賀意飛
(湖南省水運建設(shè)投資集團有限公司,湖南 長沙410004)
大源渡水電站位于衡山和衡東兩縣交界處的湘江干流上,是由湖南湘江航運建設(shè)開發(fā)公司建設(shè)的國家重點工程,裝機為4臺30 MW的燈泡貫流式機組。1998年12月,首臺機組并網(wǎng)發(fā)電,1999年10月,全部4臺機組投入商業(yè)運行。計算機監(jiān)控系統(tǒng)全部由奧地利ELIN公司提供。2008年,計算機監(jiān)控系統(tǒng)做了局部改造,但由于最初設(shè)計與技術(shù)限制原因,系統(tǒng)還存在一些問題。
機組LCU1~LCU4的CPU機架采用AK1703系列模件,CPU通過以太網(wǎng)與SAT公司的上位機SCALA6.3系統(tǒng)連接。早一代SK系列IO模件配置在AK1703機架中,與CPU協(xié)同工作。同時,CPU通過SIM-BUS總線與AM系列IO模件連接,進行數(shù)據(jù)交互。中壓室I段、II段LCU采用TM1703系列模件,通過以太網(wǎng)與上位機連接。開關(guān)站I段、II段LCU,CPU機架采用AK1703 CPU,僅負(fù)責(zé)與上位機通信。該CPU通過SIM-BUS總線與3套AM系列模件連接,3套AM模件分別獨立負(fù)責(zé)開關(guān)站I段、II段與近區(qū)的IO采集、邏輯運算。設(shè)置獨立的LCU9,實現(xiàn)與全廠LCU通信,再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至LCU10。LCU10負(fù)責(zé)與調(diào)度通信,模擬屏開出和模出的驅(qū)動。
上位機采用冗余配置,互為熱備用,兼做操作員站與歷史數(shù)據(jù)存儲站。安裝操作系統(tǒng)為Windows XP,監(jiān)控軟件為SCALA系統(tǒng)。全廠網(wǎng)絡(luò)為單環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。電站控制層與現(xiàn)地控制單元之間采用國際標(biāo)準(zhǔn)化開放系統(tǒng)規(guī)約IEC61870-4-104協(xié)議。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。
(1)經(jīng)過近20年運行和多次局部改造,現(xiàn)地控制單元雖然實現(xiàn)了以太網(wǎng)通信,但是模件種類繁多,雜合了ELIN公司AM、SK、AK、TM 4代產(chǎn)品。LCU構(gòu)架復(fù)雜,新CPU帶老IO的設(shè)計模式,放大了SIM-BUS總線的瓶頸問題。由此帶來的運行及維護風(fēng)險隨著時間推移不斷提升。
(2)數(shù)據(jù)流設(shè)計繁瑣?,F(xiàn)地數(shù)據(jù)送至調(diào)度,先后需要經(jīng)過LCU采集,經(jīng)由以太環(huán)網(wǎng)發(fā)送至LCU9匯集,轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)LCU10,最終通過LCU10的通信處理模件送出至調(diào)度。全過程有2個104主站、子站進程及1個101子站進程傳遞數(shù)據(jù)。繁瑣的中間環(huán)節(jié)降低了上送數(shù)據(jù)的實時性,同時對于通信中斷后的故障分析造成了諸多潛在問題點。
(3)上位機系統(tǒng)采用Windows操作系統(tǒng),不滿足電力系統(tǒng)二次安防的強制需求。監(jiān)控軟件SCALA為純英文人機界面,對于運行維護人員友好性不足。
(4)環(huán)網(wǎng)架構(gòu)提高了系統(tǒng)的可靠性,但隨著技術(shù)的發(fā)展,雙星型網(wǎng)絡(luò)與雙環(huán)網(wǎng)的普及,全系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)有優(yōu)化提升的空間。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
