文正國，楊春霞，余 靜，遲海龍

（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

瀑布溝水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)

文正國，楊春霞，余 靜，遲海龍

（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

瀑布溝水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用了北京中水科水電科技開發(fā)有限公司的新一代H 9000V 4.0水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)。介紹瀑布溝水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)廠站層和現(xiàn)地層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、配置以及安全防護(hù)的設(shè)計與實現(xiàn)等。

H 9000計算機監(jiān)控系統(tǒng)；快速以太網(wǎng)；安全防護(hù)；網(wǎng)絡(luò)對時

0 引言

瀑布溝水電站位于大渡河中游，地處四川省西部漢源和甘洛兩縣交界處，距成都市直線距離約200km，距重慶市直線距離約360km，靠近負(fù)荷中心，是大渡河流域規(guī)劃19級電站中裝機容量最大的電站。該電站以發(fā)電為主，兼顧攔沙、防洪等綜合利用效益。電站裝設(shè)6臺600MW的混流式水輪發(fā)電機組，電站利用小時數(shù)為4420h，在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)調(diào)峰、調(diào)頻及事故備用，枯水期擔(dān)負(fù)峰腰荷，豐水期主要擔(dān)負(fù)基荷和部分腰荷，是四川電力系統(tǒng)中的骨干電站之一。

1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

1.1 網(wǎng)絡(luò)需求

瀑布溝水電站采用了H9000V4.0計算機監(jiān)控系統(tǒng)，分為廠站層和現(xiàn)地層兩個部分，廠站層包含2臺數(shù)據(jù)服務(wù)器、2臺應(yīng)用服務(wù)器、3臺操作員站、2臺調(diào)度通信工作站、4臺通信網(wǎng)關(guān)機、1臺廠內(nèi)通信服務(wù)器、4臺站控級交換機以及打印機等主機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，主要位于地面副廠房中控室和計算機室內(nèi)?，F(xiàn)地層包含13個LCU，分別位于地下廠房、地面副廠房、開關(guān)站、進(jìn)水口、大壩和尼日河首部等部位，分布相當(dāng)分散，有的LCU距離長達(dá)13km。系統(tǒng)對外需要與深溪溝水電站、大渡河流域成都集控中心、四川省調(diào)、華中網(wǎng)調(diào)等進(jìn)行通信，對內(nèi)需要與主設(shè)備運行狀態(tài)分析系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)、微機五防裝置、消防監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、能量采集計費系統(tǒng)、水情自動測報系統(tǒng)、電站MIS系統(tǒng)等進(jìn)行通信。

瀑布溝水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)按照“無人值班”(少人值守)的原則設(shè)計，其網(wǎng)絡(luò)必須根據(jù)電站的具體情況和監(jiān)控系統(tǒng)的實際需求進(jìn)行設(shè)計，主要有以下幾點：

（1）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制的需要；

（2）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備包括主機、PLC等的時鐘同步需要；

（3）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)具有很高的可靠性，滿足無人值班的需要；

（4）網(wǎng)絡(luò)通信鏈路應(yīng)具有冗余性，局部的設(shè)備故障不應(yīng)影響監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備的正常運行；

（5）網(wǎng)絡(luò)所連接的設(shè)備位置分散，距離遠(yuǎn)，應(yīng)根據(jù)實際情況采用不同的通訊介質(zhì)；

（6）網(wǎng)絡(luò)實時性好、抗干擾能力強，適應(yīng)電站的現(xiàn)場環(huán)境；

（7）系統(tǒng)應(yīng)對通信設(shè)備、通道、狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和報警；

（8）系統(tǒng)應(yīng)滿足電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)的要求。

1.2 技術(shù)方案

（1）主干網(wǎng)采用完全冗余的2個星型以太網(wǎng)，任何單個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或通道發(fā)生故障不會影響系統(tǒng)的正常運行；

（2）主干網(wǎng)主要采用光纖作為傳輸介質(zhì)，傳輸速率1000Mbps；

（3）兩個網(wǎng)絡(luò)的光纖采用不同的光纜，敷設(shè)在不同的通道內(nèi)；每條光纖傳輸通道均留有備用的光纖；

（4）主干網(wǎng)交換機采用Hischmann公司的工業(yè)級快速以太網(wǎng)交換機MACH4000系列，可靠性非常高，可擴展性強；其它節(jié)點交換機也均采用Hischmann公司的工業(yè)級以太網(wǎng)交換機；交換機支持基于端口的VLAN（虛擬局域網(wǎng)）劃分，支持SNMP V3網(wǎng)絡(luò)管理功能；

