談 博，裴海林，趙曉嘉，陳映喜，牛利濤，張 鋼

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054； 2.華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南 大理 675702）

計算機監(jiān)控系統(tǒng)作為水電廠“無人值班、少人值守”的自動控制中樞神經(jīng)，其設備可靠是電廠安全穩(wěn)定運行的保證[1-3]。目前各類型水電廠均配備成熟的監(jiān)控系統(tǒng)，但其核心軟硬件設備主要以進口產(chǎn)品為主[4-5]。國內(nèi)外主流水電監(jiān)控系統(tǒng)制造商為中水科、南瑞水電、國電南自、安德里茲及西門子等。

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧電廠的建設以及中美貿(mào)易摩擦的加劇，電力網(wǎng)絡安全和“卡脖子”斷供風險是當前水電企業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。為保障國家能源領(lǐng)域安全，“華電睿信”“華能睿渥”全國產(chǎn)水電計算機監(jiān)控系統(tǒng)在近期投入商用，初步解決了我國水電行業(yè)控制系統(tǒng)的“卡脖子”問題，堵住了生產(chǎn)運行安全的“后門”[6]。

本文通過收集、調(diào)研和分析某集團各水電廠的計算機監(jiān)控系統(tǒng)配置及運行狀況，發(fā)現(xiàn)控制功能存在的問題，如系統(tǒng)老化后的性能降低、早期產(chǎn)品停產(chǎn)導致缺少備品備件、軟硬件兼容性不足、多產(chǎn)品互聯(lián)互通困難、系統(tǒng)構(gòu)架不滿足新標準等[7-8]。同時，以華能睿渥HNICS-H316全國產(chǎn)水電監(jiān)控系統(tǒng)為例，結(jié)合該系統(tǒng)在某大型、中小型水電站的運行效果，從使用成本、通用性、適用性、控制性能等方面提出優(yōu)化建議，為全面開展水電監(jiān)控系統(tǒng)的國產(chǎn)化改造提供技術(shù)參考。

1 控制系統(tǒng)概況

水電監(jiān)控系統(tǒng)的核心設計原則是“無人值班、少人值守”，功能上滿足調(diào)度自動化的要求，能遠程實現(xiàn)監(jiān)控機組開停機、功率設定、負荷調(diào)整、電氣開關(guān)操作等功能[9-10]。廣義的監(jiān)控系統(tǒng)包含廠站級系統(tǒng)、現(xiàn)地控制單元、輔控系統(tǒng)及關(guān)聯(lián)設備[11]。

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)配置

監(jiān)控系統(tǒng)以核心交換機為樞紐，采用開放的分層分布式結(jié)構(gòu)，現(xiàn)地控制單元接入交換機，廠站級上位機也通過裝設的雙網(wǎng)卡接入交換機，形成上、下位機間信息互通。各輔控系統(tǒng)以通用PLC作為分布式IO，通過Modbus TCP/IP、IEC61850等協(xié)議與現(xiàn)地控制單元進行通信[12-13]。

某集團下屬32家水電公司53個電站，總裝機容量超過2 700萬kW。經(jīng)過調(diào)研得知，該集團監(jiān)控系統(tǒng)集成廠家有11家，分別為南瑞水電、安德里茲、中水科、國電南自等，設備型號達到20余種。集成廠家具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 各水電廠監(jiān)控系統(tǒng)集成廠家統(tǒng)計 Fig.1 Statistics of supervision and control system integration manufacturers for hydropower plants

1.2 輔控系統(tǒng)配置

輔控系統(tǒng)指水電廠輔助設備的油、水、氣系統(tǒng)及閘門等控制單元，具體為油壓裝置控制系統(tǒng)、推力外循環(huán)系統(tǒng)、高頂控制系統(tǒng)、防水淹廠房系統(tǒng)、技術(shù)供水系統(tǒng)、主變冷卻供水系統(tǒng)、頂蓋排水系統(tǒng)、檢修/滲漏/防洪排水系統(tǒng)、壓氣系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、進水口閘門系統(tǒng)、泄洪表孔/中孔/底孔控制系統(tǒng)、水位測量系統(tǒng)、發(fā)電機定轉(zhuǎn)子測溫等[14]。

該集團各水電廠的輔控系統(tǒng)主要使用8家通用PLC，見表1。系統(tǒng)集成廠家超過20家，使用PLC的型號達到30余種。

表1 各水電廠輔控系統(tǒng)PLC情況 Tab.1 Application of auxiliary control system PLC for hydropower plants