基于大源渡水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件日益老化,產(chǎn)品類型繁雜,多次局部升級引入的不徹底等種種現(xiàn)狀,利用最新的技術(shù)成果,建設(shè)新一代滿足二次安防標(biāo)準(zhǔn)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)越發(fā)顯得重要。與此同時,為適應(yīng)企業(yè)生產(chǎn)與管理需要,在長沙設(shè)立聯(lián)調(diào)中心,實現(xiàn)對大源渡水電站的遠程監(jiān)視與控制,也是計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造實施中需要增加的重要功能。
采用南瑞集團NC3.0計算機監(jiān)控系統(tǒng),按無人值班原則設(shè)計,選用開放式、分層分布的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),主要分為3層:電站側(cè)兩層,分別為廠站集中監(jiān)控層(即上位機系統(tǒng))和現(xiàn)地監(jiān)控層(即下位機系統(tǒng)),長沙聯(lián)調(diào)中心側(cè)一層,為聯(lián)調(diào)集中監(jiān)控層。3層協(xié)調(diào)完成電站的管理、控制、調(diào)節(jié)等任務(wù)。其中,上位機系統(tǒng)采用按模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計的、具有良好開放性和可移植性的面向大型電廠的NC2000 V3.0監(jiān)控軟件,主要完成全廠數(shù)據(jù)分析/處理/存儲/查詢、控制調(diào)節(jié)、AGC/AVC/EDC高級運算、調(diào)度/梯調(diào)通信、事故指導(dǎo)等功能。
機組LCU統(tǒng)一為AK1703系列PLC,取消原SIM總線,取消AM及SK模件,升級為雙CPU雙網(wǎng)。增加串口通信模件,用于增加與現(xiàn)地觸摸屏、調(diào)速器系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)等的通信數(shù)據(jù)交互。增加獨立水機PLC,實現(xiàn)對重要事故停機信號的監(jiān)控與緊急停機自啟動。水機PLC也同步接入監(jiān)控主網(wǎng),運行人員可以監(jiān)視信號,對異常停機進行事故分析。中壓室LCU沿用TM系列模件,重構(gòu)PLC代碼,實現(xiàn)與新上位機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上下行功能。近區(qū)與開關(guān)站I段LCU合并為LCU5,統(tǒng)一為AK1703系列PLC,升級為雙CPU雙網(wǎng)。開關(guān)站II段LCU設(shè)置為LCU6,統(tǒng)一為AK1703系列PLC,升級為雙CPU雙網(wǎng)。合并原數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)LCU9和調(diào)度通信LCU10功能,設(shè)置新LCU9,實現(xiàn)公用輔助系統(tǒng)設(shè)備控制、400 V備自投控制及模擬屏數(shù)顯的驅(qū)動。調(diào)度通信功能從LCU轉(zhuǎn)移至獨立的2套調(diào)度通信機,實現(xiàn)了冗余功能。
改造完成后的現(xiàn)地監(jiān)控層,各LCU功能清晰,減少了耦合度;取消了內(nèi)部串行總線,數(shù)據(jù)采集和刷新速率提升;全部實現(xiàn)雙網(wǎng),增加了可靠性。
采用基于Linux操作系統(tǒng)的全中文NC3.0應(yīng)用軟件。設(shè)置雙主機,1臺為主用機,負(fù)責(zé)與全廠LCU通過IEC61870-4-104協(xié)議進行通信。另外1臺為熱備用機,隨時可以無擾動切換為主用機。設(shè)置一組獨立冗余歷史存儲節(jié)點,對所有變位信號,模擬量信號、電氣量信號,及運行人員操作動作、系統(tǒng)自診斷信息進行存儲記錄。設(shè)置并列調(diào)度通信服務(wù)器,建立與調(diào)度的雙機雙路數(shù)據(jù)傳輸通道。
全廠設(shè)計1套對時系統(tǒng),同時接收GPS與北斗雙路信號,提供NTP服務(wù)發(fā)布至監(jiān)控雙主網(wǎng),給系統(tǒng)中的所有服務(wù)器和現(xiàn)地控制單元CPU提供對時功能,并提供B碼輸出用于保護系統(tǒng)。