（5）所有交換機均采用雙24V電源供電；

（6）各節(jié)點計算機或LCU均采用雙網(wǎng)卡接入監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；

（7）各節(jié)點計算機均使用光口或RJ45電口直接連到交換機上，不采用光纖收發(fā)器或光端機作介質(zhì)轉(zhuǎn)換設(shè)備；

（8）光纖根據(jù)距離決定采用單?；蚨嗄９饫w；

（9）系統(tǒng)內(nèi)的重要主機包括調(diào)度遠(yuǎn)動通信工作站、通信網(wǎng)關(guān)機、數(shù)據(jù)服務(wù)器、廠內(nèi)通信數(shù)據(jù)服務(wù)器等均采用安全加固的操作系統(tǒng)；系統(tǒng)采用硬件防火墻用于計算機監(jiān)控系統(tǒng)與安全I(xiàn)I區(qū)之間的邏輯隔離，采用正/反向安全隔離裝置用于生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)（安全I(xiàn)II區(qū)）之間的安全隔離，采用電力縱向加密認(rèn)證裝置用于計算機監(jiān)控系統(tǒng)與大渡河流域成都集控中心和深溪溝電站的通信通道；

（10） H9000系統(tǒng)軟件具備雙網(wǎng)自動檢測、報警、切換功能，確保通訊正常；廣播數(shù)據(jù)同時在雙網(wǎng)上進(jìn)行傳輸，確保數(shù)據(jù)完整不丟失；

（11） 由于所有計算機、PLC和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均支持NTP網(wǎng)絡(luò)對時協(xié)議 (主機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和PLC的CPU)或更高精度的PTP網(wǎng)絡(luò)對時協(xié)議(PLC的SOE機箱)，整個系統(tǒng)的時鐘同步?jīng)Q定采用基于網(wǎng)絡(luò)的對時協(xié)議。

2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

瀑布溝水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)分為2個部分，即按控制對象設(shè)置的由LCU構(gòu)成的現(xiàn)地控制層和由負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集處理、監(jiān)視、報警、控制、通信和管理任務(wù)的計算機設(shè)備組成的廠站層，相應(yīng)的其網(wǎng)絡(luò)也分為LCU現(xiàn)地網(wǎng)和主干網(wǎng)兩部分。

2.1 主干網(wǎng)

針對瀑布溝水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的要求，主干網(wǎng)采用按IEEE802.3設(shè)計的分層星型結(jié)構(gòu)的快速交換式以太網(wǎng)，局域網(wǎng)通信規(guī)約TCP/IP，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)主要采用光纖，傳輸速率1000Mbps，交換機采用與網(wǎng)絡(luò)相同速率的三層以太網(wǎng)交換機。4臺快速交換式以太網(wǎng)交換機組成核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其中1、2號交換機構(gòu)成冗余配置，布置在地下副廠房，3、4號交換機構(gòu)成冗余配置，布置在地面副廠房，1號交換機與3號交換機之間，以及2號交換機與4號交換機之間通過1000Mbps單模光口連成雙網(wǎng)，雙網(wǎng)的兩根光纜敷設(shè)在不同的通道內(nèi)。

每套現(xiàn)地LCU均配備了2臺現(xiàn)地以太網(wǎng)交換機，分別通過光纖接入主干網(wǎng)核心交換機，其中地下廠房和地下副廠房的8套現(xiàn)地控制單元（1～8LCU）均通過多模光纖與地下副廠房內(nèi)的1、2號核心交換機相連接，地面副廠房、大壩和進(jìn)水口的4套現(xiàn)地控制單元（9～12LCU）通過多模光口與地面副廠房內(nèi)的3、4交換機相連。由于尼日河首部閘門現(xiàn)地控制單元（13LCU）距離廠房13km，因此采用單模光纖與地面核心交換機相連接。布置在中控室和計算機室的主機設(shè)備通過RJ45電口與3、4號核心交換機進(jìn)行連接。

用于與華中網(wǎng)調(diào)、四川省調(diào)進(jìn)行通信的調(diào)度通信工作站，均配備4個網(wǎng)口，其中2個用于連接監(jiān)控系統(tǒng)，2個用于對外通信。通過冗余通信通道進(jìn)行通信，以電力調(diào)度數(shù)據(jù)專網(wǎng)為主通道，常規(guī)遠(yuǎn)動專用通道（即點對點方式）為備用通道。主通道采用DL/T634.5104-2002(IEC60870-5-104)協(xié)議，傳輸速率2Mbps，配置電力縱向加密認(rèn)證裝置；備用通道采用DL/T 634.5101-2002(IEC60870-5-101)或SC1801協(xié)議，傳輸速率1200bps。

