淺析大橋水庫(kù)水力發(fā)電廠通訊網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展方向

蘇　亞

(涼山州大橋水電開(kāi)發(fā)總公司，四川 西昌　615000)

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淺析大橋水庫(kù)水力發(fā)電廠通訊網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展方向

蘇亞

(涼山州大橋水電開(kāi)發(fā)總公司，四川 西昌615000)

摘要：介紹了大橋水庫(kù)水力發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)目前的狀況及存在的問(wèn)題，對(duì)未來(lái)計(jì)算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)及遠(yuǎn)控中心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)做初步的規(guī)劃。

關(guān)鍵詞：水利發(fā)電廠；監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；遠(yuǎn)控中心網(wǎng)絡(luò)

Abstract：The current situation and existing problems of computer monitoring network in hydroelectric power plant of Daqiao Reservoir are introduced, and the preliminary planning for the network construction of future computer monitoring and remote control center is carried out.

Key words：hydroelectric generation plant; monitoring system network; remote control center network

大橋水庫(kù)水力發(fā)電廠位于四川省涼山州冕寧縣境內(nèi)，是安寧河流域開(kāi)發(fā)的龍頭電廠，電廠為引水式電廠。電廠最大水頭189 m，設(shè)計(jì)水頭156 m，最小水頭130 m。安裝4臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量25 MW共 100 MW。電廠始建于1993年11月，于2000年6月投產(chǎn)。大橋水庫(kù)水力發(fā)電廠水庫(kù)具有年調(diào)節(jié)性能，是四川電網(wǎng)枯季主力電廠之一。

1大橋電廠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基本情況

1.1電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)情況

受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)與價(jià)格等因素，大橋電廠廠內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為單星型網(wǎng)絡(luò)，該結(jié)構(gòu)一般只設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)來(lái)連接上位機(jī)各節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)地各控制單元。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低;但同樣也有不少缺點(diǎn)，如過(guò)度依賴單一網(wǎng)絡(luò)，中心節(jié)點(diǎn)工作負(fù)擔(dān)過(guò)重，單一網(wǎng)絡(luò)或任一中心節(jié)點(diǎn)故障后整個(gè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)便趨于癱瘓。

大橋電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次分廠站級(jí)和現(xiàn)地級(jí)：廠站級(jí)網(wǎng)絡(luò)，由100 Mbps的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、2臺(tái)上位機(jī)操作員站、2臺(tái)后臺(tái)服務(wù)器及2臺(tái)通訊機(jī)組成，負(fù)責(zé)全廠設(shè)備的監(jiān)視、控制指令的下達(dá)和管理；現(xiàn)地級(jí)網(wǎng)絡(luò)，由開(kāi)關(guān)站LCU、公用LCU和4臺(tái)機(jī)組LCU組成，負(fù)責(zé)上位機(jī)下達(dá)指令的執(zhí)行，負(fù)責(zé)機(jī)組數(shù)據(jù)采集及上送，以及和其他設(shè)備的管理工作如勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制和輔助設(shè)備監(jiān)視工作。

1.2省調(diào)通信的情況

大橋電廠目前采用光纖網(wǎng)絡(luò)和省調(diào)通訊，通過(guò)租用電信的2 M帶寬，經(jīng)冕寧及西昌的電信通訊站進(jìn)行轉(zhuǎn)接，接入西昌電業(yè)局通訊網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)入四川省電力系統(tǒng)專用數(shù)據(jù)網(wǎng)。