采用基于Linux操作系統(tǒng)的全中文NC3.0應(yīng)用軟件。歷史數(shù)據(jù)存儲使用HP P6550磁盤陣列套件,為后續(xù)多電站、海量數(shù)據(jù)存儲提供有效擴展空間。設(shè)置冗余聯(lián)調(diào)通信服務(wù)器,用于與電站側(cè)服務(wù)器對接,理論通信鏈路配置為4條,其中激活鏈路1條,其余3條為熱備用,把通信中斷導(dǎo)致聯(lián)調(diào)對電站失去控制的風(fēng)險降到最低。
設(shè)置“聯(lián)調(diào)中心、電站”2種權(quán)限模式,只有將“全廠控制權(quán)切至聯(lián)調(diào)中心”時,聯(lián)調(diào)中心才具備對電廠的控制權(quán)。但是否具備對各個LCU的操作權(quán),仍由各LCU操作權(quán)歸屬決定。聯(lián)調(diào)中心與電站之間的通道發(fā)生故障、監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生故障等原因引起遠程聯(lián)調(diào)失效時,全廠控制權(quán)和各LCU操作權(quán)則自動或者手動切換到電站。
按照二次安防技術(shù)指導(dǎo)要求,全面加強系統(tǒng)防護。
(1)用于與PLC通信的主服務(wù)器和調(diào)度通信服務(wù)器均配置了加固操作系統(tǒng)。
(2)采用橫向隔離、縱向加密的原則,電站側(cè)監(jiān)控系統(tǒng)配置防火墻,監(jiān)控系統(tǒng)上送水情水調(diào)數(shù)據(jù)需要穿透防火墻的防護。電站側(cè)與聯(lián)調(diào)側(cè)監(jiān)控系統(tǒng)之間配置冗余縱向加密,傳輸數(shù)據(jù)數(shù)字加密,杜絕了通道上的竊聽與篡改。
(3)服務(wù)器關(guān)閉無用端口,交換機配置接入MAC綁定策略,排除系統(tǒng)內(nèi)部異常入侵。
計算機監(jiān)控系統(tǒng)涉及到全廠設(shè)備,一是技術(shù)風(fēng)險大,如有小疏漏將會造成機組非計劃停運或其他重大意外事故。二是改造過渡過程必須結(jié)合檢修計劃,單套改造時間緊迫,整體改造周期長。改造實施前,經(jīng)過充分調(diào)研,設(shè)計了新老系統(tǒng)并列運行而通信合并的特色過渡方式。
對于改造的LCU,逐步從原監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)中退出運行。因退出運行LCU的交換機作為原環(huán)網(wǎng)中的1個節(jié)點,一旦退出節(jié)點達到2個,將造成原環(huán)網(wǎng)功能的失效。于是設(shè)立替代耦合器,對接環(huán)網(wǎng)雙側(cè)光纖。該方案確保了原系統(tǒng)單網(wǎng)的可靠性無任何降低,同時新雙星型網(wǎng)絡(luò)另外重新建設(shè),互不干擾。
因機組的電氣量數(shù)據(jù)采集接入點及斷路器位置信號在中壓室LCU7,因此當(dāng)單套機組LCU改造完成后,新LCU必須從老系統(tǒng)LCU7讀取數(shù)據(jù),以保障機組數(shù)據(jù)狀態(tài)的完整性。綜合考慮了多種實施可能性后,最終采用如下方案:建立1套橋接CPU作為過渡節(jié)點,該CPU一路網(wǎng)口連接新監(jiān)控系統(tǒng),作為系統(tǒng)中的一個節(jié)點;一路網(wǎng)口連接老監(jiān)控系統(tǒng),也作為系統(tǒng)中的一個節(jié)點。如圖2所示,第一步,橋接CPU作為104主站,獲取老系統(tǒng)LCU7子站上送的數(shù)據(jù)。第二步,橋接CPU內(nèi)部把收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為104子站數(shù)據(jù),送至新監(jiān)控系統(tǒng)MAIN服務(wù)器。第三步,MAIN服務(wù)器利用和機組LCU的已有104通信,用遙控遙調(diào)模式,把數(shù)據(jù)下載至機組LCU。
圖2 老系統(tǒng)向新系統(tǒng)通信