用于與大渡河流域成都集控中心進(jìn)行通信的通訊網(wǎng)關(guān)機，均配備4個網(wǎng)口，其中2個用于連接監(jiān)控系統(tǒng)，2個用于對外通信。采用冗余光纖通信通道，主通道采用100Mbps以太網(wǎng)接口，備用通道采用10Mbps以太網(wǎng)接口，另外還提供一個IEC60870-5-101點對點專用為備用通道。

用于與深溪溝水電站進(jìn)行通信的通訊網(wǎng)關(guān)機，均配備4個網(wǎng)口，其中2個用于連接監(jiān)控系統(tǒng)，2個用于對外通信。采用冗余單模光纖通信通道，配置電力縱向加密認(rèn)證裝置。

廠內(nèi)通信數(shù)據(jù)服務(wù)器也配備4個網(wǎng)口，通過交換機與廠內(nèi)其它系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并采用硬件防火墻和正/反向安全隔離裝置進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)防護(hù)。

瀑布溝水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.2 現(xiàn)地控制網(wǎng)

瀑布溝水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制網(wǎng)絡(luò)有兩種形式：現(xiàn)地總線網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)地以太網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)地總線網(wǎng)絡(luò)不僅是LCU中控制器和遠(yuǎn)程I/O之間的連接介質(zhì)，而且也是監(jiān)控系統(tǒng)LCU與電廠其他輔機系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)地以太網(wǎng)既是廠站層和現(xiàn)地控制層數(shù)據(jù)交換的主要通訊介質(zhì)，還是現(xiàn)地LCU之間交換數(shù)據(jù)及實現(xiàn)SOE模塊以太網(wǎng)對時的途徑。圖2為一個典型的LCU結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 LCU的典型結(jié)構(gòu)

（1）現(xiàn)地總線網(wǎng)絡(luò)

瀑布溝水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)LCU為美國羅克韋爾公司生產(chǎn)的ControlLogix系列PLC，采用ControlNet總線。LCU的典型結(jié)構(gòu)是控制器+遠(yuǎn)程IO的結(jié)構(gòu)?？刂破骱瓦h(yuǎn)程IO之間采用Controlnet總線相連。對于短距離的遠(yuǎn)程子站，直接用RG6電纜相連。對于長距離的遠(yuǎn)程子站，中間采用光纖連接，避免感應(yīng)雷的干擾，提高可靠性。圖2中CNET-A和CNET-B即為控制器與遠(yuǎn)程RIO之間的ControlNet總線。為提高可靠性，采用了雙冗余總線。瀑布溝電站輔機系統(tǒng)均采用美國羅克韋爾公司生產(chǎn)的ControlLogix系列PLC，為監(jiān)控系統(tǒng)與輔機系統(tǒng)直接采用ControlNet總線相連提供了可能。圖2中CNET-C和CNET-D即為監(jiān)控系統(tǒng)LCU與輔機系統(tǒng)之間的ControlNet總線。采用現(xiàn)場總線相連的方式節(jié)省了大量電纜，減少了施工時間和日常維護(hù)工作量。

（2）現(xiàn)地以太網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)地以太網(wǎng)由交換機和雙絞線搭建而成。它是廠站層和現(xiàn)地控制層數(shù)據(jù)交換的主要通道，所以采用了雙冗余的以太網(wǎng)絡(luò)形式。同時現(xiàn)地以太網(wǎng)負(fù)責(zé)LCU之間數(shù)據(jù)的橫向傳遞。圖2中虛線所示即為現(xiàn)地以太網(wǎng)。圖2中以太網(wǎng)A還是對時網(wǎng)絡(luò)物理通道的提供者。

a）數(shù)據(jù)交換網(wǎng)

在瀑布溝水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)服務(wù)器通過控制網(wǎng)讀取LCU中數(shù)據(jù)，采用基于以太網(wǎng)的CIP協(xié)議。瀑布溝電站LCU使用的每個以太網(wǎng)模塊最多可以支持64個連接，每次請求的最大數(shù)據(jù)量為512byte。H9000系統(tǒng)采用多通道并行的通訊模式。同時，對各種數(shù)據(jù)類型劃分優(yōu)先級，實時性要求高的開關(guān)量、模擬量、SOE量優(yōu)先級高，而溫度量、脈沖量等實時要求不太高的數(shù)據(jù)類型優(yōu)先級較低，從而確保高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)類型在較短時間內(nèi)采集。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)LCU之間數(shù)據(jù)交換可以通過現(xiàn)地以太網(wǎng)用MESSAGE指令的方式很容易地進(jìn)行。計算機監(jiān)控系統(tǒng)LCU中還設(shè)計有智能通訊控制器，負(fù)責(zé)將采集的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳遞到控制器中，和別的數(shù)據(jù)一起通過PLC的以太網(wǎng)卡傳遞到主干網(wǎng)，這樣在現(xiàn)地大量的數(shù)據(jù)已經(jīng)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，減少了主干網(wǎng)上和外圍系統(tǒng)的交換數(shù)據(jù)量。

b）現(xiàn)地對時網(wǎng)

