全国产化计算机监控系统在水电厂的应用
2022-02-18张捷高继荣张子皿胡佳宁
张捷 高继荣 张子皿 胡佳宁
1. 中国水利水电科学院 北京 100038；2. 华能大理徐村水电厂 云南 大理 671000 3. 北京中水科水电科技开发有限公司 北京 100038
引言
华能大理水电有限责任公司徐村水电厂位于云南省大理州漾濞县与巍山县交界的漾濞江中段，电站装机容量85.8MW（3×28.6MW）。该电厂以前使用GE公司的PLC产品，由于目前中美两国关系紧张，为了防止因政治原因造成的“卡脖子”问题，需要对现有系统进行改造，硬件及软件系统全部需国产化[1]。本项目围绕着水电领域核心技术自主可控的目标，针对水电站计算机监控系统，研制国产化自主可控的PLC计算机监控系统，包括现地LCU软硬件、上位监控系统软硬件集成，以及水电站控制逻辑、算法，并应用。实现水电站计算机监控系统的自主可控，提升水电控制设备及软件的安全可控水平。
1 电厂监控系统的总体结构
徐村水电厂分为现地控制层、厂站控制层、GPS对时系统三部分。
现地控制层包括以下设备：3套机组LCU、1套开关站LCU、1套公用LCU、1套坝区LCU、1套防水淹厂房LCU。
厂站层包括以下设备：2套实时数据服务器、4套操作员工作站、1套工程师工作站、1套厂内通讯服务器、1套历史数据服务器、2套调度通讯服务器、1套语音报警及ON-CALL服务器、1套生产信息服务器、1套集控通讯服务器、6台交换机、3台纵向加密装置、1台横向隔离装置、1台防火墙。
GPS对时系统包括以下设备：1台GPS主钟、5台GPS二级钟。
具体结构图如图1所示（图见文末）。
图1 徐村水电厂计算机监控系统总体结构图
2 电厂监控系统的设计原则
徐村水电厂计算机监控系统按照以下原则进行设计。
2.1 核心部件冗余设计，提高机组控制的安全性
水电厂对于安全性的要求较高，部分核心部件需要采用冗余设计，在某个设备或线路损坏的情况下，备用设备或线路可以接过控制权继续控制机组。徐村的核心部件冗余设计如下[2]。
2.1.1 电源冗余。徐村水电厂采用双电源冗余为控制设备、I/O回路提供电源，在一路电源丢失的情况下，另外一路电源可以继续为其供电。
2.1.2 控制器冗余。徐村水电厂控制器采用冗余设计，在主用控制器出现故障的时候，备用控制器可以接管控制权。
2.1.3 I/O总线冗余。徐村水电厂采用双I/O总线方式设计，在一条总线出现断线的情况下，仍可以通过另外一条总线控制设备。
2.1.4 网络冗余。徐村水电厂采用冗余网络设计，在一条网络出现问题的时候，仍可以通过另外一条网络控制设备。
2.1.5 独立水机控制及电源设计。徐村水电厂采用独立水机控制方式，即采用单独的控制器控制机组事故停机，同时，水机控制单元拥有独立的电源，一旦主控制器部分电源全部丢失，仍可以通过水机控制单元停机。
2.1.6 服务器冗余设计。徐村水电厂采用冗余服务器控制方式，主用服务器损坏的情况下，计算机监控系统仍可以通过备用服务器对数据进行采集，对设备进行控制。
2.1.7 时钟信号冗余设计。徐村水电厂采用GPS、北斗双时钟信号守时模式，在一个信号消失的情况下，时钟采用另外一个信号对时。
2.2 核心设备及系统全部国产化[3]
①主要执行部件-PLC和同期装置全部国产化；②主要测量部件-功率变送器和交流采样表全部国产化；③主要供电设备-电源全部国产化；④计算机操作系统全部国产化；⑤计算机监控系统全部国产化；⑥对时系统采用国产北斗定时。
2.2.1 对外通讯采用国际标准。与外部设备通讯采用国际标准IEC104、IEC103、MODBUS等标准规约，大大提升了采集效率。
2.2.2 采用多控制权操作模式。徐村水电厂控制权模式可以在集控、厂站、现地侧进行无扰切换，切换到调度侧，操作人员可以在下关对远在60KM外的水轮机进行开停机操作；切换到厂站侧，操作人员可以在水电厂房内的中控室对水轮机进行开停机操作；切换到现地侧，操作员可以通过现地LCU的触摸屏对水轮机进行开停机操作。
2.2.3 完善的网络安全防护。徐村水电厂根据各个设备的功能，将电厂划分为如下区域：
