厄瓜多爾MINAS電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

汪華強(qiáng)，楊春霞，張 捷

（北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100038）

MINAS電站由西班牙設(shè)計(jì)咨詢(xún)公司撰寫(xiě)技術(shù)協(xié)議，不少技術(shù)要求和設(shè)計(jì)理念與國(guó)內(nèi)電站差異較大，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)提出了一些新要求，項(xiàng)目實(shí)施具有一定的挑戰(zhàn)性。該電站技術(shù)協(xié)議重視硬件和網(wǎng)絡(luò)冗余，要求監(jiān)控系統(tǒng)與外圍系統(tǒng)或設(shè)備以通信為主，盡量減少電纜敷設(shè)。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，簡(jiǎn)要論述該監(jiān)控系統(tǒng)廠站控制層、現(xiàn)地控制層、電能計(jì)量系統(tǒng)和衛(wèi)星時(shí)間同步系統(tǒng)的配置和設(shè)計(jì)方案，著重闡述：以現(xiàn)地控制層LCU為中心，實(shí)現(xiàn)其與廠站層數(shù)據(jù)服務(wù)器、外圍系統(tǒng)或IED設(shè)備等通信鏈路的設(shè)計(jì)；針對(duì)不同種類(lèi)數(shù)據(jù)和不同通信協(xié)議設(shè)備做的一些軟硬件優(yōu)化工作；嘗試建立較完善的主備CPU切換機(jī)制、高度冗余、抗干擾強(qiáng)的通信架構(gòu)，并加強(qiáng)了LCU對(duì)通信數(shù)據(jù)的有效性校驗(yàn)和通信自診斷能力。經(jīng)過(guò)業(yè)主和監(jiān)理現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和長(zhǎng)期運(yùn)行，系統(tǒng)總體情況穩(wěn)定可靠。

1 電站概況

MINAS電站位于南美洲厄瓜多爾共和國(guó)，工程由碾壓混凝土大壩、發(fā)電引水隧道、地下廠房、地面開(kāi)關(guān)站和尾水隧洞等組成，物理位置分散且彼此距離甚遠(yuǎn)，電站裝設(shè)3臺(tái)90 MW的沖擊式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，無(wú)發(fā)電機(jī)出口斷路器（GCB），電氣主接線如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)原則

MINAS電站監(jiān)控系統(tǒng)是按照“無(wú)人值班”（少人值守）的原則設(shè)計(jì)，其主干網(wǎng)絡(luò)根據(jù)電站的具體情況和監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，既要考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，還要兼顧通信設(shè)備位置分散、距離遠(yuǎn)、通信介質(zhì)抗干擾能力以及通信診斷報(bào)警等方面。廠站控制層不僅負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)地控制層LCU的數(shù)據(jù)采集和控制，而且需要與電能計(jì)量系統(tǒng)、國(guó)家能源控制中心、上下游電站、狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和故障錄波系統(tǒng)通信?，F(xiàn)地控制層LCU負(fù)責(zé)與輔助系統(tǒng)、IED設(shè)備（智能儀表、監(jiān)測(cè)設(shè)備）通信，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，且將以通信方式（非繼電器輸出）為主完成對(duì)輔助系統(tǒng)和IED設(shè)備的操控，所有通信采用雙機(jī)或雙通道冗余。

3 技術(shù)方案

MINAS監(jiān)控系統(tǒng)包括廠站控制層、現(xiàn)地控制層、電能計(jì)量系統(tǒng)、衛(wèi)星時(shí)間同步系統(tǒng)4個(gè)部分?，F(xiàn)地控制層包含3套機(jī)組LCU、3套230 kV開(kāi)關(guān)站LCU、1套廠房公用LCU、1套大壩閘門(mén)LCU。廠站控制層包含2臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器、3臺(tái)操作員站、1臺(tái)工程師站、2臺(tái)調(diào)度通信工作站、1臺(tái)廠內(nèi)通信工作站、2臺(tái)廠站層交換機(jī)以及打印機(jī)等主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。電能計(jì)量系統(tǒng)包含1臺(tái)電能量監(jiān)視工作站、2臺(tái)電能量交換機(jī)和3面現(xiàn)地測(cè)量屏。衛(wèi)星時(shí)間同步系統(tǒng)包含2臺(tái)互為備用的主時(shí)鐘，9臺(tái)二級(jí)時(shí)鐘分布于現(xiàn)地層LCU，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)配置圖

