鄒琦華

（中國(guó)華電集團(tuán)有限公司衢州烏溪江分公司，浙江衢州 324000）

1 引言

OPC（OLE for Process Control），早期的定義是微軟公司的嵌入技術(shù)、對(duì)象鏈接期間的技術(shù)，同時(shí)也是工業(yè)自動(dòng)化軟件面向?qū)ο蟮拈_發(fā)提供的一項(xiàng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。早期的水電站監(jiān)控軟件存在諸多弊端，特別是在開放性、靈活性、可重用性方面比較欠缺?，F(xiàn)今使用的監(jiān)控系統(tǒng)智能化更強(qiáng)，在開放性、靈活性、可重用性方面效果明顯更強(qiáng)。與此同時(shí)，隨著各類智能硬件設(shè)備的不斷更新和豐富，采用一種更加標(biāo)準(zhǔn)、完善的通信協(xié)議非常必要，OPC 協(xié)議是為工廠底層設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和分類而提供一種標(biāo)準(zhǔn)，也是對(duì)控制室數(shù)據(jù)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的一種標(biāo)準(zhǔn)，可以規(guī)避通信設(shè)備限制，使得系統(tǒng)更具有簡(jiǎn)便性。

2 水電站監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造背景

目前，我國(guó)多地的監(jiān)控系統(tǒng)建立時(shí)間較早，使用了較長(zhǎng)時(shí)間，在以前的監(jiān)測(cè)體系中，軟硬件平臺(tái)的可靠性較差，再加上售后服務(wù)落后、不能保證時(shí)效性，導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)的作用受到限制，難以擴(kuò)充，從而導(dǎo)致水電站監(jiān)控系統(tǒng)儲(chǔ)存的各項(xiàng)數(shù)據(jù)在挖掘收集時(shí)容易出現(xiàn)紕漏，同時(shí)也使得多種主要設(shè)備容易發(fā)生故障[1]；一些水電站監(jiān)控供應(yīng)商出現(xiàn)變更時(shí)，運(yùn)行的各項(xiàng)設(shè)備會(huì)處于停產(chǎn)狀態(tài)，導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品不能持續(xù)得到良好的技術(shù)支持和售后服務(wù)，水電站也無法再繼續(xù)更新和維護(hù)系統(tǒng)軟硬件，最終造成水電站的安全系統(tǒng)軟硬件的運(yùn)行受到影響；目前，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已不能適應(yīng)電站越來越高的運(yùn)營(yíng)和管理需求，其中，工程師站、LCU 人機(jī)接口計(jì)算機(jī)、報(bào)警工作站、通信工作站、報(bào)表工作站等多項(xiàng)設(shè)備使用的系統(tǒng)均為Windows XP 系統(tǒng)，安全性相對(duì)較低，而國(guó)家能源局在2016 年頒布的《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)專項(xiàng)監(jiān)管報(bào)告》中便提出了要不斷推進(jìn)電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

3 水電站監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造過程

某水電站位于下游河段。該電站為引水式開發(fā)，引用流量6.0 m/s，設(shè)計(jì)水頭254.30 m，保證功率4.33 MW，年發(fā)電量6.603 7×107kW·h，年利用小時(shí)數(shù)為5 241 h。

3.1 水電站監(jiān)控系統(tǒng)改造前期策劃

3.1.1 水電站監(jiān)控系統(tǒng)控制軟件

華能睿渥HNICS-H316 控制軟件為我國(guó)抽水蓄能電站應(yīng)用較為廣泛、技術(shù)較為成熟的國(guó)產(chǎn)化軟件類型。

3.1.2 監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元PLC

該水電站監(jiān)控系統(tǒng)中地控制單元PLC 為我國(guó)在抽水蓄能電站中應(yīng)用較為廣泛、技術(shù)較為成熟的國(guó)產(chǎn)PLC，該P(yáng)LC 監(jiān)控系統(tǒng)通過雙CPU 熱備冗余方案，實(shí)現(xiàn)了CPU 冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余，符合中大型電站對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的根本要求，能夠有效解決控制柜空間問題和降低系統(tǒng)成本。

