摘要：本文研究了寶泉抽水蓄能電站計算機監控系統國產化改造方法。該電站計算機監控系統是由國外供貨且LCU主機采用工控機，這種監控系統的改造在國內沒有先例。本文系統總結了寶泉抽水蓄能電站監控系統國產化改造方案研究方法，主要內容包括水電站現場安全測試、以太網協議類型篩選、通信應用層協議測試等方法研究，而通信應用層協議測試研究方法又是其中的核心內容。本文逐一研究了通信應用層協議，分析了這些方法各自特點及其在該電站應用的可行性。應用本文提出的數據包分析方法，順利完成了寶泉抽水蓄能電站計算機監控系統國產化改造方案研究。
關鍵詞：方法研究;抽水蓄能;計算機監控系統;國產化;改造;應用層協議
1研究背景
為配合中國核電站的興建及滿足“西電東送”電力負荷平衡的需求，中國從1980年代末陸續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。限于當時中國機電制造、控制保護技術水平，這些蓄能電站的監控系統等自動化系統均隨主機由國外廠商供貨。其中多數電站的監控系統投運時間已達10年以上，由于技術服務、功能拓展及備品備件等問題，這些蓄能電站的監控系統陸續進入改造階段。我國常規水電站計算機監控系統技術發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品為主。
蓄水論文范例： 抽水蓄能電站工程三維可視化技術研究
1980年代開始，巖灘、曼灣、隔河巖、水口常規水電廠與廣州蓄能電站同時引進國外計算機監控系統。1990年代開始，我國國產水電站計算機監控系統逐漸開始得到應用，到2000年左右我國常規水電站計算機監控系統的技術水平已經逐漸達到國際先進或國際領先水平[1]。在這一過程中，常規水電站計算機監控系統逐漸升級改造，尤其最早引進國外監控系統的巖灘、曼灣、隔河巖、水口等常規水電廠，都成功進行計算機系統國產化升級改造，為我國突破抽水蓄能電站計算機監控系統關鍵技術奠定了堅實的基礎[2-9]。
從2010年以后，我國抽水蓄能電站機電技術研究水平逐漸提高[10-11]，中國新建的抽水蓄能電站的主機設備及計算機監控系統陸續實現了國產化[12-15]，自主研發的大中型抽水蓄能電站計算機監控系統日趨成熟，為國內正在運行的抽水蓄能電站監控系統的改造開辟了新的路徑。抽水蓄能電站計算機監控系統升級改造方法與其LCU的主機形式密切相關。LCU的主機形式主要有兩種：工控機、PLC。
由于選用的PLC多采用通用的工業產品，其通信機制與通信規約都會選擇工業界最流行的方式，目前國內已取得成功的案例[16-18]。但是寶泉抽水蓄能電站監控系統LCU主機采用工控機，通信機制與通信規約可以采用流行的通用的方式，也可采用私有協議，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控系統采用ALSTOMALSPAP320產品，隨歐洲廠商供貨，于2009年投入商業運行，投運時間已達十二年之久，由于技術服務、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控系統國產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，希望供有關技術人員參考。
2存在的問題及研究思路
2.1原監控系統結構現狀
寶泉抽水蓄能電站監控系統廠站層設備與現地控制層設備通過CON⁃TRONETS8000形成環形以太網。現地控制單元LCU采用MFC3000產品，由雙機熱備主機PCX及數采控制單元C8035子站組成。LCU主機PCX是工控機型產品，C8035系列采用GE90-30OEM產品。
2.2監控系統改造面臨的挑戰
