刘仕维1 郑凯2
1.国电海控新能源有限公司大广坝水电厂，海南 东方 572600；2.国电科学技术研究院有限公司，四川 成都 61000
摘要：针对大广坝水电厂监控系统经过多年运行，随着技术进步和系统元件的老化，其功能和性能已逐渐不能完全满足生产运行需求。本文将监控控系统存在问题进行分析总结，阐述升级改造的必要性，结合公司战略部署和未来发展需要，提出了监控系统升级改造原则及可行性改造方案。
关键词：监控系统；升级改造；冗余配置；无人值班
1 引言
大广坝水电枢纽工程位于海南省东方市境内昌化江流域，距海口市275公里，具有发电、灌溉及供水等综合经济效益，是海南省第一个列入国家“八五”计划重点建设项目，在海南电力系统中主要起调峰、调频和事故备用的作用，对改善电能质量，保证海南电网的稳定运行起着举足轻重的作用。坝址控制流域面积3498平方公里，水库总库容17.1亿立方米，属多年调节水库，拦河坝长5842米，其中土坝长5123米，混凝土坝长719米。电站安装有4台单机容量60MW的水轮发电机组，另在高干渠首还安装有2台1MW的水轮发电机组。
2 系统存在的问题及改造的必要性
大广坝水电厂计算监控系统由原宜昌市能达通用电气股份合作公司生产，监控系统从安装调试至全部投入商运，至今已运行超过10年，故障率较高，同时在系统功能扩充、售后服务响应等方面均也存在一定的问题，已经不能满足企业发展和运行管理要求，对电站生产运行产生了一定程度的影响。
2.1 监控系统故障率分析
大广坝水电厂计算机监控系统于2007年投入运行，自投产至今的监控系统相关的缺陷数量对比见图1。
.png)
对监控系统相关缺陷进行分析，近年来监控系统上位机、现地控制单元设备故障率逐渐增高，陆续出现监控系统死机、控制功能失效、网络中断等问题。同时由图1可以得出监控系统缺陷率发生的规律是属于比较典型的“浴盆曲线”，表明了监控系统已经处于损耗故障期，即系统经过长期使用，故障率呈上升趋势，且故障带有普遍性和规模性，功能和性能已逐渐不能完全满足生产运行需求，给电厂的经济稳定生产带来了一定的安全隐患。
2.2 系统配置分析
（1）网络配置
改造前监控系统整个网络架构系TCP/IP协议的单光纤以太网，当主干网络中任两个节点断开或出现故障都会造成网络中断，进而影响系统的正常运行，不满足《防止电力生产事故的二十五项重点要求》（国能安全〔2014〕161号）中监控系统网络架构应具备双通道组成双网的要求。
（2）上位机配置
改造前监控系统上位机设备已经属于早期淘汰产品，配置较低，系统的软硬件维护和更新存在一定难度，设备存在一定程度的老化，故障率较高，电厂的安全生产及与调度的通信已有一定的安全隐患。
（3）现地控制单元配置
机组、开关站、公用、大坝等现地控制单元CPU均采用单CPU配置，不满足《防止电力生产事故的二十五项重点要求》（国能安全〔2014〕161号）中监控系统主要设备应冗余配置的要求，同时现地控制单元PLC采用的为施耐德昆腾140系列，目前已经停产，服务响应明显滞后、维护成本上明显加高。另外，历年来机组及公用辅助设备的新增和改造，需要接入监控系统的信号量大大增加，配置的输入输出模块不能完全满足接入需求，系统硬件已出现瓶颈。
2.3 不满足公司发展需要
根据国电海控新能源公司的战略部署和发展需要，电力体制改革以及集团公司发展方向，以创造更大的经济效益和社会效益为目标，结合公司内部的管理和生产业务需求，将建立远程集控中心，而集控中心的建设与运行，就需要厂站具备高可靠性、高自动化程度，从目前大广坝水电厂监控系统现状来看，还达不到要求。
同时无人值班是水电站值班方式改革和发展的必然方向，对电站设备自动化水平、人员综合素质和管理水平都提出了更高的要求，是水电站一流管理、一流设备、一流人才的重要标志，对水电站的全面改革和发展有极大的促进作用。因此实行无人值班是符合集团公司管理创新要求，也是国电海控新能源公司战略发展和降低管理成本的需要。为顺应电站管理模式的创新，制定电站实施无人值班模式的技术要求和运行管理规则，同时为后续水电站实施远程集控运行管理模式提出执行标准要求。
综上所述，结合“无人值班”(少人值守)要求，对监控系统改造升级，解决监控系统存在的问题，对保证发电机组安全稳定运行、提高设备自动化水平、提升经济效益、改善员工劳动生活条件均有着重要作用，是公司发展目标、提升运行管理的需要，也是技术更新、提高系统安全可靠运行的需要。
3 计算机监控系统改造升级方案
3.1 升级改造设计原则
（1）统一规划/分步实施原则