1.3 關(guān)聯(lián)設備配置

系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷是實現(xiàn)智能水電站的重要保證，為保證機組運行的可靠性和相對獨立性，該集團各水電站還配置以下智能單元：同期裝置、測速裝置、勵磁系統(tǒng)、電能表、交流采樣裝置、振擺保護/在線監(jiān)測系統(tǒng)及調(diào)速器系統(tǒng)等。這些關(guān)聯(lián)設備為專家遠程設備監(jiān)測、分析、故障診斷及維護決策提供了交互式信息平臺，為運行人員把握設備健康狀況提供了強有力的輔助工具[15]。

2 運行狀況及問題

該集團各水電廠監(jiān)控系統(tǒng)控制項目基本齊全，分布于機組、廠用電及公用系統(tǒng)、輔控、開關(guān)站、壩區(qū)等。隨著投產(chǎn)年限的增加，部分水電廠監(jiān)控系統(tǒng)的控制功能出現(xiàn)一些問題。

2.1 運行年限

監(jiān)控系統(tǒng)運行年限超過10年，設備故障率逐漸升高，存在安全隱患。根據(jù)運行年限，將安全系數(shù)分為正常運行（0～10年）、一般嚴重（10～15年）、比較嚴重（15～20年）及非常嚴重（20年以上）。該集團各水電廠監(jiān)控系統(tǒng)運行年限分布如圖2所示。

圖2 各水電廠監(jiān)控系統(tǒng)運行年限分布 Fig.2 Operation time distribution of the supervision and control system for hydropower plants

由圖2可見，超過20%的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)嚴重老化，控制性能降低。部分水電廠在機組啟停、運 行期間曾出現(xiàn)卡件損壞、通信模塊故障、數(shù)據(jù)丟失、控制器死機、服務器宕機等現(xiàn)象，嚴重影響水電機組安全穩(wěn)定運行。超過10%的輔控PLC已停產(chǎn)，備品備件短缺，面臨急需改造升級的狀況。

2.2 軟硬件問題

由于計算機、通信、自動化技術(shù)的高速發(fā)展，水電企業(yè)進入“無人值班、少人值守”的管理模式。但部分電廠監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件性能無法達到最新技術(shù)要求，主要表現(xiàn)為：

1）網(wǎng)絡安全設備缺少前瞻性以縱向加密認證、橫向隔離、專用防火墻及邏輯隔離為核心的被動防御機制，對已知安全漏洞發(fā)揮了重要的防御作用。然而，信息網(wǎng)絡的各種漏洞和脆弱性嚴重威脅電力網(wǎng)絡的安全運行，需借助安全態(tài)勢感知、安全審計、漏洞挖掘/掃描、入侵檢測及堡壘機等系統(tǒng)，構(gòu)建多層級的主動防御框架。部分水電廠設計時缺乏前瞻性，監(jiān)控系統(tǒng)核心交換機的內(nèi)存容量、預留網(wǎng)口/串口的數(shù)量等無法適應網(wǎng)絡安全設備的更新，上位機房的物理位置也存在不宜擴容的窘境。

2）CPU及I/O模件的性能降低少數(shù)水電廠監(jiān)控系統(tǒng)存在CPU及I/O模件性能降低的問題。當設備重新上電時，只有多次冷態(tài)重啟CPU后，才能正常工作；當機組運行且現(xiàn)地控制柜門打開時，附近對講機帶來的電磁場干擾會引起I/O模件信號突變，造成機組調(diào)節(jié)、保護誤動或拒動；測溫控制柜內(nèi)的RTD模件故障，導致溫度數(shù)值無法正常刷新，只有熱插拔模件后，采集數(shù)據(jù)才能正常上送。

3）硬件配置無法兼容軟件升級、系統(tǒng)擴容的需求隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧電廠等新興信息技術(shù)的 發(fā)展應用，部分水電廠監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置過低，無法兼容軟件升級后的需求。例如：監(jiān)控系統(tǒng)升級軟件時，出現(xiàn)上位機、觸摸屏、現(xiàn)地控制器運行速度慢或卡頓現(xiàn)象；遠動通信裝置頻繁出現(xiàn)宕機，造成上送數(shù)據(jù)中斷故障；輔控系統(tǒng)使用的早期通用PLC，其通信接口極易損壞。

