广州蓄能水电厂A厂监控系统改造策略探讨

徐陶龙，陈 龙，邱小波

[1.调峰调频发电有限公司广东蓄能发电有限公司，广东省广州市 510900；2.南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，江苏省南京市 211106]

0 引言

广州蓄能水电厂（以下简称广蓄）是我国第一座大容量的抽水蓄能电站，分两期工程建设，广蓄A厂为一期工程，有4台单机容量为300MW的可逆式抽水蓄能机组，于1994年全部投入运行。

广蓄A厂计算机监控系统采用阿尔斯通ALSPA[1]系列第二代产品，该系统于1994年全部投入运行，其中上位机部分已于2007年升级改造为ALSPA P320系列第五代产品。下位机系统仍为ALSPA系列第二代产品，为集中控制式，主要具备电厂设备的模拟量、数字量等信号采集功能，逻辑处理功能，控制功能，通信功能以及现地操作功能等。

目前，虽然广蓄A厂计算机监控系统仍能稳定运行，但其功能及维护方面已无法满足现在更高的监控要求，也面临备品、备件停产，设备老化等问题，技术性能方面的落后已严重制约广蓄A厂的自动控制水平。基于监控系统以上不足，对设备的安全可靠运行构成威胁，有必要尽快制定升级改造规划和开展改造方案的研究工作。本文主要针对广蓄A厂监控系统改造策略进行探讨，为改造工作的具体实施提供参考。

1 广蓄A厂计算机监控系统结构

广蓄A厂计算机监控系统是以计算机为基础，能远方监控，自动操作的智能型分层分布式的控制系统。全系统共分为三层：电网调度层，中控室层，单元控制层。其系统结构示意图如图1所示。

电网调度层：广东中调、香港中电、南网总调、双调集控中心等。

中控室层：由数据库服务器、历史数据库服务器、工程师站、网关机、操作员站等具有各自功能的工作站组成的分布式计算机局域网络。

单元控制层：由现地控制柜和继电器柜组成，根据控制对象不同分成机组RTU、机组公用RTU、模拟屏RTU、厂用电RTU、500kV系统RTU以及上下库RTU等。除上下库及模拟屏RTU外，其余RTU均为完全冗余配置。各RTU之间以及RTU与调速器控制、励磁、继电保护等子系统之间的数据交互均由硬布线实现。

2 改造难点

2.1 工期因素

广蓄A厂作为全国唯一多调度控制的抽水蓄能电厂，同时受广东中调和香港中电两方调度调控，根据目前调度管辖方式和每年调度批复的检修计划情况综合考虑，A厂监控系统升级改造可申请工期预计最长为4个月。

图1 广蓄A厂计算机监控系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of structure of Monitoring and Control System in Guangzhou Pumped-Storage Power Station A

2.2 资料因素

A厂机组以及各系统设备间极为错综复杂的硬布线逻辑以及可读性极差的下位机程序，多年来改动较大，部分改动记录不够完善，改造前必须对原始资料进行收集整理，包括控制逻辑、闭锁关系、I/O清单、图纸、控制程序、数据库清单、监控画面等。所有资料必须与现场实际情况一一核对。

2.3 设备因素

2.3.1 RTU程序、硬布线逻辑

A厂下位机RTU程序可读性差，RTU继电器控制的硬布线回路数量庞大、机组各系统设备间闭锁逻辑复杂。改造时需将RTU程序、硬布线逻辑翻译成新的下位机程序。

2.3.2 通信方式

ALSPA P320系列第五代产品上位机无法直接识别第五代以外的其他下位机，其他下位机必须通过原厂定制的CSS-F通信设备实现与ALSPA P320系列5上位机通信。第二代下位机与上位机通信接口为RS232串口或电流环方式。

由于国外厂家对上位机通信方式的封锁和保护，使其在改造时，如果选择非原厂家则面临完全解析其通信协议的严峻挑战。上下位机间的通信协议、各类报文的解析若有遗漏，改造后可能产生通信数据丢包，控制命令未能成功收发等，以及其他未能预见的风险。

此外，各RTU之间、RTU与其他分子系统及一次设备均为硬布线通信。在其他分子系统不参与改造的前提下，监控系统升级改造时必须保持RTU与其他RTU之间、各分子系统之间、与一次设备之间控制逻辑不变、I/O信号不变，其错综复杂的硬布线逻辑也增加了改造难度。

3 改造策略分析

3.1 改造策略选择

结合上文改造难点因素对监控系统的几种改造策略进行SWOT分析，分析情况如表1所示。

根据SWOT分析，可得出以下结论：

（1）广蓄A厂监控系统改造应采取分步改造的方式以合理分散改造工期。

（2）改造过程，应先进行上位机改造，再进行下位机改造，该策略劣势和威胁最少，机会最多，优势中等，即风险最低，可选择性、可行性最高。

因此，广蓄A厂监控系统改造可优先选择先进行上位机改造，再进行下位机改造的分步改造策略。

3.2 改造策略实施方法

3.2.1 第一步：上位机系统改造

监控系统上位机最大的难点和关键点是解析下位机RTU的串口通信，无需研究更为封闭的上位机接入方式。其风险和难度相比先改造下位机要小得多。A厂下位机RTU通过串口方式与上位机通信，解析后通过开发的通信装置或新上位机系统内开发通信驱动等方式转换成以太网后接入新上位机环网。上位机系统改造后监控系统结构示意图如图2所示。

