亭子口水电站计算机监控系统设计及设备配置

凌洪政

（嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川 苍溪 628400）

1 工程概况

亭子口水利枢纽位于四川省广元市苍溪县境内，是嘉陵江干流开发中唯一的控制性工程，是以防洪、发电及城乡供水、灌溉为主，兼顾航运以及拦沙减淤等其他综合利用工程。电站共安装4台单机额定容量为275 MW的水轮发电机组，电站总装机1100 MW。

发电机-变压器采用单元接线，两组发电机-变压器单元接线组成一组联合单元，主变压器高压侧仅设隔离开关；500 kV高压侧初期采用三角形接线（终期采用四角形接线），1回500 kV电压等级出线。

亭子口水电站计算机监控系统监控范围广，监控对象不仅包括亭子口水电站的水轮发电机组及辅助设备、主变压器、500 kV开关站、电站公用设备等电站主辅设备，同时还涵盖电站进水口、泄洪闸门及排水泵房等机电设备。

计算机监控系统与四川省电力系统调度中心通过以太网口和RS232串口的接口方式通信、采用IEC 60870-5-104和IEC 60870-5-101通讯协议，将相关信息送至调度中心，接受调度中心下达的控制调节和调度命令。

2 总体设计原则

考虑到亭子口水电站在系统中所处的地位及电站厂房型式特点，为保证电站安全可靠、经济运行，提高电站运行和管理的自动化水平，电站计算机监控系统的设计遵循以下原则:

（1）电站按初期少人值班、远期无人值班 （少人值守）、机旁正常无人值班的原则进行设计。

（2）整个系统采用全计算机监控结构。中控室取消常规的集中控制设备，采用计算机作为唯一的监控设备；除水机后备保护外，现地控制单元取消常规布线逻辑回路，由具有冗余设计的计算机设备执行监控。

（3）计算机监控系统具有可靠、完善的监控功能，良好的开放性，以确保系统可扩展性和移植性。

（4）计算机监控系统具有容错功能，主要控制设备采用冗余配置。

（5）计算机监控系统采用分层分布式结构，保证系统中任何局部设备的故障均不影响监控系统总体功能的实现。

（6）尽可能采用现场总线及远程I/O单元。监控系统中的现地控制单元和各就地设备能独立工作。

3 系统结构及配置

亭子口水电站计算机监控系统采用分层分布式结构。整个系统分厂站级和现地控制单元级两层。监控系统结构见图1。

图1 亭子口水电站计算机监控系统结构示意

厂站级设备主要包括2台套实时信息管理服务器、2台套历史信息管理服务器、1套历史数据备份服务器、2台操作员工作站、1台泄洪闸集控操作员站、1台培训仿真工作站、1台工程师工作站、2台套调度通信服务器、1台套电话语音报警工作站、2台套厂内通信服务器、1台套WEB数据服务器、1台套WEB发布服务器、1套模拟屏、冗余时钟同步装置、1台套外设服务器及外设 （打印、存储设备等）等。

现地控制级按电站设备分布设置，整个电站设置4套机组现地控制单元 （LCU1～LCU4）、1套公用现地控制单元 （LCU5）、1套开关站现地控制单元（LCU6）和1套大坝现地控制单元 （LCU7）。

各机组现地控制单元均由3块本地柜、1块机组测温单元柜、1块机组远程I/O柜组成；公用LCU5由1块本地柜和1块空压机及排水系统远程I/O柜、2块机组直流系统远程I/O柜、2块电站10 kV厂用电远程I/O柜、4块400 V厂用电远程I/O柜组成；开关站LCU6由2块本地柜、1块550 kV GIS远程I/O柜、1块开关站直流系统远程I/O柜组成；大坝LCU7由1块本地柜、2块大坝10 kV/400 V厂用电远程I/O柜组成。

计算机监控系统网络采用冗余工业以太网结构，采用TCP/IP协议，遵循IEEE802.3标准，传输速率为100 Mb/s，传输介质采用光纤。

电站计算机监控系统各LCU以下采用冗余的现场总线用以连接远程I／O及各现地智能监测设备，现场总线为环形总线型冗余结构。每个LCU设置无主从关系的标准或通用协议的现场总线，通信速率不低于1 Mb/s，以及有主从关系通信协议的串口或自由定义的现场总线，通信速率不低于19.2 kb/s。总线介质为光纤和双绞线结合使用的方式。

配置2套容量为30 kV·A的不间断电源UPS，互为备用，输入电源失去后电池持续供电时间为1 h。

4 与GIS保护测控系统的接口

传统的开关站设备通过I/O方式与电站监控系统接口，以保证上送调度的信息量是直采直送。亭子口500 kV开关站GIS系统采用保护测控一体化的技术方案，该方案是以基于GIS智能控制、保护为核心，实现全开关站保护、测控等的分布式设计方案，保护集中布置在辅助盘室、测控系统管理机柜布置在中控室、智能汇控柜分散布置在GIS室。

电站计算机监控系统与500 kV开关站GIS系统的接口采用网络通信和I/O两种方式。

电站计算机监控系统的2台厂内通讯服务器作为主站与500 kV GIS测控系统的管理机RCS-9698H进行通讯。每台厂内通信服务器配置4个以太网口，与管理机RCS-9698H采用交叉冗余连接方式，管理机采用双主机模式对主站通信。