2大橋電廠網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)目前存在的問(wèn)題

2.1電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)存在的問(wèn)題

由于大橋電廠使用單星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，中間節(jié)點(diǎn)交接機(jī)工作任務(wù)重以及設(shè)備老化等原因，光纖與交換機(jī)之間采用了以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器增加了中間環(huán)節(jié)，降低了網(wǎng)絡(luò)可靠性。運(yùn)行中多次出現(xiàn)上位機(jī)操作員站對(duì)機(jī)組發(fā)出指令后，下位機(jī)LCU不執(zhí)行或延遲執(zhí)行的情況。依據(jù)國(guó)網(wǎng)四川省電力公司規(guī)定，國(guó)網(wǎng)四川省調(diào)度控制中心下發(fā)電廠負(fù)荷曲線調(diào)整指令后，電廠必須在一分鐘以內(nèi)完成負(fù)荷調(diào)整，電廠運(yùn)行人員必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成相關(guān)操作。運(yùn)行人員曾經(jīng)在上位機(jī)下達(dá)負(fù)荷調(diào)整指令后，機(jī)組負(fù)荷并未按照相應(yīng)指令進(jìn)行調(diào)整，但計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)報(bào)窗口提示指令已經(jīng)下發(fā)，多次操作無(wú)效后，緊急狀況下，運(yùn)行人員只能快速趕到廠房，在現(xiàn)地對(duì)機(jī)組LCU進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整操作，搶在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成負(fù)荷曲線調(diào)整。

圖1　單星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

面對(duì)此故障，采用從上位機(jī)系統(tǒng)“PING”下位機(jī)系統(tǒng)查看網(wǎng)絡(luò)延遲及數(shù)據(jù)接收狀況發(fā)現(xiàn)上下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)丟包率高達(dá)13%，造成指令的延遲執(zhí)行，對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行影響非常大，電廠的經(jīng)濟(jì)效益也受到很大的影響。

2.2省調(diào)通信存在問(wèn)題

大橋電廠外部網(wǎng)絡(luò)通信目前采用租用電信帶寬的方式，日常使用中可靠性差。由于冕寧電信通訊機(jī)房遠(yuǎn)離縣城，機(jī)房電源處于農(nóng)村電網(wǎng)中，農(nóng)村電網(wǎng)供電可靠性差，經(jīng)常發(fā)生線路故障造成機(jī)房停電，且停電時(shí)間長(zhǎng)，一般為1～2天。停電后機(jī)房蓄電池組只能保證3 h供電時(shí)間，因此大橋電廠對(duì)外通訊網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)1～2天的中斷時(shí)間，電廠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不能上送，國(guó)網(wǎng)四川省調(diào)度控制中心的各類調(diào)令不能接受，嚴(yán)重影響到電廠的安全運(yùn)行。按照國(guó)網(wǎng)四川省電力公司要求，電廠數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)間不能超過(guò)4 h，超過(guò)4 h將按20 000 kW·h發(fā)電量進(jìn)行處罰。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，近3年來(lái)由光纖線路故障造成通訊中斷的情況就有十幾起，且中斷時(shí)間都不低于4 h，累計(jì)處罰電量超過(guò)200 000 kW·h，對(duì)電廠的經(jīng)濟(jì)效益造成了巨大損失。

3大橋電廠網(wǎng)絡(luò)及遠(yuǎn)控中心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案

3.1大橋電廠站內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)改造方案

擬建中的大橋電廠遠(yuǎn)控中心監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)控中心通訊服務(wù)器與大橋電廠遠(yuǎn)控中心通訊服務(wù)器連接，監(jiān)視和控制大橋水庫(kù)水力發(fā)電廠的運(yùn)行設(shè)備。為滿足遠(yuǎn)控中心功能要求大橋電廠站內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)也將做相應(yīng)的升級(jí)建設(shè)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需結(jié)合計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)配置和設(shè)備選型應(yīng)符合計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速的特點(diǎn)，充分利用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，系統(tǒng)達(dá)到當(dāng)前的國(guó)際先進(jìn)水平，建設(shè)完成后解決目前計(jì)算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)存在的問(wèn)題，確保電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

