丰满电站三期工程独立运行计算机监控系统智能化研究

孟繁欣，张 蕾，赵海涛，独健鸿，黄 琢



丰满电站三期工程独立运行计算机监控系统智能化研究

孟繁欣1，张 蕾1，赵海涛2，独健鸿3，黄 琢2

（1. 丰满大坝重建工程建设局，吉林 132108；2. 辽宁电力科学研究院，沈阳 110006；3. 丰满发电厂，吉林 132108）

本文简要地介绍了根据丰满电站三期工程独立运行要求新建计算机监控系统的实施内容。总结了采用WW SP2012R2作为开发平台形成的丰满电站三期工程计算机监控软件系统的技术特点和优势，客观分析了采用IEC61850标准建立水电站智能化系统的现实问题。在分析、提炼智能化水电站一体化平台构成要素的基础上，深入剖析、概括了System Platform 2012 R2平台软件的一体化特征和技术优势，探讨了按System Platform 2012 R2架构实现智能化的可能性问题。

水电厂智能化；System Platform 2012 R2；AchastrA架构；.Net结构

0 前言

丰满水电站全面治理（重建）工程先期启动三期电站独立运行改造工程，包括对一次接入系统进行改造，在三期电站侧新建独立变电所，取消丰满220kV变电所联络线，对二次系统接入系统、机组LCU进行改造，新建公用LCU，建立独立运行的计算机监控系统，使三期电站具备独立运行的条件。新大坝建造期间，用原有大坝建筑体作为上围堰，通过三期电站独立运行，满足在新大坝及新电站建设期间的发电、库水排放和保障下游生活供水的需要。

本文对三期电站独立运行计算机监控系统的智能化要素问题进行重点讨论和分析。

1 机组LCU改造

机组LCU改造在保留现有机组LCU的前提下进行。现有11号机和12号机LCU以Schneider Quantum系列PLC系统为主控单元，CPU模块型号为140CPU43412，不支持双CPU冗余结构，PLC系统IO模块配置已满足机组监控的需要。

根据丰满电站三期工程独立运行的要求，本次机组LCU改造的内容有以下几点：

1）改善现地级系统网络结构，原监控系统现地网络配置为MBPLUS+单以太网，监控以MBPLUS为主的冗余结构。改造后，增加一个以太网模块，取消作为上位机与现地级间主监控网的MBPLUS网，将原单以太网与改造为双以太网冗余结构，提高实时性，应用先进的切换技术，改善冗余切换速度，提高现地网可靠性。

2）改造内容是保留现有配置的条件下，根据总体要求，增加支持PMU系统的模块，每套机组LCU增加开入模块2块，满足PMU系统接入的要求。

3）增加140ERT85410Z模块3块，使机组LCU具备事件记录功能。

4）LCU内部配置MBPLUS网，实现网络延伸，接入调速器和励磁调节器等辅机设备。

2 新增LCU系统和接入装置

为满足三期电站独立运行的需要，在三期电站侧新建了独立变电所，由高厂变引出，新建厂用10kV系统Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段和Ⅳ段，设备综合监控通过新增LCU系统和接入装置实现。

（1）新增公用系统LCU，采用Schneider Quantum系列PLC系统为主控单元，CPU模块型号为支持双CPU冗余结构的140CPU67160，配置双以太网模块构成以太网冗余结构，配置智能模块和IO模块，完成现地信息采集和控制。

（2）厂用系统10kV系统Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段和Ⅳ段开关柜，柜内分别配置了RCS-9611CS、RCS-9616CS、RCS-9621CS、RCS-9628CS和RCS-9629CS通信控制装置，通过增加MB(485) -以太网网关的方式，形成与现地以太网统一的通讯规约，接入现地网系统。

3 系统结构与基于WW SP2012R2的软件系统

3.1 系统结构

在系统结构设计上，计算机监控系统采用成熟、通用的系统结构，即全开放、分层、全分布式结构[1]。电站级主机系统分为前台和后台两类，按角色需求配置，系统功能模块化分配，网络主框架采用以太网分段方式，呈分级结构，现地系统按设备分布建立现地监控单元(LCU)，LCU内部以现场总线作延伸以支持系统分级结构。

网络结构上，采用分层、双网冗余结构，在不同的层面上采用不同的冗余策略。

监控网络采用分层以太网来避免网络呈平面结构。上位机网络不仅用于数据交互，还要完成电站级系统域管理和任务派发等管理信息传输任务，以及站控层主机间文件传输和数据备份等操作。现地网络本质上具有现场总线属性，完成LCU设备数据读写功能，利用以太网的速度优势，提高LCU与站控层主机间通信的实时性。

