瀑布沟水电站计算机监控系统的网络设计与实现

文正国，杨春霞，余 静，迟海龙

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

瀑布沟水电站计算机监控系统的网络设计与实现

文正国，杨春霞，余 静，迟海龙

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

瀑布沟水电站计算机监控系统采用了北京中水科水电科技开发有限公司的新一代H 9000V 4.0水电站计算机监控系统。介绍瀑布沟水电站计算机监控系统厂站层和现地层网络的结构、配置以及安全防护的设计与实现等。

H 9000计算机监控系统；快速以太网；安全防护；网络对时

0 引言

瀑布沟水电站位于大渡河中游，地处四川省西部汉源和甘洛两县交界处，距成都市直线距离约200km，距重庆市直线距离约360km，靠近负荷中心，是大渡河流域规划19级电站中装机容量最大的电站。该电站以发电为主，兼顾拦沙、防洪等综合利用效益。电站装设6台600MW的混流式水轮发电机组，电站利用小时数为4420h，在系统中担负调峰、调频及事故备用，枯水期担负峰腰荷，丰水期主要担负基荷和部分腰荷，是四川电力系统中的骨干电站之一。

1 网络设计

1.1 网络需求

瀑布沟水电站采用了H9000V4.0计算机监控系统，分为厂站层和现地层两个部分，厂站层包含2台数据服务器、2台应用服务器、3台操作员站、2台调度通信工作站、4台通信网关机、1台厂内通信服务器、4台站控级交换机以及打印机等主机和网络设备，主要位于地面副厂房中控室和计算机室内。现地层包含13个LCU，分别位于地下厂房、地面副厂房、开关站、进水口、大坝和尼日河首部等部位，分布相当分散，有的LCU距离长达13km。系统对外需要与深溪沟水电站、大渡河流域成都集控中心、四川省调、华中网调等进行通信，对内需要与主设备运行状态分析系统、通风空调控制系统、微机五防装置、消防监控系统、工业电视系统、能量采集计费系统、水情自动测报系统、电站MIS系统等进行通信。

瀑布沟水电站计算机监控系统按照“无人值班”(少人值守)的原则设计，其网络必须根据电站的具体情况和监控系统的实际需求进行设计，主要有以下几点：

（1）网络应满足监控系统数据采集、设备控制的需要；

（2）网络应满足监控系统设备包括主机、PLC等的时钟同步需要；

（3）网络设备应具有很高的可靠性，满足无人值班的需要；

（4）网络通信链路应具有冗余性，局部的设备故障不应影响监控系统和现场设备的正常运行；

（5）网络所连接的设备位置分散，距离远，应根据实际情况采用不同的通讯介质；

（6）网络实时性好、抗干扰能力强，适应电站的现场环境；

（7）系统应对通信设备、通道、状态进行监视和报警；

（8）系统应满足电力二次系统安全防护的要求。

1.2 技术方案

（1）主干网采用完全冗余的2个星型以太网，任何单个网络设备或通道发生故障不会影响系统的正常运行；

（2）主干网主要采用光纤作为传输介质，传输速率1000Mbps；

（3）两个网络的光纤采用不同的光缆，敷设在不同的通道内；每条光纤传输通道均留有备用的光纤；

（4）主干网交换机采用Hischmann公司的工业级快速以太网交换机MACH4000系列，可靠性非常高，可扩展性强；其它节点交换机也均采用Hischmann公司的工业级以太网交换机；交换机支持基于端口的VLAN（虚拟局域网）划分，支持SNMP V3网络管理功能；

（5）所有交换机均采用双24V电源供电；

（6）各节点计算机或LCU均采用双网卡接入监控系统网络；

（7）各节点计算机均使用光口或RJ45电口直接连到交换机上，不采用光纤收发器或光端机作介质转换设备；

（8）光纤根据距离决定采用单模或多模光纤；

（9）系统内的重要主机包括调度远动通信工作站、通信网关机、数据服务器、厂内通信数据服务器等均采用安全加固的操作系统；系统采用硬件防火墙用于计算机监控系统与安全II区之间的逻辑隔离，采用正/反向安全隔离装置用于生产控制大区与管理信息大区（安全III区）之间的安全隔离，采用电力纵向加密认证装置用于计算机监控系统与大渡河流域成都集控中心和深溪沟电站的通信通道；