2.3 多產(chǎn)品互聯(lián)互通困難

近年來，各流域水電廠投產(chǎn)時間跨度較長，流域內(nèi)水電廠、集控中心及電網(wǎng)調(diào)度的上位機/遠動通信裝置往往有數(shù)個廠家，控制系統(tǒng)間需增加額外的網(wǎng)關(guān)機，遵循相同的通信規(guī)約，方能確保全流域控制系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

部分水電廠輔控系統(tǒng)使用的PLC種類繁雜，通信規(guī)約各異，增加了運維檢修的成本和難度。個別水電廠采用不安全的單環(huán)形網(wǎng)絡聯(lián)接至核心交換機，影響監(jiān)控系統(tǒng)分層分布的安全網(wǎng)絡布局，不滿足《700 MW及以上機組水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件》（DL/T 1626—2016）的要求[7]。

2.4 系統(tǒng)構(gòu)架不適應最新標準

老、舊、小水電廠的計算機監(jiān)控系統(tǒng)不滿足反措及標準規(guī)范要求[7-8]。例如：監(jiān)測機組運行的溫度、振擺等重要參數(shù)未送至監(jiān)控系統(tǒng)；水機后備保護系統(tǒng)的輸入信號、供電電源不獨立于機組現(xiàn)地控制單元；監(jiān)控上位機系統(tǒng)與開關(guān)站GIS保護柜、涉網(wǎng)設備等共用一套UPS電源。

部分水電廠I/O測點的布置缺少預見性，將備用通道留在最后模件。當個別I/O通道發(fā)生異常故障時，由于線纜長度受限，無法接入備用通道，只能通過更換整個模件來解決，增加了監(jiān)控系統(tǒng)的維護成本和難度。

3 國產(chǎn)化系統(tǒng)的實施及研究

3.1 國產(chǎn)化系統(tǒng)配置

本文以華能睿渥HNICS-H316控制平臺為例，對水電機組計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行說明。國內(nèi)首套700 MW水電機組全國產(chǎn)計算機監(jiān)控系統(tǒng)在云南某大型水電廠投運，中小型水電全國產(chǎn)計算機監(jiān)控系統(tǒng)在云南某中小型水電廠改造完成，下位機均采用華能睿渥FCP100型PLC搭建。大型、中小型全國產(chǎn)水電機組計算機監(jiān)控系統(tǒng)配置見表2。由表2可見：集成平臺、上位機操作系統(tǒng)、核心交換機與時鐘同步系統(tǒng)等配套不同國產(chǎn)廠商設備，大型水電機組監(jiān)控系統(tǒng)的AGC/AVC使用下位機控制機架。通過2個水電廠實際運行狀況，檢驗全國產(chǎn)水電機組監(jiān)控系統(tǒng)的性能，為后續(xù)水電機組監(jiān)控系統(tǒng)的改造提供經(jīng)驗。

表2 全國產(chǎn)水電機組計算機監(jiān)控系統(tǒng)配置 Tab.2 Configuration of domestic supervision and control system for hydropower plants

3.2 網(wǎng)絡架構(gòu)

以大型水電機組全國產(chǎn)計算機監(jiān)控系統(tǒng)為例，其整體網(wǎng)絡架構(gòu)是雙環(huán)形+雙星形混合網(wǎng)絡架構(gòu)，分為廠站控制層、現(xiàn)地控制單元及網(wǎng)絡安全系統(tǒng)，如圖3所示。由圖3可見，廠站控制層由集控通信服務器、省調(diào)/網(wǎng)調(diào)通信服務器、SCADA服務器、歷史服務器、操作員站、工程師站、ONCALL工作站、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務器、AGC/AVC裝置、核心交換機與同步時鐘系統(tǒng)等組成。現(xiàn)地控制單元分為機組LCU、測溫LCU、輔控系統(tǒng)LCU、開關(guān)站LCU、公用LCU、壩區(qū)LCU及廠用電LCU。其中，機組LCU包含主控PLC、水機后備保護PLC、輔控直送PLC與進水口閘門遠程I/O柜。網(wǎng)絡安全系統(tǒng)的主要設備為縱向加密裝置、橫向隔離裝置、工控漏洞掃描平臺、日志安全審計、堡壘機、態(tài)勢感知和安全防護管理網(wǎng)等。其中，安全防護管理網(wǎng)包含安防交換機、防病毒系統(tǒng)、入侵檢測、工控安全審計、數(shù)據(jù)庫安全審計、網(wǎng)絡威脅感知及安全管理平臺。

