西龍池抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造技術(shù)研究

喻洋洋，單鵬珠，胡峰超，高 旭

（1. 南瑞集團(tuán)公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇 南京211106；2. 山西西龍池抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，山西 五臺(tái)035500）

1 引言

山西西龍池抽水蓄能電站位于五臺(tái)縣神西鄉(xiāng)，總裝機(jī)為120萬kW，安裝了4臺(tái)30萬kW的可逆式水泵水輪機(jī)組，電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)隨主機(jī)機(jī)電設(shè)備采購(gòu)，采用日本三菱公司的MELHOPE DCS產(chǎn)品，LCU控制器采用德國(guó)科維[1]（KW-SOFTWARE）公司嵌入式平臺(tái)的ProConOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[2]。

西龍池抽水蓄能電站4臺(tái)機(jī)組于2008年全部投入商業(yè)運(yùn)行至今，監(jiān)控系統(tǒng)逐漸顯現(xiàn)其可靠性和穩(wěn)定性的不足，如控制令執(zhí)行不成功次數(shù)較多、系統(tǒng)不易進(jìn)行維護(hù)和功能擴(kuò)展等；監(jiān)控系統(tǒng)主要設(shè)備均已停產(chǎn)，采購(gòu)困難；三菱售后服務(wù)和技術(shù)支持非常緩慢，無法滿足電廠的快速服務(wù)需求；此外，監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器等均采用Windows操作系統(tǒng)，極易受病毒感染和攻擊，對(duì)電站生產(chǎn)運(yùn)行形成潛在的嚴(yán)重威脅。

本文對(duì)日本三菱MELHOPE監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通信方式進(jìn)行了研究分析，實(shí)現(xiàn)了南瑞NC2000監(jiān)控系統(tǒng)與三菱現(xiàn)地控制單元核心控制器的數(shù)據(jù)交互，并成功進(jìn)行了機(jī)組的動(dòng)態(tài)控制試驗(yàn)，為電站進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造做好了技術(shù)儲(chǔ)備。

2 三菱MELHOPE監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三菱上位機(jī)系統(tǒng)配置有2臺(tái)主機(jī)服務(wù)器Server，3臺(tái)操作員站OPS，2臺(tái)工程師工作站EDS，1臺(tái)廠內(nèi)通信工作站，2臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)通信工作站，2臺(tái)打印機(jī)及1套GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)。

三菱MELHOPE監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用3層星型網(wǎng)絡(luò)：Information Network、Plant Network、Field Network。Information Network為監(jiān)控維護(hù)網(wǎng)，單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，用于監(jiān)控系統(tǒng)維護(hù)節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)。Plant Network為監(jiān)控控制網(wǎng)，雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，是監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控系統(tǒng)主要節(jié)點(diǎn)如主機(jī)、操作員站和現(xiàn)地控制單元控制器等均接入控制網(wǎng)。Field Network為現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，三菱BS系列PLC就通過三菱專有現(xiàn)場(chǎng)總線CC-Link與I/O模塊進(jìn)行連接[3]。

三菱MELHOPE配置2臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)通信機(jī)，利用內(nèi)部OPC轉(zhuǎn)IEC104軟件，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴虾；莅睷TU遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備WESDAC D20ME，惠安RTU遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備通過IEC104協(xié)議與華北網(wǎng)調(diào)和山西省調(diào)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)通信功能。圖1為MELHOPE監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

三菱下位機(jī)LCU配置三菱GRII CPU，冗余配置，負(fù)責(zé)完成I/O采集、數(shù)據(jù)處理和流程的執(zhí)行等功能。三菱控制器還配置MODBUS串口卡和CC-LINK接口卡，串口卡負(fù)責(zé)完成與調(diào)速器和勵(lì)磁等的通信功能，CC-LINK接口卡則完成PLC的I/O采集功能。