為達(dá)到系統(tǒng)升級(jí)目的，首先大橋電廠站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將由單星型網(wǎng)絡(luò)改為雙星型網(wǎng)絡(luò)。改造后的監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)滿足網(wǎng)絡(luò)使用的可靠性和安全性，無(wú)論監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中任何一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障都不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。同時(shí)，將使用傳輸效率更高，傳輸質(zhì)量更可靠的光纖交換機(jī)取代以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器，減少故障環(huán)節(jié)，保障通訊質(zhì)量。其次，基于現(xiàn)地級(jí)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)組LCU由目前的單PLC配置改為雙PLC配置，即采用雙機(jī)雙網(wǎng)的CPU模件構(gòu)成CPU冗余系統(tǒng)。2個(gè)CPU模件1個(gè)為主機(jī)運(yùn)行，1個(gè)為從機(jī)運(yùn)行， CPU模件之間通過(guò)高速內(nèi)部總線實(shí)時(shí)備份數(shù)據(jù)。主CPU完成梯形的執(zhí)行，并且向從CPU實(shí)時(shí)備份數(shù)據(jù)。當(dāng)主CPU模件出現(xiàn)故障時(shí)，從CPU能夠自動(dòng)升為主機(jī)運(yùn)行，保證系統(tǒng)運(yùn)行不受影響。

圖2　雙CPU雙星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.2遠(yuǎn)控中心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

3.2.1網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)遠(yuǎn)控的監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由以下3部分構(gòu)成：

1)主干網(wǎng)絡(luò)：即貫穿四川涼山大橋水電廠遠(yuǎn)控中心和大橋水電廠監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)，為1 000 Mbps的交換式雙星型以太網(wǎng)。在該主干網(wǎng)上連接遠(yuǎn)控中心上位機(jī)設(shè)備和電廠監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)控中心通信服務(wù)器。

2)站級(jí)網(wǎng)絡(luò)：大橋電廠內(nèi)部的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，由不低于100 Mbps的工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成，連接電廠內(nèi)服務(wù)器兼操作員站和各個(gè)現(xiàn)地控制單元LCU。

3)現(xiàn)地級(jí)網(wǎng)絡(luò)：電廠現(xiàn)地控制單元設(shè)備。

為滿足國(guó)網(wǎng)四川省電力公司要求，遠(yuǎn)控中心網(wǎng)絡(luò)需具備雙通道專網(wǎng)配置，兩回專網(wǎng)光纖通道路組成如下：通道1，由大橋電廠220 kV線路進(jìn)石棉新棉開(kāi)關(guān)站，租用新棉開(kāi)關(guān)站帶寬接入國(guó)網(wǎng)四川省電力公司系統(tǒng)專網(wǎng)；通道2，從位于西昌大橋開(kāi)發(fā)總公司基地內(nèi)大橋電廠遠(yuǎn)控中心自建光纖線路至國(guó)網(wǎng)涼山供電公司，由國(guó)網(wǎng)涼山供電公司接入國(guó)網(wǎng)四川省電力公司系統(tǒng)專網(wǎng)。同時(shí)目前正在使用的租用電信2 M帶寬通道將作為備用通道。建設(shè)完成后大橋電廠將同時(shí)具備3條獨(dú)立線路與國(guó)網(wǎng)四川省電力公司進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和業(yè)務(wù)下達(dá)，徹底改變目前頻繁斷鏈的通訊狀況，對(duì)電廠運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性有極大的提升。

3.2.2遠(yuǎn)控中心設(shè)備配置

遠(yuǎn)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由2臺(tái)冗余的歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器(含磁盤(pán)陣列)、2臺(tái)主機(jī)兼操作員工作站、1臺(tái)工程師工作站、1套ON-CALL系統(tǒng)工作站、2臺(tái)系統(tǒng)通訊服務(wù)器、2臺(tái)遠(yuǎn)控中心通訊服務(wù)器、2臺(tái)1 000 M工業(yè)級(jí)交換機(jī)、2套IEC 870-5-101規(guī)約通信設(shè)備、1套入侵檢測(cè)系統(tǒng)(含入侵檢測(cè)探頭及管理計(jì)算機(jī))、1套時(shí)鐘同步系統(tǒng)(主備式，GPS+北斗衛(wèi)星)、1套UPS(2×40 kVA，并聯(lián)冗余)、2臺(tái)A3激光打印機(jī)等組成。

遠(yuǎn)控中心控制網(wǎng)絡(luò)采用100 M/1 000 Mbps工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)，通過(guò)雙星型方式連接遠(yuǎn)控中心上位機(jī)設(shè)備?？刂茀^(qū)網(wǎng)絡(luò)采用帶有3層交換功能的100 M/1 000 Mbps工業(yè)級(jí)骨干交換機(jī)，接入貫穿大橋電廠和遠(yuǎn)控中心的光纖主干網(wǎng)中。

