套模擬屏、1套35 kV LCU。

張河灣電站用3年時(shí)間逐步完成國內(nèi)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)首次全面國產(chǎn)化升級(jí)改造，2018～2020年張河灣公司將原阿爾斯通 P320軟件改造為國產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，將4臺(tái)機(jī)組、開關(guān)站、公用系統(tǒng)、上下庫等10套下位機(jī)現(xiàn)地控制單元PLC由原阿爾斯通C80-75 系列改造為國產(chǎn)系列PLC，改造后的監(jiān)控系統(tǒng)性能更加強(qiáng)大，功能更加完善，人機(jī)界面更加友好，編程更加簡(jiǎn)單，運(yùn)行更加穩(wěn)定，維護(hù)更加便捷。張河灣公司此次監(jiān)控系統(tǒng)改造難度大、工期長(zhǎng)，監(jiān)控系統(tǒng)改造過程中創(chuàng)新性利用OPC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件和PLC與原阿爾斯通PLC之間的通信，實(shí)現(xiàn)了新老系統(tǒng)之間無擾切換。改造過渡期間未影響機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行，可為其他抽蓄電站監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化改造提供借鑒。

2 實(shí)施背景

張河灣監(jiān)控系統(tǒng)自投產(chǎn)至今已有近10年時(shí)間，監(jiān)控系統(tǒng)在軟硬件平臺(tái)的可靠性、售后服務(wù)的及時(shí)性，監(jiān)控系統(tǒng)功能的擴(kuò)充性，電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析挖掘等方面存在問題，主要設(shè)備故障率逐漸增高，原有監(jiān)控廠商被GE收購，SUN工作站、C80-75 PLC、同期等設(shè)備均已經(jīng)停產(chǎn)，導(dǎo)致其監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品無法保障連續(xù)性的售后服務(wù)和技術(shù)支持，系統(tǒng)的軟硬件均已不能進(jìn)行進(jìn)一步的維護(hù)和更新，監(jiān)控系統(tǒng)的不穩(wěn)定隱患已經(jīng)嚴(yán)重威脅了電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，已經(jīng)不能滿足電站日益提高的運(yùn)行管理的要求，并對(duì)電站的生產(chǎn)運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。具體問題如下：

工程師站、報(bào)警工作站、報(bào)表工作站、通信工作站及LCU人機(jī)接口計(jì)算機(jī)等設(shè)備均采用不安全操作系統(tǒng)（Windows XP）。

監(jiān)控系統(tǒng)目前為進(jìn)口設(shè)備，不滿足國家能源局發(fā)布的《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)專項(xiàng)監(jiān)管報(bào)告（2016）》中“持續(xù)推進(jìn)電力監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化戰(zhàn)略”要求。

根據(jù)DL/T 578-2008《水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件》第4.5.1.1.1條規(guī)定：“SOE點(diǎn)分辨率分為，1 級(jí)：≤10 ms；2 級(jí)：≤5 ms；3 級(jí)：≤2 ms。大型水電廠的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)SOE分辨率應(yīng)滿足3級(jí)或2級(jí)要求”。張河灣電廠為大型水電廠，目前CE2000 SOE分辨率大于5 ms，不滿足該條規(guī)定。

監(jiān)控系統(tǒng)未實(shí)現(xiàn)AGC成組控制功能。監(jiān)控系統(tǒng)與技術(shù)供水等子系統(tǒng)的Modbus通信出現(xiàn)通信故障，主用PLC看門狗誤動(dòng)作、主用PLC重要故障信號(hào)板卡故障。

監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元1LCU、2LCU出現(xiàn)過控制器CPU模件、電源模塊故障。經(jīng)查，目前電站儲(chǔ)備的監(jiān)控系統(tǒng)備品備件數(shù)量也較少，部分重要的電源及CPU模塊更是只有1～2塊，而且無法繼續(xù)采購。

