王宗收，李世昌，朱傳宗，吳 妍，于 瀟

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

1 引言

近幾年來我國經(jīng)濟(jì)水平增長迅猛日新月異，社會的高速發(fā)展離不開電力能源的支持，這種強大的電力需求也使得中國電力水平有了很大的提高，尤其是抽水蓄能電站近幾年來發(fā)展速度驚人。抽水蓄能電站在電網(wǎng)中主要起著削峰填谷、事故備用以及調(diào)頻的作用，與火電、核電、風(fēng)電相結(jié)合，節(jié)省了大量的資源，在電網(wǎng)中扮演的角色也越來越重要。由于我國抽蓄事業(yè)起步較晚，電站使用的多種設(shè)備尤其是控制系統(tǒng)軟硬件大多采用的是國外技術(shù)，而國外多個廠家在多年的變革中經(jīng)歷了解體與合并，導(dǎo)致現(xiàn)在抽水蓄能電廠監(jiān)控設(shè)備維護(hù)成本高，監(jiān)控系統(tǒng)備品備件不足，另外由于抽水蓄能電站監(jiān)控大多于20世紀(jì)末設(shè)計，當(dāng)時監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)已無法滿足現(xiàn)在抽水蓄能電站的要求，因此這些弊端嚴(yán)重影響了我國抽蓄事業(yè)的發(fā)展[1]。

隨著我國工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及自動化水平的提高，計算機硬件與軟件的技術(shù)水平都較以前有了長足的發(fā)展，具有了能夠獨立設(shè)計抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的能力，因此對電站監(jiān)控系統(tǒng)的改造正在一步步的開始進(jìn)行。本次抽水蓄能電站監(jiān)控改造項目總體分為兩部分，上位機改造與下位機改造。本文主要介紹上位機改造，上位機改造完成后再對下位機進(jìn)行改造，最終實現(xiàn)抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的全面升級改造。

2 上位機改造背景

現(xiàn)有蓄能水電廠監(jiān)控系統(tǒng)由于設(shè)備投運時間長以及設(shè)備老化等原因，經(jīng)常會出現(xiàn)一系列的問題，下面就幾個較為常見的故障進(jìn)行簡單介紹。如值守人員值守過程中突然發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)器中斷報警，檢查發(fā)現(xiàn)實時服務(wù)器黑屏，檢查主機發(fā)現(xiàn)不斷重復(fù)啟動。據(jù)以往經(jīng)驗來看，主機不斷重復(fù)啟動的原因可能有如下幾點，①設(shè)備電源模塊故障，這類故障不太常見；②主機CPU熱保護(hù)動作，導(dǎo)致不斷自動啟動主機；③板卡積灰較多造成某點短路進(jìn)而保護(hù)動作，這種情況在故障中最為常見；④主板故障。運維人員根據(jù)以往的經(jīng)驗進(jìn)行處理。首先將主機拆開，清掃硬盤、內(nèi)存條、CPU風(fēng)扇等部位灰塵，清理完畢后進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)仍不能正常啟動；在CPU與散熱器之間涂抹銀硅脂促進(jìn)散熱，經(jīng)查資料添加銀硅脂后允許立即開機，立即回裝固定，進(jìn)行試驗，試驗失敗。然后更換其主機電源模塊進(jìn)行試驗，仍無法正常啟動，最后將原主機硬盤拆下裝至該臺主機上進(jìn)行試驗，主機可以正常運行，但存在第5口內(nèi)存條故障報警及時間不正確的現(xiàn)象，運行2 h后再次中斷且屏幕上數(shù)據(jù)迅速滾動，暫時將主機關(guān)閉，防止CPU過熱損傷主機，然后將第5口內(nèi)存條更換至第6口，再次進(jìn)行上電試驗，運行正常。再如值守人員監(jiān)盤過程中發(fā)現(xiàn)報警：CIS2 ETHERNET coupler1 OUT OF SERVICE 與 DUAl-LINK STATION INTERFACE OUT OF SERVICE。操作員工作站CVS無法控制機組運行與負(fù)荷調(diào)整，操作員工作站失去了服務(wù)功能，監(jiān)控系統(tǒng)2號數(shù)據(jù)服務(wù)器CIS2失去服務(wù)功能，上行和下發(fā)的數(shù)據(jù)無法通過CIS2再進(jìn)行傳送，最終更換電源模塊后恢復(fù)正常。除了這些影響機組運行的故障外還經(jīng)常出現(xiàn)一些一級報警，如：CCC FUNCTION FAULT，CCC STATIAON CONTRONETI FAULT，OPERATOR STATION2 CONTRONETI OUTSERVICE，CIS 1 ETHERNET COUPLER 1 OUTSERVICE，這些偶爾出現(xiàn)的報警雖然會瞬時復(fù)歸，不會影響機組的正常運行，但會嚴(yán)重影響值守人員的判斷，影響運行人員正常的監(jiān)盤工作?？梢钥闯錾鲜鰣缶蠖嗍且驗楸O(jiān)控系統(tǒng)上位機設(shè)備老化，或者出現(xiàn)的通信故障造成。

