鄭 德 芳， 韓 勇， 周 佳

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司 二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617000)

二灘水電站監(jiān)控系統(tǒng)采用德國ABB公司(現(xiàn)德國ALSTOM公司)Advant OCS系列分布式控制系統(tǒng),主要包括監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、4臺操作員站、13套現(xiàn)地控制單元LPU、6臺遠程I/O裝置，IMS系統(tǒng)、調(diào)度通信系統(tǒng)、AGC/AVC系統(tǒng)、集控接口系統(tǒng)等。該系統(tǒng)用于監(jiān)視和控制6臺水輪發(fā)電機組、18臺單相主變壓器、500 kV GIS開關(guān)站、進水口快速閘門、水工泄洪閘門、6.3 kV廠用電、油水風等設(shè)備，并實現(xiàn)與四川省調(diào)、國調(diào)、雅礱江流域集控中心數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)了流域集控中心遠方集控和電廠無人值班的運行方式。

二灘水電站監(jiān)控系統(tǒng)自1998年投運至今，已安全運行14 a，但也暴露出眾多不足。為解決系統(tǒng)硬件配置較低、系統(tǒng)不開放、元件老化以及備品備件無法采購等問題，2013年，二灘水電站開始進行監(jiān)控系統(tǒng)的全面改造升級，與安德里茨公司簽訂了改造協(xié)議。

1 新老監(jiān)控系統(tǒng)的比較

新監(jiān)控系統(tǒng)采用奧地利安德里茨公司自主研發(fā)的NEPTUE水電站計算機監(jiān)控SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)搭建。NEPTUE是將現(xiàn)代化的分布式控制系統(tǒng)優(yōu)勢與安德里茨水電集團積累的水電站技術(shù)經(jīng)驗進行完美結(jié)合，是一個“全分布的采用綜合過程控制技術(shù)的水電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)”，可以滿足不同類型水電站的功能要求，符合當今水電站SCADA系統(tǒng)標準。安德里茨公司的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地智能控制單元采用AK1703智能PLC裝置，較ABB系統(tǒng)具有許多獨特、顯著的優(yōu)點：

(1)程序可讀性和可修改性能升級。安德里茨水電集團的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，包括中控室的后臺基本軟件和現(xiàn)地LCU基本軟件，不用在現(xiàn)場編程和修改源代碼，為電廠按時發(fā)電提供了保障：增加或刪除了系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫點時，數(shù)據(jù)庫進程一直在線運行，無需重啟。

(2)硬件配置性能升級。中央CPU模板主頻高，內(nèi)存大。

(3)運行可靠性能升級。雙中央CPU模板冗余切換時間為0 ms，達到了真正無擾動。而ABB系統(tǒng)CPU切換時間至少需要一個掃描周期。智能PLC裝置AK1703冗余雙中央CPU模板同時工作，即同時接收和處理來自監(jiān)控后臺系統(tǒng)和下面所有I/O模板的數(shù)據(jù)。當主用中央CPU通信單元的模板或網(wǎng)卡發(fā)生故障時，備用中央CPU通信單元的模板瞬間打開所有的通信輸出通道，接替所有的任務(wù)，從而不間斷地繼續(xù)完成所有工作。

(4)設(shè)計理念升級。全SOE量設(shè)計理念，所有輸入信號都帶有模板實時時標，實時時標在I/O模板上直接記錄。而ABB系統(tǒng)的信號上傳采用的是掃描方式。

(5)設(shè)計標準規(guī)范升級。上位機與下位機LCU(AK1703 ACP)之間的通訊采用國際標準電力規(guī)約IEC60870-5-104，是世界上唯一一家在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部通訊采用IEC60870-5-104規(guī)約的廠家。

(6)系統(tǒng)可擴展性升級。安德里茨公司的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)超越了一般計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)條件的基本要求，采用了全智能的監(jiān)控部件和模件，所有I/O模板均為智能模板，板上帶有處理器，真正做到了全分布、智能分散、功能分散、危險分散的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性。

