OPC协议在水电站监控系统国产化改造中的应用探讨

邹琦华

（中国华电集团有限公司衢州乌溪江分公司，浙江衢州 324000）

1 引言

OPC（OLE for Process Control），早期的定义是微软公司的嵌入技术、对象链接期间的技术，同时也是工业自动化软件面向对象的开发提供的一项统一标准。早期的水电站监控软件存在诸多弊端，特别是在开放性、灵活性、可重用性方面比较欠缺。现今使用的监控系统智能化更强，在开放性、灵活性、可重用性方面效果明显更强。与此同时，随着各类智能硬件设备的不断更新和丰富，采用一种更加标准、完善的通信协议非常必要，OPC 协议是为工厂底层设备数据进行传输和分类而提供一种标准，也是对控制室数据中的各项数据进行管理的一种标准，可以规避通信设备限制，使得系统更具有简便性。

2 水电站监控系统国产化改造背景

目前，我国多地的监控系统建立时间较早，使用了较长时间，在以前的监测体系中，软硬件平台的可靠性较差，再加上售后服务落后、不能保证时效性，导致监控系统的作用受到限制，难以扩充，从而导致水电站监控系统储存的各项数据在挖掘收集时容易出现纰漏，同时也使得多种主要设备容易发生故障[1]；一些水电站监控供应商出现变更时，运行的各项设备会处于停产状态，导致监控系统产品不能持续得到良好的技术支持和售后服务，水电站也无法再继续更新和维护系统软硬件，最终造成水电站的安全系统软硬件的运行受到影响；目前，现有的监测系统已不能适应电站越来越高的运营和管理需求，其中，工程师站、LCU 人机接口计算机、报警工作站、通信工作站、报表工作站等多项设备使用的系统均为Windows XP 系统，安全性相对较低，而国家能源局在2016 年颁布的《电力监控系统安全防护专项监管报告》中便提出了要不断推进电力监控系统实现国产化。

3 水电站监控系统国产化改造过程

某水电站位于下游河段。该电站为引水式开发，引用流量6.0 m/s，设计水头254.30 m，保证功率4.33 MW，年发电量6.603 7×107kW·h，年利用小时数为5 241 h。

3.1 水电站监控系统改造前期策划

3.1.1 水电站监控系统控制软件

华能睿渥HNICS-H316 控制软件为我国抽水蓄能电站应用较为广泛、技术较为成熟的国产化软件类型。

3.1.2 监控系统现地控制单元PLC

该水电站监控系统中地控制单元PLC 为我国在抽水蓄能电站中应用较为广泛、技术较为成熟的国产PLC，该PLC 监控系统通过双CPU 热备冗余方案，实现了CPU 冗余和网络冗余，符合中大型电站对监控系统的根本要求，能够有效解决控制柜空间问题和降低系统成本。

3.1.3 监控功能系统网络结构

水电站监控系统的组成部分主要包括：电站控制级、独立光纤硬布线紧急操作装置、现地控制单元级等。（1）电站控制级的设计方法为高度冗余，采取双主计算机方案，局域网络采用快速交换式以太环网结构，局域网络传播速度在1 000 Mb/s以上。（2）选择PLC 和独立的光纤作为本组系统的独立光纤硬布线紧急操作装置，确保在水电站遇到紧急事故而需要紧急关闭或机组紧急停机的时候能够达到预定要求。除此之外，水电站监控系统在中心联络及受其调度的接口的处理方式上选择预留与集中控制类型，整个系统的设计和实施原则遵循扩充性、可靠性、安全性以及简便性；电站网络结构为传播速度应高于1 000 Mb/s 的冗余光纤快速交换式以太环网结构。（3）现地控制单元设备（LCU）、电站控制级设备使用的网络均为局域网，根据实际情况合理选择网络交换机，要求与电站环境相适宜，应采用工业用以太网，传输速度≥1 000 Mb/s。冗余网络选用备用芯数在4 芯以上的独立光缆，2 根独立电缆可现场监控设备连接后，可选择现场总线技术和以太网作为面向监控对象的现场设备网络，通信方式的选择范围为IEC 60870-5-103、Profibus-DP、Worldfip、Genius、FF、Modbus、Device net、IEC 60870-5-101 等，通信选择一种主要类型，尽量不多于3 种；若无法应用数字通信的设备，可采用硬布线I/O。另一方面，一些重要的安全运行信息、事故信号、控制命令必须将硬布线I/O 和现场总线通信联合应用，以此提高通信运行的可靠性[2]。

3.2 技术难题

与常规的水电站不同，抽水蓄能电站对通信有更高的要求，在运行过程中，抽水蓄能电站静止变频器启动和设备组背对背启动需要通过各种LCU 可编程逻辑控制器实现信息（PLC）的交流。如此，新旧PLC 之间数据交互问题得以解决，这样才能实现对水电监控系统的成功改造，对于新老系统过渡运行，在操作技术方面存在的问题是阿尔斯通核心控制器C80-75 PLC 和国产化监控系统之间的数据流通。当前，阿尔斯通C80-75 PLC 由通用电气GE 生产，OPC 服务器作为新监控设备，运行期间读取和置位C80-75 PLC 各类型寄存器是基于OPC 网络协议完成，并由此实现了旧系统LUC 数据与新监控系统的交互。这种方式提高了通信的可靠性和安全性以及实时性，运行过程中不需要改动旧系统程序便能进行数据交互，从而使现地控制单元的原厂状态得到最大程度的保持，除此之外，选择GE 数据网关还能够完成新老系统的无缝通信，优势众多。