因此，現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)已無法滿足抽水蓄能電站的需求，影響了電站的正常運行，監(jiān)控系統(tǒng)升級改造迫在眉睫。本次電站改造緊緊圍繞“無人值班”（少人值守）的原則[2]，以提高監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、可靠性為根本，做到新設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)使用方便、維護(hù)升級簡單、畫面可讀性強、便于擴(kuò)充的目的。此次上位機改造主要包括3部分：上位機硬件系統(tǒng)更換、監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架升級、上位機軟件系統(tǒng)改造，下面就各個改造環(huán)節(jié)進(jìn)行簡單的介紹。

3 上位機硬件改造

考慮到原有監(jiān)控系統(tǒng)存在的大多數(shù)問題都與上位機硬件設(shè)備有關(guān)。針對這一現(xiàn)象，對幾個重點上位機改造后的節(jié)點硬件進(jìn)行介紹。歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器具有長期過程數(shù)據(jù)存儲、即時和各類分析、現(xiàn)地和遠(yuǎn)方訪問、記錄數(shù)據(jù)與追憶等功能，而操作員站更是監(jiān)視和控制著電站的運行，遠(yuǎn)動機主要負(fù)責(zé)與調(diào)度進(jìn)行實時數(shù)據(jù)通信，主機則是對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，因此歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、遠(yuǎn)動機與主機服務(wù)器及操作員站是上位機監(jiān)控系統(tǒng)的重中之重。原有的歷史服務(wù)器與操作員站均是SUN UNIX站，系統(tǒng)配置為512 MB內(nèi)存，40 GB硬盤，通過原有監(jiān)控系統(tǒng)的配置可以看出，配置低及設(shè)備老化是監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生故障的一個重要原因。改造后的上位機硬件系統(tǒng)均采用高標(biāo)準(zhǔn)配置，歷史服務(wù)器與主機服務(wù)器全部采用HP公司的DL388 G9，具有2個INTEL16核64位至強E5-2683 V464處理器，內(nèi)存為32 GB，硬盤為300 GB×4，硬盤主軸旋轉(zhuǎn)速度不小于10 k r/min，可熱插拔，方便電站工作人員進(jìn)行維護(hù)。主機電源采用冗余供給系統(tǒng)，熱插拔電源模塊，硬件支持掉電保護(hù)和電源恢復(fù)后的自啟動功能。改造后的操作員主機則采用HP Z440工作站，1個INTEL至強4核E5-1620 V4處理器，3.5 GHz主頻，8 GB內(nèi)存，1 TB 7200 RPM SATA硬盤，NVS315 1 G高性能獨立顯卡，支持雙顯，2個1 000 M網(wǎng)口。另外為方便調(diào)度通信，電站也升級了遠(yuǎn)動機等設(shè)備，主機采用南瑞SJ30-664通信服務(wù)器，CPU采用INTEL賽揚雙核3955處理器，128 G硬盤，4 G內(nèi)存等配置，除此之外，為保證通信流暢與安全，還配置了2個電力貓，1臺MSR2600-10路由器和2臺Netkeeper縱向加密裝置，在保證與省調(diào)及網(wǎng)調(diào)通信流暢性的同時，也保證了傳輸信息的安全性。

另外，結(jié)合上位機監(jiān)控系統(tǒng)改造，也對電站的對時系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行升級改造。改造后的對時系統(tǒng)采用主從模式。對時主時鐘裝置設(shè)有1套，具有兩路輸入，分別為北斗輸入和GPS輸入，另外還配有1套匯聚時鐘與8套擴(kuò)展時鐘。這些分時鐘信號分別送到各個現(xiàn)地控制盤、故障錄波室和線路保護(hù)室等使用。