此外，電站監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元5LCU配置配電裝置較多,包括變頻啟動(dòng)裝置(SFC)、500 kV GIS和500 kV線路，以及地下廠房10 kV廠用電系統(tǒng)和附屬用房直流系統(tǒng)，該LCU對(duì)設(shè)備的監(jiān)視和控制負(fù)擔(dān)較重，在設(shè)備調(diào)試時(shí)，需要做出嚴(yán)格安全閉鎖措施，以防止監(jiān)控系統(tǒng)間干擾。為避免出現(xiàn)誤動(dòng)，在監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造時(shí)，宜將配電裝置現(xiàn)地控制單元分成開關(guān)站現(xiàn)地控制單元和附屬用房公用現(xiàn)地控制單元兩部分。

綜上所述，原監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)維成本及運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)逐年加大，已不能滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行新要求。電站監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行近10年，依據(jù)《國網(wǎng)新源公司生產(chǎn)技術(shù)改造原則》6.2.1.1.7條指出：“電網(wǎng)自動(dòng)化主站系統(tǒng)、子站系統(tǒng)投運(yùn)8年的，可安排改造，工作站運(yùn)行5年后可予更換。”的要求，亟須對(duì)張河灣蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行整體技術(shù)升級(jí)改造。

3 實(shí)施過程

3.1 前期策劃

（1）監(jiān)控系統(tǒng)控制軟件

選用已成熟應(yīng)用于抽水蓄能電站的國產(chǎn)化監(jiān)控系統(tǒng)控制軟件。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元PLC

選用已成熟應(yīng)用于抽水蓄能電站的國產(chǎn)PLC及I/O采集模件組成的現(xiàn)地控制單元（LCU）替換原GE公司C80-75及CE2000組成的LCU。

（3）監(jiān)控功能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由電站控制級(jí)、現(xiàn)地控制單元級(jí)和獨(dú)立光纖硬布線緊急操作裝置等設(shè)備組成。電站控制級(jí)采用高度冗余設(shè)計(jì)，為雙主計(jì)算機(jī)互為熱備用方案，局域網(wǎng)絡(luò)采用快速交換式以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)（不小于1 000 Mb/s）；獨(dú)立光纖硬布線緊急操作裝置采用獨(dú)立的光纖及PLC等控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)事故閘門緊急關(guān)閉及機(jī)組緊急停機(jī)的功能。另外，電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)將預(yù)留與集中控制中心聯(lián)絡(luò)及受其調(diào)度的接口。整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)確保簡(jiǎn)單、安全、可靠且便于擴(kuò)充。

電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擬采用冗余光纖快速交換式以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)（不小于1 000 Mb/s）。電站控制級(jí)設(shè)備及現(xiàn)地控制單元設(shè)備均直接接在局域網(wǎng)絡(luò)上。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選用適合于電站環(huán)境的1 000 Mb/s級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。冗余網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用兩根獨(dú)立的光纜連接，每根光纜的備用芯數(shù)不少于4芯。

面向監(jiān)控對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)擬全面采用以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，通信方式建議在Profibus-DP、Genius、Modbus、IEC 60870-5-101、IEC 60870-5-103、Device net、FF和Worldfip等方式中選取，并以一種通信方式為主，通信技術(shù)種類不應(yīng)超過3種。對(duì)于無法采用數(shù)字通信的設(shè)備采用硬布線I/O進(jìn)行連接。另外，對(duì)于安全運(yùn)行的重要信息、控制命令和事故信號(hào)除采用現(xiàn)場(chǎng)總線通信外，還須通過硬布線I/O直接連接，以保障可靠性。對(duì)于與繼電保護(hù)裝置的通信，應(yīng)采用能夠傳送保護(hù)動(dòng)作時(shí)標(biāo)的通信協(xié)議。

3.2 技術(shù)難題

抽水蓄能電站與常規(guī)水電不同，SFC抽水啟動(dòng)和機(jī)組之間背靠背啟動(dòng)需要通過不同現(xiàn)地控制單元PLC之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，因此解決新老PLC之間數(shù)據(jù)交互的問題是改造成功的關(guān)鍵，新老系統(tǒng)過渡運(yùn)行的重要技術(shù)保障是國產(chǎn)化監(jiān)控系統(tǒng)與阿爾斯通核心控制器C80-75 PLC 數(shù)據(jù)交互。阿爾斯通C80-75 PLC由通用電氣GE貼牌生產(chǎn)，新監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置OPC服務(wù)器作為數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，通過OPC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)C80-75 PLC各類型寄存器的讀取和置位，從而完成新監(jiān)控系統(tǒng)與阿爾斯通LCU的數(shù)據(jù)交互。

