全国产水电机组计算机监控系统

谈 博，裴海林，赵晓嘉，陈映喜，牛利涛，张 钢

（1.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054； 2.华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南 大理 675702）

计算机监控系统作为水电厂“无人值班、少人值守”的自动控制中枢神经，其设备可靠是电厂安全稳定运行的保证[1-3]。目前各类型水电厂均配备成熟的监控系统，但其核心软硬件设备主要以进口产品为主[4-5]。国内外主流水电监控系统制造商为中水科、南瑞水电、国电南自、安德里兹及西门子等。

随着工业互联网、智慧电厂的建设以及中美贸易摩擦的加剧，电力网络安全和“卡脖子”断供风险是当前水电企业面临的重大挑战。为保障国家能源领域安全，“华电睿信”“华能睿渥”全国产水电计算机监控系统在近期投入商用，初步解决了我国水电行业控制系统的“卡脖子”问题，堵住了生产运行安全的“后门”[6]。

本文通过收集、调研和分析某集团各水电厂的计算机监控系统配置及运行状况，发现控制功能存在的问题，如系统老化后的性能降低、早期产品停产导致缺少备品备件、软硬件兼容性不足、多产品互联互通困难、系统构架不满足新标准等[7-8]。同时，以华能睿渥HNICS-H316全国产水电监控系统为例，结合该系统在某大型、中小型水电站的运行效果，从使用成本、通用性、适用性、控制性能等方面提出优化建议，为全面开展水电监控系统的国产化改造提供技术参考。

1 控制系统概况

水电监控系统的核心设计原则是“无人值班、少人值守”，功能上满足调度自动化的要求，能远程实现监控机组开停机、功率设定、负荷调整、电气开关操作等功能[9-10]。广义的监控系统包含厂站级系统、现地控制单元、辅控系统及关联设备[11]。

1.1 监控系统配置

监控系统以核心交换机为枢纽，采用开放的分层分布式结构，现地控制单元接入交换机，厂站级上位机也通过装设的双网卡接入交换机，形成上、下位机间信息互通。各辅控系统以通用PLC作为分布式IO，通过Modbus TCP/IP、IEC61850等协议与现地控制单元进行通信[12-13]。

某集团下属32家水电公司53个电站，总装机容量超过2 700万kW。经过调研得知，该集团监控系统集成厂家有11家，分别为南瑞水电、安德里兹、中水科、国电南自等，设备型号达到20余种。集成厂家具体统计数据如图1所示。

图1 各水电厂监控系统集成厂家统计 Fig.1 Statistics of supervision and control system integration manufacturers for hydropower plants

1.2 辅控系统配置

辅控系统指水电厂辅助设备的油、水、气系统及闸门等控制单元，具体为油压装置控制系统、推力外循环系统、高顶控制系统、防水淹厂房系统、技术供水系统、主变冷却供水系统、顶盖排水系统、检修/渗漏/防洪排水系统、压气系统、制动系统、进水口闸门系统、泄洪表孔/中孔/底孔控制系统、水位测量系统、发电机定转子测温等[14]。

该集团各水电厂的辅控系统主要使用8家通用PLC，见表1。系统集成厂家超过20家，使用PLC的型号达到30余种。

表1 各水电厂辅控系统PLC情况 Tab.1 Application of auxiliary control system PLC for hydropower plants

1.3 关联设备配置

系统状态监测与故障诊断是实现智能水电站的重要保证，为保证机组运行的可靠性和相对独立性，该集团各水电站还配置以下智能单元：同期装置、测速装置、励磁系统、电能表、交流采样装置、振摆保护/在线监测系统及调速器系统等。这些关联设备为专家远程设备监测、分析、故障诊断及维护决策提供了交互式信息平台，为运行人员把握设备健康状况提供了强有力的辅助工具[15]。

