OPC协议在张河湾电站监控系统国产化改造中的应用

李世昌，王晶晶，王宗收，李 勇

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄 050300）

1 引言

张河湾电站原计算机监控系统随主机机电设备采购，由法国阿尔斯通供货，采用ALSTOM ALSPA P320产品。下位机共设置10套现地控制单元（LCU），分别为4台机组LCU，1套公用LCU,1套SFC及开关站LCU，1套上库LCU、1套下库LCU、1套模拟屏、1套35 kV LCU。

张河湾电站用3年时间逐步完成国内抽水蓄能电站监控系统首次全面国产化升级改造，2018～2020年张河湾公司将原阿尔斯通 P320软件改造为国产监控系统软件，将4台机组、开关站、公用系统、上下库等10套下位机现地控制单元PLC由原阿尔斯通C80-75 系列改造为国产系列PLC，改造后的监控系统性能更加强大，功能更加完善，人机界面更加友好，编程更加简单，运行更加稳定，维护更加便捷。张河湾公司此次监控系统改造难度大、工期长，监控系统改造过程中创新性利用OPC网络协议实现了国产监控系统上位机软件和PLC与原阿尔斯通PLC之间的通信，实现了新老系统之间无扰切换。改造过渡期间未影响机组正常稳定运行，可为其他抽蓄电站监控系统国产化改造提供借鉴。

2 实施背景

张河湾监控系统自投产至今已有近10年时间，监控系统在软硬件平台的可靠性、售后服务的及时性，监控系统功能的扩充性，电站生产数据的分析挖掘等方面存在问题，主要设备故障率逐渐增高，原有监控厂商被GE收购，SUN工作站、C80-75 PLC、同期等设备均已经停产，导致其监控系统产品无法保障连续性的售后服务和技术支持，系统的软硬件均已不能进行进一步的维护和更新，监控系统的不稳定隐患已经严重威胁了电站的安全稳定运行，已经不能满足电站日益提高的运行管理的要求，并对电站的生产运行产生严重影响。具体问题如下：

工程师站、报警工作站、报表工作站、通信工作站及LCU人机接口计算机等设备均采用不安全操作系统（Windows XP）。

监控系统目前为进口设备，不满足国家能源局发布的《电力监控系统安全防护专项监管报告（2016）》中“持续推进电力监控系统国产化战略”要求。

根据DL/T 578-2008《水电厂计算机监控系统基本技术条件》第4.5.1.1.1条规定：“SOE点分辨率分为，1 级：≤10 ms；2 级：≤5 ms；3 级：≤2 ms。大型水电厂的计算机监控系统SOE分辨率应满足3级或2级要求”。张河湾电厂为大型水电厂，目前CE2000 SOE分辨率大于5 ms，不满足该条规定。

监控系统未实现AGC成组控制功能。监控系统与技术供水等子系统的Modbus通信出现通信故障，主用PLC看门狗误动作、主用PLC重要故障信号板卡故障。

监控系统现地控制单元1LCU、2LCU出现过控制器CPU模件、电源模块故障。经查，目前电站储备的监控系统备品备件数量也较少，部分重要的电源及CPU模块更是只有1～2块，而且无法继续采购。

此外，电站监控系统现地控制单元5LCU配置配电装置较多,包括变频启动装置(SFC)、500 kV GIS和500 kV线路，以及地下厂房10 kV厂用电系统和附属用房直流系统，该LCU对设备的监视和控制负担较重，在设备调试时，需要做出严格安全闭锁措施，以防止监控系统间干扰。为避免出现误动，在监控系统升级改造时，宜将配电装置现地控制单元分成开关站现地控制单元和附属用房公用现地控制单元两部分。

综上所述，原监控系统运维成本及运行安全风险逐年加大，已不能满足电网安全稳定、经济运行新要求。电站监控系统运行近10年，依据《国网新源公司生产技术改造原则》6.2.1.1.7条指出：“电网自动化主站系统、子站系统投运8年的，可安排改造，工作站运行5年后可予更换。”的要求，亟须对张河湾蓄能电站计算机监控系统进行整体技术升级改造。

