潮州供水枢纽电站计算机监控系统改造设计

陈云昊

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

1 工程概述

潮州供水枢纽位于韩江流域下游东、西河段内，坝址距潮州市约3.8 km，坝址控制集水面积为29 084 km2，潮安站多年平均降雨量为1 610 mm，多年平均径流量为251亿m3。潮州供水枢纽分东溪电站和西溪电站，分别坐落于枢纽东溪右岸和西溪左岸，属于低水头径流式电站。东溪电站和西溪电站共安装有4台灯泡贯流式机组，总装机容量为46 MW，保证出力为9 710 kW，年利用小时数为4 449 h。其中，东溪电站装机容量为2×9 MW，出线T接110 kV潮桥I线；西溪电站装机容量为2×14 MW，出线T接110 kV潮官线。东溪电站和西溪电站投运至今，累计发电约11.5亿kWh。

潮州供水枢纽工程的建设结合了水资源综合调度和优化，最大限度提升枢纽的综合效益。该工程建立了自动化系统和计算机网络，实现机电设备、水资源及水工建筑物的自动化控制、预测运行调度和监视管理，有效提高了枢纽运行管理水平，达到最佳经济效益。

2 现状及存在问题

1.1 工程计算机监控系统现状

潮州供水枢纽于2005年建成并投运。该工程建立了水情测报系统、电站计算机监控系统、拦河闸监控系统、船闸监控系统、收费调度系统、工业电视系统、通信网络系统、枢纽消防预警系统、大坝安全监测系统等11个子系统。全系统通过计算机网络连接，所有信息数据汇入位于运行管理大楼计算机中心的中心服务器，系统共分为3层，分别为：潮州供水枢纽管理中心计算机系统(管理层)，位于运行管理大楼；枢纽调度中心计算机系统(调度层)，位于运行管理大楼，包括多个应用子系统；现地层，电站监控现地单元。实现调度层、监控层和现地层3种控制方式。原枢纽计算机监控系统如图1所示。

潮州供水枢纽计算机监控系统已运行10多年，满足了潮州供水枢纽的日常生产需要，极大地提高了生产效率和自动化水平。随着运行年限增加，出现了设备陈旧老化，部分设备产品已淘汰，备品备件采购困难等问题，系统的可利用资源明显降低，响应慢，通讯故障、死机现象增多；系统软件受硬件配置限制无法升级，不能很好满足调度运行要求。

1.2 存在的问题

1) 硬件设备存在的问题

原计算机监控系统上位机已投运超过10 a，随着运行年限的增加，上位机设备出现陈旧老化、响应缓慢、频繁死机等现象。因上位机设备产品已停产，维修备件采购困难，对枢纽运行维护造成不利影响。

枢纽东、西溪电站辅机及公用系统控制柜触摸屏已停产，维修更换困难。原枢纽辅机及公用系统设备通过磁力启动器进行设备开机，经过多年的运行，磁力启动器故障率逐渐增加，常发生因发热而造成控制柜烧毁的现象，存在较大的安全隐患。

图1 改造前潮州供水枢纽电站计算机监控系统结构示意

2) 软件存在的问题

潮州供水枢纽计算机监控系统的监控软件EC2000运行时间长久，枢纽上位机出现中病毒、死机、运行缓慢、通信中断等现象。因监控软件EC2000已停产多年，熟悉该软件系统维护的技术人员也在逐年减少，枢纽计算机系统的运行管理面临着极大的安全风险。

EC2000监控软件需安装在WINDOS NT架构下，目前该架构已停产多年，市面上主流的计算机大多已不支持WINDOWS NT架构。此现象导致了枢纽计算机监控系统主机工作站无法进行更换，一旦发生工作站系统崩溃，枢纽的运行安全将受到严重影响。

3 改造目标及原则

3.1 改造目标

1) 改造后的枢纽电站计算机监控系统采用技术成熟且性能可靠的硬件设备和软件系统，软硬件配置充分利用信息科技领域的先进技术，消除原系统故障缺陷，使新系统能适应信息技术快速发展的需要[1]。

2) 应用互联网+和大数据技术，以信息数字化、通信网络化、运行最优化、决策智能化为特征，自动完成采集、测量、控制、保护等功能，具备经济运行、在线分析评估决策支持、安全防护多系统联动功能，实现生产运行安全可靠、经济高效[2]。

3.2 改造原则

1) 潮州供水枢纽计算机监控系统对枢纽东溪水电站和西溪水电站实行集控中心集中控制，电站按“无人值班”(少人值守)的原则进行总体设计及系统配置[3]。

2) 潮州供水枢纽计算机监控系统实时、准确、可靠并有效地完成对各电站所有被控对象的安全监视和控制。

3) 计算机监控系统为容错设计，设计高度可靠、冗余，系统本身的局部故障不影响现场设备的正常运行，不因其中1台机器设备发生故障而引起数据信息传输的停滞及系统的误判断。各现地控制单元在脱离主控级设备监控下，仍具备独立正常运行的能力。

