洛河发电厂NCS系统网络结构及其应用

一．概述 安徽洛河发电厂升压站微机网络监控系统（NCS系统）的改造，选用新华控制工程有限公司电网自动化系列产品中的XNCS－400（XINHUA Network Control System）。该系统完成了对洛河发电厂500kV，220kV系统的断路器，隔离开关，接地刀闸，高备变和联变的控制和监视，使用微机监控提高了电厂整个升压站监控的自动化水平，同时很好地保证了整个NCS系统的安全性，可靠性，稳定性和开放性。 二．系统网络结构置 洛河发电厂NCS系统设计为两个冗余以太网，即中央控制层网络和间隔层网络，其中中央控制层网络由于网控室和网络继电器室不同的物理位置而分为两段，采用冗余光缆连接构成一个统一实时数据网络，形成发电厂NCS系统数据高速公路。 洛河发电厂NCS系统网络配置如图一所示。 中央控制层网络为冗余以太网，网络传输速率为100Mb/s。负责中央控制层各个网络节点之间的和来自间隔层的数据的传输和各种访问请求。各个网络节点包括：1台工程师站，2台双屏的操作员站，1台网关站，1对冗余的数据服务器，1台路由器，1台终端服务器和4对冗余的DPU（下位机，数据处理单元）。 中央控制层网络由网控室，工程师室和网络继电器室的网络设备构成。 网控室布置了两台带双屏显示的操作员站，两台操作员站的双网连接在两台集线器3COM 3C16750B，然后通过光纤收发器和光缆终端盒和工程师室的冗余以太网进行连接。两台操作员站通过串口的切换箱和马赛克模拟屏连接，实现了模拟屏显示的冗余数据通道。 工程师室布置了2台机架式数据服务器，一台工程师站和一台网关机和一个通信机柜。通信机柜从上往下依次安装了：机架式8口RS232－RS485转换器；路由器，型号为CISCO 2621 3*LAN+1*WAN；16口通信终端服务器（Terminal Server）型号为 Chase I/O LAN HMD-1（含Modem两块）；GPS系统和扩展箱SZ-2U和SZ-TM2；两台24口交换机Cisco 2924；两台15"CRT；两台机架式数据服务器HP LP2000R（2U）。 工程师室通信机柜内部安装如图二所示。 网络继电器室布置了4对冗余的DPU，完成组态运行，人机界面和I/O单元的数据指令传输等任务。4对DPU也是通过冗余的网卡连接在通信机柜中的的交换机上，不但DPU的配置是冗余的，其网络也是冗余的。 间隔层网络是10M的工业以太网，I/O单元和冗余的DPU通过间隔层网络实现实时信息的交换。间隔层的以太网通过集线器实现连接，DPU和每一层I/O模件的通讯板BC-NET卡均通过RJ-45接头接到控制机柜后面的集线器上。 按照500kV和220kV控制对象的分布特点，划分了四组受控的断路器组：＃1断路器组为 500kV的联变开关5005、母联旁路开关5015、洛肥线5052和联变；＃2断路器组为 500kV的分段开关5013、母联旁路开关5035、洛平线5054和洛颖线5055；＃3断路器组为 220kV的母联旁路开关2710、洛芦线2768、洛平线2771、洛蚌线2778和洛秦线2780；＃4断路器组为 220kV的旁路开关2700、洛芦线2705、洛平线2727、洛平线2737，洛蚌线2738和洛秦线2779。 间隔层针对四个断路器组配置四套间隔层监控单元。每套单元配置1对DPU负责数据采集，处理和传输；I/O模件根据实际的测点在保留充足余量的条件下进行配置。 三．系统的分层分布性和可靠性 洛河发电厂NCS系统采用了分散分布式配置，同时实现了系统功能下放。 中央控制层网络采用冗余以太网配置，在任一实时网络出现故障的时候，网络仍可正常工作，保证了通信网络的高度可靠性，在距离较远的网控室和工程师室采用冗余光缆连接，完全避免了电磁干扰，提高了系统的抗干扰能力。 中央控制层网络上的操作员站采用双屏操作，不同屏幕显示不同监控界面，可以扩大值班员的监控范围。两台操作员站利用屏控软件通过主备通讯串口对马赛克模拟屏进行数据传输，控制模拟屏的显示。冗余的数据服务器保证了NCS系统的历史数据得到安全的保存和调用。工程师站负责整个系统的网络维护，组态修改维护和画面修改维护，但是也可以完成其它节点的实时任务。网关站的设置实现了四网（4个DCS系统网络）合一，通过独立的HUB连接到四台机组的DCS系统的网关机，搭建全厂四台机组和升压站主要生产数据的统一的数据平台。 中央控制层网络上的任一节点均可平滑地转移（开启或者关闭）监控的实时任务。网络上的任一节点故障，不会影响网络和其它节点。剩余其它节点可以完成故障节点的实时任务。 间隔层网络的DPU具有冗余配置，在主控DPU出现故障或者工作不稳定导致无法从网络正常广播和接收实时数据时，辅控DPU可以自动无扰地切换成为主控单元，不会对网络构成影响。这样就提高了间隔层监控单元的可靠性。由一对DPU构成的间隔层单元控制装置，具有极强的数据处理传输功能，相对NCS整个网络的实时数据量而言，可以使得网络平均负荷率和DPU的负荷率均可维持在安全的水平上，保证监控装置安全稳定可靠地运行。 