摘要：本文研究了寶泉抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化改造方法。該電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)是由國外供貨且LCU主機采用工控機，這種監(jiān)控系統(tǒng)的改造在國內(nèi)沒有先例。本文系統(tǒng)總結(jié)了寶泉抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化改造方案研究方法，主要內(nèi)容包括水電站現(xiàn)場安全測試、以太網(wǎng)協(xié)議類型篩選、通信應(yīng)用層協(xié)議測試等方法研究，而通信應(yīng)用層協(xié)議測試研究方法又是其中的核心內(nèi)容。本文逐一研究了通信應(yīng)用層協(xié)議，分析了這些方法各自特點及其在該電站應(yīng)用的可行性。應(yīng)用本文提出的數(shù)據(jù)包分析方法，順利完成了寶泉抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化改造方案研究。
關(guān)鍵詞：方法研究;抽水蓄能;計算機監(jiān)控系統(tǒng);國產(chǎn)化;改造;應(yīng)用層協(xié)議
1研究背景
為配合中國核電站的興建及滿足“西電東送”電力負(fù)荷平衡的需求，中國從1980年代末陸續(xù)興建了廣州蓄能一期工程、天荒坪一期、廣州蓄能二期工程、桐柏、泰安、西龍池、張河灣、黑糜峰、寶泉、惠州、白蓮河等一批大中型抽水蓄能電站。限于當(dāng)時中國機電制造、控制保護技術(shù)水平，這些蓄能電站的監(jiān)控系統(tǒng)等自動化系統(tǒng)均隨主機由國外廠商供貨。其中多數(shù)電站的監(jiān)控系統(tǒng)投運時間已達10年以上，由于技術(shù)服務(wù)、功能拓展及備品備件等問題，這些蓄能電站的監(jiān)控系統(tǒng)陸續(xù)進入改造階段。我國常規(guī)水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展階段與抽水蓄能電站的情況相類似，開始時以引進國外產(chǎn)品為主。
蓄水論文范例： 抽水蓄能電站工程三維可視化技術(shù)研究
1980年代開始，巖灘、曼灣、隔河巖、水口常規(guī)水電廠與廣州蓄能電站同時引進國外計算機監(jiān)控系統(tǒng)。1990年代開始，我國國產(chǎn)水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)逐漸開始得到應(yīng)用，到2000年左右我國常規(guī)水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)水平已經(jīng)逐漸達到國際先進或國際領(lǐng)先水平[1]。在這一過程中，常規(guī)水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)逐漸升級改造，尤其最早引進國外監(jiān)控系統(tǒng)的巖灘、曼灣、隔河巖、水口等常規(guī)水電廠，都成功進行計算機系統(tǒng)國產(chǎn)化升級改造，為我國突破抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)奠定了堅實的基礎(chǔ)[2-9]。
從2010年以后，我國抽水蓄能電站機電技術(shù)研究水平逐漸提高[10-11]，中國新建的抽水蓄能電站的主機設(shè)備及計算機監(jiān)控系統(tǒng)陸續(xù)實現(xiàn)了國產(chǎn)化[12-15]，自主研發(fā)的大中型抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)日趨成熟，為國內(nèi)正在運行的抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)的改造開辟了新的路徑。抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)升級改造方法與其LCU的主機形式密切相關(guān)。LCU的主機形式主要有兩種：工控機、PLC。
由于選用的PLC多采用通用的工業(yè)產(chǎn)品，其通信機制與通信規(guī)約都會選擇工業(yè)界最流行的方式，目前國內(nèi)已取得成功的案例[16-18]。但是寶泉抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)LCU主機采用工控機，通信機制與通信規(guī)約可以采用流行的通用的方式，也可采用私有協(xié)議，方式多種多樣，目前采用工控機的沒有改造成功的案例。
寶泉抽水蓄能電站的監(jiān)控系統(tǒng)采用ALSTOMALSPAP320產(chǎn)品，隨歐洲廠商供貨，于2009年投入商業(yè)運行，投運時間已達十二年之久，由于技術(shù)服務(wù)、功能拓展等越來越困難、備品備件成本越來越高等問題，迫切需要進行改造。本文作者參加了寶泉抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化改造方案研究項目。這一項目所涉及到的研究方法，貫穿于項目的整個研究過程，對于項目的進度及成果影響很大，是項目成果的重要組成部分。本文將項目研究過程中的方法進行總結(jié)，希望供有關(guān)技術(shù)人員參考。
2存在的問題及研究思路
2.1原監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀
