宝泉抽水蓄能电站计算机监控系统国产化改造方法研究

　　摘要：本文研究了宝泉抽水蓄能电站计算机监控系统国产化改造方法。该电站计算机监控系统是由国外供货且LCU主机采用工控机，这种监控系统的改造在国内没有先例。本文系统总结了宝泉抽水蓄能电站监控系统国产化改造方案研究方法，主要内容包括水电站现场安全测试、以太网协议类型筛选、通信应用层协议测试等方法研究，而通信应用层协议测试研究方法又是其中的核心内容。本文逐一研究了通信应用层协议，分析了这些方法各自特点及其在该电站应用的可行性。应用本文提出的数据包分析方法，顺利完成了宝泉抽水蓄能电站计算机监控系统国产化改造方案研究。

　　关键词：方法研究;抽水蓄能;计算机监控系统;国产化;改造;应用层协议

　　1研究背景

　　为配合中国核电站的兴建及满足“西电东送”电力负荷平衡的需求，中国从1980年代末陆续兴建了广州蓄能一期工程、天荒坪一期、广州蓄能二期工程、桐柏、泰安、西龙池、张河湾、黑糜峰、宝泉、惠州、白莲河等一批大中型抽水蓄能电站。限于当时中国机电制造、控制保护技术水平，这些蓄能电站的监控系统等自动化系统均随主机由国外厂商供货。其中多数电站的监控系统投运时间已达10年以上，由于技术服务、功能拓展及备品备件等问题，这些蓄能电站的监控系统陆续进入改造阶段。我国常规水电站计算机监控系统技术发展阶段与抽水蓄能电站的情况相类似，开始时以引进国外产品为主。

　　蓄水论文范例： 抽水蓄能电站工程三维可视化技术研究

　　1980年代开始，岩滩、曼湾、隔河岩、水口常规水电厂与广州蓄能电站同时引进国外计算机监控系统。1990年代开始，我国国产水电站计算机监控系统逐渐开始得到应用，到2000年左右我国常规水电站计算机监控系统的技术水平已经逐渐达到国际先进或国际领先水平[1]。在这一过程中，常规水电站计算机监控系统逐渐升级改造，尤其最早引进国外监控系统的岩滩、曼湾、隔河岩、水口等常规水电厂，都成功进行计算机系统国产化升级改造，为我国突破抽水蓄能电站计算机监控系统关键技术奠定了坚实的基础[2-9]。

　　从2010年以后，我国抽水蓄能电站机电技术研究水平逐渐提高[10-11]，中国新建的抽水蓄能电站的主机设备及计算机监控系统陆续实现了国产化[12-15]，自主研发的大中型抽水蓄能电站计算机监控系统日趋成熟，为国内正在运行的抽水蓄能电站监控系统的改造开辟了新的路径。抽水蓄能电站计算机监控系统升级改造方法与其LCU的主机形式密切相关。LCU的主机形式主要有两种：工控机、PLC。

　　由于选用的PLC多采用通用的工业产品，其通信机制与通信规约都会选择工业界最流行的方式，目前国内已取得成功的案例[16-18]。但是宝泉抽水蓄能电站监控系统LCU主机采用工控机，通信机制与通信规约可以采用流行的通用的方式，也可采用私有协议，方式多种多样，目前采用工控机的没有改造成功的案例。

　　宝泉抽水蓄能电站的监控系统采用ALSTOMALSPAP320产品，随欧洲厂商供货，于2009年投入商业运行，投运时间已达十二年之久，由于技术服务、功能拓展等越来越困难、备品备件成本越来越高等问题，迫切需要进行改造。本文作者参加了宝泉抽水蓄能电站计算机监控系统国产化改造方案研究项目。这一项目所涉及到的研究方法，贯穿于项目的整个研究过程，对于项目的进度及成果影响很大，是项目成果的重要组成部分。本文将项目研究过程中的方法进行总结，希望供有关技术人员参考。

　　2存在的问题及研究思路

　　2.1原监控系统结构现状

　　宝泉抽水蓄能电站监控系统厂站层设备与现地控制层设备通过CON⁃TRONETS8000形成环形以太网。现地控制单元LCU采用MFC3000产品，由双机热备主机PCX及数采控制单元C8035子站组成。LCU主机PCX是工控机型产品，C8035系列采用GE90-30OEM产品。

