西龙池抽水蓄能电站监控系统国产化改造技术研究

喻洋洋，单鹏珠，胡峰超，高 旭

（1. 南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏 南京211106；2. 山西西龙池抽水蓄能电站有限责任公司，山西 五台035500）

1 引言

山西西龙池抽水蓄能电站位于五台县神西乡，总装机为120万kW，安装了4台30万kW的可逆式水泵水轮机组，电站计算机监控系统随主机机电设备采购，采用日本三菱公司的MELHOPE DCS产品，LCU控制器采用德国科维[1]（KW-SOFTWARE）公司嵌入式平台的ProConOS实时操作系统[2]。

西龙池抽水蓄能电站4台机组于2008年全部投入商业运行至今，监控系统逐渐显现其可靠性和稳定性的不足，如控制令执行不成功次数较多、系统不易进行维护和功能扩展等；监控系统主要设备均已停产，采购困难；三菱售后服务和技术支持非常缓慢，无法满足电厂的快速服务需求；此外，监控系统服务器等均采用Windows操作系统，极易受病毒感染和攻击，对电站生产运行形成潜在的严重威胁。

本文对日本三菱MELHOPE监控系统结构和网络通信方式进行了研究分析，实现了南瑞NC2000监控系统与三菱现地控制单元核心控制器的数据交互，并成功进行了机组的动态控制试验，为电站进行监控系统升级改造做好了技术储备。

2 三菱MELHOPE监控系统

2.1 系统结构

三菱上位机系统配置有2台主机服务器Server，3台操作员站OPS，2台工程师工作站EDS，1台厂内通信工作站，2台远动通信工作站，2台打印机及1套GPS对时系统。

三菱MELHOPE监控系统网络采用3层星型网络：Information Network、Plant Network、Field Network。Information Network为监控维护网，单网结构，用于监控系统维护节点的组网。Plant Network为监控控制网，双网结构，是监控系统的实时控制网络，监控系统主要节点如主机、操作员站和现地控制单元控制器等均接入控制网。Field Network为现场总线网络，三菱BS系列PLC就通过三菱专有现场总线CC-Link与I/O模块进行连接[3]。

三菱MELHOPE配置2台远动通信机，利用内部OPC转IEC104软件，将数据传输到上海惠安RTU远动设备WESDAC D20ME，惠安RTU远动设备通过IEC104协议与华北网调和山西省调实现远动通信功能。图1为MELHOPE监控系统结构图。

三菱下位机LCU配置三菱GRII CPU，冗余配置，负责完成I/O采集、数据处理和流程的执行等功能。三菱控制器还配置MODBUS串口卡和CC-LINK接口卡，串口卡负责完成与调速器和励磁等的通信功能，CC-LINK接口卡则完成PLC的I/O采集功能。

图1 MELHOPE监控系统结构图

2.2 软件功能

三菱MELHOPE监控系统软件为MELPLANET，包含 HW System Config、CNS Engineering、HMI Engineering、PlantDBEditor、UTILITY 5个配置软件。

HW System Config：用于进行系统硬件配置，如网络、通信驱动板卡、PIO板卡；对系统各节点网络状态和板卡的运行状态进行监视。

CNS Engineering：可导入硬件配置信息、HMI信息、电站数据库；可进行LCU各控制逻辑程序的编辑、处理，支持IEC61131-3各编程语言STILFBDLDSFC；对控制程序进行编译、链接和下载。

HMI Engineering：操作员站人机界面工具，可进行监视操作画面、事件定义、趋势曲线等的编辑和组态，并能够对设备进行实时监视和操作。

PlantDBEditor：全厂及各LCU的数据库组态和处理。

UTILITY：可对工程数据进行保存和恢复，对系统时钟进行设置，自定义用户和密码。

3 三菱MELHOPE FEnet网络通信

三菱MELHOPE监控产品基于DCS（离散控制系统，Distributed Control System）体系结构[4,5]，由于DCS系统控制网通信协议不具有开放性，因此要对三菱监控系统进行技术上的升级改造，必须解决两套系统间的数据交互问题，此外，还需要妥善处理好新老2套监控系统的并列过渡运行问题。

3.1 三菱MELHPE网络通信

三菱MELHOPE通信基于全双工100 M快速以太网FEnet,系统内部各节点的通信全部采用UDP/IP网络协议，不支持TCP网络协议。

MidART（Middleware and network Architecture）为三菱电气研究实验室（MITSUBISHI ELECTRIC RESEARCH LABORATORIES）为分布式实时系统所研发的网络结构中间件[6]。MidART可以提供简单和灵活的数据映射模型，属于OSI模型的第5层应用层。

MELHOPE应用程序使用MidART作为UDP/IP的上层协议进行数据通信，MELHOPE操作员站OPS和现地控制器CNS均安装了MidART中间件。图2为MELHOPE通信协议堆栈。

图2 MELHOPE-OPS通信协议堆栈

3.2 MELHOPE通信方式

MELHOPE 支持循环通信（Cyclic Communication）和瞬时通信（Transparent Communication）两种方式[7]。

循环通信通过网络对分布式内存镜像进行共享，网络上的每个节点都分配属于其自身的共享内存区域用于数据传输，这块共享内存的数据以某种速率定期在网络内进行广播发送，通过这种方式，每个节点共享内存的数据都可以得到刷新。如发生数据传输失败，则该数据段将在下次数据传输后自动覆盖。