寶泉抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)廠站層設(shè)備與現(xiàn)地控制層設(shè)備通過CON⁃TRONETS8000形成環(huán)形以太網(wǎng)?，F(xiàn)地控制單元LCU采用MFC3000產(chǎn)品，由雙機熱備主機PCX及數(shù)采控制單元C8035子站組成。LCU主機PCX是工控機型產(chǎn)品，C8035系列采用GE90-30OEM產(chǎn)品。
2.2監(jiān)控系統(tǒng)改造面臨的挑戰(zhàn)
寶泉抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)改造需要分步實施，在改造過程全程或一部分時間內(nèi)新、老監(jiān)控系統(tǒng)需要并列運行，新、老兩套監(jiān)控系統(tǒng)要解決平滑過渡問題。改造面臨以下技術(shù)難題：監(jiān)控系統(tǒng)由國外廠商供貨，缺少其通信機理、工作原理、工作機制資料，特別是原監(jiān)控系統(tǒng)主干以太網(wǎng)CONTRONETS8000與廠站層和現(xiàn)地控制單元(LocalControlUnit：LCU)MFC3000控制器間規(guī)約通信沒有任何資料;監(jiān)控系統(tǒng)正在運行，研究測試工作不得影響現(xiàn)有電廠的安全生產(chǎn);由于抽水蓄能電站水泵啟動的復(fù)雜性，機組LCU間、機組LCU與承擔(dān)水泵啟動的公用LCU間需要雙向數(shù)據(jù)通信，監(jiān)控系統(tǒng)改造需要分步實施，現(xiàn)地控制單元要逐步改造，四臺機組發(fā)電、抽水工況要正常運行。
2.3研究的總思路
開展抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)改造方案研究，首先要研究借鑒中國常規(guī)水電站監(jiān)控系統(tǒng)改造的方法。從1980年代起，一部分國內(nèi)常規(guī)水電站監(jiān)控系統(tǒng)陸續(xù)進行了改造，改造的方案是成熟的[4-7]。常規(guī)水電站監(jiān)控系統(tǒng)改造過渡方案可歸納為兩類：第一類是新系統(tǒng)接入老系統(tǒng)過渡方案;第二類是老系統(tǒng)接入新系統(tǒng)過渡方案。這兩種方案共同之處是新、老監(jiān)控系統(tǒng)廠站層間實現(xiàn)通信，LCU改造分步實施，改造前的LCU由原監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控，改造后的LCU由新的監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控。
由于本項目缺少原監(jiān)控系統(tǒng)工作原理與通信機制的資料，且抽水蓄能電站LCU間信息交互涉及到控制，新、老監(jiān)控系統(tǒng)廠站層間實現(xiàn)通信需要原廠家支持。因此采用常規(guī)水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造方案不適合寶泉抽蓄電站監(jiān)控系統(tǒng)升級改造方案研究。寶泉抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)改造研究的總思路是整體改造方案，首先改造監(jiān)控系統(tǒng)廠站層，然后逐漸改造LCU。這種方案的實現(xiàn)要點是：搭建新的監(jiān)控系統(tǒng)，首先實現(xiàn)新監(jiān)控系統(tǒng)廠站層對原所有LCU的監(jiān)視和控制，包括機組的水泵啟?？刂?在此基礎(chǔ)上，分步進行LCU改造，實現(xiàn)電站現(xiàn)場生產(chǎn)的連續(xù)不間斷進行，實現(xiàn)與電力調(diào)度的連續(xù)正常通信。
每一個LCU(MFC3000)由PCX及數(shù)個C8035子站組成。本項目通信研究對象，可以選擇LCU的主機PCX，也可選擇LCU的C8035子站。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研、分析研究，C8035子站僅承擔(dān)數(shù)據(jù)采集與控制調(diào)節(jié)輸出，邏輯運算、數(shù)據(jù)處理及通信處理均由PCX完成，PCX具有LCU的完整信息。如果選擇C8035子站為通信對象，需要在改造過程中仿造PCX編制控制流程、測試流程，并按原通信規(guī)約進行通信，工程量巨大。因此，LCU的通信對象選擇PCX是適宜的。這樣的選擇，將LCU整體作為研究對象，PCX中包含完整信息，當(dāng)開展LCU的升級改造時，便于LCU的分布實施，監(jiān)控系統(tǒng)改造的界面清晰、方便實施。
3研究方法
3.1以太網(wǎng)協(xié)議研究
S8000的網(wǎng)絡(luò)類型是以太網(wǎng)，以太網(wǎng)類型有多種，不同以太網(wǎng)協(xié)議的類型，網(wǎng)絡(luò)接口、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)是不同的。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織1985年提出OSI模型，網(wǎng)絡(luò)互連定義了7層框架：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層、應(yīng)用層。這種理想的網(wǎng)絡(luò)互連模型過于復(fù)雜，實際的以太網(wǎng)協(xié)議都以此為基礎(chǔ)進行簡化。