圖1 MELHOPE監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件功能

三菱MELHOPE監(jiān)控系統(tǒng)軟件為MELPLANET，包含 HW System Config、CNS Engineering、HMI Engineering、PlantDBEditor、UTILITY 5個(gè)配置軟件。

HW System Config：用于進(jìn)行系統(tǒng)硬件配置，如網(wǎng)絡(luò)、通信驅(qū)動(dòng)板卡、PIO板卡；對(duì)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和板卡的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。

CNS Engineering：可導(dǎo)入硬件配置信息、HMI信息、電站數(shù)據(jù)庫(kù)；可進(jìn)行LCU各控制邏輯程序的編輯、處理，支持IEC61131-3各編程語言STILFBDLDSFC；對(duì)控制程序進(jìn)行編譯、鏈接和下載。

HMI Engineering：操作員站人機(jī)界面工具，可進(jìn)行監(jiān)視操作畫面、事件定義、趨勢(shì)曲線等的編輯和組態(tài)，并能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和操作。

PlantDBEditor：全廠及各LCU的數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)和處理。

UTILITY：可對(duì)工程數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和恢復(fù)，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行設(shè)置，自定義用戶和密碼。

3 三菱MELHOPE FEnet網(wǎng)絡(luò)通信

三菱MELHOPE監(jiān)控產(chǎn)品基于DCS（離散控制系統(tǒng)，Distributed Control System）體系結(jié)構(gòu)[4,5]，由于DCS系統(tǒng)控制網(wǎng)通信協(xié)議不具有開放性，因此要對(duì)三菱監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)上的升級(jí)改造，必須解決兩套系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互問題，此外，還需要妥善處理好新老2套監(jiān)控系統(tǒng)的并列過渡運(yùn)行問題。

3.1 三菱MELHPE網(wǎng)絡(luò)通信

三菱MELHOPE通信基于全雙工100 M快速以太網(wǎng)FEnet,系統(tǒng)內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的通信全部采用UDP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，不支持TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

MidART（Middleware and network Architecture）為三菱電氣研究實(shí)驗(yàn)室（MITSUBISHI ELECTRIC RESEARCH LABORATORIES）為分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)所研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中間件[6]。MidART可以提供簡(jiǎn)單和靈活的數(shù)據(jù)映射模型，屬于OSI模型的第5層應(yīng)用層。

MELHOPE應(yīng)用程序使用MidART作為UDP/IP的上層協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，MELHOPE操作員站OPS和現(xiàn)地控制器CNS均安裝了MidART中間件。圖2為MELHOPE通信協(xié)議堆棧。

圖2 MELHOPE-OPS通信協(xié)議堆棧

3.2 MELHOPE通信方式

MELHOPE 支持循環(huán)通信（Cyclic Communication）和瞬時(shí)通信（Transparent Communication）兩種方式[7]。

循環(huán)通信通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)分布式內(nèi)存鏡像進(jìn)行共享，網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都分配屬于其自身的共享內(nèi)存區(qū)域用于數(shù)據(jù)傳輸，這塊共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)以某種速率定期在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行廣播發(fā)送，通過這種方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)都可以得到刷新。如發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸失敗，則該數(shù)據(jù)段將在下次數(shù)據(jù)傳輸后自動(dòng)覆蓋。

瞬時(shí)通信是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，MELHOPE支持指定對(duì)象數(shù)據(jù)召喚、指定對(duì)象數(shù)據(jù)的讀寫、報(bào)警信息輸出等通信類型。

3.3 MELHOPE通信機(jī)制問題

三菱MELHOPE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信基于UDP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其控制信息等采用UDP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，循環(huán)數(shù)據(jù)則采用組播方式。采用UDP/IP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，但UDP是一種簡(jiǎn)單不可靠的傳輸服務(wù)，數(shù)據(jù)包發(fā)送后無法確認(rèn)其是否完整到達(dá)，對(duì)于抽水蓄能電站的關(guān)鍵實(shí)時(shí)控制場(chǎng)景，UDP并不是最優(yōu)的實(shí)現(xiàn)方式。而西龍池電站多次出現(xiàn)的控制指令下發(fā)無反應(yīng)也從側(cè)面驗(yàn)證了UDP在可靠性上存在問題。

