全國產水電機組計算機監控系統

談 博，裴海林，趙曉嘉，陳映喜，牛利濤，張 鋼

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054； 2.華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南 大理 675702）

計算機監控系統作為水電廠“無人值班、少人值守”的自動控制中樞神經，其設備可靠是電廠安全穩定運行的保證[1-3]。目前各類型水電廠均配備成熟的監控系統，但其核心軟硬件設備主要以進口產品為主[4-5]。國內外主流水電監控系統制造商為中水科、南瑞水電、國電南自、安德里茲及西門子等。

隨著工業互聯網、智慧電廠的建設以及中美貿易摩擦的加劇，電力網絡安全和“卡脖子”斷供風險是當前水電企業面臨的重大挑戰。為保障國家能源領域安全，“華電睿信”“華能睿渥”全國產水電計算機監控系統在近期投入商用，初步解決了我國水電行業控制系統的“卡脖子”問題，堵住了生產運行安全的“后門”[6]。

本文通過收集、調研和分析某集團各水電廠的計算機監控系統配置及運行狀況，發現控制功能存在的問題，如系統老化后的性能降低、早期產品停產導致缺少備品備件、軟硬件兼容性不足、多產品互聯互通困難、系統構架不滿足新標準等[7-8]。同時，以華能睿渥HNICS-H316全國產水電監控系統為例，結合該系統在某大型、中小型水電站的運行效果，從使用成本、通用性、適用性、控制性能等方面提出優化建議，為全面開展水電監控系統的國產化改造提供技術參考。

1 控制系統概況

水電監控系統的核心設計原則是“無人值班、少人值守”，功能上滿足調度自動化的要求，能遠程實現監控機組開停機、功率設定、負荷調整、電氣開關操作等功能[9-10]。廣義的監控系統包含廠站級系統、現地控制單元、輔控系統及關聯設備[11]。

1.1 監控系統配置

監控系統以核心交換機為樞紐，采用開放的分層分布式結構，現地控制單元接入交換機，廠站級上位機也通過裝設的雙網卡接入交換機，形成上、下位機間信息互通。各輔控系統以通用PLC作為分布式IO，通過Modbus TCP/IP、IEC61850等協議與現地控制單元進行通信[12-13]。

某集團下屬32家水電公司53個電站，總裝機容量超過2 700萬kW。經過調研得知，該集團監控系統集成廠家有11家，分別為南瑞水電、安德里茲、中水科、國電南自等，設備型號達到20余種。集成廠家具體統計數據如圖1所示。

圖1 各水電廠監控系統集成廠家統計 Fig.1 Statistics of supervision and control system integration manufacturers for hydropower plants

1.2 輔控系統配置

輔控系統指水電廠輔助設備的油、水、氣系統及閘門等控制單元，具體為油壓裝置控制系統、推力外循環系統、高頂控制系統、防水淹廠房系統、技術供水系統、主變冷卻供水系統、頂蓋排水系統、檢修/滲漏/防洪排水系統、壓氣系統、制動系統、進水口閘門系統、泄洪表孔/中孔/底孔控制系統、水位測量系統、發電機定轉子測溫等[14]。

該集團各水電廠的輔控系統主要使用8家通用PLC，見表1。系統集成廠家超過20家，使用PLC的型號達到30余種。

表1 各水電廠輔控系統PLC情況 Tab.1 Application of auxiliary control system PLC for hydropower plants

1.3 關聯設備配置

系統狀態監測與故障診斷是實現智能水電站的重要保證，為保證機組運行的可靠性和相對獨立性，該集團各水電站還配置以下智能單元：同期裝置、測速裝置、勵磁系統、電能表、交流采樣裝置、振擺保護/在線監測系統及調速器系統等。這些關聯設備為專家遠程設備監測、分析、故障診斷及維護決策提供了交互式信息平臺，為運行人員把握設備健康狀況提供了強有力的輔助工具[15]。

