寶泉抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造方法研究

　　摘要：本文研究了寶泉抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造方法。該電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是由國(guó)外供貨且 LCU 主機(jī)采用工控機(jī)，這種監(jiān)控系統(tǒng)的改造在國(guó)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(guó)產(chǎn)化改造方案研究方法，主要內(nèi)容包括水電站現(xiàn)場(chǎng)安全測(cè)試、以太網(wǎng)協(xié)議類型篩選、通信應(yīng)用層協(xié)議測(cè)試等方法研究，而通信應(yīng)用層協(xié)議測(cè)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(diǎn)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造方案研究。

　　劉鵬龍; 吳小鋒; 方書博; 劉曉波; 張毅; 白劍飛; 張煦; 王秋實(shí)， 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-09-06

　　關(guān)鍵詞：方法研究;抽水蓄能;計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng);國(guó)產(chǎn)化;改造;應(yīng)用層協(xié)議

　　1 研究背景

　　為配合中國(guó)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(guó)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(shí)中國(guó)機(jī)電制造、控制保護(hù)技術(shù)水平，這些蓄能電站的監(jiān)控系統(tǒng)等自動(dòng)化系統(tǒng)均隨主機(jī)由國(guó)外廠商供貨。其中多數(shù)電站的監(jiān)控系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)間已達(dá) 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(jìn)入改造階段。我國(guó)常規(guī)水電站計(jì)算機(jī)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(shí)以引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品為主。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(shí)引進(jìn)國(guó)外計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。1990 年代開始，我國(guó)國(guó)產(chǎn)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)逐漸開始得到應(yīng)用，到 2000 年左右我國(guó)常規(guī)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)水平已經(jīng)逐漸達(dá)到國(guó)際先進(jìn)或國(guó)際領(lǐng)先水平[1]。在這一過程中，常規(guī)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)逐漸升級(jí)改造，尤其最早引進(jìn)國(guó)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(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化升級(jí)改造，為我國(guó)突破抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2-9]。從 2010 年以后，我國(guó)抽水蓄能電站機(jī)電技術(shù)研究水平逐漸提高[10-11]，中國(guó)新建的抽水蓄能電站的主機(jī)設(shè)備及計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化[12-15]，自主研發(fā)的大中型抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)日趨成熟，為國(guó)內(nèi)正在運(yùn)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造方法與其 LCU 的主機(jī)形式密切相關(guān)。 LCU 的主機(jī)形式主要有兩種：工控機(jī)、PLC。由于選用的 PLC 多采用通用的工業(yè)產(chǎn)品，其通信機(jī)制與通信規(guī)約都會(huì)選擇工業(yè)界最流行的方式，目前國(guó)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(jī)采用工控機(jī)，通信機(jī)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(jī)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 ALSTOM ALSPA P320 產(chǎn)品，隨歐洲廠商供貨，于 2009 年投入商業(yè)運(yùn)行，投運(yùn)時(shí)間已達(dá)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(jìn)行改造。