3.1.3 監(jiān)控功能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

水電站監(jiān)控系統(tǒng)的組成部分主要包括：電站控制級(jí)、獨(dú)立光纖硬布線緊急操作裝置、現(xiàn)地控制單元級(jí)等。（1）電站控制級(jí)的設(shè)計(jì)方法為高度冗余，采取雙主計(jì)算機(jī)方案，局域網(wǎng)絡(luò)采用快速交換式以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，局域網(wǎng)絡(luò)傳播速度在1 000 Mb/s以上。（2）選擇PLC 和獨(dú)立的光纖作為本組系統(tǒng)的獨(dú)立光纖硬布線緊急操作裝置，確保在水電站遇到緊急事故而需要緊急關(guān)閉或機(jī)組緊急停機(jī)的時(shí)候能夠達(dá)到預(yù)定要求。除此之外，水電站監(jiān)控系統(tǒng)在中心聯(lián)絡(luò)及受其調(diào)度的接口的處理方式上選擇預(yù)留與集中控制類型，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施原則遵循擴(kuò)充性、可靠性、安全性以及簡(jiǎn)便性；電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為傳播速度應(yīng)高于1 000 Mb/s 的冗余光纖快速交換式以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。（3）現(xiàn)地控制單元設(shè)備（LCU）、電站控制級(jí)設(shè)備使用的網(wǎng)絡(luò)均為局域網(wǎng)，根據(jù)實(shí)際情況合理選擇網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，要求與電站環(huán)境相適宜，應(yīng)采用工業(yè)用以太網(wǎng)，傳輸速度≥1 000 Mb/s。冗余網(wǎng)絡(luò)選用備用芯數(shù)在4 芯以上的獨(dú)立光纜，2 根獨(dú)立電纜可現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備連接后，可選擇現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和以太網(wǎng)作為面向監(jiān)控對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，通信方式的選擇范圍為IEC 60870-5-103、Profibus-DP、Worldfip、Genius、FF、Modbus、Device net、IEC 60870-5-101 等，通信選擇一種主要類型，盡量不多于3 種；若無法應(yīng)用數(shù)字通信的設(shè)備，可采用硬布線I/O。另一方面，一些重要的安全運(yùn)行信息、事故信號(hào)、控制命令必須將硬布線I/O 和現(xiàn)場(chǎng)總線通信聯(lián)合應(yīng)用，以此提高通信運(yùn)行的可靠性[2]。

3.2 技術(shù)難題

與常規(guī)的水電站不同，抽水蓄能電站對(duì)通信有更高的要求，在運(yùn)行過程中，抽水蓄能電站靜止變頻器啟動(dòng)和設(shè)備組背對(duì)背啟動(dòng)需要通過各種LCU 可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)信息（PLC）的交流。如此，新舊PLC 之間數(shù)據(jù)交互問題得以解決，這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)水電監(jiān)控系統(tǒng)的成功改造，對(duì)于新老系統(tǒng)過渡運(yùn)行，在操作技術(shù)方面存在的問題是阿爾斯通核心控制器C80-75 PLC 和國(guó)產(chǎn)化監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流通。當(dāng)前，阿爾斯通C80-75 PLC 由通用電氣GE 生產(chǎn)，OPC 服務(wù)器作為新監(jiān)控設(shè)備，運(yùn)行期間讀取和置位C80-75 PLC 各類型寄存器是基于OPC 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議完成，并由此實(shí)現(xiàn)了舊系統(tǒng)LUC 數(shù)據(jù)與新監(jiān)控系統(tǒng)的交互。這種方式提高了通信的可靠性和安全性以及實(shí)時(shí)性，運(yùn)行過程中不需要改動(dòng)舊系統(tǒng)程序便能進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而使現(xiàn)地控制單元的原廠狀態(tài)得到最大程度的保持，除此之外，選擇GE 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)還能夠完成新老系統(tǒng)的無縫通信，優(yōu)勢(shì)眾多。