瀑布溝水電站配置了一套冗余高精度GPS時鐘同步系統(tǒng)，實現(xiàn)整個電站所有自動裝置（包括計算機監(jiān)控系統(tǒng)）的時鐘同步。對于廠站層設(shè)備和現(xiàn)地PLC的CPU機箱，時鐘同步系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口接入監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，提供NTP網(wǎng)絡(luò)對時服務(wù)，精度可達(dá)10ms。對于現(xiàn)地PLC的SOE模塊，由于需要PTP網(wǎng)絡(luò)對時協(xié)議進(jìn)行對時，因此設(shè)置一套專門負(fù)責(zé)全廠SOE模塊對時的機箱，將時鐘同步系統(tǒng)提供的IRIG-B交流B碼信號轉(zhuǎn)換成PTP網(wǎng)絡(luò)對時信號接入監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。在每個SOE遠(yuǎn)程機箱上都配有一塊以太網(wǎng)模塊EN2T接入網(wǎng)絡(luò)，通過PTP協(xié)議進(jìn)行對時，對時精度可以達(dá)到500ns?，F(xiàn)地控制層對時網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 現(xiàn)地LCU對時網(wǎng)絡(luò)示意圖

3 系統(tǒng)特點

（1）硬件高度冗余：系統(tǒng)配置的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通道、主機、PLC等硬件設(shè)備廣泛采用分布處理技術(shù)和多層次的冗余措施，并均采用雙電源供電，大大提高了可靠性；

（2）完善的監(jiān)測報警功能：系統(tǒng)具備完善的硬件、軟件自診斷與自恢復(fù)功能，可隨時對網(wǎng)絡(luò)通道、主機網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集狀態(tài)、現(xiàn)地PLC網(wǎng)絡(luò)的模塊狀態(tài)、通信鏈路狀態(tài)等進(jìn)行檢測，所有信息都有上位機報警及顯示；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)正在使用的網(wǎng)絡(luò)通道發(fā)生故障時可快速、自動地切換到另一條冗余的通道上；

（3）方便的網(wǎng)絡(luò)管理：系統(tǒng)配備了一套可視化的網(wǎng)絡(luò)管理軟件，實現(xiàn)統(tǒng)一的基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)管理，管理所有重要的支持SNMP的網(wǎng)絡(luò)交換機，可自動形成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，配置交換機端口，劃分VLAN；

（4）簡單、精確的對時網(wǎng)絡(luò)：無論是廠站層的計算機主機，還是現(xiàn)地控制層設(shè)備的CPU機箱、SOE機箱，所有需要對時的設(shè)備均直接接入以太網(wǎng)，通過NTP協(xié)議或PTP協(xié)議進(jìn)行對時，對時精度高，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單便于維護(hù)。

4 結(jié)語

隨著水電廠自動化水平和設(shè)備安全運行要求的不斷提高，計算機監(jiān)控系統(tǒng)在電廠生產(chǎn)管理中越來越重要，計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性與電廠的安全生產(chǎn)緊密相關(guān)，對于瀑布溝之類的巨型電站尤為重要。一個設(shè)計完善、配置先進(jìn)、安全可靠的網(wǎng)絡(luò)，是瀑布溝水電站順利投產(chǎn)發(fā)電，最終實現(xiàn)“無人值班”(少人值守)可靠運行的基礎(chǔ)和保障。

[1]王德寬，袁宏，王崢嬴，等.H9000V4.0計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)特點概要[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2007，31（3）：16-18.

[2]張毅，王德寬，王桂平，等.面向巨型機組特大型電站的新一代水電廠監(jiān)控系統(tǒng)的研制開發(fā)[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2008，32（1）.1-6.

[3]劉曉波.水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢探討[C]，2007年中國國際發(fā)電技術(shù)會議論文集，《綠色電力-二十一世紀(jì)中國發(fā)電新趨勢》.2007年5月第一版.中國電力出版社，627-632.

TP393.02

B

1672-5387（2010）03-0018-04

2010-04-28

文正國(1975-)，男，碩士，畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，從事水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的研究與開發(fā)，重點領(lǐng)域為監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計與實現(xiàn)、實時數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理等方面。（E-mail：jkwenzg@iwhr.com）