3 实施过程

3.1 前期策划

（1）监控系统控制软件

选用已成熟应用于抽水蓄能电站的国产化监控系统控制软件。

（2）监控系统现地控制单元PLC

选用已成熟应用于抽水蓄能电站的国产PLC及I/O采集模件组成的现地控制单元（LCU）替换原GE公司C80-75及CE2000组成的LCU。

（3）监控功能系统网络结构

电站计算机监控系统由电站控制级、现地控制单元级和独立光纤硬布线紧急操作装置等设备组成。电站控制级采用高度冗余设计，为双主计算机互为热备用方案，局域网络采用快速交换式以太环网结构（不小于1 000 Mb/s）；独立光纤硬布线紧急操作装置采用独立的光纤及PLC等控制设备，实现事故闸门紧急关闭及机组紧急停机的功能。另外，电站计算机监控系统将预留与集中控制中心联络及受其调度的接口。整个系统应确保简单、安全、可靠且便于扩充。

电站网络结构拟采用冗余光纤快速交换式以太环网结构（不小于1 000 Mb/s）。电站控制级设备及现地控制单元设备均直接接在局域网络上。网络设备选用适合于电站环境的1 000 Mb/s级工业以太网交换机。冗余网络应采用两根独立的光缆连接，每根光缆的备用芯数不少于4芯。

面向监控对象的现场设备网络拟全面采用以太网和现场总线技术，通信方式建议在Profibus-DP、Genius、Modbus、IEC 60870-5-101、IEC 60870-5-103、Device net、FF和Worldfip等方式中选取，并以一种通信方式为主，通信技术种类不应超过3种。对于无法采用数字通信的设备采用硬布线I/O进行连接。另外，对于安全运行的重要信息、控制命令和事故信号除采用现场总线通信外，还须通过硬布线I/O直接连接，以保障可靠性。对于与继电保护装置的通信，应采用能够传送保护动作时标的通信协议。

3.2 技术难题

抽水蓄能电站与常规水电不同，SFC抽水启动和机组之间背靠背启动需要通过不同现地控制单元PLC之间进行数据交互，因此解决新老PLC之间数据交互的问题是改造成功的关键，新老系统过渡运行的重要技术保障是国产化监控系统与阿尔斯通核心控制器C80-75 PLC 数据交互。阿尔斯通C80-75 PLC由通用电气GE贴牌生产，新监控系统设置OPC服务器作为数据网关，通过OPC网络协议实现对C80-75 PLC各类型寄存器的读取和置位，从而完成新监控系统与阿尔斯通LCU的数据交互。

这种新老通信实现方式的优点是通信安全可靠，数据实时性高。一方面，不需要对阿尔斯通的C80-75程序做任何改动就可以实现数据的交互，完全保证现地控制单元的原厂状态；另一方面，采用GE数据网关可以实现新老系统的无缝通信，可靠性高而且也能提高新老系统数据交互的实时性。

3.3 实施主要步骤

3.3.1 监控系统上位机系统的升级改造

2018年9月完成新的监控系统上位机及网络的安装和调试。首先梳理了原监控系统10套现地控制单元PLC内20 000多个变量的寄存器地址，新监控系统上位机通过OPC网络协议访问原进口监控系统PLC的寄存器地址实现新老系统的数据交互，重新建立数据库和画面，实现新监控系统上位机对老监控系统PLC的监视和控制，并实现与调度实时通信。结合上库放空检修，先逐台完成现地控制单元LCU与新监控系统网络OPC网关机的接入试验，对OPC侧的数据读写功能、数据刷新速率及通信冗余切换功能进行验证，在所有LCU接入试验完成后，一次性将全部LCU接入新监控系统，为保证数据传送的可靠性，OPC网关机与通信服务器分别采用双链路交叉互连，实现设备间的主备用。将与调度的通信切换至新监控系统，保证改造过程中电厂与调度间的自动化业务不中断，保证与调度通信的主控级数据完整，同时保证AGC和AVC不中断，进一步保证电厂生产的连续性和完全性，如图1所示。