　　本文作者參加了寶泉抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造方案研究項(xiàng)目。這一項(xiàng)目所涉及到的研究方法，貫穿于項(xiàng)目的整個(gè)研究過程，對(duì)于項(xiàng)目的進(jìn)度及成果影響很大，是項(xiàng)目成果的重要組成部分。本文將項(xiàng)目研究過程中的方法進(jìn)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? TRONET S8000 形成環(huán)形以太網(wǎng)，組成如圖 1 所示。現(xiàn)地控制單元 LCU 采用 MFC3000 產(chǎn)品，由雙機(jī)熱備 主 機(jī) PCX 及 數(shù) 采 控 制 單 元 C8035 子 站 組 成 。 LCU 主 機(jī) PCX 是 工 控 機(jī) 型 產(chǎn) 品 ， C8035 系 列 采 用 GE90-30 OEM 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(shí)施，在改造過程全程或一部分時(shí)間內(nèi)新、老監(jiān)控系統(tǒng)需要并列運(yùn)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(guó)外廠商供貨，缺少其通信機(jī)理、工作原理、工作機(jī)制資料，特別是原監(jiān)控系統(tǒng)主干以太網(wǎng) CONTRONET S8000 與廠站層和現(xiàn)地控制單元(Local Control Unit：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(yùn)行，研究測(cè)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(dòng)的復(fù)雜性，機(jī)組 LCU 間、機(jī)組 LCU 與承擔(dān)水泵啟動(dòng)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(shí)施，現(xiàn)地控制單元要逐步改造，四臺(tái)機(jī)組發(fā)電、抽水工況要正常運(yùn)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(guó)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(guó)內(nèi)常規(guī)水電站監(jiān)控系統(tǒng)陸續(xù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)通信，LCU改造分步實(shí)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(xiàng)目缺少原監(jiān)控系統(tǒng)工作原理與通信機(jī)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(shí)現(xiàn)通信需要原廠家支持。因此采用常規(guī)水電廠計(jì)算機(jī)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(jí)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(shí)現(xiàn)要點(diǎn)是：搭建新的監(jiān)控系統(tǒng)，首先實(shí)現(xiàn)新監(jiān)控系統(tǒng)廠站層對(duì)原所有 LCU 的監(jiān)視和控制，包括機(jī)組的水泵啟?？刂?在此基礎(chǔ)上，分步進(jìn)行 LCU 改造，實(shí)現(xiàn)電站現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的連續(xù)不間斷進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)與電力調(diào)度的連續(xù)正常通信。

　　從圖 1 可以看出，每一個(gè) LCU(MFC3000)由 PCX 及數(shù)個(gè) C8035 子站組成。本項(xiàng)目通信研究對(duì)象，可以選擇 LCU 的主機(jī) PCX，也可選擇 LCU 的 C8035 子站。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)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(duì)象，需要在改造過程中仿造 PCX 編制控制流程、測(cè)試流程，并按原通信規(guī)約進(jìn)行通信，工程量巨大。因此，LCU 的通信對(duì)象選擇 PCX 是適宜的。這樣的選擇，將 LCU 整體作為研究對(duì)象，PCX 中包含完整信息，當(dāng)開展 LCU 的升級(jí)改造時(shí)，便于 LCU 的分布實(shí)施，監(jiān)控系統(tǒng)改造的界面清晰、方便實(shí)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(guó)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(huì)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(shí)際的以太網(wǎng)協(xié)議都以此為基礎(chǔ)進(jìn)行簡(jiǎn)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(diǎn)是經(jīng)過幾次網(wǎng)絡(luò)連接與校驗(yàn)，而 UDP 沒有網(wǎng)絡(luò)連接與校驗(yàn)。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(diǎn)，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(diǎn)，中國(guó)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(diǎn)是，TCP 建立連接要進(jìn)行 3 次握手，而斷開連接要進(jìn)行 4 次握手，通信才能正常進(jìn)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(hào)、回應(yīng)序號(hào)、保留位、控制代碼、長(zhǎng)度、校驗(yàn)和等信息，所以 TCP/IP 的通信包頭至少需要 20 個(gè)字節(jié)。因?yàn)?UDP 不需要建立連接，信息包頭只有源端口、目標(biāo)端口、長(zhǎng)度、校驗(yàn)和等 8 個(gè)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(zhǎng)度只有 8 個(gè)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(jìn)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(jìn)行測(cè)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(guó)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?shí)際數(shù)據(jù)包進(jìn)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(bào)文的具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及命令格式，在國(guó)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(jìn)行通信測(cè)試研究 為進(jìn)行這種測(cè)試，選用兩種專業(yè)通信測(cè)試軟件對(duì)原監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信協(xié)議測(cè)試。這兩種專業(yè)測(cè)試軟件，可分析測(cè)試幾百種公開的通信協(xié)議，如 Mod? bus over TCP/IP， TASE-2， IEC60870-5-101/102/103/104， DNP 3.0， CDT， POLLING， DL476-92， CDC 8890 Type-2，SC 1801，Westing House μ4f等等。