與此同時,新改造的機組LCU信號還需要通過原監(jiān)控系統(tǒng)通道送至調(diào)度。如圖3所示,第一步,MAIN服務(wù)器把調(diào)度需要的數(shù)據(jù),通過與橋接CPU已建立的104通信,采用遙控遙調(diào)方式下載至橋接CPU。第二步,通過橋接CPU與老系統(tǒng)已建立的104通信,采用遙控遙調(diào)方式把數(shù)據(jù)流傳輸至LCU9。此時,分析截取原LCU9中對應(yīng)機組LCU的數(shù)據(jù)編碼地址,把橋接CPU轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)依然寫入原地址中,則完成新系統(tǒng)數(shù)據(jù)替換工作。對于真實與調(diào)度建立通信的LCU10,則感受不到任何配置上的變化,無需修改與調(diào)度關(guān)聯(lián)的參數(shù),真正做到了數(shù)據(jù)平滑過渡。
圖3 新系統(tǒng)向老系統(tǒng)通信
利用以上方式,在實際逐套LCU的改造中,數(shù)據(jù)交互分段進行替代。對于調(diào)度與運行人員,減少了改造帶來的影響。
通過升級改造,大源渡水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性大大提高,但是由于各種原因,目前監(jiān)控系統(tǒng)依然存在幾個問題,要特別引起運行、維護人員的重視。
(1)現(xiàn)有二次安防的設(shè)備,隨著安全防護標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升,不能完全滿足其最高標(biāo)準(zhǔn)。比如,缺少入侵檢測設(shè)備,對于來自系統(tǒng)內(nèi)部的入侵,只能通過封閉端口、網(wǎng)口等物理措施,阻斷入侵,但無法記錄、跟蹤入侵點、入侵行為和入侵時間,進而無法評估和反饋全系統(tǒng)的安全性。缺少日志審計設(shè)備,對分散在全系統(tǒng)中各型號裝置的日志文件,缺乏集中管理與分析。
(2)電站側(cè)集中監(jiān)控層和聯(lián)調(diào)側(cè)集中監(jiān)控層,暫時只考慮了計算機監(jiān)控系統(tǒng)的接入。隨著智能水電廠的技術(shù)進步與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展,水電站使用統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺已經(jīng)初顯趨勢。統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺涵蓋監(jiān)控、水情水調(diào)、振動振擺、狀態(tài)檢測、趨勢分析、工業(yè)視頻、環(huán)動監(jiān)測、安全警告等多專業(yè),連接了之前分散的數(shù)據(jù)孤島,為大數(shù)據(jù)智能分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。把現(xiàn)有的集中監(jiān)控層發(fā)展為統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺是下一步可以考慮的方向。
(3)現(xiàn)地監(jiān)控層LCU數(shù)據(jù)耦合度依然很高。受制于建站初期二次布線的約束,不同LCU之間數(shù)據(jù)交互依然非常復(fù)雜,導(dǎo)致某單套關(guān)鍵LCU停運至少會影響關(guān)聯(lián)LCU的數(shù)據(jù)正常運算。多點對多點的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)流傳輸模型,也給后續(xù)維護和PLC代碼完善增加了難度。
(4)模擬屏驅(qū)動模式陳舊。為適應(yīng)現(xiàn)有模擬屏,此次改造配置了造價高昂的PLC模件,而主流模擬屏早已摒棄傳統(tǒng)二次回路驅(qū)動,改用串口通信驅(qū)動,更優(yōu)秀的產(chǎn)品則采用網(wǎng)絡(luò)通信方式。模擬屏本身也逐步被大屏幕所替代。因建站初期設(shè)計的模擬屏包含手動同期回路,導(dǎo)致其遲遲不能升級換代,成為了限制計算機監(jiān)控系統(tǒng)進一步智能化的一個瓶頸。
大源渡水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造從2016年9月開始實施,至2019年2月全部竣工。從目前運行情況來看,此次升級改造是成功的,改造后的系統(tǒng)采用NARI集團的NC3.0,配合西門子的AK1703系列PLC,兼容性問題得到了較好的解決,同時也為計算機監(jiān)控系統(tǒng)向全面國產(chǎn)化發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。