图1 OPC网关机与上位机的连接方式

改造过渡过程中通过OPC网关机作为隔离，可以实现新老监控系统上位机的并列运行，防止改造初期出现新老系统兼容性不好引起运行不稳定的风险。

3.3.2 监控系统现地控制单元的升级改造

2019年3月至6月结合1号机组A修对监控系统现地控制单元进行升级改造。改造实施之前，对原监控系统控制逻辑进行优化，在保证原有程序功能实现的基础上，取消原程序中因正常状变产生的报警，实现1条报警对应1条缺陷，为值守人员带来了便捷，并对原程序中繁杂冗余的逻辑进行以简单直接的条件重新编写，减少占用内存，使PLC处理速度达到最快。改造过程中，为保证其他机组可靠平稳运行，将旧现地控制单元接入环网的光纤收发端使用法兰连接，双环网结构不受影响，并将1号机组现地控制单元独立出来，避免信号核对、盘柜接线时的错误报警上送。改造后的LCU配置2块热备冗余的CPU，2个CPU模件通过高速内部总线实时备份数据，并可直接接入上位机主交换机，与上位机各节点进行通信，如图2所示。

图2 1号现地控制单元脱离原有环网

在改造的过渡过程中存在新改造下位机与未改造的下位机间的数据通信的情况，尤其是涉及多个LCU间的通信，此种情况下，通过OPC网络协议实现对C80-75 PLC寄存器的读取，并与新监控系统PLC进行数据双向交互，从而完成新监控系统与阿尔斯通LCU的数据交互，使各个LCU间数据实现有效输送。

剩余现地LCU的接入调试按照机组LCU、附属用房LCU、公用辅机LCU、上下库LCU的次序依次进行改造。

3.3.3 现场使用

（1）改造过渡过程中通过OPC网关机作为隔离，可以实现新老监控系统上位机的并列运行，防止改造初期出现新老系统兼容性不好引起运行不稳定的风险。

（2）改造过渡过程中，已改造的现地控制单元PLC通过光缆备用通道组成环网直接接入新监控系统上位机，未改造的现地控制单元PLC组成环网通过OPC网关机接入新监控系统上位机，2个环网的PLC通过OPC网关机实现数据交互，实现SFC启动抽水和机组之间背靠背启动抽水，并且实现改造过程的平稳过渡，未影响机组的正常抽水和发电。

（3）监控系统上位机投入运行已近1年时间，上位机能正确监视现地设备状态，获取现地原阿尔斯通C80-75 系列PLC数据无误，上位机对机组启停控制无异常，实现了新老监控系统之间的无扰切换。

4 实施效果

（1）解决了原上位机SUN主机设备停产、无备件可更换、技术支持困难的问题。新系统上位机为主流惠普品牌，硬件配置冗余，备件充足。

（2）解决了原监控系统光纤环网断网无法自动切换问题，重新敷设了新监控光纤环网，并将网络带宽由百兆以太网升级为千兆以太网。

（3）解决了原系统不满足二次安防新要求的问题。新系统全面满足二次安防要求，配置安全监测平台。

（4）解决了原数据服务器不稳定，曲线及报表查询功能不完整的问题。新系统支持丰富的曲线及报表查询功能，历史数据存储稳健，存储容量大。

（5）解决了原系统调度通信链路无法扩充的问题。新系统调度通信链路自由配置，能适应多平面、多通道的新要求。

（6）解决了监控系统上位机主机采用不安全操作系统的问题，新监控系统上位机全部采用Linux系统。

（7）解决了原上位机报警系统无法满足报警精简分类的要求。新监控系统报警功能丰富，运维方便。

（8）解决了原监控系统人机界面不友好的问题。新监控系统全面支持中文，可根据要求自由定制人机界面。

（9）解决了原监控系统采用存在安全漏洞的赫斯曼交换机问题，新监控系统采用国产东土交换机。