3.2 基于WW SP2012R2的软件系统

丰满电站三期工程计算机监控系统最早形成于1998年7月份，为三期扩建工程基建项目，随三期扩建工程一并竣工投运，建成时独立于95年起建立的一、二期计算机监控系统运行。结合2007年12号机自动化改造和2008年11号机自动化改造，实现了与老厂计算机监控系统的系统集成，形成了跨接右岸一、二期和左岸三期工程的全厂统一计算机监控系统，该系统是将Wonderware公司的Intouch9.5等工业自动化软件应用于水电厂监控系统开发形成的。

结合对丰满发电厂原有监控系统特点的继承性，参考近年来的技术积累，尽可能采用先进技术，尽可能采用国际知名的自动化支持软件供应商、知名自动化设备制造商提供的软件和设备，保护用户投资，为系统后续应用提供可靠的维护和升级能力等要求。丰满发电厂三期电站计算机监控系统采用Wonderware System Platform 2012 R2 (简作WW SP2012R2，Intouch软件多代技术升级版)作为系统开发平台，该平台软件的优越性主要表现在以下几个方面：

（1）在技术上完全基于Microsoft .NET技术，建立的整个工厂应用模型可以被灵活地部署到一个或多个基于Windows 2008 Server的服务中，可以充分利用每台服务器的资源。

WW SP2012R2是由Wonderware公司随着Microsoft .NET技术发布，早在Industrial Application Server 2.1（IAS2.1）系统中就采用了.NET技术，IAS2.1系统应用于2007-2008年进行的太平湾发电厂计算机监控系统改造项目中。在这里，有必要简单介绍应用.NET技术的优势。

.NET技术在面向对象编程技术上更加彻底。利用Microsoft .NET技术可以实现对系统的集中管理，这样，我们就可以对物理上分布的本地应用构成健壮的拓扑结构，同时又能集中管理。

（2）WW SP2012R2是建立在ArchestrA[2]体系结构之上的一个强大的新应用平台。作为ArchestrA 体系结构的显著特征，不仅支持Client/Server结构的数据访问，还增加了Peer To Peer结构的数据访问机制。它为用户提供了开发集中化的应用机制或高度分布的点到点应用的机制，基础是可靠的、分布式的点到点通信的ArchestrA 体系结构。应用中的每台工作站或服务器都是域名空间的一部分，这种域名空间允许把应用自由地分布到系统中的全部工作站上，数据源可以是能够联网的站点，没有位置限制。

ArchestrA 体系结构建构了数据引擎驱动域名空间的先例，还为数据引擎提供了数据引擎备份功能，此项功能为建立强健的监控系统奠定了技术基础。

（3）WW SP2012R2提供了一个可伸缩、集成的体系结构，这种体系结构可满足从小型、简单的应用到高度复杂的系统的要求。它提供了快速方便地配置新的节点与功能的能力，提供了杰出的可伸缩性。

WW SP2012R2不会因为总体结构的原因把工程师限制在某个拓扑结构之中。这是种体系结构，可以柔性地解决扩展自动化应用的问题，因为它对系统规模没有限制，性能问题很容易通过引入新的节点来解决。通过工厂模型，可以把新的工作站与定义的任何数据点自动地集成到初始应用中。公用的分布式点到点域名空间意味着全部信息都在节点之间共享，不需要用户进行额外设计或配置。

（4）在WW SP2012R2的IDE中，维护工程师可以在应用服务器上方便地跨越大型分布式网络部署和管理他们的自动化应用，不再需要对系统中每台PC上的应用分别进行安装与维护。

WW SP2012R2集中管理整个系统的诊断工作，可以节省工程师诊断和检修时间。

从网络上的任何工作站(本地或远程)都可以查看整个系统的状态。系统诊断包括诊断组成WW SP2012R2的所有工作站和服务器的状态，包括系统通信、历史分析功能和监控应用功能，甚至网络健康状态等。这些诊断方法利用了Microsoft 管理控制台，因此所有的人员都可以利用一个公共的、熟悉的Windows 管理工具箱。