3.1 廠站控制層

廠站層關(guān)鍵設(shè)備采用主備冗余配置，如數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、調(diào)度通信服務(wù)器、操作員工作站、控制網(wǎng)交換機(jī)、衛(wèi)星時(shí)間同步時(shí)鐘等。

SCADA廠站層與國(guó)家能源控制中心使用雙主機(jī)（雙通道）冗余通信，一路通道采用IEC60870-5-101協(xié)議，另一路通道使用IEC60870-5-104協(xié)議。采用IEC60870-5-103、IEC60870-5-104與故障錄波系統(tǒng)和上下游電站通信，通過(guò)Modbus TCP/IP和DLT645 TCP/IP分別與機(jī)組出線電能量表和機(jī)組關(guān)口能量表通信。

廠站控制層數(shù)據(jù)服務(wù)器與現(xiàn)地機(jī)組LCU、開(kāi)關(guān)站LCU及公用LCU間的數(shù)據(jù)網(wǎng)采用雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，與大壩LCU間的數(shù)據(jù)網(wǎng)使用雙星型結(jié)構(gòu)，通信介質(zhì)使用單模光纖。

3.2 現(xiàn)地控制層

現(xiàn)地控制層LCU工作電源采用交直流雙路供電，CPU電源和I/O電源回路分開(kāi)獨(dú)立供電。PLC選擇GE-PAC3i系列，主備冗余CPU（CPU1/2）和雙網(wǎng)A/B配置。

主備CPU（CPU1/2）與I/O從站構(gòu)成Profinet環(huán)網(wǎng)總線，I/O從站配置一般開(kāi)關(guān)量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出模塊，SOE中斷量模塊則配置在專(zhuān)用從站（SOE站），SOE站采用單CPU和雙網(wǎng)A/B配置。

IEC61850通信站（ECM站），也采用單CPU和雙網(wǎng)A/B配置,并設(shè)置雙通信模塊（ECM61850），負(fù)責(zé)建立IEC61850通信雙通道。SOE站和ECM站串聯(lián)接入主備CPU1/2，他們之間通過(guò)EGD組播方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

現(xiàn)地層LCU與外圍輔助系統(tǒng)（或IED設(shè)備）通信統(tǒng)一使用單模光纖，每套LCU配置2臺(tái)微型通信管理機(jī)（CPC1/2），互為備用，CPC1/2下行端口分別與外圍設(shè)備建立光纖通道，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和接收操作指令轉(zhuǎn)發(fā)至外圍設(shè)備，支持多種通信協(xié)議的設(shè)備接入。由于CPU模塊（CPE330）支持兩個(gè)獨(dú)立的10/100/1000 以太網(wǎng) LANs，其中LAN1有2個(gè)RJ45口，LAN2有1個(gè)RJ45口，網(wǎng)絡(luò)模塊（ETM001）包含2個(gè)RJ45口，所以?xún)?yōu)先組建CPU1/2與DBS1/2、SOE站主干網(wǎng)A/B后，CPC1/2與CPU1/2將會(huì)交叉連接形成A1/B1/C1/D1，其中C1/D1獨(dú)立于主干網(wǎng)A/B。LCU通信架構(gòu)如圖3所示。

圖3 LCU通信架構(gòu)圖

3.3 電能計(jì)量系統(tǒng)

