寶泉抽水蓄能電站計算機監控系統國產化改造方法研究

　　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。

　　劉鵬龍; 吳小鋒; 方書博; 劉曉波; 張毅; 白劍飛; 張煦; 王秋實， 中國水利水電科學研究院學報 發表時間：2021-09-06

　　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。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 ALSTOM ALSPA P320 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? TRONET S8000 形成環形以太網，組成如圖 1 所示。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 GE90-30 OEM 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 CONTRONET S8000 與廠站層和現地控制單元(Local Control Unit：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。

　　從圖 1 可以看出，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? 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。

　　經過反復測試，發現寶泉蓄能電站計算機監控系統應用層通信協議沒有采用已知公開的通信協議。 3.2.2 采用通用的中間轉換設備接入 LCU 方案 參考國內抽水蓄能電站改造案例，采用基于 PLC 的通用的中間轉換設備接入 LCU 方案[15-18]。根據項目研究，寶泉電站 LCU 的數據采集單元是 GE OEM 產品，監控系統原廠商曾經在國內其他抽蓄項目采用過 GE 公司的自有協議，本項目有一定概率采用 GE 公司的自有協議，因此本研究項目有必要測試研究寶泉監控系統是否采用這種協議。如果這種測試成功，可以將 GE-PLC 作為中間轉換設備將自有協議轉換為某種公開通信協議，測試方法參見圖 2。

　　通過圖 2 的方式，測試通過 GE-PLC 與 PCX 進行多次通信測試，GE-PLC 不能與 PCX 建立通信聯接，無法讀取 PCX 的數據。測試結果表明，雖然寶泉電站原監控系統 LCU 采用 PCX+C8035 組成方案，但是 PCX 與廠站層通信協議并沒有采用原廠家 GE 公司的自有協議。

　　3.2.3 OPC 方式接入原 LCU(MFC3000)控制器方案研究 通過查找資料和調研，MFC3000 控制器 PCX 可通過配置 OPC 通信方式，根據研究，但采用 OPC 通信方式，存在以下風險：(1)原 PCX 操作系統是 windows 早期版本，因系統投運時間較長，OPC 服務均難以保證;現有 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，是否會影響原 PCX 功能正常運行無法確定的;(3)另外，國產化監控系統目前優選 LINUX 或 UNIX 操作系統，與 PCX 上的監控系統不同，兩種操作系統組件功能能否協調工作，無法保證。

　　根據以上分析，因此新監控系統采用 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議 經過查找資料及與原廠家聯系，均無法獲得原有通信協議，這種方法無法開展本項目方案研究。

　　3.2.5 解析數據包分析應用層通信協議 在前述四種方案不可行的前提下，實現國產監控系統與 AL? SPA P320 系統 MFC3000 單元控制器通信，通過數據包分析得出通信協議，是唯一可以采用的方法。

　　這種方法技術路線是：通過抓取 MFC3000 單元控制器在 S8000 網絡上傳輸的數據包進行分析，研究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 控制器監控。

　　在寶泉抽蓄電站監控系統采用 S8000 以太網，每時每刻都發生著大量的數據交換，數據包的數量驚人。如果每一個數據一一解析，從中找出規律，工作量太大，是一項無法完成的工作，必須采取快速定位方法以減少分析的數據包數量。

　　以太網中實時數據包的數量是海量的，在這些大量的數據包中，快速確定目標數據包，是通信應用協議分析的前提條件。經過幾年實踐研究工作，項目團隊找到了基于外部特定信號的時間特征量通信數據包的以太網數據包解析的快速定位方法，具體辦法有 ：(1)通過輸入信號的時間(年月日時分秒)，將以太網數據包的數量減少;(2)同樣信號量反復動作多次，使相同的信息反復出現;(3)相鄰的信號反復多次動作，確定信息點號的規律等。