4 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)是對全廠的生產(chǎn)進(jìn)行自動控制、監(jiān)視、保護(hù)和數(shù)據(jù)采集，對全廠安全穩(wěn)定生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。一般電站的監(jiān)控系統(tǒng)分為3層，即系統(tǒng)控制層、電站控制層、現(xiàn)地控制層。系統(tǒng)控制層即調(diào)度對全廠機組進(jìn)行控制，通過對電廠的有功功率和無功功率的設(shè)置，實現(xiàn)機組穩(wěn)定的運行。電站控制層通過運行人員在監(jiān)控系統(tǒng)中的操作，控制信息經(jīng)環(huán)網(wǎng)傳遞給現(xiàn)地控制單元，從而實現(xiàn)機組的控制，這種方式是電站主要控制方式?，F(xiàn)地控制層由機組現(xiàn)地控制單元、公用系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元、高壓現(xiàn)地控制單元等構(gòu)成，在檢修試驗中，也會通過現(xiàn)地控制層對機組進(jìn)行控制[3]。

上位機監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架是連接系統(tǒng)控制層、電站控制層、現(xiàn)地控制層的信號傳輸路徑，既負(fù)責(zé)與調(diào)度的信息傳輸，也負(fù)責(zé)著控制全廠的生產(chǎn)運行，因此，上位機監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架的好壞直接影響著機組是否可以實現(xiàn)自動化控制。由于抽水蓄能電站廠房位置特殊，一般都分布在地下，將不同設(shè)備分布在不同的層，如發(fā)電機層、水機層、主變洞等，這種較為復(fù)雜的廠房結(jié)構(gòu)，對于上位機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架也有了較高的要求。另外抽水蓄能電站在電網(wǎng)中的角色越來越重要，機組啟停及工況轉(zhuǎn)換頻繁，信息傳輸量極大，傳統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)已不再適用。星—環(huán)結(jié)構(gòu)開始被推廣應(yīng)用，本次上位機改造即采用這種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有很高的信息傳輸可靠性，不受單個節(jié)點的影響，具有運行靈活節(jié)省成本等優(yōu)點[4]。改造后的環(huán)網(wǎng)主要將LCU1、LCU2、LCU3、LCU4、LCU5、LCU6等機組現(xiàn)地控制單元設(shè)備連接到一起，環(huán)網(wǎng)通過A B單模交換機構(gòu)成雙向單模光纖環(huán)網(wǎng)，每個交換機光口有4個接口，分別為上一級LCU尾纖輸入與下一級LCU尾纖輸出，交換機與尾纖相連，尾纖經(jīng)光纖盒內(nèi)熔接，因此通過光纖構(gòu)成雙環(huán)網(wǎng)。然而需要注意的是一般在監(jiān)控系統(tǒng)改造過程中，上、下位機改造是不同步的，在上位機改造過程中，需要借助OPC服務(wù)器與OPC網(wǎng)關(guān)機對現(xiàn)地控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)上下位機數(shù)據(jù)的傳輸，在改造過程中將臨時交換機接入環(huán)網(wǎng)，臨時交換機通過連接OPC網(wǎng)關(guān)機，再連接在OPC服務(wù)器上，OPC服務(wù)器連接主交換機，主交換機上其他上位機設(shè)備以星型連接，每個上位機節(jié)點都同時連著A、B主交換機，實現(xiàn)雙機雙網(wǎng)。

5 NC2000在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

上位機監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計完成以后，實現(xiàn)對機組控制的則是建立在操作員站、主機及歷史服務(wù)器上的系統(tǒng)軟件，電站建設(shè)初期采用的是阿爾斯通ALSPA P320系統(tǒng)，由于是國外操作系統(tǒng)，各種操作、查詢等界面都是英文設(shè)計，因此給運維值守人員造成了一定的困難。改造后采用的系統(tǒng)為NC2000 V3.0系統(tǒng)軟件，該軟件是NARI面向水利水電行業(yè)研制的大型計算機監(jiān)控系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)軟件真正的國產(chǎn)化[5]。NC2000 V3.0是分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)，具有十分強大的系統(tǒng)功能、監(jiān)視功能以及控制功能，在越來越多的水電站開始使用。該軟件的特點是面向?qū)ο笤O(shè)計，比如將發(fā)電機、斷路器等設(shè)備當(dāng)做對象處理，這樣的思路方便進(jìn)行二次開發(fā)與使用。另外該軟件可以在多種不同系統(tǒng)的服務(wù)器上運行，在實現(xiàn)電站監(jiān)視控制的同時也方便運維人員學(xué)習(xí)與維護(hù)。該系統(tǒng)的系統(tǒng)功能有實時數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信及冗余、歷史數(shù)據(jù)庫和生產(chǎn)管理、系統(tǒng)管理、 組態(tài)工具、其他通信軟件、自診斷及自恢復(fù)；監(jiān)視功能有數(shù)據(jù)采集與處理等；控制功能可以實現(xiàn)機組的啟停與調(diào)節(jié)，除此之外該系統(tǒng)還具有強大的畫面編輯、報表系統(tǒng)、智能報警系統(tǒng)等，方便電站值守人員使用。這些功能基本滿足了電站運行的需要，保證了電站的正常運行。下面對該軟件常用的幾個功能進(jìn)行介紹。

