徐陶龍，陳 龍，邱小波

[1.調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司廣東蓄能發(fā)電有限公司，廣東省廣州市 510900；2.南瑞集團（國網(wǎng)電力科學研究院）有限公司，江蘇省南京市 211106]

0 引言

廣州蓄能水電廠（以下簡稱廣蓄）是我國第一座大容量的抽水蓄能電站，分兩期工程建設，廣蓄A廠為一期工程，有4臺單機容量為300MW的可逆式抽水蓄能機組，于1994年全部投入運行。

廣蓄A廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用阿爾斯通ALSPA[1]系列第二代產(chǎn)品，該系統(tǒng)于1994年全部投入運行，其中上位機部分已于2007年升級改造為ALSPA P320系列第五代產(chǎn)品。下位機系統(tǒng)仍為ALSPA系列第二代產(chǎn)品，為集中控制式，主要具備電廠設備的模擬量、數(shù)字量等信號采集功能，邏輯處理功能，控制功能，通信功能以及現(xiàn)地操作功能等。

目前，雖然廣蓄A廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運行，但其功能及維護方面已無法滿足現(xiàn)在更高的監(jiān)控要求，也面臨備品、備件停產(chǎn)，設備老化等問題，技術(shù)性能方面的落后已嚴重制約廣蓄A廠的自動控制水平。基于監(jiān)控系統(tǒng)以上不足，對設備的安全可靠運行構(gòu)成威脅，有必要盡快制定升級改造規(guī)劃和開展改造方案的研究工作。本文主要針對廣蓄A廠監(jiān)控系統(tǒng)改造策略進行探討，為改造工作的具體實施提供參考。

1 廣蓄A廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

廣蓄A廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)是以計算機為基礎，能遠方監(jiān)控，自動操作的智能型分層分布式的控制系統(tǒng)。全系統(tǒng)共分為三層：電網(wǎng)調(diào)度層，中控室層，單元控制層。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

電網(wǎng)調(diào)度層：廣東中調(diào)、香港中電、南網(wǎng)總調(diào)、雙調(diào)集控中心等。

中控室層：由數(shù)據(jù)庫服務器、歷史數(shù)據(jù)庫服務器、工程師站、網(wǎng)關(guān)機、操作員站等具有各自功能的工作站組成的分布式計算機局域網(wǎng)絡。

單元控制層：由現(xiàn)地控制柜和繼電器柜組成，根據(jù)控制對象不同分成機組RTU、機組公用RTU、模擬屏RTU、廠用電RTU、500kV系統(tǒng)RTU以及上下庫RTU等。除上下庫及模擬屏RTU外，其余RTU均為完全冗余配置。各RTU之間以及RTU與調(diào)速器控制、勵磁、繼電保護等子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互均由硬布線實現(xiàn)。

2 改造難點

2.1 工期因素

廣蓄A廠作為全國唯一多調(diào)度控制的抽水蓄能電廠，同時受廣東中調(diào)和香港中電兩方調(diào)度調(diào)控，根據(jù)目前調(diào)度管轄方式和每年調(diào)度批復的檢修計劃情況綜合考慮，A廠監(jiān)控系統(tǒng)升級改造可申請工期預計最長為4個月。

圖1 廣蓄A廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of Monitoring and Control System in Guangzhou Pumped-Storage Power Station A

2.2 資料因素

A廠機組以及各系統(tǒng)設備間極為錯綜復雜的硬布線邏輯以及可讀性極差的下位機程序，多年來改動較大，部分改動記錄不夠完善，改造前必須對原始資料進行收集整理，包括控制邏輯、閉鎖關(guān)系、I/O清單、圖紙、控制程序、數(shù)據(jù)庫清單、監(jiān)控畫面等。所有資料必須與現(xiàn)場實際情況一一核對。

2.3 設備因素

2.3.1 RTU程序、硬布線邏輯

A廠下位機RTU程序可讀性差，RTU繼電器控制的硬布線回路數(shù)量龐大、機組各系統(tǒng)設備間閉鎖邏輯復雜。改造時需將RTU程序、硬布線邏輯翻譯成新的下位機程序。

2.3.2 通信方式

ALSPA P320系列第五代產(chǎn)品上位機無法直接識別第五代以外的其他下位機，其他下位機必須通過原廠定制的CSS-F通信設備實現(xiàn)與ALSPA P320系列5上位機通信。第二代下位機與上位機通信接口為RS232串口或電流環(huán)方式。

