水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)

1、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了以人工監(jiān)控，電話調(diào)度和遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控（ 遙測、遙信、遙調(diào)、遙控） 為主體，以計(jì)算機(jī)為核心和以現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等三個(gè)階段。水電廠應(yīng)用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)提高自動(dòng)化水平，保證電站實(shí)現(xiàn)“無人值班”（少人值守），提高經(jīng)濟(jì)效益，改善勞動(dòng)條件，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步都具有十分重要的意義。一水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本模式根據(jù)計(jì)算機(jī)在水電廠監(jiān)控系統(tǒng)中的作用可劃分為三種：計(jì)算機(jī)輔助監(jiān)控系統(tǒng)（CASC）、以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)（CBSC）、計(jì)算機(jī)與常規(guī)裝置雙重監(jiān)控系統(tǒng)（CCSC）o根據(jù)計(jì)算機(jī)在水電廠監(jiān)控系統(tǒng)中的控制方式可劃分：集中式監(jiān)控系統(tǒng)、分散式監(jiān)控系統(tǒng)、分布式監(jiān)控

2、系統(tǒng)，全開放、全分布式監(jiān)控系統(tǒng)。二計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本功能數(shù)據(jù)采集與處理、運(yùn)行安全監(jiān)視、設(shè)備操作監(jiān)視、控制權(quán)限、AGC AVC運(yùn)行日志及報(bào)表、事件統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)通信、人機(jī)界面、多媒體功能、自診斷與遠(yuǎn)方診斷。三監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1 單網(wǎng)型水電站監(jiān)控系統(tǒng)圖 2 雙網(wǎng)型水電站監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上來說一般分為兩層，上位機(jī)與下位機(jī)。上位機(jī)從硬件構(gòu)成來說一般由通用計(jì)算機(jī)構(gòu)成，如PC機(jī)、服務(wù)器等，運(yùn)行的軟件平臺(tái)一般為Windows、Unix。下位機(jī)從硬件構(gòu)成來說則都是一些廠家自己開發(fā)的硬件平臺(tái)，種類繁多，如各公司的PLC,其軟件平臺(tái)也因硬件不同而相異，無法互相兼容。1) 上位機(jī)上位機(jī)一般配置有：操作員工作站，通

3、信工作站，工程師工作站，廠級(jí)工作站等。操作員工作站常被稱為控制臺(tái)，是全廠集中監(jiān)視和控制的中心和人機(jī)接口；通信工作站主要是用來與外部系統(tǒng)進(jìn)行通信；工程師工作站除具有程序開發(fā)、調(diào)試以及培訓(xùn)仿真等功能外，并兼有操作員工作站全部功能；廠級(jí)工作站主要用來完成一些后臺(tái)工作，如 AGC AVC等。上位機(jī)系統(tǒng)主要完成人機(jī)界面接口，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，全廠 AGC AVC調(diào)節(jié)，歷史數(shù)據(jù)存檔，報(bào)表查 詢， 報(bào)表打印， 數(shù)據(jù)分析，遠(yuǎn)程診斷， 電量管理及其他系統(tǒng)的通訊等功能。 監(jiān)控軟件系統(tǒng)為全開放系統(tǒng)，并且具有較強(qiáng)的可移植性。 1） 數(shù)據(jù)庫監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用網(wǎng)絡(luò)型全分布數(shù)據(jù)庫，所有數(shù)據(jù)的共享由網(wǎng)絡(luò)通訊來實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷

