浅析二滩水电站监控系统升级改造

郑 德 芳， 韩 勇， 周 佳

(雅砻江流域水电开发有限公司 二滩水力发电厂，四川 攀枝花 617000)

二滩水电站监控系统采用德国ABB公司(现德国ALSTOM公司)Advant OCS系列分布式控制系统,主要包括监控系统网络、4台操作员站、13套现地控制单元LPU、6台远程I/O装置，IMS系统、调度通信系统、AGC/AVC系统、集控接口系统等。该系统用于监视和控制6台水轮发电机组、18台单相主变压器、500 kV GIS开关站、进水口快速闸门、水工泄洪闸门、6.3 kV厂用电、油水风等设备，并实现与四川省调、国调、雅砻江流域集控中心数据通信，实现了流域集控中心远方集控和电厂无人值班的运行方式。

二滩水电站监控系统自1998年投运至今，已安全运行14 a，但也暴露出众多不足。为解决系统硬件配置较低、系统不开放、元件老化以及备品备件无法采购等问题，2013年，二滩水电站开始进行监控系统的全面改造升级，与安德里茨公司签订了改造协议。

1 新老监控系统的比较

新监控系统采用奥地利安德里茨公司自主研发的NEPTUE水电站计算机监控SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统搭建。NEPTUE是将现代化的分布式控制系统优势与安德里茨水电集团积累的水电站技术经验进行完美结合，是一个“全分布的采用综合过程控制技术的水电站综合自动化监控系统”，可以满足不同类型水电站的功能要求，符合当今水电站SCADA系统标准。安德里茨公司的水电站计算机监控系统现地智能控制单元采用AK1703智能PLC装置，较ABB系统具有许多独特、显著的优点：

(1)程序可读性和可修改性能升级。安德里茨水电集团的计算机监控系统，包括中控室的后台基本软件和现地LCU基本软件，不用在现场编程和修改源代码，为电厂按时发电提供了保障：增加或删除了系统中的数据库点时，数据库进程一直在线运行，无需重启。

(2)硬件配置性能升级。中央CPU模板主频高，内存大。

(3)运行可靠性能升级。双中央CPU模板冗余切换时间为0 ms，达到了真正无扰动。而ABB系统CPU切换时间至少需要一个扫描周期。智能PLC装置AK1703冗余双中央CPU模板同时工作，即同时接收和处理来自监控后台系统和下面所有I/O模板的数据。当主用中央CPU通信单元的模板或网卡发生故障时，备用中央CPU通信单元的模板瞬间打开所有的通信输出通道，接替所有的任务，从而不间断地继续完成所有工作。

(4)设计理念升级。全SOE量设计理念，所有输入信号都带有模板实时时标，实时时标在I/O模板上直接记录。而ABB系统的信号上传采用的是扫描方式。

(5)设计标准规范升级。上位机与下位机LCU(AK1703 ACP)之间的通讯采用国际标准电力规约IEC60870-5-104，是世界上唯一一家在监控系统内部通讯采用IEC60870-5-104规约的厂家。

(6)系统可扩展性升级。安德里茨公司的水电站计算机监控系统超越了一般计算机监控系统技术条件的基本要求，采用了全智能的监控部件和模件，所有I/O模板均为智能模板，板上带有处理器，真正做到了全分布、智能分散、功能分散、危险分散的计算机监控系统，大大提高了系统的可靠性、可用性。

2 新监控系统的结构设计

二滩水电站新监控系统采用分层全分布开放式系统结构，符合“无人值班”的技术发展趋势，系统的主要设备采用冗余配置。监控系统由主控级设备、现地控制单元设备和网络设备构成。电站控制级采用非常人性化设计的SAT 250 SCALA系统，由2台主服务器、2台操作员工作站、3台工程师工作站、2台调度通信网关机、2台集控通信网关机、2台报表站、1台WEB服务器、4台主交换机、打印机和相关网络设备、隔离设备等组成。现地控制单元LCU设备采用新一代智能PLC控制器AK1703 ACP和智能I/O模块。计算机监控网络采用总线式冗余光纤以太网逻辑结构，系统结构配置见图1。