间隔层的DPU和智能电气专用卡件（同期卡和交流采样卡）完成了整个NCS系统的控制逻辑。针对断路器间隔组分配DPU，I/O模件也是面向间隔进行配置的，这样可以保证在单个模件出现故障的情况下对整个监控系统的影响最小。各种功能模件的驱动级接口部分采用统一的总线接口，可以灵活地进行热插拔，在处理故障模件的时候，比较方便，安全和快捷。 操作模式是分层的。两层操作分别为中央控制层操作和就地操作。在中央控制层可以通过人机界面的软手操实现对整个系统的操作闭锁和解除，等于进行就地操作和远方操作的切换。 整个NCS系统的配置在保证了系统安全可靠和面向间隔的基础上，充分利用最新的计算机技术和通讯网络技术，同时结合新华的最新高度可靠的硬件，在设计上采用分层分布式的网络结构保证了整个升压站微机网络监控系统的稳定性，可靠性和先进性。同时尽量满足了用户的使用需求和尽可能地降低了系统的维护工作量。 四．系统的扩展开放性和安全性 洛河发电厂的NCS系统具有很好的扩展性和开放性。 整个中央控制层网络和间隔层系统的软硬件都易于扩充。无论是本系统的节点（如网关站）或者I/O模件（如断路器间隔增加）的扩展，还是和外系统网络或者智能设备的通信，都是简单易行的。 充足的交换机以太网口可以方便地实现节点地增加。如果要增加一台WEB浏览服务器，只要一台带两块网卡的计算机，把它接入NCS系统，运行起XNCS网控软件和WEB服务器侧软件就可以实现了。XNCS－400可最大支持到250个网络节点。 由于采用统一的I/O总线，只要在原有模件箱里插入相应的I/O模件，在端子柜里增加相应的端子板就可以完成新间隔监控模件的增加，模件支持热插拔不会影响正在运行的其它间隔的监控。 NCS系统具有很好的开放性和安全性。 由于全厂采用统一个GPS系统，由它对数据服务器进行对时。然后数据服务器作为时间主控节点通过XNCS-400的网控软件向网络上的所有节点广播标准时间，其它节点整定自身的时钟。 网关机（GTW）通过级连的HUB连接了4台DCS系统的网关，可以从DCS系统中获得4台单元发电机组的运行数据。由于采用了网关，可以有效的隔离DCS系统网络和NCS系统网络的耦合，有效安全的实现数据交换。 NCS系统和厂级MIS系统的通讯通过路由器来实现。系统配置的思科路由器含3个LAN口，1个WAN口。WAN口扩展用于和省电力数据通信网连接；LAN口用于连接NCS两条实时以太网和厂级MIS网，利用路由器观察网络负荷，有效监测网络间的数据流量。配置的网络硬件防火墙（世界销量第一的Sonic Wall产品）隔离了管理网络（厂级MIS网）和生产实时网络（NCS系统），保证了整个NCS系统的安全性。 NCS系统中的通信终端服务器的作用是实现网控系统与电量计量系统，外部RTU系统以及其它智能设备的通讯。通讯终端服务器包括一个上联的10M LAN 口（接在NCS实时通讯网络上），两个外联的Modem和16个下联的RS232串口。目前只考虑了通过Modem连接两套RTU（与安徽省调的Valmet S5 Protocol接口和CDT规约）和通过串口连接电量计量系统的通讯接口。由于配置了机架式的RS232/RS485转换器，可以通过通信终端服务器可以和多达十余个具有RS232或RS485接口的设备进行数据通讯。新华控制工程有限公司的电网自动化产品应用广泛，在实际应用过程中，不断形成并完善了相当完备的规约库。可以和外系统进行通讯。例如： 1．国际电工委员会101规约IEC60870-5-101 2．国际电工委员会104规约IEC60870-5-104 3．循环式CDT系列通讯规约； 4．SC1801通讯规约； 5．DNP3.0通讯规约； 6．u4F通讯规约； 7．Modbus系列通讯规约； 8．西门子Profibus通讯规约； 9．西门子3964R通讯规约； 10．西门子SINAUT通讯规约； 11．ABB SPABUS通讯规约； 12．问答式Polling通讯规约； 13．各种GPS通讯规约； 还有其它独立装置如保护装置，自动化设备的非标规约，及其它进口设备特殊规约和国内小型智能产品的各种规约。新华可以支持按照规约文本定制规约。 NCS系统和外部进行通讯时，充分考虑了网络的独立性，保证不会由于与外网的通讯造成本系统的故障，保证了系统的安全性。 通过NCS系统和各个实时监控保护系统的通讯，NCS系统可以作为全发电厂的实时数据平台，厂级SIS系统可以充分利用此实时平台获得全厂生产实时数据，实现全厂生产过程的监视和高度自动化控制。在电力市场形成以后，NCS系统作为电厂和省调的数据交换平台，充分发挥数据主通道的作用，在NCS系统中扩充高级应用软件（PAS），实现数据的运算和优化，针对单元机组实现负荷最优分配，降低成本，充分发挥电厂的竞争力。 五．结束语 洛河发电厂NCS系统的成功改造大大提高了升压站监控系统的自动化程度。XNCS-400系统作为一套成熟的升压站微机网络监控系统，具有高度的可靠性，安全性和稳定性，在人机接口