　　具體測試舉例，對一般輸入開關量及 SOE 測試方法及測試數據見表 1—表 3。

　　通過輸入信號的物理意義，結合信號的點號，對比現有監控系統廠站層記錄，從 LCU 數據包中分析找出該信號動作的毫秒數值對應的數據包偏移地址，可直接定位信號對應的數據包，從而提高數據包解析的準確性。采用上述方法可以大大減少目標數據包的數量，有效分析通信協議的內容。

　　在實際應用中，通過上述方法，首先通過找到輸入模擬量數據格式，進而逐步分析出輸入開關量的格式、SOE 報警格式，實現在 H9000 國產監控系統上監視監控現有系統的全部數據。在動態測試過程中，測試了兩種命令下發類型：第一種是帶參數命令下發，實際是在國產監控系統上發出發電機電壓調節到目標值 18.21 kV 命令，發電機電壓按照要求從當前的 18.23 kV 調整到 18.21 kV;又下令調整 18.25 kV，均快速響應，調節品質良好。同時也對一個 400V 備自投開關進行控制操作，試驗成功，驗證上述方法是成功的。

　　3.3 現場測試

　　3.3.1 現場研究工作應遵循的安全原則 在電站現場接入正在運行的監控系統網絡進行研究，首先要滿足現場設備運行的安全。現場研究工作應遵循的安全原則是：(1)遵守電站的安全生產的技術措施和組織措施;(2)不改變原監控系統任何硬件和軟件配置與功能;(3)測試要在檢修中的 LCU 上進行，以不影響現場生產正常進行;(4)由于檢修 LCU 的網絡與運行的 LCU 網絡相連，要對測試設備采取切實可行的安全措施。

　　3.3.2 現場測試技術措施

　　(1)測試設備(測試筆記本電腦)安全措施。為防止測試設備(測試筆記本電腦)的軟件可能對現場設備產生影響，對測試設備(測試筆記本電腦)要進行清潔化處理，主要的措施是對其進行物理格式化處理，關閉測試設備的“無線網絡連接”和“Bluetooth 網絡連接”，測試設備僅安裝經過多重殺毒的通信測試軟件，辦公軟件、即時聊天軟件一律不安裝，測試設備不再接入其他任何網絡，測試接線圖見圖 3 所示。

　　(2)對網絡交換設備進行安全措施設置。對測試網絡交換設備進行安全設置，測試設備僅能單方面從現場設備讀取數據包，可確保測試設備上的數據無法進入現場運行的監控系統網絡中，這樣可以保證現場運行的監控設備不受測試影響。具體方法是，通過網絡 VLAN 劃分技術，將交換機以太網口劃分兩個網絡分區，VLAN1 接入待測監控系統設備，VLAN2 接入測試設備。設置 VLAN2 僅能讀取 VLAN1 的數據，設置示意圖見圖 4 所示。這樣從兩個方面保證了測試設備與現場運行設備互不干擾。

　　(3)履行現場有關安全技術措施和組織措施。電站現場測試研究在采取上述技術措施的基礎上，還要遵守現場規章制度等組織措施。經過兩年多次到現場進行測試研究，已經做到現場機電設備正常運行與現場測試研究相互不影響，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。

　　4.3 實際應用效果

　　根據解析出寶泉抽水蓄能電站計算機監控系統通信協議，在 H9000V4.0 計算機監控系統開發出通信程序，通過原監控系統網絡，對通信協議分兩步進行驗證。第一步是上行數據的驗證：在 H9000V4.0 實現了對原監控系統四臺抽水蓄能機組 LCU1-4、公用單元 LCU5、開關站及下庫 LCU6、上庫 LCU7、中控室 MIMIC board LCU8 的全部上行開關量、模擬量(包括溫度量)采集，與現有監控系統 HMI 上核對，每一個開關量、模擬量的狀態、模擬量的數值均正確。

　　第二部是下行數據的驗證：在 H9000V4.0 對檢修機組一個設備 BLOCK 狀態進行控制，對試驗中的機組兩次調整發電機電壓，均成功。

　　以上兩步驗證了解析出的寶泉抽水蓄能電站計算機監控系統通信協議的正確性。

　　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 ALSPA P320 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。