3.3 實(shí)施主要步驟

3.3.1 位機(jī)系統(tǒng)的改造和升級(jí)

在安裝和調(diào)試完新的監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)及網(wǎng)絡(luò)之后，需要完成以下工作：（1）對(duì)原監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)現(xiàn)地控制元PLC 內(nèi)每一個(gè)變量的寄存器地址進(jìn)行詳細(xì)的梳理，在進(jìn)行新老系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互過程中選擇OPC 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行訪問，重新建立畫面和數(shù)據(jù)庫，通過這種方式控制和監(jiān)視新監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)與老監(jiān)控系統(tǒng)PLC，對(duì)實(shí)時(shí)通信進(jìn)行調(diào)度和實(shí)現(xiàn)。（2）通過放空“上庫”的方式檢修監(jiān)控設(shè)備時(shí)，應(yīng)對(duì)每臺(tái)儀器進(jìn)行新監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)OPC 網(wǎng)關(guān)機(jī)與現(xiàn)地控制單元LCU 與新接入的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和調(diào)試，重點(diǎn)是驗(yàn)證OPC 側(cè)的數(shù)據(jù)讀寫功能、通信冗余切換功能、數(shù)據(jù)刷新速率，在LCU 完全連接測(cè)試完畢后，所有LCU 都與新的監(jiān)測(cè)體系連接，保證了可靠的數(shù)據(jù)傳輸。（3）通信服務(wù)器和OPC 網(wǎng)關(guān)機(jī)之間使用雙鏈路的交叉連接，從而達(dá)到主備用的目的。通信轉(zhuǎn)換為新的監(jiān)控系統(tǒng)，并要保證在改造過程中，電站和調(diào)度室的自動(dòng)服務(wù)一直處于正常狀態(tài)，不得被打斷，保證與調(diào)度的主要信息完整，確保AVC（自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)）、AGC（有功功率自動(dòng)控制系統(tǒng)）的正常連接不中斷，以此最大限度地確保電廠生產(chǎn)的完全性和連續(xù)性。

3.3.2 監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元的升級(jí)改造

進(jìn)行改造前，（1）應(yīng)優(yōu)化原監(jiān)控系統(tǒng)控制邏輯，以此確保原有程序的功能在系統(tǒng)升級(jí)改造之后正常保留，將原有的程序中由于正常情況引起的狀變導(dǎo)致的警報(bào)解除，從而達(dá)到一個(gè)警報(bào)和一個(gè)故障相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)，在減少值守人員工作冗雜性的同時(shí)提高其工作的精確性。（2）采用更加簡(jiǎn)單直接的條件重新編寫舊程序中較為冗余繁雜的邏輯，以此減少占用內(nèi)存，最大限度地提升PLC 處理速度。（3）進(jìn)行改造時(shí)，采用法蘭連接的方式將傳統(tǒng)的控制裝置與環(huán)網(wǎng)相連，避免對(duì)雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)造成影響，將1 號(hào)機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)控制單元單獨(dú)分離出來，以防止在運(yùn)行過程中誤認(rèn)為盤柜的線路和錯(cuò)誤報(bào)警信息。（4）升級(jí)后，LCU 配備了兩個(gè)備用CPU，通過這種方法可以實(shí)時(shí)備份數(shù)據(jù)，并可以直接連接到上位機(jī)主交換機(jī)，與上位機(jī)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。

在改造過程中，新舊下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信問題突出，特別是與多個(gè)LCU 通信的過程中，這種背景下，每一個(gè)LCU 間的數(shù)據(jù)輸送是通過OPC 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議讀取C80-75 PLC 寄存器，然后和新監(jiān)控系統(tǒng)PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向交互，并進(jìn)一步開展新監(jiān)控系統(tǒng)與舊系統(tǒng)LCU 的數(shù)據(jù)交互而達(dá)到目標(biāo)。其他現(xiàn)地LCU 的接入調(diào)試升級(jí)改造方法則按照機(jī)組LCU、附屬用房LCU、公用輔機(jī)LCU、上下庫LCU 的次序進(jìn)行。