2 新監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

二灘水電站新監(jiān)控系統(tǒng)采用分層全分布開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，符合“無人值班”的技術(shù)發(fā)展趨勢，系統(tǒng)的主要設(shè)備采用冗余配置。監(jiān)控系統(tǒng)由主控級設(shè)備、現(xiàn)地控制單元設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成。電站控制級采用非常人性化設(shè)計的SAT 250 SCALA系統(tǒng)，由2臺主服務(wù)器、2臺操作員工作站、3臺工程師工作站、2臺調(diào)度通信網(wǎng)關(guān)機、2臺集控通信網(wǎng)關(guān)機、2臺報表站、1臺WEB服務(wù)器、4臺主交換機、打印機和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、隔離設(shè)備等組成?，F(xiàn)地控制單元LCU設(shè)備采用新一代智能PLC控制器AK1703 ACP和智能I/O模塊。計算機監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用總線式冗余光纖以太網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置見圖1。

圖1 二灘水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2.1 上位機控制系統(tǒng)250SCALA

安德里茨250SCALA上位機系統(tǒng)基于Windows操作平臺，視窗操作，全漢化顯示，采用文字、聲音、圖形、圖像等手段，把工作人員的操作、事故、故障、參數(shù)越限等情況均作提示。250SCALA上位機系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、控制和調(diào)節(jié)、優(yōu)化運行、數(shù)據(jù)通信、記錄、管理、運行狀態(tài)顯示、圖表打印等功能，用于監(jiān)視和控制6臺水輪發(fā)電機組、18臺單相主變壓器、500 kVGIS開關(guān)站、進水口快速閘門、大壩泄洪閘門、6 kV廠用電、油水風等設(shè)備。

250SCALA是安德里茨公司最新一代運用人類生態(tài)工程學理論而設(shè)計的控制中心主站系統(tǒng)，其基于客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，具有多客戶支持能力、實時多任務(wù)處理以及功能集成化等特點。網(wǎng)絡(luò)上接入的每一個設(shè)備都具有自己特定的功能，實現(xiàn)了功能的分布，既具備了網(wǎng)絡(luò)某一設(shè)備故障只影響局部功能的優(yōu)點，又利于系統(tǒng)升級功能的擴充。其主要硬件配置及功能如下。

2.1.1 主服務(wù)器(2套)

(1)配置：主服務(wù)器為SUN公司生產(chǎn)的SUN ORACLE SPARC T4-1高檔服務(wù)器。兩臺數(shù)據(jù)服務(wù)器的配置相同，操作系統(tǒng)采用Solaris 10系統(tǒng)，以冗余熱備用方式工作，主備切換無擾動地完成。

(2)功能：兩套主服務(wù)器在正常運行時，集程序服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器功能于一體，主要進行數(shù)據(jù)庫的管理；歷史數(shù)據(jù)的存檔、歸類、檢索和管理；與下位機及上位機各站點的通訊等。

2.1.2 操作員站(2套)

(1)配置：操作員站為HP公司生產(chǎn)的HP DL380p GEN8。操作系統(tǒng)采用Windows Server 2008 R2 Standard 64-bit系統(tǒng)。

(2)功能：操作員站是全廠集中監(jiān)視和控制功能的人機接口，實現(xiàn)實時畫面顯示，多窗口顯示操作管理，事故報警和事件記錄，各種報表顯示，系統(tǒng)自診斷信息的顯示，操作員站操作權(quán)限的登錄及其管理，應(yīng)用控制操作、運行設(shè)備的控制操作、系統(tǒng)配置操作、負荷調(diào)整操作等各種操作處理。兩套操作員工作站完全獨立并存。

2.1.3 工程師站(3套)

