水电站计算机监控系统智能化改造的思考

2015-07-28俞鸿飞束炳芳包震洲

水电站机电技术 2015年7期

关键词：水电厂发展趋势

俞鸿飞，徐　麟，束炳芳，包震洲，王　霄，肖　龙

（1.浙江省电力公司紧水滩水力发电厂，浙江丽水 323000；2.国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏南京 210003）

水电站计算机监控系统智能化改造的思考

俞鸿飞1，徐麟2，束炳芳1，包震洲1，王霄1，肖龙1

（1.浙江省电力公司紧水滩水力发电厂，浙江丽水 323000；2.国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏南京 210003）

摘要：简述了水电厂计算机监控系统的应用现状和发展趋势，提出了智能化改造的基本目标和技术原则，概括了监控系统结构和特点，重点探讨智能化改造关键技术——统一平台。

关键词：水电厂；计算机监控系统；智能化改造；发展趋势；统一平台

0　引言

随着计算机技术、信息技术、网络技术和测控技术的飞速发展，近10多年来KVM系统、大屏系统、触摸屏、磁盘阵列、工业交换机、二次系统安全防护设备（如横向物理隔离装置、纵向认证加密装置等）、时钟同步系统、数据备份系统、远程诊断系统等通用新技术在水电厂计算机监控系统得到广泛的应用。同时电站装机容量的不断扩大、控制流程的日益复杂、安全性要求的显著提升等大型水电机组特点，对水电厂计算机监控系统在实时性、可靠性、系统安全、可维修性和可用性等方面提出了更高的要求。

1　水电厂计算机监控系统应用现状和发展趋势

随着水电厂“无人值班”（少人值守）工作的推广和无人值班工作的开展，国内大中型计算机监控系统市场已步入成熟期。设备选型方面，主流上位机硬件平台多采用国际知名品牌的计算机产品，现地控制单元（LCU）多采用国际或国内知名品牌的PLC（或智能控制设备）产品；主流软件平台主要包括UNIX、LINUX操作系统，C、JAVA等编程语言以及ORACLE、MYSQL数据库等。

目前大中型水电厂计算机监控系统基于已成熟应用分层分布式开放冗余结构，在传统现地控制层和电站控制层的基础上，将非实时控制信息（如历史数据库查询信息等）分离出来由生产管理层处理，同时增设电站信息层处理WEB信息发布等业务。这些设计提高了整个系统的实时性、安全性、可靠性和可维护性[3]。

新型水电厂计算机监控系统软件架构集成了传统的客户/服务器（C/S）模式和基于J2EE的浏览器/服务器（B/S）模式，具有良好的可移植性、可扩展性和易用性。现场总线网、控制网采用高效的通信协议，实时数据流和非实时数据流分层处理，提高了系统实时性。硬件滤波采集技术、智能测控仪表、开关保护器和各种冗余技术（包括电源、网络、服务器、数据库等方面）已成熟应用，提高了系统的可靠性。电厂运行方式无扰动切换策略、AGC/AVC与一次调频/PSS的协调控制策略和安全闭锁策略、各种电力二次系统安全防护设备和防误操作闭锁策略（如双用户登录、语音画面提示等）已逐步推广应用，提高了系统的安全性。智能报警技术、智能事故分析技术、面向对象技术和LCU的远程分布和智能分布技术已逐步推广，使用运行和维护更高效。

随着国家大力发展清洁能源和国家电网公司坚强智能电网战略的实施，基于IEC61850标准的智能PLC技术作为智能水电厂的重要组成部分，将成为水电厂计算机监控系统新的发展趋势[4]。

2　智能化改造的基本目标和技术原则

2.1基本目标

1）生产过程控制的智能化：完成电站计算机监控系统的智能化升级，通过对通信传输和计算机网络系统的改造，实现电站远方智能集中控制。

2）运行调度决策的智能化：实现智能化联合调度，提高全厂经济运行水平。

3）数据信息平台的一体化：完成数据信息统一平台建设，逐步实现各自动化系统之间、系统与数据采集之间的IEC61850互联，实现各生产自动化系统、管理信息化系统数据的共享与综合应用。