230 kV地面開(kāi)關(guān)站配置6塊ION電能量表，測(cè)量三段間隔主變高壓側(cè)的輸出電量，每段間隔配置2塊主備ION表，通過(guò)電能量交換機(jī)(EMS Switch 1/2)接入國(guó)家能源中心。廠站層配置1臺(tái)電能量監(jiān)視工作站（EMS Station），配置3塊網(wǎng)卡，1塊網(wǎng)卡連接電能量交換機(jī)(EMS Switch 1)，采用Modbus TCP/IP協(xié)議與6塊ION表通信，另兩塊網(wǎng)卡與主干網(wǎng)交換機(jī)（Main Switch 1/2）連接，采用DLT645 TCP/IP協(xié)議與3臺(tái)機(jī)組關(guān)口能量表（M1～M3）通信，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電能計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.4 衛(wèi)星時(shí)間同步系統(tǒng)

2臺(tái)主備一級(jí)時(shí)鐘（Clock1/2）布置在地面開(kāi)關(guān)站繼電保護(hù)室接入環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，管理同步二級(jí)時(shí)鐘，并提供NTP和SNTP授時(shí)服務(wù)。9臺(tái)二級(jí)時(shí)鐘布置在各LCU盤(pán)柜和機(jī)房，對(duì)非網(wǎng)絡(luò)授時(shí)設(shè)備提供IRIG-B、串口或脈沖對(duì)時(shí)服務(wù)，對(duì)時(shí)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 衛(wèi)星時(shí)間同步結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及特點(diǎn)

根據(jù)上述技術(shù)方案，MINAS所有子系統(tǒng)和外圍設(shè)備數(shù)據(jù)匯聚于監(jiān)控系統(tǒng)，具有前置人機(jī)界面友好，后臺(tái)軟件自動(dòng)化集成度高等特點(diǎn)。除了硬件和網(wǎng)絡(luò)的冗余設(shè)計(jì)之外，在軟件程序方面進(jìn)行了針對(duì)性地開(kāi)發(fā)，建立有效的管理機(jī)制，加強(qiáng)上下行數(shù)據(jù)通信的監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)、高效、可靠。

4.1 人機(jī)界面多語(yǔ)言化

監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面包含中文、英文和西班牙文3種語(yǔ)言，支持一鍵切換，滿(mǎn)足不同人群使用。

4.2 主備CPU切換機(jī)制

CPU1/2作為現(xiàn)地LCU數(shù)據(jù)采集和處理中心，為保障數(shù)據(jù)采集可靠冗余，除硬件和通信鏈路的冗余架構(gòu)外，配套的數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)管和CPU切換機(jī)制必不可少，最終實(shí)現(xiàn)通信鏈路任一節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，CPU能快速識(shí)別并做出合理的響應(yīng)。

現(xiàn)地LCU通信架構(gòu)如圖3所示，上位機(jī)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器DBS1/2、微型通信管理機(jī)CPC1/2配置雙機(jī)雙網(wǎng)，SOE站和ECM站單機(jī)雙網(wǎng)配置。主備CPU1/2、DBS1/2、SOE站、ECM站和 CPC1/2構(gòu)成完整的數(shù)據(jù)鏈路。根據(jù)鏈路上各設(shè)備節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)硬件配置、接入數(shù)據(jù)重要性劃分不同的優(yōu)先級(jí)。某個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，切換程序?qū)⒒谄鋬?yōu)先級(jí)別和備用網(wǎng)絡(luò)情況自主選擇是否切換CPU。

此外在ECM站和CPC1/2上也開(kāi)發(fā)了配套的通信程序，加強(qiáng)監(jiān)管上行端口狀態(tài)和下行端口串聯(lián)的每個(gè)設(shè)備通信狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)通信狀態(tài)異常時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警，防患于未然。