瞬时通信是一种点对点的实时数据通信，MELHOPE支持指定对象数据召唤、指定对象数据的读写、报警信息输出等通信类型。

3.3 MELHOPE通信机制问题

三菱MELHOPE系统网络通信基于UDP/IP网络协议，其控制信息等采用UDP点对点方式，循环数据则采用组播方式。采用UDP/IP进行数据传输实现方式简单，但UDP是一种简单不可靠的传输服务，数据包发送后无法确认其是否完整到达，对于抽水蓄能电站的关键实时控制场景，UDP并不是最优的实现方式。而西龙池电站多次出现的控制指令下发无反应也从侧面验证了UDP在可靠性上存在问题。

南瑞NC2000监控系统对于控制信息全部采用TCP点对点方式传输，并增加相应的校验环节，因此控制信息的完整性和可靠性均有充分保障，在电站完成技术升级后可彻底解决三菱系统网络通信机制的固有缺陷。

4 现场通信测试

4.1 通信测试平台

测试平台由南瑞NC2000监控系统、网络分析软件、网络集线器和三菱现地控制器组成。通过网络分析软件捕捉MELHOPE数据报文并进行分析[8,9]，逐一甄别报文中的各类型数据，解析出数据后与实时数据进行核对；对于控制量和调节量，则通过静态和动态测试完成数据验证。通信测试平台见图3。

图3 通信测试平台

4.2 上行监视信息

电站上行监视信息包括中断量、开关量、模拟量和温度量。采用静态和动态测试两种方法进行核对，静态测试是从新系统数据库实时测值与三菱系统对应测点的实时测值进行对比核对。动态测试是在三菱系统手动进行测值变化（如手动启停设备等），在新系统对测点的变化值进行校对。测试结果见表1。

表1 上行监视信息测试结果表

4.3 下行控制信息

电站下行控制信息为控制令和调节令。控制令的测试在一台检修的机组控制单元进行，测试前进行了相应的隔离措施。首先测试机组故障确认和故障复归两个控制令；测试成功后又对机组主变空载排水电动阀进行了开启和关闭控制测试；最后执行机组的发电和停机操作，测试结果均正常。负荷调节指令因现场条件不具备未进行测试。测试结果见表2。

表2 下行控制信息测试结果表

5 国产化改造技术方案

西龙池计算机监控系统进行国产化升级改造可考虑新老系统并列运行的改造方式，新系统是指升级后的国产化监控系统，老系统是指三菱MELHOPE监控系统。

新老系统并列运行可分为新系统上位机与老系统并列运行或新系统与老系统并列运行两种方式。

5.1 新系统上位机与老系统并列运行

改造实施过程中首先对老系统上位机进行改造，然后才对老系统现地控制单元进行改造。改造后老系统现地控制单元全部接入新系统上位机，监视和控制以新系统上位机为主，老系统上位机作为备用。老系统现地控制单元在后期根据检修安排逐一改造[10]。

这种并列运行方式对电厂生产运行影响最小，每套现地控制单元可以在机组停机时与新系统上位机进行静态调试，完成对点以及控制、调节的模拟测试，最后再择机快速完成动态测试；每套现地控制单元完成测试后仍然恢复与老系统的连接，在所有现地控制单元均完成调试后再一次性全部接入新系统上位机，并进入并列运行的工作状态。

5.2 新系统与老系统并列运行

改造实施从某台现地控制单元开始，改造后的现地控制单元接入新系统上位机，未改造现地控制单元仍然在原系统运行，这样电站就存在两套同时运行的监控系统。

这种并列运行方式需要考虑两套监控系统的主从问题，一般情况下，老系统仅对未改造设备进行监视和控制，新系统仅对改造设备进行监视和控制，与调度EMS系统的远动通信可转移至新系统，未改造设备的遥信遥测信息由原系统发送至新系统，遥控信息则由新系统转发给原系统上位机。

对于改造机组的SFC启动，可在新的机组公用LCU机柜中增加与SFC的并行接口，将有关SFC启动需要的控制接口和监视接口通过信号切换回路将信号切入新/老SFC控制柜。用原监控系统进行抽水操作时保持原SFC相关信号切入原公用LCU，SFC流程控制仍由原LCU完成。使用新监控系统抽水操作时，信号切换回路自动将SFC相关信号切入新公用LCU,SFC相关控制流程由新LCU完成。

6 结束语

西龙池计算机监控系统因与主机捆绑采购而采用了日本三菱产品，从目前运行情况来看，三菱MELHOPE产品在系统功能的可扩展性和可维护性等方面不能满足电站生产运行的需求[11]。同时，日方在技术方面设置诸多限制，后期的售后服务和备品备件价格也十分昂贵，远远超出国内同类水平。

我国具备完全自主知识产权的抽水蓄能监控系统装备已经在响水涧等6个大型抽水蓄能电站完成商业运行，技术上已经达到甚至超过国外同行业水平。此外，国产监控产品在系统的可靠性、安全性、可扩展性和可维护性方面优势十分明显，因此在抽水蓄能电站进行技术升级改造方面，采用国内监控产品供应商也是未来发展的趋势[12]。

本文对西龙池抽水蓄能电站监控系统国产化技术改造进行了研究，实现了国产监控系统与三菱监控系统的数据交互，并提出了两种技术升级改造方法，为电站后期进行计算机监控系统的升级改造提供了可行的技术参考。