用戶設(shè)置管理可以將監(jiān)控用戶劃分5個等級，即超級用戶、值長、運行、培訓(xùn)和監(jiān)視，不同的用戶具有不同的權(quán)限，這樣通過不同權(quán)限的設(shè)置，既可以保證日常生產(chǎn)控制的需要，又可以防止系統(tǒng)被誤動，用戶管理界面如圖1。

圖1 NC2000某電廠監(jiān)控用戶管理畫面

為方便值守監(jiān)視機組的運行，軟件系統(tǒng)提供了以下幾個基本界面：簡報、一覽表等。簡報中記錄了電站運行的最全面的信息，包括所有的操作、自診斷、事故、故障、越復(fù)限、狀變、輔設(shè)啟停表、AGC操作表、流程信息表、保護(hù)信息表、當(dāng)前報警等內(nèi)容，點擊上面每一項菜單就會顯示對應(yīng)的信息條。每條信息都由發(fā)生時間、機器名及操作時間組成，方面運維人員對各個基本設(shè)備狀態(tài)的把握，具體簡報畫面如圖2所示。

圖2 NC2000某電廠監(jiān)控系統(tǒng)簡報畫面

與簡報相對應(yīng)的另外一個主要的界面就是一覽表，如圖3所示，簡報依托于實時數(shù)據(jù)庫，而一覽表則依托于歷史服務(wù)器，與簡報相類似，一覽表中也能看到操作、事故、狀變、越復(fù)限、故障等已經(jīng)發(fā)生事件的記錄條。通過輸入時間段或者名稱等信息，便可以查詢相應(yīng)的事件，為快速準(zhǔn)確的查找出事故發(fā)生的原因提供了信息支撐。依托于歷史服務(wù)器，還可以對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史曲線查詢。另外NC2000還有一個很方便的功能就是制作報表，報表系統(tǒng)通過動態(tài)連接相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，可以根據(jù)電廠的需要做一些日報或者月度分析報表等，給運行人員減少了很多大的工作量。

NC2000 V3.0軟件系統(tǒng)除了方便運行人員日常監(jiān)盤工作以外還方便升級改造。例如軟件中的數(shù)據(jù)庫功能，當(dāng)電站監(jiān)控量發(fā)生調(diào)整時，例如增加或者減少監(jiān)測點，通過更改數(shù)據(jù)庫里面相應(yīng)測點的信息即可完成。軟件中流程控制功能則可以根據(jù)電站需要編寫順控流程，方便操作。另外該軟件還具有強大的圖形編輯功能，通過點擊運行方式，系統(tǒng)進(jìn)入圖形編輯界面，用戶同樣可以根據(jù)監(jiān)測的需要，改變畫面的內(nèi)容。

6 結(jié)論

隨著社會的發(fā)展，抽水蓄能電站在服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)中起著越來越重要的作用，水電廠控制的核心在于監(jiān)控系統(tǒng)，本文主要分析了原有監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，原系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)在抽蓄電站的需要，國產(chǎn)化監(jiān)控上位機系統(tǒng)改造迫在眉睫。改造后的國產(chǎn)化監(jiān)控系統(tǒng)可以很好地實現(xiàn)抽水蓄能電廠的監(jiān)視與控制，使計算機監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了提高，達(dá)到了方便電站運行人員監(jiān)盤和系統(tǒng)維護(hù)升級的目的，既保證了電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也節(jié)省了大量的維護(hù)費用，電站上位機的升級改造獲得了很高的經(jīng)濟(jì)效益與社會價值。