　　2.2监控系统改造面临的挑战

　　宝泉抽水蓄能电站监控系统改造需要分步实施，在改造过程全程或一部分时间内新、老监控系统需要并列运行，新、老两套监控系统要解决平滑过渡问题。改造面临以下技术难题：监控系统由国外厂商供货，缺少其通信机理、工作原理、工作机制资料，特别是原监控系统主干以太网CONTRONETS8000与厂站层和现地控制单元(LocalControlUnit：LCU)MFC3000控制器间规约通信没有任何资料;监控系统正在运行，研究测试工作不得影响现有电厂的安全生产;由于抽水蓄能电站水泵启动的复杂性，机组LCU间、机组LCU与承担水泵启动的公用LCU间需要双向数据通信，监控系统改造需要分步实施，现地控制单元要逐步改造，四台机组发电、抽水工况要正常运行。

　　2.3研究的总思路

　　开展抽水蓄能电站监控系统改造方案研究，首先要研究借鉴中国常规水电站监控系统改造的方法。从1980年代起，一部分国内常规水电站监控系统陆续进行了改造，改造的方案是成熟的[4-7]。常规水电站监控系统改造过渡方案可归纳为两类：第一类是新系统接入老系统过渡方案;第二类是老系统接入新系统过渡方案。这两种方案共同之处是新、老监控系统厂站层间实现通信，LCU改造分步实施，改造前的LCU由原监控系统监控，改造后的LCU由新的监控系统监控。

　　由于本项目缺少原监控系统工作原理与通信机制的资料，且抽水蓄能电站LCU间信息交互涉及到控制，新、老监控系统厂站层间实现通信需要原厂家支持。因此采用常规水电厂计算机监控系统改造方案不适合宝泉抽蓄电站监控系统升级改造方案研究。宝泉抽水蓄能电站监控系统改造研究的总思路是整体改造方案，首先改造监控系统厂站层，然后逐渐改造LCU。这种方案的实现要点是：搭建新的监控系统，首先实现新监控系统厂站层对原所有LCU的监视和控制，包括机组的水泵启停控制;在此基础上，分步进行LCU改造，实现电站现场生产的连续不间断进行，实现与电力调度的连续正常通信。

　　每一个LCU(MFC3000)由PCX及数个C8035子站组成。本项目通信研究对象，可以选择LCU的主机PCX，也可选择LCU的C8035子站。根据现场调研、分析研究，C8035子站仅承担数据采集与控制调节输出，逻辑运算、数据处理及通信处理均由PCX完成，PCX具有LCU的完整信息。如果选择C8035子站为通信对象，需要在改造过程中仿造PCX编制控制流程、测试流程，并按原通信规约进行通信，工程量巨大。因此，LCU的通信对象选择PCX是适宜的。这样的选择，将LCU整体作为研究对象，PCX中包含完整信息，当开展LCU的升级改造时，便于LCU的分布实施，监控系统改造的界面清晰、方便实施。

　　3研究方法

　　3.1以太网协议研究

　　S8000的网络类型是以太网，以太网类型有多种，不同以太网协议的类型，网络接口、数据传输、数据包结构是不同的。根据国际标准化组织1985年提出OSI模型，网络互连定义了7层框架：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。这种理想的网络互连模型过于复杂，实际的以太网协议都以此为基础进行简化。

　　在工控领域应用较为广泛的以太网协议有TCP/IP、UDP/IP两种，均分为4层：网络接口层、网络层、传输层、应用层。TCP主要特点是经过几次网络连接与校验，而UDP没有网络连接与校验。TCP/IP更安全、可靠，UDP/IP更快捷。由于TCP/IP、UDP/IP网络协议的各自特点，他们的数据包结构是不同的。鉴于TCP/IP、UDP/IP网络协议不同特点，中国的工业领域较多采用TCP/IP的网络协议。

　　TCP/IP通信方式的特点是，TCP建立连接要进行3次握手，而断开连接要进行4次握手，通信才能正常进行。另外，TCP/IP的通信包头需要包含源端口、目标端口、序列号、回应序号、保留位、控制代码、长度、校验和等信息，所以TCP/IP的通信包头至少需要20个字节。因为UDP不需要建立连接，信息包头只有源端口、目标端口、长度、校验和等8个字节信息。在监控系统大量数据分析研究过程中，研究发现监控系统数据包结构及IP数据包的特征位均不存在“握手”过程，通信包头的长度只有8个字节，因此得出结论该电站通信不是采用TCP/IP通信协议，而是采用UDP/IP协议。

　　3.2应用层通信协议研究

　　研究得出监控系统的以太网协议类型后，需要进一步研究通信协议的应用层协议，才能解析数据包的内容。研究有以下5种方式可以采用：(1)采用公开标准通信协议进行测试方案;(2)采用通用的中间转换设备作为转接器接入LCU方案;(3)采用OPC接口与原监控系统MFC3000控制器通信方案;(4)通过资料收集等途径获得MFC3000单元控制器的内部网络通信规约，包括传输规则及数据和控制命令的具体格式，在国产监控系统上开发相应的通信程序实现MFC3000控制器接入方案;(5)通过抓取MFC3000单元控制器在S8000网络上传输的实际数据包进行分析解包，分析确定上行数据包和下行控制命令的传输规则和网络传输报文的具体数据结构及命令格式，在国产监控系统上开发相应的通信程序实现MFC3000监控方案。