(1)配置：工程師站服務(wù)器為三臺HP公司生產(chǎn)的HP DL380p GEN8。3臺工程師站配置相同，其中一臺為移動工程師站。操作系統(tǒng)采用Windows Server 2008 R2 Standard 64-bit系統(tǒng)。

(2)功能：工程師工作站主要作為系統(tǒng)的開發(fā)、維護及故障處理等功能使用。同時，還可作為操作員工作站的熱備用機。

2.1.4 集控通信網(wǎng)關(guān)機(2套)

(1)配置：集控通信網(wǎng)關(guān)機選用兩套安德里茨智能控制器AK 1703，每個機架均配置2個中央CPU：C-2017,1個協(xié)調(diào)CPU：C-2014，第一塊2017上配置一個SM-2556模塊，第二塊2017上配置一個SM-2557、一個SM-2551模塊，采用101、104規(guī)約進行通信。

(2)功能：集控通信網(wǎng)關(guān)機用于監(jiān)控系統(tǒng)與遠方集控中心的數(shù)據(jù)通信，還具有遠動數(shù)據(jù)處理及通信功能，按照直采直送原則，直接接收來自LCU的數(shù)據(jù)，進行處理后按照多通信方式及通訊規(guī)約完成與遠方集控中心的數(shù)據(jù)交換。

2.1.5 調(diào)度通信網(wǎng)關(guān)機(2套)

(1)配置：調(diào)度通信網(wǎng)關(guān)機為兩臺DA-683工業(yè)計算機，同時為調(diào)度網(wǎng)關(guān)機配置了一臺KVM顯示器。

(2)功能：調(diào)度通信網(wǎng)關(guān)機用于監(jiān)控系統(tǒng)與省調(diào)數(shù)據(jù)通信，按照直采直送原則，直接接收來自LCU的數(shù)據(jù)，進行處理后按照不同的通信方式及通訊規(guī)約完成與多個調(diào)度端的數(shù)據(jù)交換。

2.1.6 報表站(2套)

(1)配置：廠內(nèi)配置了兩臺報表站，均采用HP公司生產(chǎn)的HP DL380p GEN8。操作系統(tǒng)采用Windows Server 2008 R2 Standard 64-bit系統(tǒng)。

(2)功能：報表站主要用于歷史數(shù)據(jù)、歷史事件的查詢、數(shù)據(jù)曲線分析等。

2.1.7 WEB服務(wù)器(1套)

(1)配置：WEB服務(wù)器采用HP公司生產(chǎn)的HP DL380p GEN8。操作系統(tǒng)采用Windows Server 2008 R2 Standard 64-bit系統(tǒng)。

(2)功能：運用WEB服務(wù)器，通過隔離裝置和防火墻，將監(jiān)控系統(tǒng)信息傳入辦公區(qū)域，可以在辦公電腦上隨時查詢、訪問監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)、事件信息。

2.2 現(xiàn)地控制單元LCU系統(tǒng)

二灘水電站現(xiàn)地控制單元系統(tǒng)采用安德里茨智能控制器AK1703，此設(shè)備基于32位微處理器技術(shù)，采用多CPU體系結(jié)構(gòu)。而且它的每個I/O模板也都帶有各自的CPU，從而具有廣泛的通信方式和龐大的通信能力，可以配置各種通訊方式(以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、串口等)和一百余種通信規(guī)約。在控制裝置AK1703中配置了獨立冗余功能，外置的SM-2556以太網(wǎng)通信模板采用國際電力標準規(guī)約IEC60870-5-104，通信速率10/100 M自適應(yīng)，從而實現(xiàn)了與地下廠房交換機或地面中控室交換機的冗余通信。

AK1703 ACP采用智能控制裝置的串行通信模板SM-2551并可擴展，每個串口支持獨立的編程和不同的規(guī)約，所有串行通信模板硬件通用，只需下載不同的通信固件便可以實現(xiàn)不同規(guī)約的通信。SM-2551支持幾十種不同的串行通信規(guī)約，主要包括IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、MODBUS、DNP等。