寶泉抽水蓄能電站監控系統改造需要分步實施，在改造過程全程或一部分時間內新、老監控系統需要并列運行，新、老兩套監控系統要解決平滑過渡問題。改造面臨以下技術難題：監控系統由國外廠商供貨，缺少其通信機理、工作原理、工作機制資料，特別是原監控系統主干以太網CONTRONETS8000與廠站層和現地控制單元(LocalControlUnit：LCU)MFC3000控制器間規約通信沒有任何資料;監控系統正在運行，研究測試工作不得影響現有電廠的安全生產;由于抽水蓄能電站水泵啟動的復雜性，機組LCU間、機組LCU與承擔水泵啟動的公用LCU間需要雙向數據通信，監控系統改造需要分步實施，現地控制單元要逐步改造，四臺機組發電、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控系統改造方案研究，首先要研究借鑒中國常規水電站監控系統改造的方法。從1980年代起，一部分國內常規水電站監控系統陸續進行了改造，改造的方案是成熟的[4-7]。常規水電站監控系統改造過渡方案可歸納為兩類：第一類是新系統接入老系統過渡方案;第二類是老系統接入新系統過渡方案。這兩種方案共同之處是新、老監控系統廠站層間實現通信，LCU改造分步實施，改造前的LCU由原監控系統監控，改造后的LCU由新的監控系統監控。
由于本項目缺少原監控系統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、老監控系統廠站層間實現通信需要原廠家支持。因此采用常規水電廠計算機監控系統改造方案不適合寶泉抽蓄電站監控系統升級改造方案研究。寶泉抽水蓄能電站監控系統改造研究的總思路是整體改造方案，首先改造監控系統廠站層，然后逐漸改造LCU。這種方案的實現要點是：搭建新的監控系統，首先實現新監控系統廠站層對原所有LCU的監視和控制，包括機組的水泵啟停控制;在此基礎上，分步進行LCU改造，實現電站現場生產的連續不間斷進行，實現與電力調度的連續正常通信。
每一個LCU(MFC3000)由PCX及數個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。根據現場調研、分析研究，C8035子站僅承擔數據采集與控制調節輸出，邏輯運算、數據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，當開展LCU的升級改造時，便于LCU的分布實施，監控系統改造的界面清晰、方便實施。
3研究方法
3.1以太網協議研究
S8000的網絡類型是以太網，以太網類型有多種，不同以太網協議的類型，網絡接口、數據傳輸、數據包結構是不同的。根據國際標準化組織1985年提出OSI模型，網絡互連定義了7層框架：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層。這種理想的網絡互連模型過于復雜，實際的以太網協議都以此為基礎進行簡化。
在工控領域應用較為廣泛的以太網協議有TCP/IP、UDP/IP兩種，均分為4層：網絡接口層、網絡層、傳輸層、應用層。TCP主要特點是經過幾次網絡連接與校驗，而UDP沒有網絡連接與校驗。TCP/IP更安全、可靠，UDP/IP更快捷。由于TCP/IP、UDP/IP網絡協議的各自特點，他們的數據包結構是不同的。鑒于TCP/IP、UDP/IP網絡協議不同特點，中國的工業領域較多采用TCP/IP的網絡協議。
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、目標端口、序列號、回應序號、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。因為UDP不需要建立連接，信息包頭只有源端口、目標端口、長度、校驗和等8個字節信息。在監控系統大量數據分析研究過程中，研究發現監控系統數據包結構及IP數據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，因此得出結論該電站通信不是采用TCP/IP通信協議，而是采用UDP/IP協議。
3.2應用層通信協議研究
研究得出監控系統的以太網協議類型后，需要進一步研究通信協議的應用層協議，才能解析數據包的內容。研究有以下5種方式可以采用：(1)采用公開標準通信協議進行測試方案;(2)采用通用的中間轉換設備作為轉接器接入LCU方案;(3)采用OPC接口與原監控系統MFC3000控制器通信方案;(4)通過資料收集等途徑獲得MFC3000單元控制器的內部網絡通信規約，包括傳輸規則及數據和控制命令的具體格式，在國產監控系統上開發相應的通信程序實現MFC3000控制器接入方案;(5)通過抓取MFC3000單元控制器在S8000網絡上傳輸的實際數據包進行分析解包，分析確定上行數據包和下行控制命令的傳輸規則和網絡傳輸報文的具體數據結構及命令格式，在國產監控系統上開發相應的通信程序實現MFC3000監控方案。