图1 二滩水电站监控系统结构设计图

2.1 上位机控制系统250SCALA

安德里茨250SCALA上位机系统基于Windows操作平台，视窗操作，全汉化显示，采用文字、声音、图形、图像等手段，把工作人员的操作、事故、故障、参数越限等情况均作提示。250SCALA上位机系统具有数据采集、数/模转换、控制和调节、优化运行、数据通信、记录、管理、运行状态显示、图表打印等功能，用于监视和控制6台水轮发电机组、18台单相主变压器、500 kVGIS开关站、进水口快速闸门、大坝泄洪闸门、6 kV厂用电、油水风等设备。

250SCALA是安德里茨公司最新一代运用人类生态工程学理论而设计的控制中心主站系统，其基于客户/服务器结构，具有多客户支持能力、实时多任务处理以及功能集成化等特点。网络上接入的每一个设备都具有自己特定的功能，实现了功能的分布，既具备了网络某一设备故障只影响局部功能的优点，又利于系统升级功能的扩充。其主要硬件配置及功能如下。

2.1.1 主服务器(2套)

(1)配置：主服务器为SUN公司生产的SUN ORACLE SPARC T4-1高档服务器。两台数据服务器的配置相同，操作系统采用Solaris 10系统，以冗余热备用方式工作，主备切换无扰动地完成。

(2)功能：两套主服务器在正常运行时，集程序服务器和数据服务器功能于一体，主要进行数据库的管理；历史数据的存档、归类、检索和管理；与下位机及上位机各站点的通讯等。

2.1.2 操作员站(2套)

(1)配置：操作员站为HP公司生产的HP DL380p GEN8。操作系统采用Windows Server 2008 R2 Standard 64-bit系统。

(2)功能：操作员站是全厂集中监视和控制功能的人机接口，实现实时画面显示，多窗口显示操作管理，事故报警和事件记录，各种报表显示，系统自诊断信息的显示，操作员站操作权限的登录及其管理，应用控制操作、运行设备的控制操作、系统配置操作、负荷调整操作等各种操作处理。两套操作员工作站完全独立并存。

2.1.3 工程师站(3套)

(1)配置：工程师站服务器为三台HP公司生产的HP DL380p GEN8。3台工程师站配置相同，其中一台为移动工程师站。操作系统采用Windows Server 2008 R2 Standard 64-bit系统。

(2)功能：工程师工作站主要作为系统的开发、维护及故障处理等功能使用。同时，还可作为操作员工作站的热备用机。

2.1.4 集控通信网关机(2套)

(1)配置：集控通信网关机选用两套安德里茨智能控制器AK 1703，每个机架均配置2个中央CPU：C-2017,1个协调CPU：C-2014，第一块2017上配置一个SM-2556模块，第二块2017上配置一个SM-2557、一个SM-2551模块，采用101、104规约进行通信。

(2)功能：集控通信网关机用于监控系统与远方集控中心的数据通信，还具有远动数据处理及通信功能，按照直采直送原则，直接接收来自LCU的数据，进行处理后按照多通信方式及通讯规约完成与远方集控中心的数据交换。

2.1.5 调度通信网关机(2套)

(1)配置：调度通信网关机为两台DA-683工业计算机，同时为调度网关机配置了一台KVM显示器。

(2)功能：调度通信网关机用于监控系统与省调数据通信，按照直采直送原则，直接接收来自LCU的数据，进行处理后按照不同的通信方式及通讯规约完成与多个调度端的数据交换。

2.1.6 报表站(2套)

(1)配置：厂内配置了两台报表站，均采用HP公司生产的HP DL380p GEN8。操作系统采用Windows Server 2008 R2 Standard 64-bit系统。

(2)功能：报表站主要用于历史数据、历史事件的查询、数据曲线分析等。

2.1.7 WEB服务器(1套)

(1)配置：WEB服务器采用HP公司生产的HP DL380p GEN8。操作系统采用Windows Server 2008 R2 Standard 64-bit系统。