图2 上位机系统改造后监控系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of structure after renovation of upper computer system

表1 改造策略SWOT分析Tab.1 SWOR Analysis of renovation Strategy

目前国内外大部分监控系统厂家都具备上位机改造经验，串口通信的解析难度也相对较小，把握较大。上位机整体完成改造后，也能为将来A厂下位机升级改造提供更多选择，降低改造风险和改造难度。同时也能减少目前A厂上下位机通信回路中环节复杂的通信设备，减少运维设备、降低运维成本。

3.2.2 第二步：下位机系统改造

A厂下位机系统采用集中控制式结构，B厂采用的是分层分布式结构，两者各有优缺点。而近几年，如清蓄、深蓄等新建电厂结合两种控制方式各自的优点，下位机系统采用集中控制、远程I/O分布、环网结构、就近接入的总体设计思路。而A厂新控制系统结构则需根据现场实际情况、工期等各方面综合考虑。下位机改造时，为在有限的工期内完成改造，推荐下位机改造沿用集中控制式控制方式，优先完成PLC控制部分改造。可参考台湾明潭改造经验，将I/O回路保留至前置器部分，定制与前置器类似的接线槽，引出后接入新下位机输入输出模块中。

完成控制器改造后，对于机组RTU，可利用机组检修、消缺等机会，后续逐步增加远程I/O柜等。根据就近布置的原则，以厂房每层为一个单位（对相对独立的温度监控系统可以系统为单位），采用远程I/O的方式接入各层的所有信号。另外对于特别重要（跳机、启停条件等）的反馈信号仍以硬布线的方式直接接入四楼RTU。

由于工期等诸多条件的限制，下位机系统改造时需合理利用检修工期，尽可能采取单台RTU依次改造的方式。具体改造流程建议如下。

3.2.2.1 厂用电、模拟屏RTU改造

完成上位机改造后进行下位机改造。优先改造厂用电、模拟屏等相对逻辑简单、I/O数量相对较少，控制功能相对独立的RTU。改造难度较小，对工期要求不高，可利用检修计划中短期的全停或其他全停机会进行改造，改造期间对其他RTU和机组运行影响不大。不仅可以积累改造经验，而且改造后拆除的设备可以作为其他RTU的备品继续使用。下位机系统改造过程监控系统结构示意图如图3所示。

图3 下位机系统改造过程监控系统结构示意图Fig.3 Schematic diagram of structure in renovation of local control unit

3.2.2.2 机组RTU改造

根据检修计划或机组运行情况，合理安排4台机组RTU改造，利用检修工期，将对工期的影响压缩到最小。改造时，优先完成PLC控制部分改造，与其他RTU之间、与其他分子系统之间的硬布线逻辑暂时保留，I/O保持不变，降低现场风险，保证安全可靠，同时还可以节省改造工期。

新RTU需增加基于网络方式的通信功能，在保留原硬布线通信方式的同时实现RTU之间网络通信功能，以及为后续进行远程I/O功能改造预留通信接口，同时为励磁系统、调速器控制系统等其他子系统预留通信接口，为以后各子系统改造提供更多选择。

现场调试前，可通过仿真或模拟的方式完成I/O及功能调试，降低现场调试难度和风险和减少现场工期。另外逐台机组改造也便于经验积累和降低风险。

3.2.2.3 公用及500kV RTU改造

最后进行公用及500kV RTU等影响较大的RTU改造。该部分改造难度较大，改造后调试内容较多，风险较高。对工期要求最长。

3.2.3 下位机通信、硬布线、远程I/O等功能完善

完成控制部分改造后，整个监控系统的改造已基本完成。试运行后，可确定新RTU控制程序以及RTU网络通信功能的可靠性和完整性，后续有三部分内容可通过机组检修、消缺等工期择机逐步完善。

3.2.3.1 RTU之间的硬布线通信回路

根据RTU之间网络通信功能的运行情况决定是否取消并拆除RTU之间的硬布线通信回路。

3.2.3.2 RTU硬布线（继电器）控制回路

逐步完成硬布线的程序化，将可优化的硬布线逻辑用PLC程序替代，可选择性保留跳机等关键硬布线回路或用其他更稳定可靠的方式替代。

3.2.3.3 分层分布式远程I/O

根据就近布置的原则，以厂房每层为一个单位（对相对独立的温度监控系统可以系统为单位），采用远程I/O的方式接入各层的所有信号。另外对于特别重要（跳机、启停条件等）的反馈信号仍以硬布线的方式直接接入四楼RTU。

监控系统完成改造后结构示意图如图4所示。

图4 监控系统完成改造后结构示意图Fig.4 Schematic diagram of structure after renovation of computer monitoring and control system

4 结束语

抽水蓄能机组计算机监控系统作为核心生产系统，其改造策略在追求安全、可行的基础上，还需要满足降低生产维护和升级改造成本、提升生产管理水平等不同层面的要求。广蓄电厂AB两厂完全不同设备不同理念的特殊性，使其改造具有一定的代表性和研究意义。本文从广蓄A厂改造的工期因素、资料因素以及设备因素等难点分析，介绍一些粗浅的想法，其实还可应用精益理念和方法，深入分析改造策略，如向AB厂监控系统同型化一体化靠拢，即可为实现广蓄AB厂整个监控系统同型化提供重要参考和可靠的支持，又能推进设备的国产化、一体化进程，提升广蓄电厂运行管理水平，降低生产维护成本，提供企业的生产效率和竞争力。