　　經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)寶泉蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用層通信協(xié)議沒有采用已知公開的通信協(xié)議。 3.2.2 采用通用的中間轉(zhuǎn)換設(shè)備接入 LCU 方案 參考國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站改造案例，采用基于 PLC 的通用的中間轉(zhuǎn)換設(shè)備接入 LCU 方案[15-18]。根據(jù)項(xiàng)目研究，寶泉電站 LCU 的數(shù)據(jù)采集單元是 GE OEM 產(chǎn)品，監(jiān)控系統(tǒng)原廠商曾經(jīng)在國(guó)內(nèi)其他抽蓄項(xiàng)目采用過 GE 公司的自有協(xié)議，本項(xiàng)目有一定概率采用 GE 公司的自有協(xié)議，因此本研究項(xiàng)目有必要測(cè)試研究寶泉監(jiān)控系統(tǒng)是否采用這種協(xié)議。如果這種測(cè)試成功，可以將 GE-PLC 作為中間轉(zhuǎn)換設(shè)備將自有協(xié)議轉(zhuǎn)換為某種公開通信協(xié)議，測(cè)試方法參見圖 2。

　　通過圖 2 的方式，測(cè)試通過 GE-PLC 與 PCX 進(jìn)行多次通信測(cè)試，GE-PLC 不能與 PCX 建立通信聯(lián)接，無法讀取 PCX 的數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果表明，雖然寶泉電站原監(jiān)控系統(tǒng) LCU 采用 PCX+C8035 組成方案，但是 PCX 與廠站層通信協(xié)議并沒有采用原廠家 GE 公司的自有協(xié)議。

　　3.2.3 OPC 方式接入原 LCU(MFC3000)控制器方案研究 通過查找資料和調(diào)研，MFC3000 控制器 PCX 可通過配置 OPC 通信方式，根據(jù)研究，但采用 OPC 通信方式，存在以下風(fēng)險(xiǎn)：(1)原 PCX 操作系統(tǒng)是 windows 早期版本，因系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)，OPC 服務(wù)均難以保證;現(xiàn)有 PCX 能否配置成功的 OPC 存在不確定性，而且需要原廠家的配合;(2)因原 PCX 上配置 OPC 通信，是否會(huì)影響原 PCX 功能正常運(yùn)行無法確定的;(3)另外，國(guó)產(chǎn)化監(jiān)控系統(tǒng)目前優(yōu)選 LINUX 或 UNIX 操作系統(tǒng)，與 PCX 上的監(jiān)控系統(tǒng)不同，兩種操作系統(tǒng)組件功能能否協(xié)調(diào)工作，無法保證。

　　根據(jù)以上分析，因此新監(jiān)控系統(tǒng)采用 OPC 通信方式與原 LCU 控制器 PCX 通信的方法是不可行的。

　　3.2.4 通過資料分析等獲得通信協(xié)議 經(jīng)過查找資料及與原廠家聯(lián)系，均無法獲得原有通信協(xié)議，這種方法無法開展本項(xiàng)目方案研究。

　　3.2.5 解析數(shù)據(jù)包分析應(yīng)用層通信協(xié)議 在前述四種方案不可行的前提下，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)與 AL? SPA P320 系統(tǒng) MFC3000 單元控制器通信，通過數(shù)據(jù)包分析得出通信協(xié)議，是唯一可以采用的方法。

　　這種方法技術(shù)路線是：通過抓取 MFC3000 單元控制器在 S8000 網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行分析，研究確定上行數(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(bào)文的具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及命令格式，在國(guó)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 控制器監(jiān)控。

　　在寶泉抽蓄電站監(jiān)控系統(tǒng)采用 S8000 以太網(wǎng)，每時(shí)每刻都發(fā)生著大量的數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)包的數(shù)量驚人。如果每一個(gè)數(shù)據(jù)一一解析，從中找出規(guī)律，工作量太大，是一項(xiàng)無法完成的工作，必須采取快速定位方法以減少分析的數(shù)據(jù)包數(shù)量。

　　以太網(wǎng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包的數(shù)量是海量的，在這些大量的數(shù)據(jù)包中，快速確定目標(biāo)數(shù)據(jù)包，是通信應(yīng)用協(xié)議分析的前提條件。經(jīng)過幾年實(shí)踐研究工作，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)找到了基于外部特定信號(hào)的時(shí)間特征量通信數(shù)據(jù)包的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包解析的快速定位方法，具體辦法有 ：(1)通過輸入信號(hào)的時(shí)間(年月日時(shí)分秒)，將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的數(shù)量減少;(2)同樣信號(hào)量反復(fù)動(dòng)作多次，使相同的信息反復(fù)出現(xiàn);(3)相鄰的信號(hào)反復(fù)多次動(dòng)作，確定信息點(diǎn)號(hào)的規(guī)律等。