4、史數(shù)據(jù)庫構(gòu)成了監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源中心。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫主要存放LCU采集上送的所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，它是監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中最主要的數(shù)據(jù)庫，其采用按LCU單元存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)。歷史數(shù)據(jù)庫由若干歷史文件組成，其中每個(gè)文件存貯若干數(shù)據(jù)，對(duì)若干個(gè)歷史文件進(jìn)行目錄管理，并可進(jìn)行查詢、修改、存儲(chǔ)等操作。2) 安全監(jiān)視及事件報(bào)警運(yùn)行值班人員可以通過監(jiān)控系統(tǒng)的大屏幕彩色顯示器對(duì)全廠各主輔設(shè)備、公用設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。通過各種一覽表可查詢?cè)O(shè)備的運(yùn)行情況，以便對(duì)異常情況分析和處理。簡報(bào)信息窗口在有一些重要信息出現(xiàn)時(shí)，可自動(dòng)彈出至顯示窗口的最上層，還可根據(jù)需要進(jìn)行語音報(bào)警，提醒值班人員注意。3) 控制與調(diào)節(jié)全廠監(jiān)控系統(tǒng)能

5、根據(jù)電廠當(dāng)前運(yùn)行情況、遠(yuǎn)方及當(dāng)?shù)氐目刂泼睢⒆詣?dòng)發(fā)電控制(AGC)及自動(dòng)電壓控制 (AVC) 的計(jì)算，按預(yù)定的步驟對(duì)電廠運(yùn)行進(jìn)行控制及調(diào)節(jié)。包括機(jī)組的發(fā)電、調(diào)相等工況轉(zhuǎn)換；機(jī)組有功功率、無功功率的閉環(huán)調(diào)節(jié)；斷路器、隔離開關(guān)及接地刀閘的分、合操作；輔助設(shè)備及公用設(shè)備的啟、停操作等。4) 運(yùn)行日志及報(bào)表監(jiān)控系統(tǒng)能對(duì)各種設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄，某些信息還將自動(dòng)提示給操作值班人員，并可以自動(dòng)生成各類報(bào)表、日志，自動(dòng)生成和打印操作票等。打印方式及打印報(bào)表的格式可修改。這些功能可以分為以下幾類：(1) 電廠發(fā)電運(yùn)行記錄記錄的內(nèi)容包括當(dāng)班、當(dāng)日、當(dāng)月、當(dāng)年的機(jī)組發(fā)電量、線路送電量、廠用電量、耗水量及效率

6、等。它們的初值及時(shí)間區(qū)段的設(shè)置可以通過程序或由運(yùn)行值班人員通過人機(jī)對(duì)話方式實(shí)現(xiàn)。(2) 主要電氣設(shè)備動(dòng)作及運(yùn)行記錄監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)主要電氣設(shè)備的動(dòng)作次數(shù)和運(yùn)行時(shí)數(shù)、事故和故障次數(shù)以及相應(yīng)的時(shí)間等加以統(tǒng)計(jì)和記錄，以便考核并合理安排運(yùn)行和檢修計(jì)劃。例如：機(jī)組開、停次數(shù)，本次開機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)，累計(jì)開機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)，機(jī)組停機(jī)備用時(shí)數(shù)；斷路器合閘次數(shù)、正常跳閘次數(shù)、事故跳閘次數(shù)等有關(guān)技術(shù)性能指標(biāo)記錄；主要電氣設(shè)備、裝置退出運(yùn)行的記錄等。(3) 操作記錄監(jiān)控系統(tǒng)能對(duì)各種操作進(jìn)行記錄，其中包括機(jī)組工況轉(zhuǎn)換，斷路器和隔離開關(guān)的合、分閘等。記錄內(nèi)容包括時(shí)間、操作內(nèi)容、成功與否、失敗原因等。(4) 事故及故障統(tǒng)計(jì)記錄監(jiān)控系