值得說明的是：智能控制裝置AK1703 ACP能直接支持國際標準保護設(shè)備的通信規(guī)約IEC60870-5-103，而一般的現(xiàn)地LCU則必需通過規(guī)約轉(zhuǎn)換，才能將保護信息接入到現(xiàn)地控制單元中。機組LCU中的智能控制裝置AK1703 ACP與勵磁、調(diào)速器、保護設(shè)備等外部系統(tǒng)的通信分別配置了獨立的、一對一的串口來實現(xiàn)，未用共用部分，相互之間沒有影響。這樣布置，既使其中的某個通信有問題，也只影響其本身，而不會影響到與其它幾個系統(tǒng)的通信。以機組LCU為例，現(xiàn)地控制單元通信比較情況如圖2所示。

3 通訊系統(tǒng)

二灘水電站監(jiān)控系統(tǒng)采用總線式冗余光纖以太網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中的交換機選用的是德國赫斯曼公司生產(chǎn)的MACH4000型交換機。為協(xié)調(diào)

圖2 現(xiàn)地控制單元通信示意圖

冗余數(shù)據(jù)交換機制，通信網(wǎng)絡(luò)中需要設(shè)置一臺交換機作為RM(Redundancy Manager)來管理整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)通信線路。被設(shè)置成RM的交換機可以是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任意一臺交換機。當RM交換機發(fā)現(xiàn)主通信線路發(fā)生故障時，會自動啟用備用通信線路，從而使通信不受影響并發(fā)出報警信號。這種通信機制可以使每個光纖網(wǎng)絡(luò)容納一個物理斷點而通信不受影響。值得注意的一條原則是：光纖網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，必須有且只有一臺交換機被設(shè)置成RM交換機。如果違反了這條原則，網(wǎng)絡(luò)將無法正常工作，因此，在實際應(yīng)用中要特別注意。圖3中，交換機SW1、SW2作為二灘水電站廠內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)主交換機，交換機SW3、SW4作為二灘水電站廠外監(jiān)控系統(tǒng)主交換機，四個交換機構(gòu)成2條互為冗余的監(jiān)控主網(wǎng)。SW1與SW2，SW3與SW4之間均采用網(wǎng)線連接，SW2與SW4，SW1與SW3之間采用光纜連接。交換機SW1被設(shè)置為RM交換機，正常工作時,SW1至SW3的網(wǎng)絡(luò)不通，若SW2至SW4之間的通訊中斷，則SW1至SW3的網(wǎng)絡(luò)會自動連接，從而保證了網(wǎng)絡(luò)的實時暢通可靠性。

4 新監(jiān)控系統(tǒng)的特點

二灘水電站監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造是為了滿足流域電站生產(chǎn)的要求，同時也是技術(shù)革新的結(jié)果。

圖3 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)圖

筆者將安德里茨監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點總結(jié)如下。

(1)計算機及PLC這些主要設(shè)備直接接入網(wǎng)絡(luò)，可獲得高速通訊能力和資源共享能力。

(2)現(xiàn)地控制單元(LCU)以PLC為基礎(chǔ)構(gòu)成多機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，各PLC既可以協(xié)同工作，又可以獨立完成各自所承擔的功能。

(3)為確保系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)的重要設(shè)備采用冗余技術(shù)，如操作員站、網(wǎng)絡(luò)、PLC等。

(4)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、軟硬件平臺和通信協(xié)議的設(shè)計均遵循開放性標準，使系統(tǒng)具備了良好的適應(yīng)性和擴展性，順應(yīng)了當前工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、標準化、分散化的發(fā)展方向，便于將來系統(tǒng)升級。

5 結(jié) 語

安德里茨監(jiān)控系統(tǒng)的投入，強化了二灘水電站監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件的功能，改善了系統(tǒng)的操作性能，優(yōu)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性、可擴展性。

參考文獻：

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