　　3.2.1采用公开标准通信协议进行通信测试研究

　　为进行这种测试，选用两种专业通信测试软件对原监控系统进行通信协议测试。这两种专业测试软件，可分析测试几百种公开的通信协议，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应用效果分析

　　本文提出的五种研究方法，前四种研究方法经过一一验证不适用于本项目的研究。第五种方法是数据包分析方法适用范围广，但难度最大。对于数据通信协议而言，主要分为两大部分：上行数据通信协议、下行数据的通信协议。上行数据通信协议包括开关量采集、模拟量采集、温度量采集以及变位报警信息采集，下行数据通信协议主要是下行命令格式的分析。

　　4.1上行数据通信协议解析

　　(1)通过特定开关量的反复动作以及连续开关量的反复动作并与现有监控系统HMI对比，遴选出开关量数据包，解析出开关量上行及变位报警的数据格式、通信协议;(2)根据水电站温度量上行普遍带一位小数位数上送的规律，通过对比原有监控系统HMI上水轮发电机组的各部位温度实时值，遴选出温度量数据包，解析出温度量上行的数据格式、通信协议;(3)温度量是模拟量的特例，根据温度量的上行的数据格式、通信协议，通过发电机组电压、电流、功率实时值，确定模拟量是源码上送、工程上限/下限以及小数位数通过实时数据实现的规律，遴选出模拟量数据包，解析出模拟量上行的数据格式、通信协议。

　　4.2下行数据通信协议解析

　　要实现在国产计算机监控厂站层通过原监控系统的LCU对原有电厂设备的控制，需要解析原监控系统的下令命令通信格式。与解析上行数据通信协议方法不同，需要记录原监控厂站层HMI上下发的各种命令的类型、时间、参数，遴选确定数据包。这种试验在检修的机组上进行多组，得出结论是原监控系统下令命令分为两种，一种是带参数的，如发电机有功功率或机端电压的调整;另一种就是无参数的命令，比如某一设备的分合操作。为了区分不同命令，每一命令都有每一编码。

　　5结论

　　宝泉抽水蓄能电站计算机监控系统，采用国外厂商产品已经运行十几年。电站监控系统国产化升级改造方法研究，是完成电站监控系统国产化升级改造方案的基础。本文提出了自动化系统的现场安全试验的方法，这是开展现现场研究的前提条件。宝泉抽水蓄能电站计算机监控系统采用阿尔斯通ALSPAP320系统，其LCU采用工控机PCX与数采单元C8035组成，LCU的数据处理、程序实现以及通信均在工控机PCX中实现。这种产品结构国内外还没有国产化改造的成功案例。本文在3.2中提出五种方式探讨研究方法：一是采用公开标准通信协议进行测试方案;二是采用通用的中间转换设备作为转接器接入LCU方案;三是采用OPC接口与原监控系统MFC3000控制器通信方案;四是通过合法手段获得通信规约;五是数据包分析方法。前四种方法是比较容易实现的，第五种方法难度大，不易实现。

　　从工程角度来说，应该从容易的方法开始研究。在一一排除前四种方法基础上，采用第五种方法予以研究。采用数据分析的第五种方法，要在以太网中确定具体的数据包，方法很重要，这涉及到数据包分析的效率。需要采用单点多动、连续信号同时动作等等方法确定特定数据包，按照开关量、模拟量、温度量等一一突破，可以得到全部通信协议。采用数据分析的第五种方法虽然难度大，但是具有通用性，可以在一般工业背景推广应用。

　　采用这种方法，对宝泉抽水蓄能电站计算机监控系统国产化升级改造可能采用的方法进行系统研究，获得通信协议，成功在国产化计算机监控系统H9000上实现了对现有全部LCU设备全数据采集与控制命令动态测试。依据本文的方法研究，已提出宝泉抽水蓄能电站计算机监控系统国产化改造方案，为实现宝泉抽水蓄能电站国产计算机监控系统改造奠定了坚实基础。本项目的研究是在对原有监控系统工作机制、原理、通信协议资料缺乏的前提下取得的，可广泛适用于抽水蓄能电站计算机监控系统的改造，也可供其他自动化系统改造时参考。

　　参考文献：

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　　[5]邓小刚，赵勇飞，江明.廖坊水电站计算机监控系统改造的实现[J].水电站机电技术，2009，32(3)：24-27.

　　作者：刘鹏龙1，吴小锋1，方书博1，刘晓波2，张毅2，白剑飞2，张煦2，王秋实2