2 運行狀況及問題

該集團各水電廠監控系統控制項目基本齊全，分布于機組、廠用電及公用系統、輔控、開關站、壩區等。隨著投產年限的增加，部分水電廠監控系統的控制功能出現一些問題。

2.1 運行年限

監控系統運行年限超過10年，設備故障率逐漸升高，存在安全隱患。根據運行年限，將安全系數分為正常運行（0～10年）、一般嚴重（10～15年）、比較嚴重（15～20年）及非常嚴重（20年以上）。該集團各水電廠監控系統運行年限分布如圖2所示。

圖2 各水電廠監控系統運行年限分布 Fig.2 Operation time distribution of the supervision and control system for hydropower plants

由圖2可見，超過20%的水電廠監控系統嚴重老化，控制性能降低。部分水電廠在機組啟停、運 行期間曾出現卡件損壞、通信模塊故障、數據丟失、控制器死機、服務器宕機等現象，嚴重影響水電機組安全穩定運行。超過10%的輔控PLC已停產，備品備件短缺，面臨急需改造升級的狀況。

2.2 軟硬件問題

由于計算機、通信、自動化技術的高速發展，水電企業進入“無人值班、少人值守”的管理模式。但部分電廠監控系統軟硬件性能無法達到最新技術要求，主要表現為：

1）網絡安全設備缺少前瞻性以縱向加密認證、橫向隔離、專用防火墻及邏輯隔離為核心的被動防御機制，對已知安全漏洞發揮了重要的防御作用。然而，信息網絡的各種漏洞和脆弱性嚴重威脅電力網絡的安全運行，需借助安全態勢感知、安全審計、漏洞挖掘/掃描、入侵檢測及堡壘機等系統，構建多層級的主動防御框架。部分水電廠設計時缺乏前瞻性，監控系統核心交換機的內存容量、預留網口/串口的數量等無法適應網絡安全設備的更新，上位機房的物理位置也存在不宜擴容的窘境。

2）CPU及I/O模件的性能降低少數水電廠監控系統存在CPU及I/O模件性能降低的問題。當設備重新上電時，只有多次冷態重啟CPU后，才能正常工作；當機組運行且現地控制柜門打開時，附近對講機帶來的電磁場干擾會引起I/O模件信號突變，造成機組調節、保護誤動或拒動；測溫控制柜內的RTD模件故障，導致溫度數值無法正常刷新，只有熱插拔模件后，采集數據才能正常上送。

3）硬件配置無法兼容軟件升級、系統擴容的需求隨著工業互聯網、智慧電廠等新興信息技術的 發展應用，部分水電廠監控系統的硬件配置過低，無法兼容軟件升級后的需求。例如：監控系統升級軟件時，出現上位機、觸摸屏、現地控制器運行速度慢或卡頓現象；遠動通信裝置頻繁出現宕機，造成上送數據中斷故障；輔控系統使用的早期通用PLC，其通信接口極易損壞。

2.3 多產品互聯互通困難

近年來，各流域水電廠投產時間跨度較長，流域內水電廠、集控中心及電網調度的上位機/遠動通信裝置往往有數個廠家，控制系統間需增加額外的網關機，遵循相同的通信規約，方能確保全流域控制系統的互聯互通。

部分水電廠輔控系統使用的PLC種類繁雜，通信規約各異，增加了運維檢修的成本和難度。個別水電廠采用不安全的單環形網絡聯接至核心交換機，影響監控系統分層分布的安全網絡布局，不滿足《700 MW及以上機組水電廠計算機監控系統基本技術條件》（DL/T 1626—2016）的要求[7]。

2.4 系統構架不適應最新標準

老、舊、小水電廠的計算機監控系統不滿足反措及標準規范要求[7-8]。例如：監測機組運行的溫度、振擺等重要參數未送至監控系統；水機后備保護系統的輸入信號、供電電源不獨立于機組現地控制單元；監控上位機系統與開關站GIS保護柜、涉網設備等共用一套UPS電源。

部分水電廠I/O測點的布置缺少預見性，將備用通道留在最后模件。當個別I/O通道發生異常故障時，由于線纜長度受限，無法接入備用通道，只能通過更換整個模件來解決，增加了監控系統的維護成本和難度。