所有需要與外部系統(tǒng)進(jìn)行交換的數(shù)據(jù)，均放置在數(shù)據(jù)交換服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，以避免對(duì)實(shí)時(shí)性和安全性要求程度高的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的非法入侵和干擾。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議采用國(guó)際上通用的、使用范圍較廣的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，例如IEC 61850、IEC 60870-5-104、Modbus TCP、Ethernet IP、OPC等。

遠(yuǎn)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)以下方式與電廠通信：

1)主通道：帶寬155 Mbps光纖通道，信息傳輸采用RJ45以太網(wǎng)接口；

2)備用通道：帶寬155 Mbps光纖通道，信息傳輸采用RJ45以太網(wǎng)接口；

3)應(yīng)急通道：帶寬2 Mbps電信光纖通道，信息傳輸采用RJ45以太網(wǎng)接口。

遠(yuǎn)控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)至大橋電廠主備通道的通信接口規(guī)約均采用IEC 60870-5-104規(guī)約，應(yīng)急通道的通信接口規(guī)約采用IEC 60870-5-104規(guī)約。通道切換應(yīng)按照如下的切換原則實(shí)現(xiàn)切換：正常情況下主通道運(yùn)行，主通道故障時(shí)自動(dòng)切換到備用通道運(yùn)行；在主/備通道正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)監(jiān)聽(tīng)?wèi)?yīng)急通道的狀態(tài)，當(dāng)主/備通道均故障時(shí)自動(dòng)切換到應(yīng)急通道運(yùn)行；在備用通道運(yùn)行時(shí)如監(jiān)測(cè)到主通道正常，可自動(dòng)切換到主通道運(yùn)行；在應(yīng)急通道運(yùn)行時(shí)如監(jiān)測(cè)到主/備通道正常，可自動(dòng)切換到主/備通道(主通道優(yōu)先)。

4整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)特點(diǎn)

1)開(kāi)放。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)完全符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)定義的開(kāi)放式環(huán)境，如采用Unix、Windows等操作系統(tǒng)，其中通信網(wǎng)關(guān)機(jī)應(yīng)采用Unix、Linux操作系統(tǒng)，編程采用C語(yǔ)言等高級(jí)語(yǔ)言，應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)界面采用功能圖語(yǔ)言。

2)分布。功能和數(shù)據(jù)庫(kù)分布在系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)上。使本監(jiān)控系統(tǒng)具有更高的效率、更高的可靠度及更好的可擴(kuò)性。

3)高度可靠、冗余。本系統(tǒng)采用冗余全光纖的1 000 Mbps交換式快速以太網(wǎng)、冗余系統(tǒng)服務(wù)器和冗余電源系統(tǒng)等。

5結(jié)語(yǔ)

整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建成將有助于大橋電廠的穩(wěn)定運(yùn)行，徹底解決大橋電廠目前運(yùn)行中存在的電廠監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)脆弱、對(duì)外通訊不穩(wěn)定等一系列問(wèn)題。電廠側(cè)更新后的雙星型計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和雙CPU的PLC冗余系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，冗余配置的部件及時(shí)介入并承擔(dān)故障部件的工作，從而達(dá)到電源的無(wú)干擾切換、網(wǎng)絡(luò)的無(wú)干擾配置等積極效果，有效地縮減了系統(tǒng)的故障時(shí)間，達(dá)到了保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的目的。遠(yuǎn)控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按照上述標(biāo)準(zhǔn)配置建設(shè)完成后將能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確、有效地完成所有被控對(duì)象的安全監(jiān)視和控制任務(wù)，并最終實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班”(少人值守)的運(yùn)行方式，從而大大提高電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

中圖分類號(hào)：TM622

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1003-6954(2016)02-0091-04

作者簡(jiǎn)介：

蘇亞(1985),從事電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)維護(hù)工作。

(收稿日期：2015-11-11)