目前，丰满新电站计算机监控系统定位于采用智能化水电厂系统，我们从以下两个主要的方面对已经投运的丰满电站三期工程计算机系统的智能化程度进行分析。

4 关于是否采用IEC61850标准的问题

IEC 61850标准[3]首先是应用于变电站通信网络和系统的国际标准，IEC61850提出了一种公共的通信标准，通过对设备的一系列规范化，使其形成一个规范的输出，实现系统的无缝连接。其主要特点如下：

（1）定义了变电站的信息分层结构

（2）采用了面向对象的数据建模技术

（3）数据自描述

（4）网络独立性

IEC61850建模了大多数公共实际设备和设备组件。这些模型定义了公共数据格式、标识符、行为和控制，例如变电站和馈线设备(诸如断路器、电压调节器和继电保护等)。IEC61850作为制定电力系统远动无缝通信系统基础，作为国际上推行的改善信息技术和自动化技术的设备数据集成的标准，它解决了变电站自动化系统产品的互操作性和协议转换问题。采用该标准还可使变电站自动化设备具有自描述、自诊断和即插即用（Plug and Play）的特性，能极大地方便系统的集成，在我国采用该标准系列的应用中，有效地提高了变电站自动化系统的技术水平，提高了变电站自动化系统安全稳定运行水平，实现了更多的互操作性。

正是因为这些特点，它不仅应用在变电站内，而且越来越多地运用于变电站与调度中心之间以及各级调度中心之间。因此，也被应用到智能化水电厂建设实践中。

从应用于松江河智能化系统的实际效果来看，由于机组LCU、公用LCU不具备IEC61850体系结构支持功能，为实现一体化平台的IEC61850通信要求，在LCU中加入接转设备即IEC61850协议转换器，将现地信息规约转换为IEC61850，基于IEC61850的智能水电厂信息模型[4]，在智能化系统中建立实时监控应用的尝试。但由于加入了一次、甚至更多次的转换过程，在这种情况下，LCU的通信机制没有变化，传输内容没有增多，反而徒增一个转换环节，不仅使系统实时性变差，还在每个通信回路上增加至少一个故障点[5]。充分发挥IEC61850体系结构的优势的前提条件是支持IEC61850标准的智能设备在现地得到广泛应用，如果绝大多数现地设备不具备支持功能，这种做法不值得提倡。

新建丰满电站三期工程独立运行计算机监控系统存在机组LCU不具备IEC61850标准支持能力这种情形，因此，未采用IEC61850标准作为通信模型，但是，也不能断定不采用IEC61850标准就不具备智能化特征。

5 一体化平台的问题

一个应用于国内水电厂智能化的一体化平台模型由以下几部分构成：

（1）数据中心

数据中心建立水电厂统一的数据模型规范与标准，即水电标准CIM模型。建立横跨安全Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区以及一体化管控平台与现地之间的标准水电数据交换总线，同时提供对实时数据库、关系数据库、文件数据库等的标准接口。

（2）基础服务

基础服务在数据中心提供的标准接口和数据基础上，实现各类应用的部署、发布、运行与管理，支持主备机制，提供通用的技术与框架支撑，为整个系统的集成和高效可靠运行提供保障。

（3）一体化应用

一体化应用应提供标准的公共人机界面框架，应能够集成各类基础服务的功能组件。一体化应用应能实现用户自定义的界面展示和功能组件按自定义规则组合，完成个性化配置和智能化业务流的组装。

我们梳理一下ArchestrA 架构模型的系统基本构造特点：

1）基于MS .NET技术的优势；

2）基于MS SQL Server数据库的对象结构模型，如系统平台对象模型、引擎对象模型、区域对象模型、设备对象模型等基本系统组件类模型，开关、模拟量、消息、自定义模型等多种设备类型和数据类型模型，一些对象可作为容器构成复合对象；

3）所有模型以对象方式存在于数据库中，因此，通信以对象结构组织数据和信息；

4）ArchestrA平台提供统一域名空间，空间里所有对象被唯一地命名，应用中的每台工作站或服务器都是域名空间的一部分；

5）ArchestrA平台为成员统一规范通信接口，以唯一对象名称自由访问域名空间；

6）ArchestrA平台即为数据引擎、区域模型容器，任务机为数据引擎、区域模型构成的应用，任务机管理工具实现各类应用的管理部署、发布、运行与管理，域名空间结构允许把应用自由地分布到系统中的全部工作站上，对于数据源位置没有限制；