3 國產化系統的實施及研究

3.1 國產化系統配置

本文以華能睿渥HNICS-H316控制平臺為例，對水電機組計算機監控系統進行說明。國內首套700 MW水電機組全國產計算機監控系統在云南某大型水電廠投運，中小型水電全國產計算機監控系統在云南某中小型水電廠改造完成，下位機均采用華能睿渥FCP100型PLC搭建。大型、中小型全國產水電機組計算機監控系統配置見表2。由表2可見：集成平臺、上位機操作系統、核心交換機與時鐘同步系統等配套不同國產廠商設備，大型水電機組監控系統的AGC/AVC使用下位機控制機架。通過2個水電廠實際運行狀況，檢驗全國產水電機組監控系統的性能，為后續水電機組監控系統的改造提供經驗。

表2 全國產水電機組計算機監控系統配置 Tab.2 Configuration of domestic supervision and control system for hydropower plants

3.2 網絡架構

以大型水電機組全國產計算機監控系統為例，其整體網絡架構是雙環形+雙星形混合網絡架構，分為廠站控制層、現地控制單元及網絡安全系統，如圖3所示。由圖3可見，廠站控制層由集控通信服務器、省調/網調通信服務器、SCADA服務器、歷史服務器、操作員站、工程師站、ONCALL工作站、數據轉發服務器、AGC/AVC裝置、核心交換機與同步時鐘系統等組成。現地控制單元分為機組LCU、測溫LCU、輔控系統LCU、開關站LCU、公用LCU、壩區LCU及廠用電LCU。其中，機組LCU包含主控PLC、水機后備保護PLC、輔控直送PLC與進水口閘門遠程I/O柜。網絡安全系統的主要設備為縱向加密裝置、橫向隔離裝置、工控漏洞掃描平臺、日志安全審計、堡壘機、態勢感知和安全防護管理網等。其中，安全防護管理網包含安防交換機、防病毒系統、入侵檢測、工控安全審計、數據庫安全審計、網絡威脅感知及安全管理平臺。

圖3 大型水電廠國產監控系統網絡架構 Fig.3 Network architecture of domestic supervision and control system for large hydropower plants

4 國產化系統的難點及建議

4.1 系統遷移方案

在充分考慮新、老監控系統部分設備并行運行的基礎上，確保國產化改造期間水電廠的安全、平 穩過渡，制定“安全、可靠、實用”的遷移方案。提前研發與集控中心遠動裝置間的網關機及通信規約，與調度、集控的通信符合電力網絡安全的要求。大型水電廠監控系統遷移方案如圖4所示。

圖4 大型水電廠監控系統遷移方案 Fig.4 Migrated scheme of supervision and control system for large hydropower plants

上位機遷移方案的具體步驟為：

1）以改造網關機為中介，通過IEC104規約完成新、老監控系統通信機、SCADA服務器的數據交互。

2）將老系統集控通信機2作為新系統網關機使用，老系統集控通信機1通過原電網、電信通道與集控中心進行IEC104通信，集控通信機2通過局域網通道與改造網關機進行IEC104通信。

3）增設2臺交換機和網關機形成雙機雙網結構，在老系統集控服務器端口配置與新系統通信的相關參數。

4）網關機與新系統SCADA服務器、集控/網調/省調通信服務器均按照IEC104通信規約進行配置，與AGC/AVC裝置采用Modbus協議聯接。

5）信號接入與調試，完成遷移工作。

4.2 改造實施難點

監控系統國產化改造是技術全面升級的機會，解決了多項生產運維、技術監督、網絡安全等方面的遺留問題，降低了因設備故障引起非停的風險，提高了設備運行的安全系數和經濟效益。

1）依據水電行業的標準、規范及習慣，優化上下位機系統的組態、畫面、數據庫、功能及人機界面等內容。代表項目包括：圖形編輯軟件增加適于水電設備的基本圖形；解決數據庫組態完成發布而引起SCADA服務器運行中斷的故障；優化四遙一覽表的列舉及時間篩選功能；組態軟件增加多個適配水電控制的邏輯塊（如變脈寬輸出塊、多路選擇模塊等）。