3.3 实施主要步骤

3.3.1 位机系统的改造和升级

在安装和调试完新的监控系统上位机及网络之后，需要完成以下工作：（1）对原监控系统的各个现地控制元PLC 内每一个变量的寄存器地址进行详细的梳理，在进行新老系统数据交互过程中选择OPC 网络协议进行访问，重新建立画面和数据库，通过这种方式控制和监视新监控系统上位机与老监控系统PLC，对实时通信进行调度和实现。（2）通过放空“上库”的方式检修监控设备时，应对每台仪器进行新监控系统网络OPC 网关机与现地控制单元LCU 与新接入的监控系统进行试验和调试，重点是验证OPC 侧的数据读写功能、通信冗余切换功能、数据刷新速率，在LCU 完全连接测试完毕后，所有LCU 都与新的监测体系连接，保证了可靠的数据传输。（3）通信服务器和OPC 网关机之间使用双链路的交叉连接，从而达到主备用的目的。通信转换为新的监控系统，并要保证在改造过程中，电站和调度室的自动服务一直处于正常状态，不得被打断，保证与调度的主要信息完整，确保AVC（自动电压控制系统）、AGC（有功功率自动控制系统）的正常连接不中断，以此最大限度地确保电厂生产的完全性和连续性。

3.3.2 监控系统现地控制单元的升级改造

进行改造前，（1）应优化原监控系统控制逻辑，以此确保原有程序的功能在系统升级改造之后正常保留，将原有的程序中由于正常情况引起的状变导致的警报解除，从而达到一个警报和一个故障相对应的目标，在减少值守人员工作冗杂性的同时提高其工作的精确性。（2）采用更加简单直接的条件重新编写旧程序中较为冗余繁杂的逻辑，以此减少占用内存，最大限度地提升PLC 处理速度。（3）进行改造时，采用法兰连接的方式将传统的控制装置与环网相连，避免对双环网络结构造成影响，将1 号机组的现场控制单元单独分离出来，以防止在运行过程中误认为盘柜的线路和错误报警信息。（4）升级后，LCU 配备了两个备用CPU，通过这种方法可以实时备份数据，并可以直接连接到上位机主交换机，与上位机的每个节点进行通讯。

在改造过程中，新旧下位机之间的数据通信问题突出，特别是与多个LCU 通信的过程中，这种背景下，每一个LCU 间的数据输送是通过OPC 网络协议读取C80-75 PLC 寄存器，然后和新监控系统PLC 进行数据双向交互，并进一步开展新监控系统与旧系统LCU 的数据交互而达到目标。其他现地LCU 的接入调试升级改造方法则按照机组LCU、附属用房LCU、公用辅机LCU、上下库LCU 的次序进行。

3.3.3 现场使用

首先，在进行升级改造的过程中，采用OPC 网关机进行隔离的方式，实现了新旧系统上位机的并联运行，避免了新旧系统之间的兼容问题，提高了系统的稳定性；其次，在升级改造过渡期间，针对已完成升级的现场控制装置PLC，采用光缆备用通道构成环形网络，与新的监测系统的上位机相连，而尚未更新的现场控制装置PLC 构成的环网，通过OPC 网关机连接新的监控系统上位机，二者之间利用OPC 网关机交换数据，从而完成SFC 抽水启动、设备组背靠背启动抽水，同时也保证了整个改造的顺利进行，保证了抽水和发电不受影响。

4 改造后的效果

1）通过系统改造后，原上位机SUN 主机设备停产、技术支持困难、无备件可更换的问题得到了有效解决；所应用的新系统上位机为主流品牌，系统所用的各项硬件配置冗余，日常所用的各种备件也比旧机更加充足。

2）原监控系统光纤环网断网无法自动切换问题得到了有效解决。通过对新监控光纤环网重新进行了敷设，这样就可以使以太网的带宽从100 Mbit/s 提高到1 000 Mbit/s。

3）该方案有效地解决了原有系统不能满足二次安防新需求的问题。升级后的新系统全面满足二次安防要求，同时还配备了安全监测平台。

4）提高了原有数据服务器的稳定度及曲线和报表的检索能力，改进后新的系统具有更多曲线和报告的检索功能，由于新系统的存储容量更大，因此，运行期间的数据能够更完整、丰富地储存，更有利于随时查询历史数据。

5）提高了系统调度通讯链接的扩展能力。通过对新型通信网络的重新设计，可以满足多通道、多平面的需求[3]。

6）提升了主机操作系统的安全性。新系统采用Linux 系统。

7）改善了监控系统人机界面。旧系统全部采用英文，而新的系统则全面支持中文，还能够按照实际要求自由定制人机界面，使界面更加友好。

5 结语

如今，电力已成为各行各业的基础设施，这就导致了水电站承载的负荷不断加重，因此，无论是水电站各项基础设备设施还是配套的监控系统，均需要不断地改进和完善。水电站监控系统国产化改造是我国水电站系统的一次重要改革，在这一改革中，OPC 协议引入的一些重要标准具有很强的开放性、灵活性、可重用性，并通过本研究再次得到验证。