7）标准的公共人机界面框架，配置基本类型的图形元件、可自定义图形元件，可装载工厂图形元件库，为各类数据类型对象提供数据连接工具和脚本工具；

8）具有远方维护能力，应用功能可远程部署所做的变更，在用户无需对远方的监控系统物理设备进行操作的前提下，实现系统的维护和功能更新；

9）具有灵活性和柔韧性，系统结构的改变对客户端没有影响，不需要对客户端做任何修改。

10）由第三方公司MatrikonOPC提供的IEC 61850 OPC Server可实现WW SP2012R2对IEC61850标准的支持。

通过上述的对比分析，不难发现，采用WW SP2012R2作为开发平台的计算机监控系统，具备智能化电站统一平台的基本特征。

6 结论

智能水电厂是智能电网的重要组成部分，但又与智能电网关注的重点有本质的不同，应注重水电厂的安全和效益[6]。从丰满电站三期工程计算机监控系统应用实例来看，我们可以得出如下结论：

（1）IEC61850标准本身是首先是应用于变电站通信网络和系统的国际标准，不能完全包括水电厂的设备类型。

（2）IEC61850提出了一种公共的通信标准，通过对设备的一系列规范化，使其形成一个规范的输出，实现系统的无缝连接。它解决了变电站自动化系统产品的互操作性和协议转换问题，使不同设备厂家的设备方便地实现集成，增加了自动化系统使用期间的灵活性，代表了电力系统智能化的发展方向。因此，与其它协议相比，可优先采用作为实现水电厂智能化的通信标准。

（3）采用IEC61850标准实现水电厂智能化的前提是间隔层设备（如LCU）和过程层 设备应首先实现智能化（如电子互感器的应用），否则，其应用效果可能不如采用LCU生产商协议来得好。

（4）本例中，尽管未完全采用采用IEC61850标准，但是应用了IEC61850标准中的厂站层MMS通信方式。

（5）采用WW SP2012R2作为开发平台的计算机监控系统，具备智能化电站统一平台的基本特征。该系统由第三方提供OPC接入接口，支持采用IEC61850标准的系统实现。

（6）基于ArchestrA 架构模型的WW SP2012R2系统提供了一个完善的智能化统一平台实现方案，其设备模型是通用模型，可定制水电模型。

（7）基于ArchestrA 架构模型的系统提供了统一域名空间架构，在构造中更具灵活性和柔韧性，方便地跨越大型、广域分布式网络部署和管理他们的自动化应用。

[1] DL/T578-95, 水电厂计算机监控系统基本技术条件[S].

[2] Training Manual, Revision E．Part Number 05-2056. Wonderware Training[M]. 2006,(1).

[3] IEC 61850-7-1, 变电站通信网络和系统, 2003[S]．

[4] 闵峥, 等. 基于IEC61850的智能水电厂建模技术[J]. 水电自动化与大坝检测, 2011,(4): 1-5.

[5] 赵海涛, 等. 基于IAS2.1的太平湾发电厂计算机监控系统开发[J]．水电自动化与大坝检测, 2012(5): 26-31.

[6] 王德宽, 等. 智能水电厂自动化系统总体构想[J]. 水电自动化与大坝监测, 2011: 5-9.

Research on Independent Smart Computer Monitoring System for Project III of Fengman Hydropower Plant

MENG Fanxin1, ZHANG Lei1, ZHAO Haitao2, DU Jianhong3, HUANG Zhuo2

(1. Engineering Bureau On Comprehensive Recovery of Fengman Dam, Jilin 132108, China; 2. Liaoning Electric Power Research Institute Co., LTD, Shenyang 110006, China; 3. Fengman Hydropower Plant, Jilin 132108, China)

This paper briefly introduces the implementation of the computer monitoring and control system for the requirement of independent operation of the third project of Fengman hydropower plant. Technological feature and advantage of applied system developed on WW System Platform 2012 R2 are summarized, and practical problems in building smart system for the hydropower plant according to IEC61850 standard are analyzed objectively. On basis of analyzing and abstracting essential element of integrative platform which is core component of smart hydropower plant system, integrative character and technological advantage of WW System Platform 2012 R2 are analyzed and summarized deeply. Finally, research is done on probability of realization of intelligence of hydropower plant by WW System Platform 2012 R2 system .

intelligent power plant; system platform 2012 R2; AchastrA framework; .Net structure

TK730.8

A

1000-3983(2016)05-0061-05

2016-05-17

孟繁欣（1978-），2001年6月毕业于武汉大学电子信息学院测控技术及仪器专业，现从事水电自动控制专业技术研究工作，高级工程师。

审稿人：闵英光