南瑞NC2000監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于控制信息全部采用TCP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式傳輸，并增加相應(yīng)的校驗(yàn)環(huán)節(jié)，因此控制信息的完整性和可靠性均有充分保障，在電站完成技術(shù)升級(jí)后可徹底解決三菱系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制的固有缺陷。

4 現(xiàn)場(chǎng)通信測(cè)試

4.1 通信測(cè)試平臺(tái)

測(cè)試平臺(tái)由南瑞NC2000監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)分析軟件、網(wǎng)絡(luò)集線器和三菱現(xiàn)地控制器組成。通過網(wǎng)絡(luò)分析軟件捕捉MELHOPE數(shù)據(jù)報(bào)文并進(jìn)行分析[8,9]，逐一甄別報(bào)文中的各類型數(shù)據(jù)，解析出數(shù)據(jù)后與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)；對(duì)于控制量和調(diào)節(jié)量，則通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試完成數(shù)據(jù)驗(yàn)證。通信測(cè)試平臺(tái)見圖3。

圖3 通信測(cè)試平臺(tái)

4.2 上行監(jiān)視信息

電站上行監(jiān)視信息包括中斷量、開關(guān)量、模擬量和溫度量。采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試兩種方法進(jìn)行核對(duì)，靜態(tài)測(cè)試是從新系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)測(cè)值與三菱系統(tǒng)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比核對(duì)。動(dòng)態(tài)測(cè)試是在三菱系統(tǒng)手動(dòng)進(jìn)行測(cè)值變化（如手動(dòng)啟停設(shè)備等），在新系統(tǒng)對(duì)測(cè)點(diǎn)的變化值進(jìn)行校對(duì)。測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 上行監(jiān)視信息測(cè)試結(jié)果表

4.3 下行控制信息

電站下行控制信息為控制令和調(diào)節(jié)令。控制令的測(cè)試在一臺(tái)檢修的機(jī)組控制單元進(jìn)行，測(cè)試前進(jìn)行了相應(yīng)的隔離措施。首先測(cè)試機(jī)組故障確認(rèn)和故障復(fù)歸兩個(gè)控制令；測(cè)試成功后又對(duì)機(jī)組主變空載排水電動(dòng)閥進(jìn)行了開啟和關(guān)閉控制測(cè)試；最后執(zhí)行機(jī)組的發(fā)電和停機(jī)操作，測(cè)試結(jié)果均正常。負(fù)荷調(diào)節(jié)指令因現(xiàn)場(chǎng)條件不具備未進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 下行控制信息測(cè)試結(jié)果表

5 國(guó)產(chǎn)化改造技術(shù)方案

西龍池計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化升級(jí)改造可考慮新老系統(tǒng)并列運(yùn)行的改造方式，新系統(tǒng)是指升級(jí)后的國(guó)產(chǎn)化監(jiān)控系統(tǒng)，老系統(tǒng)是指三菱MELHOPE監(jiān)控系統(tǒng)。

新老系統(tǒng)并列運(yùn)行可分為新系統(tǒng)上位機(jī)與老系統(tǒng)并列運(yùn)行或新系統(tǒng)與老系統(tǒng)并列運(yùn)行兩種方式。

5.1 新系統(tǒng)上位機(jī)與老系統(tǒng)并列運(yùn)行

改造實(shí)施過程中首先對(duì)老系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行改造，然后才對(duì)老系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元進(jìn)行改造。改造后老系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元全部接入新系統(tǒng)上位機(jī)，監(jiān)視和控制以新系統(tǒng)上位機(jī)為主，老系統(tǒng)上位機(jī)作為備用。老系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元在后期根據(jù)檢修安排逐一改造[10]。