（10） H9000系统软件具备双网自动检测、报警、切换功能，确保通讯正常；广播数据同时在双网上进行传输，确保数据完整不丢失；

（11） 由于所有计算机、PLC和网络设备均支持NTP网络对时协议 (主机、网络设备和PLC的CPU)或更高精度的PTP网络对时协议(PLC的SOE机箱)，整个系统的时钟同步决定采用基于网络的对时协议。

2 网络结构

瀑布沟水电站计算机监控系统分为2个部分，即按控制对象设置的由LCU构成的现地控制层和由负责数据采集处理、监视、报警、控制、通信和管理任务的计算机设备组成的厂站层，相应的其网络也分为LCU现地网和主干网两部分。

2.1 主干网

针对瀑布沟水电站计算机监控系统对网络的要求，主干网采用按IEEE802.3设计的分层星型结构的快速交换式以太网，局域网通信规约TCP/IP，网络介质主要采用光纤，传输速率1000Mbps，交换机采用与网络相同速率的三层以太网交换机。4台快速交换式以太网交换机组成核心网络设备，其中1、2号交换机构成冗余配置，布置在地下副厂房，3、4号交换机构成冗余配置，布置在地面副厂房，1号交换机与3号交换机之间，以及2号交换机与4号交换机之间通过1000Mbps单模光口连成双网，双网的两根光缆敷设在不同的通道内。

每套现地LCU均配备了2台现地以太网交换机，分别通过光纤接入主干网核心交换机，其中地下厂房和地下副厂房的8套现地控制单元（1～8LCU）均通过多模光纤与地下副厂房内的1、2号核心交换机相连接，地面副厂房、大坝和进水口的4套现地控制单元（9～12LCU）通过多模光口与地面副厂房内的3、4交换机相连。由于尼日河首部闸门现地控制单元（13LCU）距离厂房13km，因此采用单模光纤与地面核心交换机相连接。布置在中控室和计算机室的主机设备通过RJ45电口与3、4号核心交换机进行连接。

用于与华中网调、四川省调进行通信的调度通信工作站，均配备4个网口，其中2个用于连接监控系统，2个用于对外通信。通过冗余通信通道进行通信，以电力调度数据专网为主通道，常规远动专用通道（即点对点方式）为备用通道。主通道采用DL/T634.5104-2002(IEC60870-5-104)协议，传输速率2Mbps，配置电力纵向加密认证装置；备用通道采用DL/T 634.5101-2002(IEC60870-5-101)或SC1801协议，传输速率1200bps。

用于与大渡河流域成都集控中心进行通信的通讯网关机，均配备4个网口，其中2个用于连接监控系统，2个用于对外通信。采用冗余光纤通信通道，主通道采用100Mbps以太网接口，备用通道采用10Mbps以太网接口，另外还提供一个IEC60870-5-101点对点专用为备用通道。

用于与深溪沟水电站进行通信的通讯网关机，均配备4个网口，其中2个用于连接监控系统，2个用于对外通信。采用冗余单模光纤通信通道，配置电力纵向加密认证装置。

厂内通信数据服务器也配备4个网口，通过交换机与厂内其它系统进行数据通信，并采用硬件防火墙和正/反向安全隔离装置进行网络防护。

瀑布沟水电站计算机监控系统网络结构图如图1所示。

图1 监控系统网络结构图

2.2 现地控制网

瀑布沟水电站计算机监控系统现地控制网络有两种形式：现地总线网络和现地以太网络。现地总线网络不仅是LCU中控制器和远程I/O之间的连接介质，而且也是监控系统LCU与电厂其他辅机系统的通讯网络。现地以太网既是厂站层和现地控制层数据交换的主要通讯介质，还是现地LCU之间交换数据及实现SOE模块以太网对时的途径。图2为一个典型的LCU结构示意图。

图2 LCU的典型结构

（1）现地总线网络

瀑布沟水电站计算机监控系统LCU为美国罗克韦尔公司生产的ControlLogix系列PLC，采用ControlNet总线。LCU的典型结构是控制器+远程IO的结构。控制器和远程IO之间采用Controlnet总线相连。对于短距离的远程子站，直接用RG6电缆相连。对于长距离的远程子站，中间采用光纤连接，避免感应雷的干扰，提高可靠性。图2中CNET-A和CNET-B即为控制器与远程RIO之间的ControlNet总线。为提高可靠性，采用了双冗余总线。瀑布沟电站辅机系统均采用美国罗克韦尔公司生产的ControlLogix系列PLC，为监控系统与辅机系统直接采用ControlNet总线相连提供了可能。图2中CNET-C和CNET-D即为监控系统LCU与辅机系统之间的ControlNet总线。采用现场总线相连的方式节省了大量电缆，减少了施工时间和日常维护工作量。

