厄瓜多尔MINAS电站监控系统的设计特点

2021-11-15汪华强杨春霞

水电站机电技术 2021年10期

汪华强，杨春霞，张捷

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

MINAS电站由西班牙设计咨询公司撰写技术协议，不少技术要求和设计理念与国内电站差异较大，对监控系统软、硬件设计提出了一些新要求，项目实施具有一定的挑战性。该电站技术协议重视硬件和网络冗余，要求监控系统与外围系统或设备以通信为主，尽量减少电缆敷设。本文以此为出发点，简要论述该监控系统厂站控制层、现地控制层、电能计量系统和卫星时间同步系统的配置和设计方案，着重阐述：以现地控制层LCU为中心，实现其与厂站层数据服务器、外围系统或IED设备等通信链路的设计；针对不同种类数据和不同通信协议设备做的一些软硬件优化工作；尝试建立较完善的主备CPU切换机制、高度冗余、抗干扰强的通信架构，并加强了LCU对通信数据的有效性校验和通信自诊断能力。经过业主和监理现场测试和长期运行，系统总体情况稳定可靠。

1 电站概况

MINAS电站位于南美洲厄瓜多尔共和国，工程由碾压混凝土大坝、发电引水隧道、地下厂房、地面开关站和尾水隧洞等组成，物理位置分散且彼此距离甚远，电站装设3台90 MW的冲击式水轮机发电机组，无发电机出口断路器（GCB），电气主接线如图1所示。

2 设计原则

MINAS电站监控系统是按照“无人值班”（少人值守）的原则设计，其主干网络根据电站的具体情况和监控系统的实际需求进行设计，既要考虑到数据传输的实时性和可靠性，还要兼顾通信设备位置分散、距离远、通信介质抗干扰能力以及通信诊断报警等方面。厂站控制层不仅负责对现地控制层LCU的数据采集和控制，而且需要与电能计量系统、国家能源控制中心、上下游电站、状态监测系统和故障录波系统通信。现地控制层LCU负责与辅助系统、IED设备（智能仪表、监测设备）通信，实时采集数据，且将以通信方式（非继电器输出）为主完成对辅助系统和IED设备的操控，所有通信采用双机或双通道冗余。

3 技术方案

MINAS监控系统包括厂站控制层、现地控制层、电能计量系统、卫星时间同步系统4个部分。现地控制层包含3套机组LCU、3套230 kV开关站LCU、1套厂房公用LCU、1套大坝闸门LCU。厂站控制层包含2台数据服务器、3台操作员站、1台工程师站、2台调度通信工作站、1台厂内通信工作站、2台厂站层交换机以及打印机等主机和网络设备。电能计量系统包含1台电能量监视工作站、2台电能量交换机和3面现地测量屏。卫星时间同步系统包含2台互为备用的主时钟，9台二级时钟分布于现地层LCU，如图2所示。

图2 系统配置图

3.1 厂站控制层

厂站层关键设备采用主备冗余配置，如数据采集服务器、调度通信服务器、操作员工作站、控制网交换机、卫星时间同步时钟等。

SCADA厂站层与国家能源控制中心使用双主机（双通道）冗余通信，一路通道采用IEC60870-5-101协议，另一路通道使用IEC60870-5-104协议。采用IEC60870-5-103、IEC60870-5-104与故障录波系统和上下游电站通信，通过Modbus TCP/IP和DLT645 TCP/IP分别与机组出线电能量表和机组关口能量表通信。

厂站控制层数据服务器与现地机组LCU、开关站LCU及公用LCU间的数据网采用双环网结构，与大坝LCU间的数据网使用双星型结构，通信介质使用单模光纤。

3.2 现地控制层

现地控制层LCU工作电源采用交直流双路供电，CPU电源和I/O电源回路分开独立供电。PLC选择GE-PAC3i系列，主备冗余CPU（CPU1/2）和双网A/B配置。

主备CPU（CPU1/2）与I/O从站构成Profinet环网总线，I/O从站配置一般开关量输入/输出、模拟量输入/输出模块，SOE中断量模块则配置在专用从站（SOE站），SOE站采用单CPU和双网A/B配置。

IEC61850通信站（ECM站），也采用单CPU和双网A/B配置,并设置双通信模块（ECM61850），负责建立IEC61850通信双通道。SOE站和ECM站串联接入主备CPU1/2，他们之间通过EGD组播方式实现数据交换。

现地层LCU与外围辅助系统（或IED设备）通信统一使用单模光纤，每套LCU配置2台微型通信管理机（CPC1/2），互为备用，CPC1/2下行端口分别与外围设备建立光纤通道，负责数据采集和接收操作指令转发至外围设备，支持多种通信协议的设备接入。由于CPU模块（CPE330）支持两个独立的10/100/1000 以太网 LANs，其中LAN1有2个RJ45口，LAN2有1个RJ45口，网络模块（ETM001）包含2个RJ45口，所以优先组建CPU1/2与DBS1/2、SOE站主干网A/B后，CPC1/2与CPU1/2将会交叉连接形成A1/B1/C1/D1，其中C1/D1独立于主干网A/B。LCU通信架构如图3所示。