2）利用國產化改造的契機，解決日常技術監督遺留問題[8]。例如：高溫保護項內，所有溫度點進行溫升速率及元件品質判斷，提高保護的可靠性；排查水機保護邏輯的單點問題，增加獨立的輸入信號進行冗余判斷，降低保護誤動、拒動的風險；檢查上位機、控制器、網絡、電源、水機后備保護及I/O點分布等系統配置，達到安全、可靠、易維護的要求；核實監控系統為單點接地，確保機柜及電纜屏蔽層通過等電位網可靠接地。

3）合理設置組態邏輯的掃描周期，避免功率調節的最小脈寬受到限制。研究機組處于各段水頭的運行工況，判斷功率調節的性能是否滿足精度和速率的需求。當存在較大偏差時，將功率調節的組態放置在更小的掃描周期邏輯頁內，同時兼顧CPU的負載率，不超過額定負載率的70%。

4）下位機組態配置新增全局變量后，觸摸屏無法顯示測點正確狀態；上位機無法反應50 ms以下SOE信號的時序。這主要是由于觸摸屏、上位機與下位機之間Modbus協議不匹配，原通信地址全部錯亂。重新校對Modbus協議后，解決了此問題。

4.3 與現役成熟系統比較

當前，安德里茨、ABB、南瑞水電和中水科等國內外廠家擁有成熟的水電監控系統，已在各類型水電廠大規模應用。全國產華能睿渥HNICS-H316系統與現役成熟系統進行對比，其性能參數見表3。

表3 全國產水電機組計算機監控系統配置 Tab.3 Configuration of totally-domestic supervision and control system for hydropower plants

全國產華能睿渥HNICS-H316監控系統的多項技術指標超過國內外同類產品，能夠滿足水電廠運行要求。該監控平臺的操作系統、SCADA軟件、數據庫等核心軟件均使用國產軟件，核心芯片全部國產，首次實現軟硬件100%國產化，解決了核心芯片斷供風險，堵住了信息安全的“后門”。

華能睿渥HNICS-H316是在華能睿渥HNICST316（火電版）的基礎上，結合水電機組的特性及現場需求改造而成，已在某大型、中小型水電廠運行一段時間，整體控制效果良好。但是與成熟監控系統比較，在使用成本、通用性、適用性、控制性能等方面仍有不足，存在進一步優化空間。

4.4 研發方向建議

通過與成熟監控系統比較，明確了華能睿渥HNICS-H316系統的優缺點，為進一步完善優化全國產華能睿渥HNICS-H316系統，提出以下研究方向：

1）PLC型號多樣化華能睿渥HNICS-H316水電監控系統僅有FCP100型的高性能PLC，對于功能簡單的輔控系統，其使用成本過高。因此，可開發功能簡單的國產小型PLC，以適應水電廠分層式監控的特點，也是降低使用成本的關鍵。

2）單對LCU、全廠的數據變量總數擴容對于全廠制的水電監控系統而言，數據變量總數的受限將直接約束機組遠程I/O柜的拓展。以某大型水電廠監控系統為例，國產系統單臺機組PLC的數量為10個，比原系統多1倍。擴充監控系統的數據變量總數，可提高國產水電監控系統的性價比。

3）國產監控系統的通用性該系統支持IEC104通信規約、IEC61850、Modbus協議，但是各水電廠的部分輔控PLC、閘門編碼器等系統僅支持其他通用或私有規約，部分地調管轄的水電廠使用IEC101通信規約，因而提前研發適配更多協議的通信模塊，是增強國產監控系統通用性的途徑。

4）數據庫的同步問題 國產水電監控系統進行數據操作時，必須分別修改上、下位機內的數據庫信息，然后手動依次發布。今后，可優化數據庫更新后選擇節點發布和一鍵發布功能，完善數據庫更新的智能化操作。

5 結 語

本文以某集團水電監控系統的配置及運行狀況為調研對象，重點關注監控系統老化后的性能、備品備件、軟硬件配置、多產品互聯互通及整體構架等方面問題，掌握了各水電廠監控系統、輔控系統及關聯設備的實際運行情況及存在的共性問題。以華能睿渥HNICS-H316全國產水電監控系統為例，結合其在某大型、中小型水電站試運的良好效果，從其使用成本、通用性和控制性能等方面提出優化建議，為全國產水電監控系統的進一步發展提供參考。