圖3 大型水電廠國產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu) Fig.3 Network architecture of domestic supervision and control system for large hydropower plants

4 國產(chǎn)化系統(tǒng)的難點及建議

4.1 系統(tǒng)遷移方案

在充分考慮新、老監(jiān)控系統(tǒng)部分設備并行運行的基礎上，確保國產(chǎn)化改造期間水電廠的安全、平 穩(wěn)過渡，制定“安全、可靠、實用”的遷移方案。提前研發(fā)與集控中心遠動裝置間的網(wǎng)關(guān)機及通信規(guī)約，與調(diào)度、集控的通信符合電力網(wǎng)絡安全的要求。大型水電廠監(jiān)控系統(tǒng)遷移方案如圖4所示。

圖4 大型水電廠監(jiān)控系統(tǒng)遷移方案 Fig.4 Migrated scheme of supervision and control system for large hydropower plants

上位機遷移方案的具體步驟為：

1）以改造網(wǎng)關(guān)機為中介，通過IEC104規(guī)約完成新、老監(jiān)控系統(tǒng)通信機、SCADA服務器的數(shù)據(jù)交互。

2）將老系統(tǒng)集控通信機2作為新系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)機使用，老系統(tǒng)集控通信機1通過原電網(wǎng)、電信通道與集控中心進行IEC104通信，集控通信機2通過局域網(wǎng)通道與改造網(wǎng)關(guān)機進行IEC104通信。

3）增設2臺交換機和網(wǎng)關(guān)機形成雙機雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在老系統(tǒng)集控服務器端口配置與新系統(tǒng)通信的相關(guān)參數(shù)。

4）網(wǎng)關(guān)機與新系統(tǒng)SCADA服務器、集控/網(wǎng)調(diào)/省調(diào)通信服務器均按照IEC104通信規(guī)約進行配置，與AGC/AVC裝置采用Modbus協(xié)議聯(lián)接。

5）信號接入與調(diào)試，完成遷移工作。

4.2 改造實施難點

監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化改造是技術(shù)全面升級的機會，解決了多項生產(chǎn)運維、技術(shù)監(jiān)督、網(wǎng)絡安全等方面的遺留問題，降低了因設備故障引起非停的風險，提高了設備運行的安全系數(shù)和經(jīng)濟效益。

1）依據(jù)水電行業(yè)的標準、規(guī)范及習慣，優(yōu)化上下位機系統(tǒng)的組態(tài)、畫面、數(shù)據(jù)庫、功能及人機界面等內(nèi)容。代表項目包括：圖形編輯軟件增加適于水電設備的基本圖形；解決數(shù)據(jù)庫組態(tài)完成發(fā)布而引起SCADA服務器運行中斷的故障；優(yōu)化四遙一覽表的列舉及時間篩選功能；組態(tài)軟件增加多個適配水電控制的邏輯塊（如變脈寬輸出塊、多路選擇模塊等）。

2）利用國產(chǎn)化改造的契機，解決日常技術(shù)監(jiān)督遺留問題[8]。例如：高溫保護項內(nèi)，所有溫度點進行溫升速率及元件品質(zhì)判斷，提高保護的可靠性；排查水機保護邏輯的單點問題，增加獨立的輸入信號進行冗余判斷，降低保護誤動、拒動的風險；檢查上位機、控制器、網(wǎng)絡、電源、水機后備保護及I/O點分布等系統(tǒng)配置，達到安全、可靠、易維護的要求；核實監(jiān)控系統(tǒng)為單點接地，確保機柜及電纜屏蔽層通過等電位網(wǎng)可靠接地。

3）合理設置組態(tài)邏輯的掃描周期，避免功率調(diào)節(jié)的最小脈寬受到限制。研究機組處于各段水頭的運行工況，判斷功率調(diào)節(jié)的性能是否滿足精度和速率的需求。當存在較大偏差時，將功率調(diào)節(jié)的組態(tài)放置在更小的掃描周期邏輯頁內(nèi)，同時兼顧CPU的負載率，不超過額定負載率的70%。

4）下位機組態(tài)配置新增全局變量后，觸摸屏無法顯示測點正確狀態(tài)；上位機無法反應50 ms以下SOE信號的時序。這主要是由于觸摸屏、上位機與下位機之間Modbus協(xié)議不匹配，原通信地址全部錯亂。重新校對Modbus協(xié)議后，解決了此問題。

