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(méi)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。

　　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(wèn)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(kāi)始時(shí)以引進(jìn)國(guó)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(méi)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(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(lái)越困難、備品備件成本越來(lái)越高等問(wèn)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(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)CON⁃TRONETS8000形成環(huán)形以太網(wǎng)。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GE90-30OEM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(shí)施，在改造過(guò)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(guò)渡問(wèn)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)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(méi)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(kāi)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(guò)渡方案可歸納為兩類：第一類是新系統(tǒng)接入老系統(tǒng)過(guò)渡方案;第二類是老系統(tǒng)接入新系統(tǒng)過(guò)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)組的水泵啟停控制;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。

　　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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)幾次網(wǎng)絡(luò)連接與校驗(yàn)，而UDP沒(méi)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(kāi)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)閁DP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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(guò)特定開(kāi)關(guān)量的反復(fù)動(dòng)作以及連續(xù)開(kāi)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(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)包，解析出開(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(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(kāi)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ALSPAP320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(méi)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(kāi)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(guò)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(lái)說(shuō)，應(yīng)該從容易的方法開(kāi)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(kāi)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。

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　　作者：劉鵬龍1，吳小鋒1，方書(shū)博1，劉曉波2，張毅2，白劍飛2，張煦2，王秋實(shí)2