（2）现地以太网络

现地以太网由交换机和双绞线搭建而成。它是厂站层和现地控制层数据交换的主要通道，所以采用了双冗余的以太网络形式。同时现地以太网负责LCU之间数据的横向传递。图2中虚线所示即为现地以太网。图2中以太网A还是对时网络物理通道的提供者。

a）数据交换网

在瀑布沟水电站计算机监控系统中数据服务器通过控制网读取LCU中数据，采用基于以太网的CIP协议。瀑布沟电站LCU使用的每个以太网模块最多可以支持64个连接，每次请求的最大数据量为512byte。H9000系统采用多通道并行的通讯模式。同时，对各种数据类型划分优先级，实时性要求高的开关量、模拟量、SOE量优先级高，而温度量、脉冲量等实时要求不太高的数据类型优先级较低，从而确保高优先级的数据类型在较短时间内采集。

计算机监控系统LCU之间数据交换可以通过现地以太网用MESSAGE指令的方式很容易地进行。计算机监控系统LCU中还设计有智能通讯控制器，负责将采集的串口数据转换成以太网数据传递到控制器中，和别的数据一起通过PLC的以太网卡传递到主干网，这样在现地大量的数据已经转换成以太网数据，减少了主干网上和外围系统的交换数据量。

b）现地对时网

瀑布沟水电站配置了一套冗余高精度GPS时钟同步系统，实现整个电站所有自动装置（包括计算机监控系统）的时钟同步。对于厂站层设备和现地PLC的CPU机箱，时钟同步系统通过以太网接口接入监控系统网络，提供NTP网络对时服务，精度可达10ms。对于现地PLC的SOE模块，由于需要PTP网络对时协议进行对时，因此设置一套专门负责全厂SOE模块对时的机箱，将时钟同步系统提供的IRIG-B交流B码信号转换成PTP网络对时信号接入监控系统网络。在每个SOE远程机箱上都配有一块以太网模块EN2T接入网络，通过PTP协议进行对时，对时精度可以达到500ns。现地控制层对时网络如图3所示。

图3 现地LCU对时网络示意图

3 系统特点

（1）硬件高度冗余：系统配置的网络设备、网络通道、主机、PLC等硬件设备广泛采用分布处理技术和多层次的冗余措施，并均采用双电源供电，大大提高了可靠性；

（2）完善的监测报警功能：系统具备完善的硬件、软件自诊断与自恢复功能，可随时对网络通道、主机网络状态、数据采集状态、现地PLC网络的模块状态、通信链路状态等进行检测，所有信息都有上位机报警及显示；当系统发现正在使用的网络通道发生故障时可快速、自动地切换到另一条冗余的通道上；

（3）方便的网络管理：系统配备了一套可视化的网络管理软件，实现统一的基于SNMP的网络管理，管理所有重要的支持SNMP的网络交换机，可自动形成网络的拓扑结构，配置交换机端口，划分VLAN；

（4）简单、精确的对时网络：无论是厂站层的计算机主机，还是现地控制层设备的CPU机箱、SOE机箱，所有需要对时的设备均直接接入以太网，通过NTP协议或PTP协议进行对时，对时精度高，网络结构简单便于维护。

4 结语

随着水电厂自动化水平和设备安全运行要求的不断提高，计算机监控系统在电厂生产管理中越来越重要，计算机监控系统网络的安全性和可靠性与电厂的安全生产紧密相关，对于瀑布沟之类的巨型电站尤为重要。一个设计完善、配置先进、安全可靠的网络，是瀑布沟水电站顺利投产发电，最终实现“无人值班”(少人值守)可靠运行的基础和保障。

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[2]张毅，王德宽，王桂平，等.面向巨型机组特大型电站的新一代水电厂监控系统的研制开发[J].水电自动化与大坝监测，2008，32（1）.1-6.

[3]刘晓波.水电厂计算机监控系统发展趋势探讨[C]，2007年中国国际发电技术会议论文集，《绿色电力-二十一世纪中国发电新趋势》.2007年5月第一版.中国电力出版社，627-632.

TP393.02

B

1672-5387（2010）03-0018-04

2010-04-28

文正国(1975-)，男，硕士，毕业于北京邮电大学，从事水电站计算机监控系统技术的研究与开发，重点领域为监控系统总体设计与实现、实时数据库、数据处理等方面。（E-mail：jkwenzg@iwhr.com）