2 运行状况及问题

该集团各水电厂监控系统控制项目基本齐全，分布于机组、厂用电及公用系统、辅控、开关站、坝区等。随着投产年限的增加，部分水电厂监控系统的控制功能出现一些问题。

2.1 运行年限

监控系统运行年限超过10年，设备故障率逐渐升高，存在安全隐患。根据运行年限，将安全系数分为正常运行（0～10年）、一般严重（10～15年）、比较严重（15～20年）及非常严重（20年以上）。该集团各水电厂监控系统运行年限分布如图2所示。

图2 各水电厂监控系统运行年限分布 Fig.2 Operation time distribution of the supervision and control system for hydropower plants

由图2可见，超过20%的水电厂监控系统严重老化，控制性能降低。部分水电厂在机组启停、运 行期间曾出现卡件损坏、通信模块故障、数据丢失、控制器死机、服务器宕机等现象，严重影响水电机组安全稳定运行。超过10%的辅控PLC已停产，备品备件短缺，面临急需改造升级的状况。

2.2 软硬件问题

由于计算机、通信、自动化技术的高速发展，水电企业进入“无人值班、少人值守”的管理模式。但部分电厂监控系统软硬件性能无法达到最新技术要求，主要表现为：

1）网络安全设备缺少前瞻性以纵向加密认证、横向隔离、专用防火墙及逻辑隔离为核心的被动防御机制，对已知安全漏洞发挥了重要的防御作用。然而，信息网络的各种漏洞和脆弱性严重威胁电力网络的安全运行，需借助安全态势感知、安全审计、漏洞挖掘/扫描、入侵检测及堡垒机等系统，构建多层级的主动防御框架。部分水电厂设计时缺乏前瞻性，监控系统核心交换机的内存容量、预留网口/串口的数量等无法适应网络安全设备的更新，上位机房的物理位置也存在不宜扩容的窘境。

2）CPU及I/O模件的性能降低少数水电厂监控系统存在CPU及I/O模件性能降低的问题。当设备重新上电时，只有多次冷态重启CPU后，才能正常工作；当机组运行且现地控制柜门打开时，附近对讲机带来的电磁场干扰会引起I/O模件信号突变，造成机组调节、保护误动或拒动；测温控制柜内的RTD模件故障，导致温度数值无法正常刷新，只有热插拔模件后，采集数据才能正常上送。

3）硬件配置无法兼容软件升级、系统扩容的需求随着工业互联网、智慧电厂等新兴信息技术的 发展应用，部分水电厂监控系统的硬件配置过低，无法兼容软件升级后的需求。例如：监控系统升级软件时，出现上位机、触摸屏、现地控制器运行速度慢或卡顿现象；远动通信装置频繁出现宕机，造成上送数据中断故障；辅控系统使用的早期通用PLC，其通信接口极易损坏。

2.3 多产品互联互通困难

近年来，各流域水电厂投产时间跨度较长，流域内水电厂、集控中心及电网调度的上位机/远动通信装置往往有数个厂家，控制系统间需增加额外的网关机，遵循相同的通信规约，方能确保全流域控制系统的互联互通。

部分水电厂辅控系统使用的PLC种类繁杂，通信规约各异，增加了运维检修的成本和难度。个别水电厂采用不安全的单环形网络联接至核心交换机，影响监控系统分层分布的安全网络布局，不满足《700 MW及以上机组水电厂计算机监控系统基本技术条件》（DL/T 1626—2016）的要求[7]。

2.4 系统构架不适应最新标准

老、旧、小水电厂的计算机监控系统不满足反措及标准规范要求[7-8]。例如：监测机组运行的温度、振摆等重要参数未送至监控系统；水机后备保护系统的输入信号、供电电源不独立于机组现地控制单元；监控上位机系统与开关站GIS保护柜、涉网设备等共用一套UPS电源。

部分水电厂I/O测点的布置缺少预见性，将备用通道留在最后模件。当个别I/O通道发生异常故障时，由于线缆长度受限，无法接入备用通道，只能通过更换整个模件来解决，增加了监控系统的维护成本和难度。