這種新老通信實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)點(diǎn)是通信安全可靠，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性高。一方面，不需要對(duì)阿爾斯通的C80-75程序做任何改動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，完全保證現(xiàn)地控制單元的原廠狀態(tài)；另一方面，采用GE數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)新老系統(tǒng)的無縫通信，可靠性高而且也能提高新老系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)性。

3.3 實(shí)施主要步驟

3.3.1 監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)系統(tǒng)的升級(jí)改造

2018年9月完成新的監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)及網(wǎng)絡(luò)的安裝和調(diào)試。首先梳理了原監(jiān)控系統(tǒng)10套現(xiàn)地控制單元PLC內(nèi)20 000多個(gè)變量的寄存器地址，新監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)通過OPC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議訪問原進(jìn)口監(jiān)控系統(tǒng)PLC的寄存器地址實(shí)現(xiàn)新老系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，重新建立數(shù)據(jù)庫和畫面，實(shí)現(xiàn)新監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)對(duì)老監(jiān)控系統(tǒng)PLC的監(jiān)視和控制，并實(shí)現(xiàn)與調(diào)度實(shí)時(shí)通信。結(jié)合上庫放空檢修，先逐臺(tái)完成現(xiàn)地控制單元LCU與新監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)OPC網(wǎng)關(guān)機(jī)的接入試驗(yàn)，對(duì)OPC側(cè)的數(shù)據(jù)讀寫功能、數(shù)據(jù)刷新速率及通信冗余切換功能進(jìn)行驗(yàn)證，在所有LCU接入試驗(yàn)完成后，一次性將全部LCU接入新監(jiān)控系統(tǒng)，為保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性，OPC網(wǎng)關(guān)機(jī)與通信服務(wù)器分別采用雙鏈路交叉互連，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的主備用。將與調(diào)度的通信切換至新監(jiān)控系統(tǒng)，保證改造過程中電廠與調(diào)度間的自動(dòng)化業(yè)務(wù)不中斷，保證與調(diào)度通信的主控級(jí)數(shù)據(jù)完整，同時(shí)保證AGC和AVC不中斷，進(jìn)一步保證電廠生產(chǎn)的連續(xù)性和完全性，如圖1所示。

圖1 OPC網(wǎng)關(guān)機(jī)與上位機(jī)的連接方式

改造過渡過程中通過OPC網(wǎng)關(guān)機(jī)作為隔離，可以實(shí)現(xiàn)新老監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)的并列運(yùn)行，防止改造初期出現(xiàn)新老系統(tǒng)兼容性不好引起運(yùn)行不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.2 監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元的升級(jí)改造

2019年3月至6月結(jié)合1號(hào)機(jī)組A修對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元進(jìn)行升級(jí)改造。改造實(shí)施之前，對(duì)原監(jiān)控系統(tǒng)控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，在保證原有程序功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，取消原程序中因正常狀變產(chǎn)生的報(bào)警，實(shí)現(xiàn)1條報(bào)警對(duì)應(yīng)1條缺陷，為值守人員帶來了便捷，并對(duì)原程序中繁雜冗余的邏輯進(jìn)行以簡(jiǎn)單直接的條件重新編寫，減少占用內(nèi)存，使PLC處理速度達(dá)到最快。改造過程中，為保證其他機(jī)組可靠平穩(wěn)運(yùn)行，將舊現(xiàn)地控制單元接入環(huán)網(wǎng)的光纖收發(fā)端使用法蘭連接，雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)不受影響，并將1號(hào)機(jī)組現(xiàn)地控制單元獨(dú)立出來，避免信號(hào)核對(duì)、盤柜接線時(shí)的錯(cuò)誤報(bào)警上送。改造后的LCU配置2塊熱備冗余的CPU，2個(gè)CPU模件通過高速內(nèi)部總線實(shí)時(shí)備份數(shù)據(jù)，并可直接接入上位機(jī)主交換機(jī)，與上位機(jī)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，如圖2所示。