由于國外廠家對上位機通信方式的封鎖和保護，使其在改造時，如果選擇非原廠家則面臨完全解析其通信協(xié)議的嚴峻挑戰(zhàn)。上下位機間的通信協(xié)議、各類報文的解析若有遺漏，改造后可能產(chǎn)生通信數(shù)據(jù)丟包，控制命令未能成功收發(fā)等，以及其他未能預見的風險。

此外，各RTU之間、RTU與其他分子系統(tǒng)及一次設備均為硬布線通信。在其他分子系統(tǒng)不參與改造的前提下，監(jiān)控系統(tǒng)升級改造時必須保持RTU與其他RTU之間、各分子系統(tǒng)之間、與一次設備之間控制邏輯不變、I/O信號不變，其錯綜復雜的硬布線邏輯也增加了改造難度。

3 改造策略分析

3.1 改造策略選擇

結(jié)合上文改造難點因素對監(jiān)控系統(tǒng)的幾種改造策略進行SWOT分析，分析情況如表1所示。

根據(jù)SWOT分析，可得出以下結(jié)論：

（1）廣蓄A廠監(jiān)控系統(tǒng)改造應采取分步改造的方式以合理分散改造工期。

（2）改造過程，應先進行上位機改造，再進行下位機改造，該策略劣勢和威脅最少，機會最多，優(yōu)勢中等，即風險最低，可選擇性、可行性最高。

因此，廣蓄A廠監(jiān)控系統(tǒng)改造可優(yōu)先選擇先進行上位機改造，再進行下位機改造的分步改造策略。

3.2 改造策略實施方法

3.2.1 第一步：上位機系統(tǒng)改造

監(jiān)控系統(tǒng)上位機最大的難點和關(guān)鍵點是解析下位機RTU的串口通信，無需研究更為封閉的上位機接入方式。其風險和難度相比先改造下位機要小得多。A廠下位機RTU通過串口方式與上位機通信，解析后通過開發(fā)的通信裝置或新上位機系統(tǒng)內(nèi)開發(fā)通信驅(qū)動等方式轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)后接入新上位機環(huán)網(wǎng)。上位機系統(tǒng)改造后監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 上位機系統(tǒng)改造后監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖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

目前國內(nèi)外大部分監(jiān)控系統(tǒng)廠家都具備上位機改造經(jīng)驗，串口通信的解析難度也相對較小，把握較大。上位機整體完成改造后，也能為將來A廠下位機升級改造提供更多選擇，降低改造風險和改造難度。同時也能減少目前A廠上下位機通信回路中環(huán)節(jié)復雜的通信設備，減少運維設備、降低運維成本。

3.2.2 第二步：下位機系統(tǒng)改造

A廠下位機系統(tǒng)采用集中控制式結(jié)構(gòu)，B廠采用的是分層分布式結(jié)構(gòu)，兩者各有優(yōu)缺點。而近幾年，如清蓄、深蓄等新建電廠結(jié)合兩種控制方式各自的優(yōu)點，下位機系統(tǒng)采用集中控制、遠程I/O分布、環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、就近接入的總體設計思路。而A廠新控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)則需根據(jù)現(xiàn)場實際情況、工期等各方面綜合考慮。下位機改造時，為在有限的工期內(nèi)完成改造，推薦下位機改造沿用集中控制式控制方式，優(yōu)先完成PLC控制部分改造?？蓞⒖寂_灣明潭改造經(jīng)驗，將I/O回路保留至前置器部分，定制與前置器類似的接線槽，引出后接入新下位機輸入輸出模塊中。

完成控制器改造后，對于機組RTU，可利用機組檢修、消缺等機會，后續(xù)逐步增加遠程I/O柜等。根據(jù)就近布置的原則，以廠房每層為一個單位（對相對獨立的溫度監(jiān)控系統(tǒng)可以系統(tǒng)為單位），采用遠程I/O的方式接入各層的所有信號。另外對于特別重要（跳機、啟停條件等）的反饋信號仍以硬布線的方式直接接入四樓RTU。