7、統(tǒng)對(duì)當(dāng)班、當(dāng)日、當(dāng)月、當(dāng)年的各類事故及故障的內(nèi)容、次數(shù)和時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄，作為資料保存。(5) 參數(shù)越復(fù)限統(tǒng)計(jì)記錄監(jiān)控系統(tǒng)可以自動(dòng)地對(duì)當(dāng)班、當(dāng)日、當(dāng)月、當(dāng)年的參數(shù)越復(fù)限情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并把它們記錄下來。(6) 運(yùn)行日志及報(bào)表打印監(jiān)控系統(tǒng)將能按照運(yùn)行操作人員的管理和要求打印運(yùn)行日志和報(bào)表。打印內(nèi)容及打印格式可以事先設(shè)定。打印方式有定時(shí)自動(dòng)打印、隨機(jī)召喚打印等形式。監(jiān)控系統(tǒng)能制訂如下生產(chǎn)報(bào)表：負(fù)荷運(yùn)行電氣量參數(shù)報(bào)表，非電量參數(shù)報(bào)表，日發(fā)電量、廠用電量統(tǒng)計(jì)表、生產(chǎn)綜合統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。5) 人機(jī)接口操作人員可通過彩色監(jiān)視器、鍵盤、鼠標(biāo)器以及打印機(jī)等實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠運(yùn)行的監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)、在線修改定值、畫面索引、報(bào)

8、表顯示和打印等功能，交互式人機(jī)對(duì)話方式，使用起來非常便捷。人機(jī)接 口還具有權(quán)限管理功能，不同的權(quán)限有不同的使用范圍，以保證系統(tǒng)的安全性。6) 系統(tǒng)通信通過主機(jī)和通訊機(jī)，實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)調(diào)遠(yuǎn)動(dòng)、壩區(qū)閘門控制系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)、 MIS 系統(tǒng)及電能計(jì)費(fèi)系 統(tǒng)的通訊；通過 WEBI艮務(wù)器和路由器可實(shí)現(xiàn)廠長終端遠(yuǎn)程訪問；通過Modem撥號(hào)上網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方在線診斷等功能 . 7) 自診斷和自恢復(fù)完善的系統(tǒng)自檢、自診斷與自恢復(fù)功能是實(shí)現(xiàn)“無人值班” ( 少人值守 ) 的重要條件。功能包括主機(jī)自檢、軟件任務(wù)超時(shí)處理及通道故障檢測。當(dāng)工作主機(jī)故障(內(nèi)存、磁盤、I /0及CPU等的故障和軟件任務(wù)執(zhí)行異常等 ) 時(shí)，能將控

9、制權(quán)自動(dòng)切換到備用主機(jī)。軟件超時(shí)能實(shí)現(xiàn)部分功能軟件的故障自啟動(dòng)功能。通道檢測包括對(duì)網(wǎng)絡(luò)、通信通道、I/O過程通道在線自動(dòng)檢測，檢測的內(nèi)容有通道數(shù)據(jù)有效性合理性判斷、故障點(diǎn)自動(dòng)查找及故障自動(dòng)報(bào)警等。2. 下位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)的控制對(duì)象包括：電廠發(fā)電設(shè)備、開關(guān)站、公用設(shè)備、閘門設(shè)備。一般根據(jù)監(jiān)控對(duì) 象劃分為機(jī)組 LCU公用LCJ開關(guān)站LCU和閘門LCU,以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)對(duì)象的監(jiān)視和控制。下位機(jī)系統(tǒng)的 功能主要有：數(shù)據(jù)采集、流程處理、控制現(xiàn)場設(shè)備，現(xiàn)地人機(jī)交互，與上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸以及與現(xiàn)場設(shè)備 通訊等。LCU的核心是可編程控制器(PL。，主要有：美國GE公司的90系列，美國Modicon公司的Quantu

10、m系列，德國西門子的 S7系列，日本MITSUBISHI公司的系列，中國南瑞公司的MB系列等。LCU的冗余結(jié)構(gòu)有三種，即異構(gòu)型冗余，同構(gòu)型冗余和交叉型冗余。典型的LCU結(jié)構(gòu)如圖3所示：圖 3 LCU 結(jié)構(gòu)與配置示意圖LCU 可用來選擇遠(yuǎn)方/ 現(xiàn)地控制方式， 可現(xiàn)地進(jìn)行手動(dòng)控制或自動(dòng)控制， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、 處理和設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視，通過局域網(wǎng)與監(jiān)控系統(tǒng)其它設(shè)備進(jìn)行通信，以及自診斷功能等。 1) 數(shù)據(jù)采集處理現(xiàn)地控制單元對(duì)電站主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)自動(dòng)定時(shí)采集并處理后，存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。對(duì)于一些非直接控制的物理量，通常由現(xiàn)地控制單元采集，然后送上級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。按信號(hào)性質(zhì)分為模擬 量、開關(guān)量及脈沖量等