2.2技术原则

1）安全可靠性：智能化改造首先必须遵守的安全、可靠性的原则。应采用成熟可靠的技术和产品，确保改造后的系统能安全、稳定、可靠地运行。

2）开放性：广泛采用国际、国家或行业标准和规范，如IEC61850，提高系统的开放性。应选用国际或国内知名厂商的标准化产品，以方便备品备件及后续升级，系统接口采用标准化开放型接口，保证第三方设备的直接接入。

3）先进性：追求技术先进和一定的超前性，但不盲目追求先进而损害安全可靠性，充分考虑技术的先进性与生产的安全性的合理平衡。

4）具有信息数字化、功能集成化、结构紧凑化、状态可视化等主要技术特征，符合易扩展、易升级、易改造、易维护的工业化应用要求。

3　水电厂计算机监控系统结构和特点

3.1系统结构

1）按照智能水电厂自动化系统的结构，在逻辑结构上分为三个层次，根据IEC61850通信协议定义，这三个层次分别称为“过程层”、“现地控制层”、“站控层”。各层次内部及层次之间采用高速网络通信。

2）分布式结构

为了提高系统的实时性及可靠性，系统采用全分布式体系结构，即功能分布和分布式数据库系统。整个系统分成厂站层和现地控制单元两层。全厂实时数据库和历史数据库分布在厂站计算机中，各单元数据库分布在各个LCU中，系统各功能分布在系统的各个节点上，每个节点严格执行指定的任务和通过系统网络与其它节点进行通讯。

3）网络结构

控制主干网采用传输速率1 000Mb/s的双光纤网络，其通讯协议和标准应是通用、先进且成熟可靠的产品。该层网络为双冗余热备。

厂站层的信息网采用传输速率1 000Mb/s，传输速率应为自适应式，采用TCP/IP协议，遵循IEEE802.3标准。传输介质为超五类双绞线或1000Mb/s光纤。

4）现地控制单元通过100M以太网，直接实现与上位机（厂级计算机）的通讯，现地控制单元采用分层分布式系统结构，辅助设备（包括温度、压油泵、技术供水和顶盖泵等）采用现地PLC进行数据采集处理，实现对机组辅助设备的监控。

3.2系统特点

1）整个系统采用全计算机监控结构。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；同时设置独立PLC构成的水机后备保护回路。

2）现地监控单元与上位机采用IEC61850标准协议进行通讯。

3）调速器装置、励磁装置和保护装置直接与上位机采用IEC61850标准协议进行通讯，同时LCU也能够与调速器、励磁、保护进行实时通讯。

4）现地监控单元内部采用IEC61850或现场总线，保证能与双冗余的CPU进行通讯。冗余配置是指CPU冗余（双CPU）和与上位机通讯网络冗余，其它输入输出模件不作冗余配置。

5）加强现地层控制功能，提高现地层可靠性。

4　智能化改造关键技术——统一平台

4.1信息流程与处理

现地级自动化系统的数据是智能化统一平台的基础数据源，对于直接接入的系统智能统一平台的应用设计中对设备数据实现统一的数字化传输，数据传输应以国际公认的电力行业标准IEC61850为基础，在现地数据传输层实现标准化的信息传送，各现地级自动化系统或智能化设备以应用节点的形式加入标准协议的高速数据通信总线，共享总线中的信息数据，数据总线针对重要和特殊的应用提供传输冗余机制，各现地系统通过标准的数据总线即可实现各类水电厂运行调度数据的共享，保证数据统一性。

对于不直接接入统一平台的系统，数据在经过现场统一总线传输后，由各系统自己负责分析处理，最终由各系统汇总按IEC61970标准传输至统一平台数据中心，由统一平台数据中心统一对外发布各种数据和进行综合决策分析。

