基于VLAN及路由技术实现棉花滩水电厂上位机平滑改造

单良

国电南京自动化股份有限公司，江苏南京，210003

0 引言

福建棉花滩水电厂计算机监控系统从投产至今运行时间已超过9年，系统运行中所存在的硬件设备停产、老化和软件功能缺失问题，已经严重影响了电厂的安全生产运行。本文章针对该厂监控系统改造提出的快速、平稳等要求，摒弃传统改造方案，创新使用三层交换机的VLAN、路由等功能，结合管理和技术上的安全措施保障，将新老两套系统双网并列运行，多机同步调试，圆满完成该厂上位机改造。

1 概述

棉花滩水电厂位于中国福建省永定区境内的汀江干流棉花滩峡谷河段中部，距永定县城21km，距厦门市246km。碾压混凝土重力坝，最大坝高111m，总库容20.35亿立方米，电站总装机容量为60万千瓦，安装了4台15万千瓦水轮机组。棉花滩水电厂计算机监控系统上位机NC2000系统是由南瑞水利水电公司设计开发的双总线型、分布式计算机监控系统，服务器硬件采用的是SUN SPARC T5120 服务器，操作系统为Solaris10，调度、集控、厂内通信机硬件为普通X86工作站，操作系统为Redhat Enterprise Linux 5.x版本。

棉花滩水电厂的计算机监控系统由调度层、中控层和现地控制层组成。其中，调度层包括福建省电力中心的EMS系统和本厂中控层相连接的通信设备、龙岩集控系统和本厂中控层连接的通信设备，中控层由计算机控制系统NC2000实现对全厂设备的监视和控制；现地控制层则由施耐德昆腾67160 PLC对电厂的6个现地控制单元进行管理。棉花滩水电厂上位机系统改造主要针对中控层的NC2000监控系统[1]。

棉花滩水电厂中控层的上位机系统NC2000与现地控制层的施耐德昆腾67160PLC之间通过冗余的S908数据总线系统交换数据，该总线系统同时也实现中控层和现地控制层的数据交换。棉花滩水电厂计算机监控系统结构如图1所示。

2 原监控系统存在的问题

主服务器采用SUN T5120，硬件老化严重，机器早已停产，其硬件故障将直接影响监控系统的正常运行，造成监控系统瘫痪等严重后果。其余上下位机的硬件也几乎全部停产，备品备件采购困难，有些设备甚至无法采购。

数据库服务器和主机功能合并，硬盘容量小，半年到一年左右时间硬盘空间就会占满，需要定期进行数据的备份、归档及删除操作，给运行和维护都带来了不便。

软件功能不完善，例如报表统计功能中，历史曲线无法查询开关量，同一窗口最多只能查询4条，一览表无法同时对时间、LCU、报警类型、字符串筛选过滤等进行综合查询。

3 上位机改造技术难点

棉花滩水电厂上位机改造主要是计算机监控系统中控室层的硬件设备及软件功能的升级改造，时间紧，要求高：

（1）目前棉花滩水电厂已经实现远程集控，改造过程中要求不影响远程集控功能。

（2）改造过程中需要无缝将调度、集控功能切换至新系统且需要保证功能正常。

（3）新系统改造上线后，直接与调度进行闭环联调AGC、AVC。

4 水电站监控系统传统改造方法

4.1 改造方案一

4.1.1 改造过程

如图2所示，改造的具体步骤如下：

（1）在新系统两台数据交换服务器上配置IEC104主站程序，在老系统两台通信服务器上配置IEC104子站规约，将所有LCU数据上送到新系统。

（2）老系统两台通信服务器与新系统数据交换服务器独立组网，背靠背测试测点的顺序及测值是否正确，同时在新系统上将调度通信与集控通信配置好，用笔记本模拟调度和集控，查看新系统上送数据是否正确。

（3）调度、集控通信割接至新监控系统。采用退出一台老系统集控（调度）通信机，用新系统集控（调度）通信机（点表、IP、路由等信息一致）替代，之后将老系统集控（调度）通信机与集控（调度）通信的各IEC104链路逐个断开，切换到新系统集控（调度）通信机进行测试，测试完毕后，再割接另外一台老系统集控（调度）通信机。