在工控領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的以太網(wǎng)協(xié)議有TCP/IP、UDP/IP兩種，均分為4層：網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。TCP主要特點是經(jīng)過幾次網(wǎng)絡(luò)連接與校驗，而UDP沒有網(wǎng)絡(luò)連接與校驗。TCP/IP更安全、可靠，UDP/IP更快捷。由于TCP/IP、UDP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的各自特點，他們的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)是不同的。鑒于TCP/IP、UDP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同特點，中國的工業(yè)領(lǐng)域較多采用TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
TCP/IP通信方式的特點是，TCP建立連接要進行3次握手，而斷開連接要進行4次握手，通信才能正常進行。另外，TCP/IP的通信包頭需要包含源端口、目標(biāo)端口、序列號、回應(yīng)序號、保留位、控制代碼、長度、校驗和等信息，所以TCP/IP的通信包頭至少需要20個字節(jié)。因為UDP不需要建立連接，信息包頭只有源端口、目標(biāo)端口、長度、校驗和等8個字節(jié)信息。在監(jiān)控系統(tǒng)大量數(shù)據(jù)分析研究過程中，研究發(fā)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)及IP數(shù)據(jù)包的特征位均不存在“握手”過程，通信包頭的長度只有8個字節(jié)，因此得出結(jié)論該電站通信不是采用TCP/IP通信協(xié)議，而是采用UDP/IP協(xié)議。
3.2應(yīng)用層通信協(xié)議研究
研究得出監(jiān)控系統(tǒng)的以太網(wǎng)協(xié)議類型后，需要進一步研究通信協(xié)議的應(yīng)用層協(xié)議，才能解析數(shù)據(jù)包的內(nèi)容。研究有以下5種方式可以采用：(1)采用公開標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議進行測試方案;(2)采用通用的中間轉(zhuǎn)換設(shè)備作為轉(zhuǎn)接器接入LCU方案;(3)采用OPC接口與原監(jiān)控系統(tǒng)MFC3000控制器通信方案;(4)通過資料收集等途徑獲得MFC3000單元控制器的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約，包括傳輸規(guī)則及數(shù)據(jù)和控制命令的具體格式，在國產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)上開發(fā)相應(yīng)的通信程序?qū)崿F(xiàn)MFC3000控制器接入方案;(5)通過抓取MFC3000單元控制器在S8000網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膶嶋H數(shù)據(jù)包進行分析解包，分析確定上行數(shù)據(jù)包和下行控制命令的傳輸規(guī)則和網(wǎng)絡(luò)傳輸報文的具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及命令格式，在國產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)上開發(fā)相應(yīng)的通信程序?qū)崿F(xiàn)MFC3000監(jiān)控方案。
3.2.1采用公開標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議進行通信測試研究
為進行這種測試，選用兩種專業(yè)通信測試軟件對原監(jiān)控系統(tǒng)進行通信協(xié)議測試。這兩種專業(yè)測試軟件，可分析測試幾百種公開的通信協(xié)議，如Mod⁃busoverTCP/IP，TASE-2，IEC60870-5-101/102/103/104，DNP3.0，CDT，POLLING，DL476-92，CDC8890Type-2，SC1801，WestingHouseμ4f等等。
4應(yīng)用效果分析
本文提出的五種研究方法，前四種研究方法經(jīng)過一一驗證不適用于本項目的研究。第五種方法是數(shù)據(jù)包分析方法適用范圍廣，但難度最大。對于數(shù)據(jù)通信協(xié)議而言，主要分為兩大部分：上行數(shù)據(jù)通信協(xié)議、下行數(shù)據(jù)的通信協(xié)議。上行數(shù)據(jù)通信協(xié)議包括開關(guān)量采集、模擬量采集、溫度量采集以及變位報警信息采集，下行數(shù)據(jù)通信協(xié)議主要是下行命令格式的分析。
4.1上行數(shù)據(jù)通信協(xié)議解析
