1、廖坊水电站计算机监控系统改造的实现邓小刚 1 赵勇飞 1 江明 2(1北京中水科水电科技开发有限公司 北京 100038；2江西廖坊水电站 江西 抚州 344000)摘 要：针对廖坊水电站计算机监控系统改造中，新、旧两套不同监控系统的过渡、实施情况，介绍了系统 的设计原则、实施方案、硬件构成、软件设计、运行方式等。探讨了厂站层设备与现地控制单元 PLC 的网络通讯、数据交互、切换方式、SOE 功能的实现等问题。对水电站监控改造中可能出现的问题及解决方案进行了讨论。关键词：水电站；计算机监控系统；改造；通讯；PLC；SOE 0 概 述廖坊水利枢纽工程是江西省重点建设项目，为抚河干流中游河道上控制
2、性大(二)型水利枢纽工程，设计安装 3 台灯泡式贯流机组，单机容量 16.5 兆瓦，总装机容量 49.5 兆瓦。电站三台机组于 2006 年 09 月全部发电投入商业运行。电站建设期间曾选择了国内某知名厂家的计算机监控系统，但为满足电厂稳定运行的要求，电站方于 2007 年招标进行系统改造。新的监控系统采用北京中水科水电科技开发有限公司研发的 H9000 水电站计算机监控系统，在改造过程中实现了两套系统的分步实施、平稳过渡。1 系 统 改 造 原 则廖坊水电站计算机监控系统改造中，由于原系统的硬件设备投运时间较短，本身质量不存在大的问题，因此尽量保留了原有的硬件。为了充分利用了以前的硬件设备投
3、资，经论证采用了如下方案：保留原监控系统全部 PLC 硬件设备和厂站层设备，只改造部分现地控制层硬件设备的方案。系统改造遵循以下设计原则：（1） 计算机监控系统维持原有系统硬件设备基本不变，以最大程度节省改造成本；（2） 采用成熟的、可靠的、标准化的软件、网络结构和汉化操作系统；（3） 各 LCU 以可编程序控制器及触摸显示屏等构成，PLC 直接上网；（4） 监控系统对外通讯应符合国家有关部门的自动化系统安全规范；（5） 人机接口功能强，操作控制简洁、方便、灵活。2 系 统 实 施 方 案水电站计算机监控系统的改造，往往是逐步完成的，尤其改造前后采用两套不同的监控系统，必然存在两套监控系统并存
4、的现象，为实现对全厂设备的监视控制，一般有两种方案可供选择：其一是在改造完成前，运行人员分别在两套系统中分别监视和控制相对应的不同设备，功能逐步转移到新系统中。由于该方式在改造过程中不涉及原监控系统的功能变化，实施过程可以减少交互环节，但在改造完成前存在部分数据在新系统中不能进行监控的问题。其二是在改造过程中，通过通讯方式，原监控系统与新监控系统进行数据交互，运行人员在可两套系统中对全厂所有设备进行监视和控制，由于该方案涉及两套监控系统的复杂交互过程，存在着一定的沟通环节与实施问题。目前两种方案都有应用，相比较而言，第二种方案的折衷方式应用更为广泛：即新的监控系统通过与原系统通讯的方式获取未改
5、造设备的实时数据，只监视未改造设备的状态，而不进行控制，原监控系统保留对未改造设备的监视控制功能。最终完成所有功能的转移。根据现场实际情况，廖坊水电站计算机监控系统改造采用第一种方案，因此在监控系统改造期间，采用新旧两套监控系统同时运行的方案，根据机组的检修计划，系统改造与机组检修时同步进行，逐步接入新系统，最终实现全系统的改造。3 系 统 硬 件 构 成原监控系统设备包括三台 HP 公司的 64 位 SUN BLADE2500 服务器、两台 ICS C4100 系列工控机、GPS 及模拟屏改造完成前 5 套现地控制单元(LCU) 等设备。在计算机监控系统改造中，基本保留了原监控系统包括主机、