（4）LCU割接至新系统。将新监控系统中的一台主机独立组网成离线调试环境，逐个将LCU脱离老监控系统，与独立出来的新监控系统主机离线核对测点，后将LCU接入新监控系统，完成在线试验[2]。

4.1.2 优缺点

优点是方案成熟；缺点为：①改造过程需要连续进行，改造过程AGC、AVC无法运行，对现场运行造成不便；②对新系统软硬件稳定性要求较高，中途失败回退原监控系统步骤稍多；③改造过程中新老系统104通信配置、调试过程繁琐，易出错，且为“无用功”。

4.2 改造方案二

在水电站全停的时间段，将计算机监控系统更换为新系统，即在全厂停电的条件下，完成新系统与LCU等通信，并与调度、集控对点，与新建电站方式基本相同，此处不再赘述。

4.3 改造方案三

此方案适用于老系统为双网运行系统，老系统运行在A网，新系统运行在B网，新系统通过B网调试各LCU，调试完成后，再将调度和集控割接至新系统，最后再将A网接入新系统。此方案也有一些问题：①如果是单网系统则不适用；②单网调试成功后，双网调试有可能遇到其他问题，如双网切换后数据中断等；③有些设备是单网通信，要么接到新系统，要么接到老系统，对调试会带来很多不便。

5 使用VLAN及路由方案

5.1 方案描述

如图3所示，以一个网络为例说明改造过程如下：

（1）新系统交换机为三层交换机，在其上划分两个VLAN，一个VLAN中包含两个接口，用于接老交换机，另一个VLAN包含多个接口用于连接新系统上位机及老系统LCU。

（2）将老LCU的网关设置好（为新交换机VLAN的地址），新系统主机只增加此LCU的路由，在调度批准后及做好相关安全措施的条件下，新系统与老系统LCU进行调试，核对所有上下行数据的正确性，核对完成后，将新系统下行命令闭锁，防止新老系统同时对一个LCU进行控制，LCU接入新系统交换机；按此方法依次接入所有LCU。

（3）将调度、集控割接至新系统，此时放开新系统下行闭锁，调度割接的方式同方案一；集控割接在实际试验过程中使用远程离线对点方式，节约了2天的路上时间，如图4所示。

（4）此时所有LCU、调度、集控均已移至新系统，在集控对点过程中已经将AGC、AVC功能配置好且已经完成离线的模式试验，故可直接做厂内的AGC、AVC试验，完成厂内试验后，直接申请与调度闭环试验，最终完成计算机监控系统上位机改造。

5.2 方案中安全问题的考虑

此方案为两套系统并列运行，故在下行命令方面要保证唯一性，故采取了以下技术和管理措施：

（1）新系统主服务器只添加到调试LCU的路由条目，且指定到IP即32位子网掩码，这样就保证了主服务器只能访问调试的LCU，类似于白名单模式。

（2）每次测试LCU时，添加一个只有控制当前试验LCU权限的用户，保证只能控制将要试验的LCU。

（3）每次测试时只保留所测试LCU的配置文件，保证新系统只与测试LCU进行通信。

（4）在规约配置文件中增加下行闭锁标志，默认都为闭锁，测试哪个LCU将哪个LCU的闭锁标志放开。

（5）从管理上保证运行人员操作的唯一性。

5.3 方案优缺点

此方案的优点为：①对原监控系统几乎无影响，只在LCU试验时影响，试验完成后即可正常通信；②从第一台LCU接入新监控后，新监控系统实际上已经开始试运行，考验新系统软硬件是否能长期稳定运行；③未配置主从站104通信环节，大大减少了中间环节，进而提高效率，减少工作出错的概率。

此方案的缺点为：LCU需要增加网关；并列运行时，新系统下行命令需有技术和管理措施进行保证[3]。

6 结语

本文提出一种水电站计算机监控系统上位机改造的方法，此方法在改造过程中对原系统几乎无影响，只在LCU试验时影响原系统；新系统如有问题可以随时退回原系统，应急时间短；此方法中AGC、AVC在原系统上可一直运行，方便运行人员监盘。