监控系统的升级改造以确保不影响电厂正常的安全生产为前提，涉及到管理与技术的各个方面，同时要考虑与后期集控中心建设无缝衔接，因此必须统筹考虑，统一规划，分步实施，按照公司的战略和需求的轻重缓急目标合理的安排计划，降低项目建设风险，稳步推进，既要满足当前公司对管理业务变革的迫切需求，同时也要考虑整个系统的演进，最大可能地满足生产调度及经济运行管理的需要。
（2）可靠性原则
系统的可靠性是业务持续开展的基本保障，因此规划设计应充分考虑系统建设的安全、稳定、可靠，确保系统建设及实施过程中的安全、可靠运行及无缝接入，使技术系统发挥最大价值，支撑业务的全线实现。
（3）可行性原则
任何技术系统都以更好的服务于生产经营目标、管理与控制为目的，以实现更大的经济效益和社会效益为目的，因此系统规划与建设必须继承已有的管理与技术成果，继承和发挥已有的知识沉淀，充分利用企业现有的系统和设备资源，保护原有投资，吸纳先进技术，对现有的系统进行有效地集成和利用，对现有的数据进行有效地规划和整合，确保数据的有效、完整及综合利用；合理利用、有效配置公司现有的IT资源。
（4）可扩展性原则
监控系统的需求不是恒定的，因此在新的需求产生的时候，系统必须具有高的开放性和良好的扩展性，真正做到随需而变，快速搭建和实现新的应用或系统，使得已建成的系统能快速满足业务变化的需要。监控系统的建设在满足公司现实需求基础上，应充分考虑到系统不断扩展的要求，规划易于管理、可持续发展的方案，未来业务的扩展只须在现有架构的基础上，增加新的业务服务模块。
（5）先进性原则
系统设计与建设的先进性将直接影响管理与业务的开展，应借鉴国内外先进技术方案，采用市场领先、成熟、可靠的技术构建系统，使之在较长的时间内能满足业务变化与增长的需要。
3.2 系统结构与配置
（1）系统结构
计算机监控系统采用分层分布式结构，分为电厂控制级和现地控制级两层。网络联结采用采用双星型交换式以太网，全开放的分布式接口。
计算机监控系统与外部系统（如：集控中心、电网调度）采用广域网联结，同时通过数据交换系统与调速系统、励磁系统、重要公用辅机系统、水情自动测报系统、状态监测系统、大坝及水工建筑物监测系统、生产管理系统、继电保护信息系统、故障录波系统、电能量采集、工业电视、消防监控系统、报（竞）价系统等通信，实现电站调度、经济运行和统一管理。计算机监控系统通过电力调度数据专网（冗余通道）与电网调度进行数据通信，上送电网调度机构所需信息。
（2）系统各级设备配置
系统主要设备采用冗余配置，采用开放式分布式技术和面向对象的技术，采取措施保证在失电情况下程序和数据无丢失，当电源恢复时，能自动再启动及软件。配置留有一定裕量，满足后期功能扩展。
电厂控制级设备包括2套数据服务器、2套操作员站、1套工程师站、1套培训工作站、1套厂内通讯工作站、2套调度通讯工作站、1套语音告警及ON-CALL系统工作站、2套北斗/GPS同步时钟装置、2套系统网络设备、2台网络打印机等。工作站、服务器、网络设备等采用高性能国产品牌，时钟同步装置采取以北斗为主、GPS为辅的单向方式，同时应具备守时功能，保证监控系统时间与标准时间一致。
现地控制级设备包括6套机组现地控制单元、1套开关站现地控制单元、1套公用设备现地控制单元、1套闸门现地控制单元，设置冗余的现地交换机，双CPU、双总线，双电源装置。上位机与现地控制单元之间通过双套以太网交换机相连接，组成双星型冗余网络，任何一个网络故障都不会影响到其他节点正常运行。PLC以太网通讯模块支持IEC61850通讯协议，可作为Server采用MMS报文与上位机通讯，也能作为Client采用MMS报文与现场智能终端(IED设备)通讯，满足不同系统的互联互通、互操作。
测温回路取消了温控仪表和温度巡检装置，采用专门和PLC控制器配套的温度量输入模块，接入热电阻传感器信号，并通过PLC程序和工控机组态实现测点显示和保护逻辑，该方案软硬件维护较为方便，逻辑控制程序与温度量输入模块相对独立，若更换硬件，只需保证通道与原模块一致，而无需重新进行编程，同时可实现测点的冗余控制。
（3）软件系统配置
监控系统配备能够完成全部功能的软件系统，包括系统软件（操作系统）、支持软件和应用软件。系统软件（操作系统）为实时多用户、多任务执行程序系统，支持多种高级语言软件开发平台，选用国产安全加固的操作系统。支持软件包括编译编辑软件、、数据库软件、通信软件、制表生成软件、数据库和画面群结合软件、档案(历史)管理软件及其它支持软件等。应用软件为模块化的、能以多种方式启动，并能作为独立的整体而易于修改扩充，至少应包括：数据采集、处理和监视控制调节软件包、经济调度和自动发电控制（EDC/AGC）软件包、自动电压控制（AVC）软件包、人机接口软件、自启动软件、其它应用软件包等。