3 国产化系统的实施及研究

3.1 国产化系统配置

本文以华能睿渥HNICS-H316控制平台为例，对水电机组计算机监控系统进行说明。国内首套700 MW水电机组全国产计算机监控系统在云南某大型水电厂投运，中小型水电全国产计算机监控系统在云南某中小型水电厂改造完成，下位机均采用华能睿渥FCP100型PLC搭建。大型、中小型全国产水电机组计算机监控系统配置见表2。由表2可见：集成平台、上位机操作系统、核心交换机与时钟同步系统等配套不同国产厂商设备，大型水电机组监控系统的AGC/AVC使用下位机控制机架。通过2个水电厂实际运行状况，检验全国产水电机组监控系统的性能，为后续水电机组监控系统的改造提供经验。

表2 全国产水电机组计算机监控系统配置 Tab.2 Configuration of domestic supervision and control system for hydropower plants

3.2 网络架构

以大型水电机组全国产计算机监控系统为例，其整体网络架构是双环形+双星形混合网络架构，分为厂站控制层、现地控制单元及网络安全系统，如图3所示。由图3可见，厂站控制层由集控通信服务器、省调/网调通信服务器、SCADA服务器、历史服务器、操作员站、工程师站、ONCALL工作站、数据转发服务器、AGC/AVC装置、核心交换机与同步时钟系统等组成。现地控制单元分为机组LCU、测温LCU、辅控系统LCU、开关站LCU、公用LCU、坝区LCU及厂用电LCU。其中，机组LCU包含主控PLC、水机后备保护PLC、辅控直送PLC与进水口闸门远程I/O柜。网络安全系统的主要设备为纵向加密装置、横向隔离装置、工控漏洞扫描平台、日志安全审计、堡垒机、态势感知和安全防护管理网等。其中，安全防护管理网包含安防交换机、防病毒系统、入侵检测、工控安全审计、数据库安全审计、网络威胁感知及安全管理平台。

图3 大型水电厂国产监控系统网络架构 Fig.3 Network architecture of domestic supervision and control system for large hydropower plants

4 国产化系统的难点及建议

4.1 系统迁移方案

在充分考虑新、老监控系统部分设备并行运行的基础上，确保国产化改造期间水电厂的安全、平 稳过渡，制定“安全、可靠、实用”的迁移方案。提前研发与集控中心远动装置间的网关机及通信规约，与调度、集控的通信符合电力网络安全的要求。大型水电厂监控系统迁移方案如图4所示。

图4 大型水电厂监控系统迁移方案 Fig.4 Migrated scheme of supervision and control system for large hydropower plants

上位机迁移方案的具体步骤为：

1）以改造网关机为中介，通过IEC104规约完成新、老监控系统通信机、SCADA服务器的数据交互。

2）将老系统集控通信机2作为新系统网关机使用，老系统集控通信机1通过原电网、电信通道与集控中心进行IEC104通信，集控通信机2通过局域网通道与改造网关机进行IEC104通信。

3）增设2台交换机和网关机形成双机双网结构，在老系统集控服务器端口配置与新系统通信的相关参数。

4）网关机与新系统SCADA服务器、集控/网调/省调通信服务器均按照IEC104通信规约进行配置，与AGC/AVC装置采用Modbus协议联接。

5）信号接入与调试，完成迁移工作。

4.2 改造实施难点

监控系统国产化改造是技术全面升级的机会，解决了多项生产运维、技术监督、网络安全等方面的遗留问题，降低了因设备故障引起非停的风险，提高了设备运行的安全系数和经济效益。

1）依据水电行业的标准、规范及习惯，优化上下位机系统的组态、画面、数据库、功能及人机界面等内容。代表项目包括：图形编辑软件增加适于水电设备的基本图形；解决数据库组态完成发布而引起SCADA服务器运行中断的故障；优化四遥一览表的列举及时间筛选功能；组态软件增加多个适配水电控制的逻辑块（如变脉宽输出块、多路选择模块等）。