为保证监控系统对500 kV开关站控制和调节的可靠性和实时性，GIS各断路器位置、隔离开关、接地开关等实时性要求高且与控制直接相关的信号采用I/O方式直接接入布置在GIS室的监控系统远程I/O柜。实时性要求较低且与控制无关的信息如气隔信号等可以通过GIS保护测控一体化装置以网络通信方式接入电站监控系统。

电站监控系统开关站LCU及500 kV GIS测控系统都有自动准同期功能，均能实现500 kV开关站断路器的同期合闸。根据500 kV开关站断路器应由专用的同期装置完成的原则，确定500 kV开关站断路器的同期合闸由开关站LCU的同期装置实现。

5 监控系统的主要特点

亭子口水电站计算机监控系统有以下主要特点。

5.1 取消模拟屏驱动器

整个模拟屏内数据信号采用485网络分布式连接方式，设备主要包括1台屏控机、网络驱动单元、遥信驱动单元和遥测驱动单元。屏控机将从厂内通信服务器收到的RS232信号送到网络驱动单元，网络驱动单元转换成8路485网络接口信号，而每路485接口可驱动128个遥信驱动单元和遥测驱动单元。每个遥信驱动单元可驱动16个信号指示灯，每个遥测驱动单元可驱动1个表计。

5.2 配置冗余时钟同步系统

冗余的时钟同步系统设备采用单片机控制，同时具有GPS信号和BD北斗信号接收能力，主要由2套 GPS主时钟 （SK-2UA）、2套GPS/北斗双模天线以及双机切换装置、GPS扩展箱等组成。

GPS/北斗卫星时钟系统对监控系统的主站级计算机和各现地控制单元 （LCU）进行时钟同步。它通过串口方式向厂级管理工作站传送时钟信息，通过向DCF77规约接口，向各LCU的SOE模件发送时钟同步数据。

时钟装置除为监控系统提供标准时间外、还具有多种串口通信及脉冲对时和IRIG－B对时信号，以满足继电保护装置、故障录波装置及电能量采集装置等设备的对时需要。

5.3 采用无硬盘通讯管理机

调度服务器作为计算机监控系统中与电力调度通信的计算机，目前主要采用有硬盘的工业级控制微机或无硬盘的工业级控制微机。有硬盘的工业级控制微机，硬盘采用普通商用的硬盘，对环境 （包括抗干扰、抗灰尘、抗振动等方面）的要求无法达到工业级标准。无硬盘的工业级控制微机由于没有专门的硬盘保存数据，而是通过CF卡来保存计算机所需要的操作系统软件及通讯软件等必须的软件，所传输的实时数据均不保存，采用直接直发的方式。在这种方式下，数据的实时性能够得到较大的保证，但存在发生通讯网络中断，前面通讯的数据立即丢失的缺点。

在与调度通信中，采用无硬盘方式的工业级控制微机，实时性很强，一旦网络通讯恢复，最新的实时数据就会立刻传输到调度中心，而那些由于网络通讯中断而丢失的数据对于调度系统的影响不是很大，因此，目前对于实现调度通讯功能这种实时性、可靠性要求较高的计算机大多采用无硬盘的工业级控制微机。

基于上述考虑，亭子口水电站的调度服务器采用专用的无硬盘通讯管理机。

5.4 电站监控系统二次安全防护设备的配置

电站计算机监控系统是安全防护的重点，电站计算机监控系统内部的防护措施主要是对重要的服务器和通信网关进行安全加固，以提高操作系统、应用程序、数据库的安全性。

根据电力二次系统安全防护规定，电站计算机监控系统属于生产控制大区的控制区 （安全区I），其中WEB服务器外移至安全区Ⅲ，作为独立系统运行。从安全区Ⅰ、Ⅱ往安全区Ⅲ单向传输信息须采用电力专用横向单向安全隔离装置 （正向隔离装置）。

亭子口水电站计算机监控系统配置了1套NARI公司的Syskeeper2000型正向安全隔离装置，用于安全区I/II到安全区Ⅲ的单向数据传递；该装置硬件装置采用非Intel（及兼容）的双微处理器；软件系统基于特别配置的Linux内核；实现两个安全区之间的非网络方式的安全数据交换，并且保证安全隔离装置内外两个处理系统不同时连通；取消所有网络功能，并且采取无IP地址的透明监听方式，支持网路地址转换，内设综合报文过滤，防止穿透性TCP连接；应用层解析，支持身份认证，单向数据通信控制，单向连接控制，维护管理界面灵活方便。

监控系统的实时信息管理服务器 （2台）、操作员工作站 （2台）、工程师工作站 （1台）、调度通信服务器 （2台）、WEB服务器 （1台）、泄洪闸集控操作员站 （1台）等关键位置使用了主机安全加固软件。主机加固软件采用的操作系统保护可在不改变操作系统内核的情况下，对核心服务器进行保护。

6 结 语

亭子口水电站监控系统是在满足合同及相关规程规范的基础上，在保证系统安全可靠前提下，结合现代控制技术发展及工程实际特点，充分考虑适应用户的要求，按照冗余化和开放式的系统结构进行设计。该系统采用了先进的软、硬件配置，使其成为技术领先、成熟可靠，且能充分满足水电站各方面实用性要求的计算机监控系统。该监控系统已在亭子口水利枢纽水电站中应用一年多，运行正常，使用效果较好，对于今后类似电站的监控系统设计有一定的借鉴作用。

［1］方辉钦.现代水电厂计算机监控技术与试验［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［2］朱晨，施冲，庞敏，等.基于分布式对象技术的NC2000水电厂计算机监控系统软件［J］.水电自动化与大坝监测，2002,26（5）:10-13，21.