3.3.3 現(xiàn)場(chǎng)使用

首先，在進(jìn)行升級(jí)改造的過程中，采用OPC 網(wǎng)關(guān)機(jī)進(jìn)行隔離的方式，實(shí)現(xiàn)了新舊系統(tǒng)上位機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行，避免了新舊系統(tǒng)之間的兼容問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；其次，在升級(jí)改造過渡期間，針對(duì)已完成升級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)控制裝置PLC，采用光纜備用通道構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，與新的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)相連，而尚未更新的現(xiàn)場(chǎng)控制裝置PLC 構(gòu)成的環(huán)網(wǎng)，通過OPC 網(wǎng)關(guān)機(jī)連接新的監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)，二者之間利用OPC 網(wǎng)關(guān)機(jī)交換數(shù)據(jù)，從而完成SFC 抽水啟動(dòng)、設(shè)備組背靠背啟動(dòng)抽水，同時(shí)也保證了整個(gè)改造的順利進(jìn)行，保證了抽水和發(fā)電不受影響。

4 改造后的效果

1）通過系統(tǒng)改造后，原上位機(jī)SUN 主機(jī)設(shè)備停產(chǎn)、技術(shù)支持困難、無備件可更換的問題得到了有效解決；所應(yīng)用的新系統(tǒng)上位機(jī)為主流品牌，系統(tǒng)所用的各項(xiàng)硬件配置冗余，日常所用的各種備件也比舊機(jī)更加充足。

2）原監(jiān)控系統(tǒng)光纖環(huán)網(wǎng)斷網(wǎng)無法自動(dòng)切換問題得到了有效解決。通過對(duì)新監(jiān)控光纖環(huán)網(wǎng)重新進(jìn)行了敷設(shè)，這樣就可以使以太網(wǎng)的帶寬從100 Mbit/s 提高到1 000 Mbit/s。

3）該方案有效地解決了原有系統(tǒng)不能滿足二次安防新需求的問題。升級(jí)后的新系統(tǒng)全面滿足二次安防要求，同時(shí)還配備了安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

4）提高了原有數(shù)據(jù)服務(wù)器的穩(wěn)定度及曲線和報(bào)表的檢索能力，改進(jìn)后新的系統(tǒng)具有更多曲線和報(bào)告的檢索功能，由于新系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量更大，因此，運(yùn)行期間的數(shù)據(jù)能夠更完整、豐富地儲(chǔ)存，更有利于隨時(shí)查詢歷史數(shù)據(jù)。

5）提高了系統(tǒng)調(diào)度通訊鏈接的擴(kuò)展能力。通過對(duì)新型通信網(wǎng)絡(luò)的重新設(shè)計(jì)，可以滿足多通道、多平面的需求[3]。

6）提升了主機(jī)操作系統(tǒng)的安全性。新系統(tǒng)采用Linux 系統(tǒng)。

7）改善了監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面。舊系統(tǒng)全部采用英文，而新的系統(tǒng)則全面支持中文，還能夠按照實(shí)際要求自由定制人機(jī)界面，使界面更加友好。

5 結(jié)語

如今，電力已成為各行各業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施，這就導(dǎo)致了水電站承載的負(fù)荷不斷加重，因此，無論是水電站各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施還是配套的監(jiān)控系統(tǒng)，均需要不斷地改進(jìn)和完善。水電站監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造是我國(guó)水電站系統(tǒng)的一次重要改革，在這一改革中，OPC 協(xié)議引入的一些重要標(biāo)準(zhǔn)具有很強(qiáng)的開放性、靈活性、可重用性，并通過本研究再次得到驗(yàn)證。