(1)通過特定開關(guān)量的反復(fù)動作以及連續(xù)開關(guān)量的反復(fù)動作并與現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)HMI對比，遴選出開關(guān)量數(shù)據(jù)包，解析出開關(guān)量上行及變位報警的數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議;(2)根據(jù)水電站溫度量上行普遍帶一位小數(shù)位數(shù)上送的規(guī)律，通過對比原有監(jiān)控系統(tǒng)HMI上水輪發(fā)電機組的各部位溫度實時值，遴選出溫度量數(shù)據(jù)包，解析出溫度量上行的數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議;(3)溫度量是模擬量的特例，根據(jù)溫度量的上行的數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議，通過發(fā)電機組電壓、電流、功率實時值，確定模擬量是源碼上送、工程上限/下限以及小數(shù)位數(shù)通過實時數(shù)據(jù)實現(xiàn)的規(guī)律，遴選出模擬量數(shù)據(jù)包，解析出模擬量上行的數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議。
4.2下行數(shù)據(jù)通信協(xié)議解析
要實現(xiàn)在國產(chǎn)計算機監(jiān)控廠站層通過原監(jiān)控系統(tǒng)的LCU對原有電廠設(shè)備的控制，需要解析原監(jiān)控系統(tǒng)的下令命令通信格式。與解析上行數(shù)據(jù)通信協(xié)議方法不同，需要記錄原監(jiān)控廠站層HMI上下發(fā)的各種命令的類型、時間、參數(shù)，遴選確定數(shù)據(jù)包。這種試驗在檢修的機組上進行多組，得出結(jié)論是原監(jiān)控系統(tǒng)下令命令分為兩種，一種是帶參數(shù)的，如發(fā)電機有功功率或機端電壓的調(diào)整;另一種就是無參數(shù)的命令，比如某一設(shè)備的分合操作。為了區(qū)分不同命令，每一命令都有每一編碼。
5結(jié)論
寶泉抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，采用國外廠商產(chǎn)品已經(jīng)運行十幾年。電站監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化升級改造方法研究，是完成電站監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化升級改造方案的基礎(chǔ)。本文提出了自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場安全試驗的方法，這是開展現(xiàn)現(xiàn)場研究的前提條件。寶泉抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用阿爾斯通ALSPAP320系統(tǒng)，其LCU采用工控機PCX與數(shù)采單元C8035組成，LCU的數(shù)據(jù)處理、程序?qū)崿F(xiàn)以及通信均在工控機PCX中實現(xiàn)。這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)國內(nèi)外還沒有國產(chǎn)化改造的成功案例。本文在3.2中提出五種方式探討研究方法：一是采用公開標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議進行測試方案;二是采用通用的中間轉(zhuǎn)換設(shè)備作為轉(zhuǎn)接器接入LCU方案;三是采用OPC接口與原監(jiān)控系統(tǒng)MFC3000控制器通信方案;四是通過合法手段獲得通信規(guī)約;五是數(shù)據(jù)包分析方法。前四種方法是比較容易實現(xiàn)的，第五種方法難度大，不易實現(xiàn)。
從工程角度來說，應(yīng)該從容易的方法開始研究。在一一排除前四種方法基礎(chǔ)上，采用第五種方法予以研究。采用數(shù)據(jù)分析的第五種方法，要在以太網(wǎng)中確定具體的數(shù)據(jù)包，方法很重要，這涉及到數(shù)據(jù)包分析的效率。需要采用單點多動、連續(xù)信號同時動作等等方法確定特定數(shù)據(jù)包，按照開關(guān)量、模擬量、溫度量等一一突破，可以得到全部通信協(xié)議。采用數(shù)據(jù)分析的第五種方法雖然難度大，但是具有通用性，可以在一般工業(yè)背景推廣應(yīng)用。
采用這種方法，對寶泉抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化升級改造可能采用的方法進行系統(tǒng)研究，獲得通信協(xié)議，成功在國產(chǎn)化計算機監(jiān)控系統(tǒng)H9000上實現(xiàn)了對現(xiàn)有全部LCU設(shè)備全數(shù)據(jù)采集與控制命令動態(tài)測試。依據(jù)本文的方法研究，已提出寶泉抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化改造方案，為實現(xiàn)寶泉抽水蓄能電站國產(chǎn)計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造奠定了堅實基礎(chǔ)。本項目的研究是在對原有監(jiān)控系統(tǒng)工作機制、原理、通信協(xié)議資料缺乏的前提下取得的，可廣泛適用于抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的改造，也可供其他自動化系統(tǒng)改造時參考。
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作者：劉鵬龍1，吳小鋒1，方書博1，劉曉波2，張毅2，白劍飛2，張煦2，王秋實2
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