由于工期等諸多條件的限制，下位機系統(tǒng)改造時需合理利用檢修工期，盡可能采取單臺RTU依次改造的方式。具體改造流程建議如下。

3.2.2.1 廠用電、模擬屏RTU改造

完成上位機改造后進行下位機改造。優(yōu)先改造廠用電、模擬屏等相對邏輯簡單、I/O數(shù)量相對較少，控制功能相對獨立的RTU。改造難度較小，對工期要求不高，可利用檢修計劃中短期的全?；蚱渌C會進行改造，改造期間對其他RTU和機組運行影響不大。不僅可以積累改造經(jīng)驗，而且改造后拆除的設備可以作為其他RTU的備品繼續(xù)使用。下位機系統(tǒng)改造過程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 下位機系統(tǒng)改造過程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure in renovation of local control unit

3.2.2.2 機組RTU改造

根據(jù)檢修計劃或機組運行情況，合理安排4臺機組RTU改造，利用檢修工期，將對工期的影響壓縮到最小。改造時，優(yōu)先完成PLC控制部分改造，與其他RTU之間、與其他分子系統(tǒng)之間的硬布線邏輯暫時保留，I/O保持不變，降低現(xiàn)場風險，保證安全可靠，同時還可以節(jié)省改造工期。

新RTU需增加基于網(wǎng)絡方式的通信功能，在保留原硬布線通信方式的同時實現(xiàn)RTU之間網(wǎng)絡通信功能，以及為后續(xù)進行遠程I/O功能改造預留通信接口，同時為勵磁系統(tǒng)、調(diào)速器控制系統(tǒng)等其他子系統(tǒng)預留通信接口，為以后各子系統(tǒng)改造提供更多選擇。

現(xiàn)場調(diào)試前，可通過仿真或模擬的方式完成I/O及功能調(diào)試，降低現(xiàn)場調(diào)試難度和風險和減少現(xiàn)場工期。另外逐臺機組改造也便于經(jīng)驗積累和降低風險。

3.2.2.3 公用及500kV RTU改造

最后進行公用及500kV RTU等影響較大的RTU改造。該部分改造難度較大，改造后調(diào)試內(nèi)容較多，風險較高。對工期要求最長。

3.2.3 下位機通信、硬布線、遠程I/O等功能完善

完成控制部分改造后，整個監(jiān)控系統(tǒng)的改造已基本完成。試運行后，可確定新RTU控制程序以及RTU網(wǎng)絡通信功能的可靠性和完整性，后續(xù)有三部分內(nèi)容可通過機組檢修、消缺等工期擇機逐步完善。

3.2.3.1 RTU之間的硬布線通信回路

根據(jù)RTU之間網(wǎng)絡通信功能的運行情況決定是否取消并拆除RTU之間的硬布線通信回路。

3.2.3.2 RTU硬布線（繼電器）控制回路

逐步完成硬布線的程序化，將可優(yōu)化的硬布線邏輯用PLC程序替代，可選擇性保留跳機等關(guān)鍵硬布線回路或用其他更穩(wěn)定可靠的方式替代。

3.2.3.3 分層分布式遠程I/O

根據(jù)就近布置的原則，以廠房每層為一個單位（對相對獨立的溫度監(jiān)控系統(tǒng)可以系統(tǒng)為單位），采用遠程I/O的方式接入各層的所有信號。另外對于特別重要（跳機、啟停條件等）的反饋信號仍以硬布線的方式直接接入四樓RTU。

監(jiān)控系統(tǒng)完成改造后結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)完成改造后結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of structure after renovation of computer monitoring and control system

4 結(jié)束語

抽水蓄能機組計算機監(jiān)控系統(tǒng)作為核心生產(chǎn)系統(tǒng)，其改造策略在追求安全、可行的基礎上，還需要滿足降低生產(chǎn)維護和升級改造成本、提升生產(chǎn)管理水平等不同層面的要求。廣蓄電廠AB兩廠完全不同設備不同理念的特殊性，使其改造具有一定的代表性和研究意義。本文從廣蓄A廠改造的工期因素、資料因素以及設備因素等難點分析，介紹一些粗淺的想法，其實還可應用精益理念和方法，深入分析改造策略，如向AB廠監(jiān)控系統(tǒng)同型化一體化靠攏，即可為實現(xiàn)廣蓄AB廠整個監(jiān)控系統(tǒng)同型化提供重要參考和可靠的支持，又能推進設備的國產(chǎn)化、一體化進程，提升廣蓄電廠運行管理水平，降低生產(chǎn)維護成本，提供企業(yè)的生產(chǎn)效率和競爭力。