這種并列運(yùn)行方式對(duì)電廠生產(chǎn)運(yùn)行影響最小，每套現(xiàn)地控制單元可以在機(jī)組停機(jī)時(shí)與新系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，完成對(duì)點(diǎn)以及控制、調(diào)節(jié)的模擬測(cè)試，最后再擇機(jī)快速完成動(dòng)態(tài)測(cè)試；每套現(xiàn)地控制單元完成測(cè)試后仍然恢復(fù)與老系統(tǒng)的連接，在所有現(xiàn)地控制單元均完成調(diào)試后再一次性全部接入新系統(tǒng)上位機(jī)，并進(jìn)入并列運(yùn)行的工作狀態(tài)。

5.2 新系統(tǒng)與老系統(tǒng)并列運(yùn)行

改造實(shí)施從某臺(tái)現(xiàn)地控制單元開始，改造后的現(xiàn)地控制單元接入新系統(tǒng)上位機(jī)，未改造現(xiàn)地控制單元仍然在原系統(tǒng)運(yùn)行，這樣電站就存在兩套同時(shí)運(yùn)行的監(jiān)控系統(tǒng)。

這種并列運(yùn)行方式需要考慮兩套監(jiān)控系統(tǒng)的主從問題，一般情況下，老系統(tǒng)僅對(duì)未改造設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，新系統(tǒng)僅對(duì)改造設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，與調(diào)度EMS系統(tǒng)的遠(yuǎn)動(dòng)通信可轉(zhuǎn)移至新系統(tǒng)，未改造設(shè)備的遙信遙測(cè)信息由原系統(tǒng)發(fā)送至新系統(tǒng)，遙控信息則由新系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)給原系統(tǒng)上位機(jī)。

對(duì)于改造機(jī)組的SFC啟動(dòng)，可在新的機(jī)組公用LCU機(jī)柜中增加與SFC的并行接口，將有關(guān)SFC啟動(dòng)需要的控制接口和監(jiān)視接口通過信號(hào)切換回路將信號(hào)切入新/老SFC控制柜。用原監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行抽水操作時(shí)保持原SFC相關(guān)信號(hào)切入原公用LCU，SFC流程控制仍由原LCU完成。使用新監(jiān)控系統(tǒng)抽水操作時(shí)，信號(hào)切換回路自動(dòng)將SFC相關(guān)信號(hào)切入新公用LCU,SFC相關(guān)控制流程由新LCU完成。

6 結(jié)束語

西龍池計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)因與主機(jī)捆綁采購(gòu)而采用了日本三菱產(chǎn)品，從目前運(yùn)行情況來看，三菱MELHOPE產(chǎn)品在系統(tǒng)功能的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性等方面不能滿足電站生產(chǎn)運(yùn)行的需求[11]。同時(shí)，日方在技術(shù)方面設(shè)置諸多限制，后期的售后服務(wù)和備品備件價(jià)格也十分昂貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國(guó)內(nèi)同類水平。

我國(guó)具備完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的抽水蓄能監(jiān)控系統(tǒng)裝備已經(jīng)在響水澗等6個(gè)大型抽水蓄能電站完成商業(yè)運(yùn)行，技術(shù)上已經(jīng)達(dá)到甚至超過國(guó)外同行業(yè)水平。此外，國(guó)產(chǎn)監(jiān)控產(chǎn)品在系統(tǒng)的可靠性、安全性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性方面優(yōu)勢(shì)十分明顯，因此在抽水蓄能電站進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造方面，采用國(guó)內(nèi)監(jiān)控產(chǎn)品供應(yīng)商也是未來發(fā)展的趨勢(shì)[12]。

本文對(duì)西龍池抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化技術(shù)改造進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)與三菱監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，并提出了兩種技術(shù)升級(jí)改造方法，為電站后期進(jìn)行計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改造提供了可行的技術(shù)參考。