4 计算机监控系统改造设计

4.1 系统结构

改造后的潮州供水枢纽计算机监控系统采用双机双网热备冗余的系统结构，系统主干网络为双环形工业以太网，现地控制单元主控模件采用双CPU热备冗余结构，充分保证了计算机监控系统的高可靠性和高可利用率[4]。改造后的枢纽计算机监控系统将集控中心、东溪电站和西溪电站三处上位机系统进行整合，在集控中心配置统一的计算机监控系统上位机设备实现对东溪电站和西溪电站各机组的监视控制[5]。东溪电站和西溪电站厂房中控室不再设置监控系统上位机设备，各电站只保留两套操作员工作站并配置两套网络交换机。东溪电站、西溪电站和集控中心交换机通过光缆连接，形成双环网。改造后的潮州供水枢纽计算机监控系统结构如图2所示。

图2 改造后潮州供水枢纽电站计算机监控系统结构示意

4.2 系统功能

改造后的潮州供水枢纽计算机监控系统在枢纽集控中心设置集控计算机监控系统，接受电网负荷设定，与水调自动化系统配合，根据流域水情、雨量报告、东、西溪电站水文动能及电站设备运行情况等相关参数，在满足电网正常调度的前提下，对各电站参与调度控制的机组制定运行计划，做到经济调度，确保各电站发电出力，自动分配有功和无功负荷到各电站[6]。枢纽电站计算机监控系统与电网调度信息管理系统相连，向其提供电站的生产运行信息，并接受调度给定的电站总负荷、下达的日负荷曲线、电压曲线及AGV、AVC命令，实现对电站的自动控制。

4.3 硬件更新

改造后的潮州供水枢纽计算机监控系统上位机采用开放式分层分布结构，全分布数据库。网络结构采用冗余快速交换式双环网工业以太局域网络，遵循IEEE802.3u标准、TCP/IP网络传输协议[7]。数据传输速率可达1 000/100 Mbps。系统在网络链路断线时，具备链路备份并进行网络数据传输恢复的功能。

1) 网络交换机：网络交换机采用千兆工业级以太网交换机，冗余配置。集控中心、西溪电站及东溪电站三点间重新铺设光纤搭建双环网，重新搭建后的系统能有效避免网络瓶颈，防止全网瘫痪。

2) 计算机：主控级计算机按功能分布设置，包括操作员工作站、通信工作站、实时数据服务器、历史数据服务器、工程师工作站、语音报警工作站及ON-CALL工作站等。各计算机通过RJ45电口与网络交换机相连，传输介质采用双绞网线。

3) GPS时钟对时系统：为保证时间的统一，本项目在集控中心安装一套GPS系统，通过光纤及GPS拓展板完成西溪电站和东溪电站的对时系统功能。

4) 现地控制单元LCU：改造后的现地控制单元LCU具备较强的独立运行能力，在脱离集控中心上位机的状态下能够完成对其监控范围内设备的实时数据采集、处理、设定值修改、设备工况调节转换、事故处理等任务，并带有其监控范围内设备的完整数据库[8]。

改造后的现地控制单元LCU采用双CPU、双网、双总线结构。两个CPU模块分别为主机运行和从机运行，通过高速内部总线进行实时数据备份。当主CPU出现故障时，从CPU能够自动升为主机运行，保证系统运行不受影响[9]。

4.4 软件功能完善

新监控系统软件平台实现了一体化的数据存储和完备的统计分析功能，可实现自动化部署和集中管理，支持IEC61850标准接入，具备安全可靠、集成标准、决策智能等特点，满足潮州供水枢纽东、西溪电站生产过程控制智能化、运行调度决策智能化及数据信息一体化的要求[10]。改造后的监控系统软件主要包括以下特点。

1) 统一标准的数据存储：改造后的监控系统作为统一的数据信息平台，具备对各自动化系统的数据信息进行整理组合的能力，通过标准数据接口和通用数据协议，对各子系统数据进行提取、传送、处理、存储，有效提升生产运行和管理维护的效率[1]。

2) 数据交换支持功能：改造后的监控系统可通过标准的通信协议进行数据信息传输，如远动通信规约IEC60870-5系列、变电站数据通信协议IEC61850-7系列。

3) 数据存储功能支持：改造后的监控系统具备合理的数据模型，采用数据压缩、特征值存储等方式，解决电力系统海量且多类型(开关量、模拟量、电度量、曲线等)的数据存储问题。

4) 数据统计分析：改造后的监控系统软件平台丰富了生产数据统计的功能，新增的数据信息记录分析功能包括模拟量越复限时间点查询、开关量与模拟量在曲线图中的对比查询、开关量动作时间、开关量持续时间等。新系统同时改善了人机接口环境和操作界面，有效减少运行人员对新系统的适应时间[12]。

5) 用户权限分类：对比原监控系统软件，新监控系统软件具备更细致的用户管理功能，可根据对象、节点、功能进行控制对象的制定。新系统同时支持组群管理功能，可对组群内用户的管理权限进行统一定义[12]。

5 结语

潮州供水枢纽电站计算机监控系统改造针对原系统现状和问题，以双机双网热备冗余结构为基础，对硬件设备和软件功能进行更新和完善，使改造后的计算机监控系统保证了高可靠性和高利用率，充分满足潮州供水枢纽电站运行管理的需求，供其他同类型工程借鉴。