基于VLAN及路由技術(shù)實(shí)現(xiàn)棉花灘水電廠上位機(jī)平滑改造

單良

國電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇南京，210003

0 引言

福建棉花灘水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)從投產(chǎn)至今運(yùn)行時(shí)間已超過9年，系統(tǒng)運(yùn)行中所存在的硬件設(shè)備停產(chǎn)、老化和軟件功能缺失問題，已經(jīng)嚴(yán)重影響了電廠的安全生產(chǎn)運(yùn)行。本文章針對(duì)該廠監(jiān)控系統(tǒng)改造提出的快速、平穩(wěn)等要求，摒棄傳統(tǒng)改造方案，創(chuàng)新使用三層交換機(jī)的VLAN、路由等功能，結(jié)合管理和技術(shù)上的安全措施保障，將新老兩套系統(tǒng)雙網(wǎng)并列運(yùn)行，多機(jī)同步調(diào)試，圓滿完成該廠上位機(jī)改造。

1 概述

棉花灘水電廠位于中國福建省永定區(qū)境內(nèi)的汀江干流棉花灘峽谷河段中部，距永定縣城21km，距廈門市246km。碾壓混凝土重力壩，最大壩高111m，總庫容20.35億立方米，電站總裝機(jī)容量為60萬千瓦，安裝了4臺(tái)15萬千瓦水輪機(jī)組。棉花灘水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)NC2000系統(tǒng)是由南瑞水利水電公司設(shè)計(jì)開發(fā)的雙總線型、分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，服務(wù)器硬件采用的是SUN SPARC T5120 服務(wù)器，操作系統(tǒng)為Solaris10，調(diào)度、集控、廠內(nèi)通信機(jī)硬件為普通X86工作站，操作系統(tǒng)為Redhat Enterprise Linux 5.x版本。

棉花灘水電廠的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由調(diào)度層、中控層和現(xiàn)地控制層組成。其中，調(diào)度層包括福建省電力中心的EMS系統(tǒng)和本廠中控層相連接的通信設(shè)備、龍巖集控系統(tǒng)和本廠中控層連接的通信設(shè)備，中控層由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)NC2000實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠設(shè)備的監(jiān)視和控制；現(xiàn)地控制層則由施耐德昆騰67160 PLC對(duì)電廠的6個(gè)現(xiàn)地控制單元進(jìn)行管理。棉花灘水電廠上位機(jī)系統(tǒng)改造主要針對(duì)中控層的NC2000監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

棉花灘水電廠中控層的上位機(jī)系統(tǒng)NC2000與現(xiàn)地控制層的施耐德昆騰67160PLC之間通過冗余的S908數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，該總線系統(tǒng)同時(shí)也實(shí)現(xiàn)中控層和現(xiàn)地控制層的數(shù)據(jù)交換。棉花灘水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 原監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題

主服務(wù)器采用SUN T5120，硬件老化嚴(yán)重，機(jī)器早已停產(chǎn)，其硬件故障將直接影響監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行，造成監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓等嚴(yán)重后果。其余上下位機(jī)的硬件也幾乎全部停產(chǎn)，備品備件采購困難，有些設(shè)備甚至無法采購。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和主機(jī)功能合并，硬盤容量小，半年到一年左右時(shí)間硬盤空間就會(huì)占滿，需要定期進(jìn)行數(shù)據(jù)的備份、歸檔及刪除操作，給運(yùn)行和維護(hù)都帶來了不便。

軟件功能不完善，例如報(bào)表統(tǒng)計(jì)功能中，歷史曲線無法查詢開關(guān)量，同一窗口最多只能查詢4條，一覽表無法同時(shí)對(duì)時(shí)間、LCU、報(bào)警類型、字符串篩選過濾等進(jìn)行綜合查詢。

3 上位機(jī)改造技術(shù)難點(diǎn)

棉花灘水電廠上位機(jī)改造主要是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中控室層的硬件設(shè)備及軟件功能的升級(jí)改造，時(shí)間緊，要求高：

（1）目前棉花灘水電廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集控，改造過程中要求不影響遠(yuǎn)程集控功能。