安全区I：实时控制区，用于放置电厂一些与生产相关的设备，例如：SCADA服务器，通讯服务器，历史服务器，AGC/AVC服务器。
安全区II：非控制生产区，用于放置不具备控制功能的设备，例如：ON-CALL系统和厂内服务器系统。
安全区III：生产管理区，用于放置生产管理的系统，例如：生产信息服务器。
I区与II区之间通过防火墙隔离，II区与III区之间通过横向隔离装置隔离，调度与厂站层之间采用纵向加密装置隔离。
3 本次改造的难点
3.1 基于国产PLC的现地LCU研制
PLC是电厂数据采集和设备控制的核心部件，该设备是否稳定可靠直接决定电厂能否安全可靠的运行，本次改造的PLC全部采用国产零部件设计，包括CPU均为国产化产品。
3.2 国产操作系统和数据库与国产服务器适配
本次改造，操作系统采用更加安全的国产系统替代之前的Windows系统，数据库采用国产数据库替代之前的Oracle系统，所以，两种系统能否在一起运行，兼容性如何，均需要进行适配。
3.3 计算机监控系统与国产操作系统、数据库及国产服务器的适配及研发
计算机监控系统作为水电厂控制的核心部件，同样采用国产化系统，为使其满足兼容性要求，需要对其进行适配；操作系统和监控系统全部国产化，系统之间的兼容性如何，国产操作系统上是否有监控系统需要的函数库，监控系统能否正常运行在国产操作系统上，都需要进行适配工作。
3.4 计算机监控系统与国产PLC适配及研发
本次采用的国产PLC为最新产品，以前在水电厂没有应用的实例，故需要与计算机系统进行接口的开发，已满足计算机监控系统对数据的采集与设备的控制要求。
3.5 国产操作系统与硬件设备的适配
操作系统和服务器全部国产化，服务器的网卡、显卡、声卡、短信报警装置等硬件设备能否正常运行在国产操作系统下，需要进行适配工作。
3.5.1 国产触摸屏与国产PLC适配及研发。国产PLC与国产触摸屏之间为首次通讯，需要考虑通讯的接口配置问题，通讯的效率问题，通讯存储空间问题。
3.5.2 串口通信装置与国产PLC适配及研发。串口通信装置与国产PLC之间为首次通讯，需要考虑通讯的接口配置问题，通讯的效率问题，通讯存储空间问题，网络切换问题。
3.5.3 水电厂计算机监控系统顺控、逻辑、算法的设计与开发。本次改造采用国产PLC，需要熟悉国产PLC的属性，并考虑如何将原控制器中的顺控流程、逻辑与算法移植到国产PLC中，并完全实现原控制器中的所有设计意图。
4 改造后的测试
本次改造完毕之后，需要对整个系统进行测试，确定设备及功能的正确性，具体如下：
4.1 国产PLC的性能测试
PLC的性能测试包括模拟量输入通道精度测试，数字量输入通道开关测试，数字量输出通道开关测试，模拟量输出通道精度测试，SOE通道精度测试，CPU切换测试。
4.2 水电厂控制逻辑测试
水电厂控制逻辑测试包括机组开机测试、停机测试、紧急停机测试、机械事故停机测试、电气事故停机测试、有无功率调节测试，刀闸分合测试，水机保护逻辑测试。
4.3 通讯性能测试
数据采集服务器与CPU之间的通讯测试，历史数据服务器与数据采集服务器之间的通讯测试，厂内通讯服务器与厂内设备之间的通讯测试，调度侧与厂站侧之间的通讯测试。
4.4 画面逻辑测试
画面逻辑是否准确无误，画面设备布置是否美观，画面上的操作命令是否准确无误。
4.5 高级功能测试
AGC、AVC功能测试，ON-CALL功能测试，报表功能测试。
4.6 坝区临时方案测试
坝区目前仍采用GE PLC，改造之后需要通过监控系统与GE PLC之间进行通讯，直接控制坝区闸门。
4.7 时钟对时切换测试
目前时钟对时系统既支持GPS时钟对时，也支持北斗时钟对时，在某一个时钟错误的时候，系统可以进行无扰切换，保持时钟的正确。
4.8 网络切换测试
本次改造采用双网冗余结构，在任何一个网络出现问题的时候，系统会在另外一个网络上进行正常工作。
5 结束语
徐村计算机监控系统的投运，完全满足了全国产化的要求，可以对机组进行安全可靠的控制和数据采集，为国产化系统的推广打下了良好的基础。