6、现地控制单元 LCU、网络设备、GPS、返回屏等在内的全部硬件设备。原监控系统采用集交流采样装置、温度巡检仪、SOE 装置三功能一体的微机综合采集装置，该装置在一个功能出现问题时，会导致整个装置上送数据故障，因此相应增加更为稳定的交流采样装置、温度巡检仪、SOE 装置来进行代替，以提高系统可靠性。4 系 统 软 件 设 计系统体系结构改造方案及设备配置上，为提高系统的实时性及可靠性，系统采用分层分布式系统结构。监控系统分为厂站层、现地控制单元层两层。厂站层按功能分布，配置为两台操作员工作站、一台工程师工作站、两台通讯工作站，各项功能分布在系统的相关节点上，每个节点严格执行指定的任务和通过系统网
7、络与其它节点进行通讯。系统数据采集处理与控制功能上，监控系统采集、管理各类实时数据，接收电站计算机监控系统以外的其它厂内外系统的数据信息，对采集的每种数据进行相应的处理，以支持系统完成控制和记录功能。现地控制层按对象分散设置现地控制单元，包括机组 LCU、公用及升压站 LCU等设备，各单元采集控制功能分布在本 LCU 中。本方案相应加强各层和设备的处理能力，提高各层和整个系统的可靠性，响应速度快， 合理分解与协调整个系统的功能。厂站层节点改造方案及设备配置上，两台操作员站改造后以主/热备方式并行工作，负责所有数据的采集、设备的控制，历史数据的维护、处理及完成所有趋势报告和规定的计算，负责用户客
8、户程序运行；工程师站改造后主要用于系统软件、人机接口应用软件的开发，系统仿真、操作人员的培训及系统管理，也具有操作员工作站的功能，必要时，可对电站设备实现监视和控制；调度通讯工作站改造后主要负责向省调、地调传送数据工作等，并预留同远方控制中心等的接口；厂内通讯工作站主要提供同返回屏、电度表、直流系统、厂内其他系统包括水情、MIS、保护装置等的通讯。现地控制单元改造方案及设备配置上，为提高监控系统可靠性，满足“无人值班”(少人值守)的要求，采用 PLC +触摸屏现地人机交互方式。 PLC 配置冗余的以太网模块，直接与厂站层计算机通讯。各 LCU 配置串行通讯模块，以实现与各自单元的继电保护、温巡
9、装置、交流电气量采集装置、励磁、调速器、各辅机 PLC 等现场设备的通讯。监控系统通讯接口改造方案上，为提高与外部系统通讯的可靠性，与外部系统通讯接口按冗余方式设计，即厂内通讯计算机作为调度通讯工作站的备用，当调度通讯工作站故障时，由厂内通讯计算机完成与外部通讯的功能。系统时钟接口改造方案上，上位机部分操作员工作站通过串口接收 GPS 装置的时钟信号，并在网络上进行广播，实现网络上各个节点计算机的时钟同步。现地各 LCU 的时钟同步由 GPS 装置提供脉冲对时信号。5 网 络 功 能 实 现监控系统改造方案中改变了原网络局部结构，采用按照单元区分的分层分布式链路结构，所有辅助设备和元件与其所在
10、单元的 LCU 直接通信，改变原监控系统中机组辅机 PLC先上以太网再返回现地 LCU 的迂回路由方式。每套现地 LCU 通过自带交换机自成一套独立的现地监视控制单元，经由所在单元 LCU 配置的现地通讯机 UC7410，通过串口采集辅助设备和元件数据(含温度巡检、交流电气量采集、调速器、励磁调节器、直流系统、SOE 装置等)，与该单元的 PLC 直接通讯，通过触摸屏及盘柜指示灯及按钮可现地监视控制该 LCU 设备，同时提升了数据交互的速度和可靠性，现地控制单元对该 LCU 数据的采集不再依赖于整个网络结构的状态，系统层次分明，保证了该现地 LCU 的独立性和安全性，在上位机与下位机网络中断时