（2）改造過程中需要無縫將調(diào)度、集控功能切換至新系統(tǒng)且需要保證功能正常。

（3）新系統(tǒng)改造上線后，直接與調(diào)度進(jìn)行閉環(huán)聯(lián)調(diào)AGC、AVC。

4 水電站監(jiān)控系統(tǒng)傳統(tǒng)改造方法

4.1 改造方案一

4.1.1 改造過程

如圖2所示，改造的具體步驟如下：

（1）在新系統(tǒng)兩臺(tái)數(shù)據(jù)交換服務(wù)器上配置IEC104主站程序，在老系統(tǒng)兩臺(tái)通信服務(wù)器上配置IEC104子站規(guī)約，將所有LCU數(shù)據(jù)上送到新系統(tǒng)。

（2）老系統(tǒng)兩臺(tái)通信服務(wù)器與新系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換服務(wù)器獨(dú)立組網(wǎng)，背靠背測試測點(diǎn)的順序及測值是否正確，同時(shí)在新系統(tǒng)上將調(diào)度通信與集控通信配置好，用筆記本模擬調(diào)度和集控，查看新系統(tǒng)上送數(shù)據(jù)是否正確。

（3）調(diào)度、集控通信割接至新監(jiān)控系統(tǒng)。采用退出一臺(tái)老系統(tǒng)集控（調(diào)度）通信機(jī)，用新系統(tǒng)集控（調(diào)度）通信機(jī)（點(diǎn)表、IP、路由等信息一致）替代，之后將老系統(tǒng)集控（調(diào)度）通信機(jī)與集控（調(diào)度）通信的各IEC104鏈路逐個(gè)斷開，切換到新系統(tǒng)集控（調(diào)度）通信機(jī)進(jìn)行測試，測試完畢后，再割接另外一臺(tái)老系統(tǒng)集控（調(diào)度）通信機(jī)。

（4）LCU割接至新系統(tǒng)。將新監(jiān)控系統(tǒng)中的一臺(tái)主機(jī)獨(dú)立組網(wǎng)成離線調(diào)試環(huán)境，逐個(gè)將LCU脫離老監(jiān)控系統(tǒng)，與獨(dú)立出來的新監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)離線核對(duì)測點(diǎn)，后將LCU接入新監(jiān)控系統(tǒng)，完成在線試驗(yàn)[2]。

4.1.2 優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)是方案成熟；缺點(diǎn)為：①改造過程需要連續(xù)進(jìn)行，改造過程AGC、AVC無法運(yùn)行，對(duì)現(xiàn)場運(yùn)行造成不便；②對(duì)新系統(tǒng)軟硬件穩(wěn)定性要求較高，中途失敗回退原監(jiān)控系統(tǒng)步驟稍多；③改造過程中新老系統(tǒng)104通信配置、調(diào)試過程繁瑣，易出錯(cuò)，且為“無用功”。

4.2 改造方案二

在水電站全停的時(shí)間段，將計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)更換為新系統(tǒng)，即在全廠停電的條件下，完成新系統(tǒng)與LCU等通信，并與調(diào)度、集控對(duì)點(diǎn)，與新建電站方式基本相同，此處不再贅述。

4.3 改造方案三

此方案適用于老系統(tǒng)為雙網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)，老系統(tǒng)運(yùn)行在A網(wǎng)，新系統(tǒng)運(yùn)行在B網(wǎng)，新系統(tǒng)通過B網(wǎng)調(diào)試各LCU，調(diào)試完成后，再將調(diào)度和集控割接至新系統(tǒng)，最后再將A網(wǎng)接入新系統(tǒng)。此方案也有一些問題：①如果是單網(wǎng)系統(tǒng)則不適用；②單網(wǎng)調(diào)試成功后，雙網(wǎng)調(diào)試有可能遇到其他問題，如雙網(wǎng)切換后數(shù)據(jù)中斷等；③有些設(shè)備是單網(wǎng)通信，要么接到新系統(tǒng)，要么接到老系統(tǒng)，對(duì)調(diào)試會(huì)帶來很多不便。

5 使用VLAN及路由方案

5.1 方案描述

如圖3所示，以一個(gè)網(wǎng)絡(luò)為例說明改造過程如下：

（1）新系統(tǒng)交換機(jī)為三層交換機(jī)，在其上劃分兩個(gè)VLAN，一個(gè)VLAN中包含兩個(gè)接口，用于接老交換機(jī)，另一個(gè)VLAN包含多個(gè)接口用于連接新系統(tǒng)上位機(jī)及老系統(tǒng)LCU。