各种数据服务汇总至应用服务层后，由服务组件对各种信息进行分析处理，形成统一平台需求的最终信息结果，并以多种客户端表现形式展现给用户，该层为信息的最终处理加工层，同时也是最终平台客户请求的各种数据的通道，包括实时信息与资源分析结果，最终均通过该层提供给用户。

系统优化调度控制应用具备以IEC61970为基础的面向服务的对外信息交流接口，可将本系统的优化调度方案或其他应用所需的数据信息传送至上级电力调度机构或上下游电厂，同时也可从上级电力调度机构或其他部门接受调度运行或各种应用资源，从而实现电厂运行调度管理交互，统一平台的应用服务提供此种应用。

智能化统一平台的数据在现地监控系统、数据中心、应用服务平台、外联部门间相互交互，整体结构如图1所示。

图1智能化统一平台总体架构

4.2统一平台结构

系统采用面向服务的SOA集成方式，分为数据访问层、应用服务层、人机界面层等三层体系结构，其中，数据访问层主要负责水电厂数据模型的统一标准的制定与数据信息维护，其中主要包括文件、历史数据、实时数据等，在底层规范的基础之上设计关系型数据库，并提供统一的数据访问层接口，可通过接口直接进行数据与模型的操作，屏蔽数据库的特异性，接口通过对象引用直接调用，保证数据层效率，数据层同时需维护水电厂各区数据的同步，将不同区的数据根据需求进行跨区同步，并保证数据的一致性。

应用服务层需提供各类业务逻辑的服务器端服务接口支持，能够实现远程对象调用与管理、消息的注册、监听与管理，同时服务应具备可扩展性，支持企业级服务集成，以及各类服务中间件，保证系统服务层接口能够适应不同场合的应用。服务架构应统一考虑各类通用业务的设计，如权限、日志、事务、异步、异常等，满足不同水电厂应用的需求，保证二次开发与扩展的可行性。同时服务接口需根据业务进行高度抽象与规划，保证服务端程序在今后的复用性以及应用的可组态性。针对采集、通信、报警、任务，分别制定不同的技术框架满足日常运行维护的需求，并考虑对统一服务发布接口的支持。

人机界面层需制定统一的图形、报表应用标准，实现不同类图形应用的一体化规范设计，各类图形对象可通过统一的描述规范实现存储、展示与编辑。需建立C/Sswing框架与Web应用框架，保证从中间服务层以上应用的一致性。人机界面应实现布局管理与插件式应用，使得人机界面的应用可根据需求不断进行添加与修改，并保证后续开发的可扩展性。

系统结构如图2所示：

图2智能化统一平台系统结构

4.3统一平台基本应用

1）系统监视与管理

对整个系统进行分布化管理,包括系统配置管理、进程管理、安全管理、资源性能监视、备份/恢复管理等。并提供各类维护工具以维护系统的完整性和可用性，提高系统运行效率。

2）对外信息发布

智能统一平台建设的一个重要功能，是作为WEB门户与对外信息中心的载体。针对发电企业对实时过程数据和生产管理与决策分析等不同层面的实际需求，实现对分散于各部门（厂站）专业系统的数据进行规范化组织，统一管理，集中加工处理以及系统间的数据交互的标准化，并在此基础上提供多种方式的数据展现、报表、分析和维护功能，以及进一步的数据挖掘，最终简化日常海量数据处理工作，为生产运行各个环节以及决策制定提供可靠支持。

对外信息发布的客户端配置不受地点、硬件、软件的制约，客户端终端(普通安装WINDOWS系列操作系统的PC机或便携机)可在任何地点，通过拨号或网络线连接到Web服务器上。服务器端维护简单，只需简单配置以及安装程序文件，并重启Web服务软件即可立即生效。客户端除了安装Web浏览器以外，不需任何其他应用软件的支持，在浏览器上访问Web服务方法同一般的上网浏览完全一样。