2）利用国产化改造的契机，解决日常技术监督遗留问题[8]。例如：高温保护项内，所有温度点进行温升速率及元件品质判断，提高保护的可靠性；排查水机保护逻辑的单点问题，增加独立的输入信号进行冗余判断，降低保护误动、拒动的风险；检查上位机、控制器、网络、电源、水机后备保护及I/O点分布等系统配置，达到安全、可靠、易维护的要求；核实监控系统为单点接地，确保机柜及电缆屏蔽层通过等电位网可靠接地。

3）合理设置组态逻辑的扫描周期，避免功率调节的最小脉宽受到限制。研究机组处于各段水头的运行工况，判断功率调节的性能是否满足精度和速率的需求。当存在较大偏差时，将功率调节的组态放置在更小的扫描周期逻辑页内，同时兼顾CPU的负载率，不超过额定负载率的70%。

4）下位机组态配置新增全局变量后，触摸屏无法显示测点正确状态；上位机无法反应50 ms以下SOE信号的时序。这主要是由于触摸屏、上位机与下位机之间Modbus协议不匹配，原通信地址全部错乱。重新校对Modbus协议后，解决了此问题。

4.3 与现役成熟系统比较

当前，安德里茨、ABB、南瑞水电和中水科等国内外厂家拥有成熟的水电监控系统，已在各类型水电厂大规模应用。全国产华能睿渥HNICS-H316系统与现役成熟系统进行对比，其性能参数见表3。

表3 全国产水电机组计算机监控系统配置 Tab.3 Configuration of totally-domestic supervision and control system for hydropower plants

全国产华能睿渥HNICS-H316监控系统的多项技术指标超过国内外同类产品，能够满足水电厂运行要求。该监控平台的操作系统、SCADA软件、数据库等核心软件均使用国产软件，核心芯片全部国产，首次实现软硬件100%国产化，解决了核心芯片断供风险，堵住了信息安全的“后门”。

华能睿渥HNICS-H316是在华能睿渥HNICST316（火电版）的基础上，结合水电机组的特性及现场需求改造而成，已在某大型、中小型水电厂运行一段时间，整体控制效果良好。但是与成熟监控系统比较，在使用成本、通用性、适用性、控制性能等方面仍有不足，存在进一步优化空间。

4.4 研发方向建议

通过与成熟监控系统比较，明确了华能睿渥HNICS-H316系统的优缺点，为进一步完善优化全国产华能睿渥HNICS-H316系统，提出以下研究方向：

1）PLC型号多样化华能睿渥HNICS-H316水电监控系统仅有FCP100型的高性能PLC，对于功能简单的辅控系统，其使用成本过高。因此，可开发功能简单的国产小型PLC，以适应水电厂分层式监控的特点，也是降低使用成本的关键。

2）单对LCU、全厂的数据变量总数扩容对于全厂制的水电监控系统而言，数据变量总数的受限将直接约束机组远程I/O柜的拓展。以某大型水电厂监控系统为例，国产系统单台机组PLC的数量为10个，比原系统多1倍。扩充监控系统的数据变量总数，可提高国产水电监控系统的性价比。

3）国产监控系统的通用性该系统支持IEC104通信规约、IEC61850、Modbus协议，但是各水电厂的部分辅控PLC、闸门编码器等系统仅支持其他通用或私有规约，部分地调管辖的水电厂使用IEC101通信规约，因而提前研发适配更多协议的通信模块，是增强国产监控系统通用性的途径。

4）数据库的同步问题 国产水电监控系统进行数据操作时，必须分别修改上、下位机内的数据库信息，然后手动依次发布。今后，可优化数据库更新后选择节点发布和一键发布功能，完善数据库更新的智能化操作。

5 结 语

本文以某集团水电监控系统的配置及运行状况为调研对象，重点关注监控系统老化后的性能、备品备件、软硬件配置、多产品互联互通及整体构架等方面问题，掌握了各水电厂监控系统、辅控系统及关联设备的实际运行情况及存在的共性问题。以华能睿渥HNICS-H316全国产水电监控系统为例，结合其在某大型、中小型水电站试运的良好效果，从其使用成本、通用性和控制性能等方面提出优化建议，为全国产水电监控系统的进一步发展提供参考。