　　具體測(cè)試舉例，對(duì)一般輸入開關(guān)量及 SOE 測(cè)試方法及測(cè)試數(shù)據(jù)見表 1—表 3。

　　通過輸入信號(hào)的物理意義，結(jié)合信號(hào)的點(diǎn)號(hào)，對(duì)比現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)廠站層記錄，從 LCU 數(shù)據(jù)包中分析找出該信號(hào)動(dòng)作的毫秒數(shù)值對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包偏移地址，可直接定位信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包，從而提高數(shù)據(jù)包解析的準(zhǔn)確性。采用上述方法可以大大減少目標(biāo)數(shù)據(jù)包的數(shù)量，有效分析通信協(xié)議的內(nèi)容。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，通過上述方法，首先通過找到輸入模擬量數(shù)據(jù)格式，進(jìn)而逐步分析出輸入開關(guān)量的格式、SOE 報(bào)警格式，實(shí)現(xiàn)在 H9000 國(guó)產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)上監(jiān)視監(jiān)控現(xiàn)有系統(tǒng)的全部數(shù)據(jù)。在動(dòng)態(tài)測(cè)試過程中，測(cè)試了兩種命令下發(fā)類型：第一種是帶參數(shù)命令下發(fā)，實(shí)際是在國(guó)產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)上發(fā)出發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)到目標(biāo)值 18.21 kV 命令，發(fā)電機(jī)電壓按照要求從當(dāng)前的 18.23 kV 調(diào)整到 18.21 kV;又下令調(diào)整 18.25 kV，均快速響應(yīng)，調(diào)節(jié)品質(zhì)良好。同時(shí)也對(duì)一個(gè) 400V 備自投開關(guān)進(jìn)行控制操作，試驗(yàn)成功，驗(yàn)證上述方法是成功的。

　　3.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

　　3.3.1 現(xiàn)場(chǎng)研究工作應(yīng)遵循的安全原則 在電站現(xiàn)場(chǎng)接入正在運(yùn)行的監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，首先要滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行的安全?，F(xiàn)場(chǎng)研究工作應(yīng)遵循的安全原則是：(1)遵守電站的安全生產(chǎn)的技術(shù)措施和組織措施;(2)不改變?cè)O(jiān)控系統(tǒng)任何硬件和軟件配置與功能;(3)測(cè)試要在檢修中的 LCU 上進(jìn)行，以不影響現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)正常進(jìn)行;(4)由于檢修 LCU 的網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)行的 LCU 網(wǎng)絡(luò)相連，要對(duì)測(cè)試設(shè)備采取切實(shí)可行的安全措施。

　　3.3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)措施

　　(1)測(cè)試設(shè)備(測(cè)試筆記本電腦)安全措施。為防止測(cè)試設(shè)備(測(cè)試筆記本電腦)的軟件可能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備產(chǎn)生影響，對(duì)測(cè)試設(shè)備(測(cè)試筆記本電腦)要進(jìn)行清潔化處理，主要的措施是對(duì)其進(jìn)行物理格式化處理，關(guān)閉測(cè)試設(shè)備的“無線網(wǎng)絡(luò)連接”和“Bluetooth 網(wǎng)絡(luò)連接”，測(cè)試設(shè)備僅安裝經(jīng)過多重殺毒的通信測(cè)試軟件，辦公軟件、即時(shí)聊天軟件一律不安裝，測(cè)試設(shè)備不再接入其他任何網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試接線圖見圖 3 所示。

　　(2)對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備進(jìn)行安全措施設(shè)置。對(duì)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備進(jìn)行安全設(shè)置，測(cè)試設(shè)備僅能單方面從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備讀取數(shù)據(jù)包，可確保測(cè)試設(shè)備上的數(shù)據(jù)無法進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，這樣可以保證現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的監(jiān)控設(shè)備不受測(cè)試影響。具體方法是，通過網(wǎng)絡(luò) VLAN 劃分技術(shù)，將交換機(jī)以太網(wǎng)口劃分兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)，VLAN1 接入待測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備，VLAN2 接入測(cè)試設(shè)備。設(shè)置 VLAN2 僅能讀取 VLAN1 的數(shù)據(jù)，設(shè)置示意圖見圖 4 所示。這樣從兩個(gè)方面保證了測(cè)試設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備互不干擾。