(2)功能：运用WEB服务器，通过隔离装置和防火墙，将监控系统信息传入办公区域，可以在办公电脑上随时查询、访问监控系统数据、事件信息。

2.2 现地控制单元LCU系统

二滩水电站现地控制单元系统采用安德里茨智能控制器AK1703，此设备基于32位微处理器技术，采用多CPU体系结构。而且它的每个I/O模板也都带有各自的CPU，从而具有广泛的通信方式和庞大的通信能力，可以配置各种通讯方式(以太网、现场总线、串口等)和一百余种通信规约。在控制装置AK1703中配置了独立冗余功能，外置的SM-2556以太网通信模板采用国际电力标准规约IEC60870-5-104，通信速率10/100 M自适应，从而实现了与地下厂房交换机或地面中控室交换机的冗余通信。

AK1703 ACP采用智能控制装置的串行通信模板SM-2551并可扩展，每个串口支持独立的编程和不同的规约，所有串行通信模板硬件通用，只需下载不同的通信固件便可以实现不同规约的通信。SM-2551支持几十种不同的串行通信规约，主要包括IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、MODBUS、DNP等。

值得说明的是：智能控制装置AK1703 ACP能直接支持国际标准保护设备的通信规约IEC60870-5-103，而一般的现地LCU则必需通过规约转换，才能将保护信息接入到现地控制单元中。机组LCU中的智能控制装置AK1703 ACP与励磁、调速器、保护设备等外部系统的通信分别配置了独立的、一对一的串口来实现，未用共用部分，相互之间没有影响。这样布置，既使其中的某个通信有问题，也只影响其本身，而不会影响到与其它几个系统的通信。以机组LCU为例，现地控制单元通信比较情况如图2所示。

3 通讯系统

二滩水电站监控系统采用总线式冗余光纤以太网逻辑结构。网络中的交换机选用的是德国赫斯曼公司生产的MACH4000型交换机。为协调

图2 现地控制单元通信示意图

冗余数据交换机制，通信网络中需要设置一台交换机作为RM(Redundancy Manager)来管理整个网络内的数据通信线路。被设置成RM的交换机可以是网络内的任意一台交换机。当RM交换机发现主通信线路发生故障时，会自动启用备用通信线路，从而使通信不受影响并发出报警信号。这种通信机制可以使每个光纤网络容纳一个物理断点而通信不受影响。值得注意的一条原则是：光纤网络内，必须有且只有一台交换机被设置成RM交换机。如果违反了这条原则，网络将无法正常工作，因此，在实际应用中要特别注意。图3中，交换机SW1、SW2作为二滩水电站厂内监控系统主交换机，交换机SW3、SW4作为二滩水电站厂外监控系统主交换机，四个交换机构成2条互为冗余的监控主网。SW1与SW2，SW3与SW4之间均采用网线连接，SW2与SW4，SW1与SW3之间采用光缆连接。交换机SW1被设置为RM交换机，正常工作时,SW1至SW3的网络不通，若SW2至SW4之间的通讯中断，则SW1至SW3的网络会自动连接，从而保证了网络的实时畅通可靠性。

4 新监控系统的特点

二滩水电站监控系统的升级改造是为了满足流域电站生产的要求，同时也是技术革新的结果。

图3 监控网络通讯结构图

笔者将安德里茨监控系统的主要特点总结如下。

(1)计算机及PLC这些主要设备直接接入网络，可获得高速通讯能力和资源共享能力。

(2)现地控制单元(LCU)以PLC为基础构成多机网络系统，各PLC既可以协同工作，又可以独立完成各自所承担的功能。

(3)为确保系统可靠性，系统的重要设备采用冗余技术，如操作员站、网络、PLC等。

(4)系统的网络结构、软硬件平台和通信协议的设计均遵循开放性标准，使系统具备了良好的适应性和扩展性，顺应了当前工业控制系统网络化、标准化、分散化的发展方向，便于将来系统升级。

5 结 语

安德里茨监控系统的投入，强化了二滩水电站监控系统软硬件的功能，改善了系统的操作性能，优化了系统的结构，提高了系统的可靠性、可扩展性。

参考文献：

[1] 水力发电厂计算机监控系统设计规范,DL/T 5065-2009[S].

[2] 王定一.水电站计算机监视与控制[M].北京:中国电力出版社,2001 .