（2）將老LCU的網(wǎng)關(guān)設(shè)置好（為新交換機(jī)VLAN的地址），新系統(tǒng)主機(jī)只增加此LCU的路由，在調(diào)度批準(zhǔn)后及做好相關(guān)安全措施的條件下，新系統(tǒng)與老系統(tǒng)LCU進(jìn)行調(diào)試，核對(duì)所有上下行數(shù)據(jù)的正確性，核對(duì)完成后，將新系統(tǒng)下行命令閉鎖，防止新老系統(tǒng)同時(shí)對(duì)一個(gè)LCU進(jìn)行控制，LCU接入新系統(tǒng)交換機(jī)；按此方法依次接入所有LCU。

（3）將調(diào)度、集控割接至新系統(tǒng)，此時(shí)放開新系統(tǒng)下行閉鎖，調(diào)度割接的方式同方案一；集控割接在實(shí)際試驗(yàn)過程中使用遠(yuǎn)程離線對(duì)點(diǎn)方式，節(jié)約了2天的路上時(shí)間，如圖4所示。

（4）此時(shí)所有LCU、調(diào)度、集控均已移至新系統(tǒng)，在集控對(duì)點(diǎn)過程中已經(jīng)將AGC、AVC功能配置好且已經(jīng)完成離線的模式試驗(yàn)，故可直接做廠內(nèi)的AGC、AVC試驗(yàn)，完成廠內(nèi)試驗(yàn)后，直接申請(qǐng)與調(diào)度閉環(huán)試驗(yàn)，最終完成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)改造。

5.2 方案中安全問題的考慮

此方案為兩套系統(tǒng)并列運(yùn)行，故在下行命令方面要保證唯一性，故采取了以下技術(shù)和管理措施：

（1）新系統(tǒng)主服務(wù)器只添加到調(diào)試LCU的路由條目，且指定到IP即32位子網(wǎng)掩碼，這樣就保證了主服務(wù)器只能訪問調(diào)試的LCU，類似于白名單模式。

（2）每次測試LCU時(shí)，添加一個(gè)只有控制當(dāng)前試驗(yàn)LCU權(quán)限的用戶，保證只能控制將要試驗(yàn)的LCU。

（3）每次測試時(shí)只保留所測試LCU的配置文件，保證新系統(tǒng)只與測試LCU進(jìn)行通信。

（4）在規(guī)約配置文件中增加下行閉鎖標(biāo)志，默認(rèn)都為閉鎖，測試哪個(gè)LCU將哪個(gè)LCU的閉鎖標(biāo)志放開。

（5）從管理上保證運(yùn)行人員操作的唯一性。

5.3 方案優(yōu)缺點(diǎn)

此方案的優(yōu)點(diǎn)為：①對(duì)原監(jiān)控系統(tǒng)幾乎無影響，只在LCU試驗(yàn)時(shí)影響，試驗(yàn)完成后即可正常通信；②從第一臺(tái)LCU接入新監(jiān)控后，新監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際上已經(jīng)開始試運(yùn)行，考驗(yàn)新系統(tǒng)軟硬件是否能長期穩(wěn)定運(yùn)行；③未配置主從站104通信環(huán)節(jié)，大大減少了中間環(huán)節(jié)，進(jìn)而提高效率，減少工作出錯(cuò)的概率。

此方案的缺點(diǎn)為：LCU需要增加網(wǎng)關(guān)；并列運(yùn)行時(shí)，新系統(tǒng)下行命令需有技術(shù)和管理措施進(jìn)行保證[3]。

6 結(jié)語

本文提出一種水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)改造的方法，此方法在改造過程中對(duì)原系統(tǒng)幾乎無影響，只在LCU試驗(yàn)時(shí)影響原系統(tǒng)；新系統(tǒng)如有問題可以隨時(shí)退回原系統(tǒng)，應(yīng)急時(shí)間短；此方法中AGC、AVC在原系統(tǒng)上可一直運(yùn)行，方便運(yùn)行人員監(jiān)盤。