3.2.1采用公開標準通信協議進行通信測試研究
為進行這種測試，選用兩種專業通信測試軟件對原監控系統進行通信協議測試。這兩種專業測試軟件，可分析測試幾百種公開的通信協議，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應用效果分析
本文提出的五種研究方法，前四種研究方法經過一一驗證不適用于本項目的研究。第五種方法是數據包分析方法適用范圍廣，但難度最大。對于數據通信協議而言，主要分為兩大部分：上行數據通信協議、下行數據的通信協議。上行數據通信協議包括開關量采集、模擬量采集、溫度量采集以及變位報警信息采集，下行數據通信協議主要是下行命令格式的分析。
4.1上行數據通信協議解析
(1)通過特定開關量的反復動作以及連續開關量的反復動作并與現有監控系統HMI對比，遴選出開關量數據包，解析出開關量上行及變位報警的數據格式、通信協議;(2)根據水電站溫度量上行普遍帶一位小數位數上送的規律，通過對比原有監控系統HMI上水輪發電機組的各部位溫度實時值，遴選出溫度量數據包，解析出溫度量上行的數據格式、通信協議;(3)溫度量是模擬量的特例，根據溫度量的上行的數據格式、通信協議，通過發電機組電壓、電流、功率實時值，確定模擬量是源碼上送、工程上限/下限以及小數位數通過實時數據實現的規律，遴選出模擬量數據包，解析出模擬量上行的數據格式、通信協議。
4.2下行數據通信協議解析
要實現在國產計算機監控廠站層通過原監控系統的LCU對原有電廠設備的控制，需要解析原監控系統的下令命令通信格式。與解析上行數據通信協議方法不同，需要記錄原監控廠站層HMI上下發的各種命令的類型、時間、參數，遴選確定數據包。這種試驗在檢修的機組上進行多組，得出結論是原監控系統下令命令分為兩種，一種是帶參數的，如發電機有功功率或機端電壓的調整;另一種就是無參數的命令，比如某一設備的分合操作。為了區分不同命令，每一命令都有每一編碼。
5結論
寶泉抽水蓄能電站計算機監控系統，采用國外廠商產品已經運行十幾年。電站監控系統國產化升級改造方法研究，是完成電站監控系統國產化升級改造方案的基礎。本文提出了自動化系統的現場安全試驗的方法，這是開展現現場研究的前提條件。寶泉抽水蓄能電站計算機監控系統采用阿爾斯通ALSPAP320系統，其LCU采用工控機PCX與數采單元C8035組成，LCU的數據處理、程序實現以及通信均在工控機PCX中實現。這種產品結構國內外還沒有國產化改造的成功案例。本文在3.2中提出五種方式探討研究方法：一是采用公開標準通信協議進行測試方案;二是采用通用的中間轉換設備作為轉接器接入LCU方案;三是采用OPC接口與原監控系統MFC3000控制器通信方案;四是通過合法手段獲得通信規約;五是數據包分析方法。前四種方法是比較容易實現的，第五種方法難度大，不易實現。
從工程角度來說，應該從容易的方法開始研究。在一一排除前四種方法基礎上，采用第五種方法予以研究。采用數據分析的第五種方法，要在以太網中確定具體的數據包，方法很重要，這涉及到數據包分析的效率。需要采用單點多動、連續信號同時動作等等方法確定特定數據包，按照開關量、模擬量、溫度量等一一突破，可以得到全部通信協議。采用數據分析的第五種方法雖然難度大，但是具有通用性，可以在一般工業背景推廣應用。
采用這種方法，對寶泉抽水蓄能電站計算機監控系統國產化升級改造可能采用的方法進行系統研究，獲得通信協議，成功在國產化計算機監控系統H9000上實現了對現有全部LCU設備全數據采集與控制命令動態測試。依據本文的方法研究，已提出寶泉抽水蓄能電站計算機監控系統國產化改造方案，為實現寶泉抽水蓄能電站國產計算機監控系統改造奠定了堅實基礎。本項目的研究是在對原有監控系統工作機制、原理、通信協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控系統的改造，也可供其他自動化系統改造時參考。
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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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