11、，现地控制单元可对本单元设备进行独立的完全的监视和控制功能。原监控系统采用上位机配置单网络主机，现地 LCU 为 GE 公司的 9070 系列双机热备PLC 的方式。常规模式中，计算机监控系统采用冗余快速以太网网络结构配置方案，即监控系统的所有节点分别连接至两个相同或不同的网络上，保证网络结构的冗余，以提高系统可靠及安全性。本方案采用将双机热备 PLC 的 IP 地址与上位机配置在同一网段的方式予以实现。在两套 PLC 主动进行主备切换时，上下位机通过标志位判断主 PLC 并与之进行数据的采集和命令的发送。为实现上位机可以主动切换主用 CPU 进行相应处理。针对 GE PLC定义特定数据区，由
12、上位机在发出切换令时将切换标志写入数据区，PLC 程序检测到该标志时完成主备 CPU 切换。6 SOE 功 能 实 现由于原监控系统 LCU 控制器采用 GE 公司的 9070 系列双机热备 PLC 和 IC200 系列 I/O模块，不能配置快速中断开关量采集模块，开入模块不能实现 SOE 功能。为了完成 SOE 并保证分辨率小于 1ms，采用北京中水科水电科技开发有限公司自主研发的 SOE 事件顺序记录装置，该装置特点：以 8 路开关量输入为一块插板(8 个)，使用、维修和更换非常方便；测量分辨率可达 0.5ms，所有通道确保同一时刻采集；事件记录缓存容量达 2000 条；内部时钟精度分辨率
13、达 0.1ms。装置通过串行接口提供通讯功能，监控系统现地通讯机 UC7410通过通讯采集实时 SOE 事件记录，并采用 UDP 方式直接广播，保证数据的实时性。7 系 统 改 造 的 问 题 及 解 决 方 案在水电站监控系统改造过程中容易出现的问题之一是资料的缺失，如前期图纸等往往在现场变更后没有进行更新和记录，导致改造过程中，设备实际情况与图纸不符。其次，上位机部分涉及与众多其它设备进行通讯，包括与各级调度部门、保护系统、MIS 系统、水情系统、GPS 装置、返回屏、电能计费系统等进行数据交互，往往出现规约和点表缺失的情况，必须通过排查测试进行确认，无形中增加了相应的改造时间与难度。这种
14、情况对电厂在管理上提出了相应要求，在日常维护中必须做好资料的记录更新和保存工作。在改造前必须对原监控系统进行充分了解，分析清楚原来可取之处和不足，在改造中保留好的地方，改进不足之处。尤其是一些运行人员喜爱的风格、方式，对电厂一些设备的一些特殊情况，在进行改造实施之前，必须分析清楚，做好准备，做好记录，必须充分了解现场情况，关注细节。改造过程往往还涉及到工期的问题，时间比较紧张，充分的准备措施不可缺少，考虑到可能出现的问题，防患于未然。8 结 束 语廖坊水电站监控系统改造工程于 2007 年 11 月开始实施，至 2008 年 3 月完成了三台机组、开关站、公用 LCU，以及上位机监控、通讯等全
15、部软件的改造工作。目前的稳定运行表明系统改造情况良好。廖坊水电站计算机监控系统改造的成功经验可为其它同类水电站改造提供经验与借鉴。参考文献：1王德宽等，H9000 V3.0 水电站综合自动化系统，2001-2002，中国水力发电年鉴2赵勇飞等，PLC 及变频调速技术在泵站恒压供水中的应用，工业仪表与自动化装置，2004.(4).1783刘晓波等，白山梯级水电厂计算机监控系统升级改造，水力发电技术国际会议论文集(第 1 集)，2006作者简介：邓小刚，男，部门主任，工程师，主要从事水电站计算机监控系统的开发、研制工作。赵勇飞，男，硕士，工程师，主要从事水电站计算机监控系统的开发、研制工作。江 明，男，生技部主任，工程师，从事生产与技术管理工作。