為方便描述，暫定優(yōu)先級(jí)別從高到低依次為P0、P1、P2、P3、P4，如PLC內(nèi)部硬件或Profinet環(huán)網(wǎng)等故障，GE PLC有內(nèi)部切換機(jī)制無(wú)需干涉，優(yōu)先級(jí)別定為P0，其他節(jié)點(diǎn)視重要性分別定義優(yōu)先級(jí)別，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

（1）SOE站與CPU1/2

SOE站 單CPU雙 網(wǎng) 卡，A/B網(wǎng) 分 別 接 入CPU1/2，SOE模塊接入了一些信號(hào)參與重要設(shè)備的控制，優(yōu)先級(jí)定為P1。當(dāng)CPU1為主CPU，SOE站A網(wǎng)故障時(shí)將直接切換CPU，切換至B網(wǎng)采集。當(dāng)CPU2為主CPU，SOE站B網(wǎng)故障時(shí)將直接切換CPU，切換至A網(wǎng)采集。當(dāng)SOE站CPU發(fā)生故障或A/B網(wǎng)都故障時(shí)，不切換CPU1/2，發(fā)出嚴(yán)重警報(bào)提醒運(yùn)行人員做進(jìn)一步處理。

（2）CPC1/2與CPU1/2

CPC1/2上行鏈路A1 /B1/C1/D1與CPU1/2交叉連接，CPC1/2接入外圍通信對(duì)象大部分屬于輔助設(shè)備，優(yōu)先級(jí)定為P2。當(dāng)CPU1為主CPU，CPU1優(yōu)先使用B1網(wǎng)數(shù)據(jù)，B1網(wǎng)故障后，CPU1采用C1網(wǎng)數(shù)據(jù)，當(dāng)B1和C1同時(shí)中斷且優(yōu)先級(jí)高于P2的節(jié)點(diǎn)通信正常時(shí)，才進(jìn)行主備CPU切換。當(dāng)CPU2為主CPU時(shí)，切換原則相同。

（3）CPU1/2與DBS1/2

DBS1/2與CPC1/2配 置 相 同，經(jīng) 過(guò) 交 換 機(jī)Switch1/2與CUP1/2連接，冗余度最高，但因其不屬于LCU現(xiàn)地控制層設(shè)備，優(yōu)先等級(jí)低于CPC1/2，定為P3。當(dāng)CPU1為主CPU，DBS1為主采集服務(wù)器，CPU1與DBS1之間A、B網(wǎng)通信同時(shí)中斷后，如果優(yōu)先級(jí)高于P3的節(jié)點(diǎn)通信均正常，主備CPU僅做一次切換，以避免網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，重復(fù)不斷切換CPU。CPU2為主CPU時(shí)遵循相同原則。

（4）ECM站與CPU1/2

ECM站配置與SOE站類(lèi)似，單機(jī)雙網(wǎng)，負(fù)責(zé)與線路繼電器保護(hù)裝置通信，主要讀取保護(hù)動(dòng)作事件記錄等信息，采樣點(diǎn)不參與PLC邏輯控制，優(yōu)先級(jí)最低為P4。當(dāng)ECM站網(wǎng)絡(luò)E1故障時(shí)數(shù)據(jù)采集選擇備用網(wǎng)絡(luò)E2，并發(fā)出報(bào)警信息，但不會(huì)觸發(fā)主備CPU切換。

綜上所述，PLC程序根據(jù)故障節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)別和備用網(wǎng)絡(luò)情況，最大限度地保障了通信數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠。

4.3 開(kāi)停機(jī)順控流程

機(jī)組開(kāi)停機(jī)和事故停機(jī)流程，PLC編程采用了順控流程（SFC），形象直觀且與人機(jī)界面展現(xiàn)的完全一致，方便運(yùn)行人員理解使用。

5 結(jié)語(yǔ)

MINAS電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、軟件開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足美洲標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)通過(guò)了業(yè)主和監(jiān)理的嚴(yán)格測(cè)試，項(xiàng)目整體已順利移交。項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)和資料，可為其他南美項(xiàng)目提供一點(diǎn)參考。