4.3 與現(xiàn)役成熟系統(tǒng)比較

當前，安德里茨、ABB、南瑞水電和中水科等國內(nèi)外廠家擁有成熟的水電監(jiān)控系統(tǒng)，已在各類型水電廠大規(guī)模應用。全國產(chǎn)華能睿渥HNICS-H316系統(tǒng)與現(xiàn)役成熟系統(tǒng)進行對比，其性能參數(shù)見表3。

表3 全國產(chǎn)水電機組計算機監(jiān)控系統(tǒng)配置 Tab.3 Configuration of totally-domestic supervision and control system for hydropower plants

全國產(chǎn)華能睿渥HNICS-H316監(jiān)控系統(tǒng)的多項技術(shù)指標超過國內(nèi)外同類產(chǎn)品，能夠滿足水電廠運行要求。該監(jiān)控平臺的操作系統(tǒng)、SCADA軟件、數(shù)據(jù)庫等核心軟件均使用國產(chǎn)軟件，核心芯片全部國產(chǎn)，首次實現(xiàn)軟硬件100%國產(chǎn)化，解決了核心芯片斷供風險，堵住了信息安全的“后門”。

華能睿渥HNICS-H316是在華能睿渥HNICST316（火電版）的基礎上，結(jié)合水電機組的特性及現(xiàn)場需求改造而成，已在某大型、中小型水電廠運行一段時間，整體控制效果良好。但是與成熟監(jiān)控系統(tǒng)比較，在使用成本、通用性、適用性、控制性能等方面仍有不足，存在進一步優(yōu)化空間。

4.4 研發(fā)方向建議

通過與成熟監(jiān)控系統(tǒng)比較，明確了華能睿渥HNICS-H316系統(tǒng)的優(yōu)缺點，為進一步完善優(yōu)化全國產(chǎn)華能睿渥HNICS-H316系統(tǒng)，提出以下研究方向：

1）PLC型號多樣化華能睿渥HNICS-H316水電監(jiān)控系統(tǒng)僅有FCP100型的高性能PLC，對于功能簡單的輔控系統(tǒng)，其使用成本過高。因此，可開發(fā)功能簡單的國產(chǎn)小型PLC，以適應水電廠分層式監(jiān)控的特點，也是降低使用成本的關(guān)鍵。

2）單對LCU、全廠的數(shù)據(jù)變量總數(shù)擴容對于全廠制的水電監(jiān)控系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)變量總數(shù)的受限將直接約束機組遠程I/O柜的拓展。以某大型水電廠監(jiān)控系統(tǒng)為例，國產(chǎn)系統(tǒng)單臺機組PLC的數(shù)量為10個，比原系統(tǒng)多1倍。擴充監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變量總數(shù)，可提高國產(chǎn)水電監(jiān)控系統(tǒng)的性價比。

3）國產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的通用性該系統(tǒng)支持IEC104通信規(guī)約、IEC61850、Modbus協(xié)議，但是各水電廠的部分輔控PLC、閘門編碼器等系統(tǒng)僅支持其他通用或私有規(guī)約，部分地調(diào)管轄的水電廠使用IEC101通信規(guī)約，因而提前研發(fā)適配更多協(xié)議的通信模塊，是增強國產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)通用性的途徑。

4）數(shù)據(jù)庫的同步問題 國產(chǎn)水電監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)操作時，必須分別修改上、下位機內(nèi)的數(shù)據(jù)庫信息，然后手動依次發(fā)布。今后，可優(yōu)化數(shù)據(jù)庫更新后選擇節(jié)點發(fā)布和一鍵發(fā)布功能，完善數(shù)據(jù)庫更新的智能化操作。

5 結(jié) 語

本文以某集團水電監(jiān)控系統(tǒng)的配置及運行狀況為調(diào)研對象，重點關(guān)注監(jiān)控系統(tǒng)老化后的性能、備品備件、軟硬件配置、多產(chǎn)品互聯(lián)互通及整體構(gòu)架等方面問題，掌握了各水電廠監(jiān)控系統(tǒng)、輔控系統(tǒng)及關(guān)聯(lián)設備的實際運行情況及存在的共性問題。以華能睿渥HNICS-H316全國產(chǎn)水電監(jiān)控系統(tǒng)為例，結(jié)合其在某大型、中小型水電站試運的良好效果，從其使用成本、通用性和控制性能等方面提出優(yōu)化建議，為全國產(chǎn)水電監(jiān)控系統(tǒng)的進一步發(fā)展提供參考。