（4）系统安全防护
监控系统安全防护必须满足《电力监控系统安全防护规定的要求》（国家发改委令〔2014〕14号）、《信息安全技术网络安全等级保护基本要求》（GB/T 22239-2019）等标准的要求。
系统安全防护的总体原则为“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证、综合防护”。计算机监控系统从安全分区来说应整体部署在生产控制大区中的控制区（安全区I）之中，重点防护。计算机监控系统通过电力调度数据网与电网调度的通信，同时加装经过相关部门检测认证的电力专用纵向加密认证装置；计算机监控系统与非控制区的系统之间连接采用硬件防火墙或相当功能进行逻辑隔离，生产控制大区与管理信息大区之间的连接采用单向横向物理隔离装置进行隔离；计算机监控系统应部署恶意代码防护系统、采取防范恶意代码措施，各工作站及服务器采用安全加固的操作系统等。
3.3 改造后系统主要特点及功能
（1）本次计算机监控系统改造方案采用分层分布式结构，监控系统网络采用1000Mbps双星型结构的交换式以太网，重要设备采用冗余配置，系统可靠性高。系统配置方案充分考虑了目前装置的实际状况并留有一定的裕度，同时计算机监控系统改造方案在考虑解决目前存在的问题和需求的同时，考虑公司未来集控中心接入的需求。
（2）设置独立的水力机械保护PLC，其电源及输入信号与机组现地控制单元相对立，能在机组现地控制单元冗余系统全部故障或工作电源全部失去时，水力机械保护PLC能执行完整的停机过程控制，当发生重要水力机械事故（包括过速、轴承瓦温过高、事故低油压、按下紧急停机按钮、按下紧急落快速闸门或关闭进水主阀等）时启动。
（3）取消温度巡回测控仪测温和保护方式，改为采用PLC专用温度量输入模块方案，提高了可靠性。
（4）根据现场实际，部分区域采用远程I/O，数据就地采集，现地测控仪表和辅机设备控制单元通过通信方式与现地控制单元连接，节约了大量的信号电缆。
（5）采用支持IEC61850通讯协议的PLC设备，IEC 61850模块支持变电站IEC61850-7-4、水电厂IEC 61850-7-410对象模型及IEC61850-7-3所有数据类型，满足不同系统的互联互通、互操作，为水电厂智能化建设奠定了基础。
3.4 改造实施方案
考虑到监控系统整体改造需要结合检修工作开展，不可能一步到位，因此需要分阶段分步实施，系统改造过程采取新旧系统并列运行的过渡方式，在确保新系统在完成所有功能和性能的离线测试合格后才接入系统进行动态调试。项目实施应合理安排工期，制定合理的施工组织措施，科学调度，与机组检修时间相互配合，以最大限度减少对机组运行的影响。同时本工程为原有工程的改造，施工过程中需做好对现有装置的保护工作。
结合电站检修计划，计算机监控系统整体升级改造内容分为5个阶段：第1阶段，项目前期，包括完成项目招标、合同签订、提交初步设计报告等；第2阶段，设备进场，1号机组设备安装和调试；第3阶段，上位机安装和调试，1号机组接入上位机试运行；第4阶段，剩余现地控制单元设备安装和调试；第5阶段，项目整体验收，包括现场试验验收和评估、系统试运行。
4 结束语
根据国家、行业标准规范，对大广坝水电厂计算机监控系统从系统配置、运行现状、设备可靠性、产品先进性、厂家服务及时性等方面进行阐述，分析监控系统存在的问题，得出大广坝水电厂计算机监控系统需进行升级改造的结论。同时结合无人值班发展趋势，从公司实际需求出发，结合内、外部形势和公司的发展现状，以建设国内先进的监控系统为目标，借鉴国内外先进技术，设计适合公司发展的监控系统规划方案。
通过本项目的实施，提高了电站设备自动化程度和可靠性，保证了机组安全稳定运行，为后期实行集中运行监控、统一调度的管理模式，逐步实现电站的无人值班打下基础，对提升经济效益，改善人员生产、生活环境，提高管理效率有着重要作用。
参考文献：
[1]刘佳，黄剑锋，尚进.去学水电厂计算机监控系统设计及应用[J].水电厂自动化,2020,41
(01):10-12.
[2]王宗收,李世昌,朱传宗,吴妍,于潇.浅谈某蓄能水电厂计算机监控系统上位机改造[J].水电站机电技术,2018,41(12):20-23.
[3]胡操,王靖欧.湖北隔河岩水电厂计算机监控系统改造[J].水电厂自动化,2016,37(01):4-6.
[4]俞鸿飞,徐麟,束炳芳,包震洲,王霄,肖龙.水电站计算机监控系统智能化改造的思考[J].水电站机电技术,2015,38(07):10-13.