　　(3)履行現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)安全技術(shù)措施和組織措施。電站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究在采取上述技術(shù)措施的基礎(chǔ)上，還要遵守現(xiàn)場(chǎng)規(guī)章制度等組織措施。經(jīng)過兩年多次到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試研究，已經(jīng)做到現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究相互不影響，表明上述一系列方法是安全有效的。

　　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(yàn)證不適用于本項(xiàng)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(duì)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(bào)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(dòng)作以及連續(xù)開關(guān)量的反復(fù)動(dòng)作并與現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng) HMI 對(duì)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(bào)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(duì)比原有監(jiān)控系統(tǒng) HMI 上水輪發(fā)電機(jī)組的各部位溫度實(shí)時(shí)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(jī)組電壓、電流、功率實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)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(shí)現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控廠站層通過原監(jiān)控系統(tǒng)的 LCU 對(duì)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(shí)間、參數(shù)，遴選確定數(shù)據(jù)包。這種試驗(yàn)在檢修的機(jī)組上進(jìn)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(jī)有功功率或機(jī)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。

　　4.3 實(shí)際應(yīng)用效果

　　根據(jù)解析出寶泉抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議，在 H9000V4.0 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)出通信程序，通過原監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)通信協(xié)議分兩步進(jìn)行驗(yàn)證。第一步是上行數(shù)據(jù)的驗(yàn)證：在 H9000V4.0 實(shí)現(xiàn)了對(duì)原監(jiān)控系統(tǒng)四臺(tái)抽水蓄能機(jī)組 LCU1-4、公用單元 LCU5、開關(guān)站及下庫(kù) LCU6、上庫(kù) LCU7、中控室 MIMIC board LCU8 的全部上行開關(guān)量、模擬量(包括溫度量)采集，與現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng) HMI 上核對(duì)，每一個(gè)開關(guān)量、模擬量的狀態(tài)、模擬量的數(shù)值均正確。

　　第二部是下行數(shù)據(jù)的驗(yàn)證：在 H9000V4.0 對(duì)檢修機(jī)組一個(gè)設(shè)備 BLOCK 狀態(tài)進(jìn)行控制，對(duì)試驗(yàn)中的機(jī)組兩次調(diào)整發(fā)電機(jī)電壓，均成功。

　　以上兩步驗(yàn)證了解析出的寶泉抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議的正確性。

　　5 結(jié)論

　　寶泉抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，采用國(guó)外廠商產(chǎn)品已經(jīng)運(yùn)行十幾年。電站監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化升級(jí)改造方法研究，是完成電站監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化升級(jí)改造方案的基礎(chǔ)。本文提出了自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安全試驗(yàn)的方法，這是開展現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)研究的前提條件。寶泉抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用阿爾斯通 ALSPA P320 系統(tǒng)，其 LCU 采用工控機(jī) 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(jī) PCX 中實(shí)現(xiàn)。這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)國(guó)內(nèi)外還沒有國(guó)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(jìn)行測(cè)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(shí)現(xiàn)的，第五種方法難度大，不易實(shí)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(diǎn)多動(dòng)、連續(xù)信號(hào)同時(shí)動(dòng)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(duì)寶泉抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化升級(jí)改造可能采用的方法進(jìn)行系統(tǒng)研究，獲得通信協(xié)議，成功在國(guó)產(chǎn)化計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) H9000 上實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有全部 LCU 設(shè)備全數(shù)據(jù)采集與控制命令動(dòng)態(tài)測(cè)試。依據(jù)本文的方法研究，已提出寶泉抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造方案，為實(shí)現(xiàn)寶泉抽水蓄能電站國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　本項(xiàng)目的研究是在對(duì)原有監(jiān)控系統(tǒng)工作機(jī)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的改造，也可供其他自動(dòng)化系統(tǒng)改造時(shí)參考。