圖2 1號(hào)現(xiàn)地控制單元脫離原有環(huán)網(wǎng)

在改造的過渡過程中存在新改造下位機(jī)與未改造的下位機(jī)間的數(shù)據(jù)通信的情況，尤其是涉及多個(gè)LCU間的通信，此種情況下，通過OPC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)C80-75 PLC寄存器的讀取，并與新監(jiān)控系統(tǒng)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向交互，從而完成新監(jiān)控系統(tǒng)與阿爾斯通LCU的數(shù)據(jù)交互，使各個(gè)LCU間數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)有效輸送。

剩余現(xiàn)地LCU的接入調(diào)試按照機(jī)組LCU、附屬用房LCU、公用輔機(jī)LCU、上下庫LCU的次序依次進(jìn)行改造。

3.3.3 現(xiàn)場(chǎng)使用

（1）改造過渡過程中通過OPC網(wǎng)關(guān)機(jī)作為隔離，可以實(shí)現(xiàn)新老監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)的并列運(yùn)行，防止改造初期出現(xiàn)新老系統(tǒng)兼容性不好引起運(yùn)行不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）改造過渡過程中，已改造的現(xiàn)地控制單元PLC通過光纜備用通道組成環(huán)網(wǎng)直接接入新監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)，未改造的現(xiàn)地控制單元PLC組成環(huán)網(wǎng)通過OPC網(wǎng)關(guān)機(jī)接入新監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)，2個(gè)環(huán)網(wǎng)的PLC通過OPC網(wǎng)關(guān)機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)SFC啟動(dòng)抽水和機(jī)組之間背靠背啟動(dòng)抽水，并且實(shí)現(xiàn)改造過程的平穩(wěn)過渡，未影響機(jī)組的正常抽水和發(fā)電。

（3）監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)投入運(yùn)行已近1年時(shí)間，上位機(jī)能正確監(jiān)視現(xiàn)地設(shè)備狀態(tài)，獲取現(xiàn)地原阿爾斯通C80-75 系列PLC數(shù)據(jù)無誤，上位機(jī)對(duì)機(jī)組啟停控制無異常，實(shí)現(xiàn)了新老監(jiān)控系統(tǒng)之間的無擾切換。

4 實(shí)施效果

（1）解決了原上位機(jī)SUN主機(jī)設(shè)備停產(chǎn)、無備件可更換、技術(shù)支持困難的問題。新系統(tǒng)上位機(jī)為主流惠普品牌，硬件配置冗余，備件充足。

（2）解決了原監(jiān)控系統(tǒng)光纖環(huán)網(wǎng)斷網(wǎng)無法自動(dòng)切換問題，重新敷設(shè)了新監(jiān)控光纖環(huán)網(wǎng)，并將網(wǎng)絡(luò)帶寬由百兆以太網(wǎng)升級(jí)為千兆以太網(wǎng)。

（3）解決了原系統(tǒng)不滿足二次安防新要求的問題。新系統(tǒng)全面滿足二次安防要求，配置安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

（4）解決了原數(shù)據(jù)服務(wù)器不穩(wěn)定，曲線及報(bào)表查詢功能不完整的問題。新系統(tǒng)支持豐富的曲線及報(bào)表查詢功能，歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)穩(wěn)健，存儲(chǔ)容量大。

（5）解決了原系統(tǒng)調(diào)度通信鏈路無法擴(kuò)充的問題。新系統(tǒng)調(diào)度通信鏈路自由配置，能適應(yīng)多平面、多通道的新要求。

（6）解決了監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)主機(jī)采用不安全操作系統(tǒng)的問題，新監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)全部采用Linux系統(tǒng)。

（7）解決了原上位機(jī)報(bào)警系統(tǒng)無法滿足報(bào)警精簡(jiǎn)分類的要求。新監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警功能豐富，運(yùn)維方便。

（8）解決了原監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面不友好的問題。新監(jiān)控系統(tǒng)全面支持中文，可根據(jù)要求自由定制人機(jī)界面。

（9）解決了原監(jiān)控系統(tǒng)采用存在安全漏洞的赫斯曼交換機(jī)問題，新監(jiān)控系統(tǒng)采用國產(chǎn)東土交換機(jī)。