图3 LCU通信架构图

3.3 电能计量系统

230 kV地面开关站配置6块ION电能量表，测量三段间隔主变高压侧的输出电量，每段间隔配置2块主备ION表，通过电能量交换机(EMS Switch 1/2)接入国家能源中心。厂站层配置1台电能量监视工作站（EMS Station），配置3块网卡，1块网卡连接电能量交换机(EMS Switch 1)，采用Modbus TCP/IP协议与6块ION表通信，另两块网卡与主干网交换机（Main Switch 1/2）连接，采用DLT645 TCP/IP协议与3台机组关口能量表（M1～M3）通信，系统结构如图4所示。

图4 电能计量系统结构图

3.4 卫星时间同步系统

2台主备一级时钟（Clock1/2）布置在地面开关站继电保护室接入环网交换机，管理同步二级时钟，并提供NTP和SNTP授时服务。9台二级时钟布置在各LCU盘柜和机房，对非网络授时设备提供IRIG-B、串口或脉冲对时服务，对时结构见图5。

图5 卫星时间同步结构图

4 系统实现及特点

根据上述技术方案，MINAS所有子系统和外围设备数据汇聚于监控系统，具有前置人机界面友好，后台软件自动化集成度高等特点。除了硬件和网络的冗余设计之外，在软件程序方面进行了针对性地开发，建立有效的管理机制，加强上下行数据通信的监管，实现所有数据通信实时、高效、可靠。

4.1 人机界面多语言化

监控系统人机界面包含中文、英文和西班牙文3种语言，支持一键切换，满足不同人群使用。

4.2 主备CPU切换机制

CPU1/2作为现地LCU数据采集和处理中心，为保障数据采集可靠冗余，除硬件和通信链路的冗余架构外，配套的数据传输监管和CPU切换机制必不可少，最终实现通信链路任一节点或网络故障时，CPU能快速识别并做出合理的响应。

现地LCU通信架构如图3所示，上位机数据采集服务器DBS1/2、微型通信管理机CPC1/2配置双机双网，SOE站和ECM站单机双网配置。主备CPU1/2、DBS1/2、SOE站、ECM站和 CPC1/2构成完整的数据链路。根据链路上各设备节点网络硬件配置、接入数据重要性划分不同的优先级。某个节点网络故障时，切换程序将基于其优先级别和备用网络情况自主选择是否切换CPU。

此外在ECM站和CPC1/2上也开发了配套的通信程序，加强监管上行端口状态和下行端口串联的每个设备通信状态，发现通信状态异常时及时发出报警，防患于未然。

为方便描述，暂定优先级别从高到低依次为P0、P1、P2、P3、P4，如PLC内部硬件或Profinet环网等故障，GE PLC有内部切换机制无需干涉，优先级别定为P0，其他节点视重要性分别定义优先级别，主要体现在以下4个方面：

（1）SOE站与CPU1/2

SOE站单CPU双网卡，A/B网分别接入CPU1/2，SOE模块接入了一些信号参与重要设备的控制，优先级定为P1。当CPU1为主CPU，SOE站A网故障时将直接切换CPU，切换至B网采集。当CPU2为主CPU，SOE站B网故障时将直接切换CPU，切换至A网采集。当SOE站CPU发生故障或A/B网都故障时，不切换CPU1/2，发出严重警报提醒运行人员做进一步处理。

（2）CPC1/2与CPU1/2

CPC1/2上行链路A1 /B1/C1/D1与CPU1/2交叉连接，CPC1/2接入外围通信对象大部分属于辅助设备，优先级定为P2。当CPU1为主CPU，CPU1优先使用B1网数据，B1网故障后，CPU1采用C1网数据，当B1和C1同时中断且优先级高于P2的节点通信正常时，才进行主备CPU切换。当CPU2为主CPU时，切换原则相同。

（3）CPU1/2与DBS1/2

DBS1/2与CPC1/2配置相同，经过交换机Switch1/2与CUP1/2连接，冗余度最高，但因其不属于LCU现地控制层设备，优先等级低于CPC1/2，定为P3。当CPU1为主CPU，DBS1为主采集服务器，CPU1与DBS1之间A、B网通信同时中断后，如果优先级高于P3的节点通信均正常，主备CPU仅做一次切换，以避免网络不稳定，重复不断切换CPU。CPU2为主CPU时遵循相同原则。

（4）ECM站与CPU1/2

ECM站配置与SOE站类似，单机双网，负责与线路继电器保护装置通信，主要读取保护动作事件记录等信息，采样点不参与PLC逻辑控制，优先级最低为P4。当ECM站网络E1故障时数据采集选择备用网络E2，并发出报警信息，但不会触发主备CPU切换。

综上所述，PLC程序根据故障节点优先级别和备用网络情况，最大限度地保障了通信数据实时可靠。