11、。2) 控制操作根據(jù)上位機(jī)或現(xiàn)地人機(jī)接口下達(dá)的命令，可進(jìn)行機(jī)組的開、停機(jī)順序控制，開關(guān)的分、合操作等控 制， 可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)緊急開、 停機(jī)等操作， 必要時(shí)也可對(duì)刀閘進(jìn)行操作， 以確保機(jī)組安全。 當(dāng)事故復(fù)歸時(shí)， 能立即進(jìn)行相應(yīng)的事故復(fù)歸處理，操作控制都應(yīng)有校核與閉鎖功能。 3) 有功功率和無功功率調(diào)節(jié)根據(jù)上位機(jī)或現(xiàn)地人機(jī)接口下達(dá)的給定值進(jìn)行有功、無功的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。4) 歷史事件記錄主要包括事件順序記錄、變位記錄、越限記錄等。(1) 事件順序記錄：對(duì)重要開關(guān)量的狀態(tài)變化或自自出錯(cuò)進(jìn)行順序記錄?，F(xiàn)地控制單元一般至少能記錄 256 個(gè)事件。(2) 變位記錄：對(duì)一般開關(guān)量的狀態(tài)變化記錄， 分辨率為 1-

12、2 秒， 現(xiàn)地控制單元一般至少能記錄 256個(gè)變位事件。(3) 越限記錄：對(duì)模擬量的五種越限( 高限、高高限、低限、低低限、梯度限制等) 情況進(jìn)行記錄，并可設(shè)置越、復(fù)限的死區(qū)，以避免頻繁記錄導(dǎo)致計(jì)算機(jī)資源被占用過多。5) 報(bào)警現(xiàn)地控制單元應(yīng)有一定的報(bào)警功能，以便與上位機(jī)通訊中斷時(shí)能獨(dú)立運(yùn)行，在電站設(shè)備或監(jiān)控系統(tǒng)本身出現(xiàn)故障或異常情況時(shí)，輸出報(bào)警。報(bào)警方式一般為音響、語音、文字顯示等。6) 人機(jī)交互 LCU 可通過觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互，用于運(yùn)行監(jiān)視、控制、調(diào)試等。7) 與其它設(shè)備的聯(lián)系(1) 與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、調(diào)速器之間，以計(jì)算機(jī)通訊接口方式或調(diào)脈寬輸出方式對(duì)機(jī)組有功和無功進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。(2) 與

13、微機(jī)故障錄波、測速裝置等的聯(lián)系有計(jì)算機(jī)通訊接口，并可把相應(yīng)信息送到上位機(jī)。(3) 與微機(jī)保護(hù)有計(jì)算機(jī)通訊接口，可以交換信息、保護(hù)參數(shù)修改等。常規(guī)保護(hù)接點(diǎn)用空接點(diǎn)輸出給監(jiān)控系統(tǒng)。(4) 接受GPS衛(wèi)星同步時(shí)鐘彳t號(hào)，提高LCU時(shí)鐘精度。8) 與上位機(jī)通訊LCU 能通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)( 單網(wǎng)或雙網(wǎng) ) 與上位機(jī)通訊，通訊協(xié)議應(yīng)符合開放性原則。把采集的數(shù)據(jù)和有關(guān)信息上送給上位機(jī)，同時(shí)接受上位機(jī)的命令。9) 自診斷功能與處理方法LCU具有較強(qiáng)的在線自檢功能，各模塊可以自檢、互檢。 LCU可以診斷出模件、電源、外設(shè)等的故障，并自動(dòng)切除故障部分，給出故障信息，供運(yùn)行、維護(hù)人員作處理依據(jù)。當(dāng)LCU或某智能模件出

14、現(xiàn)死機(jī)時(shí)，可以產(chǎn)生自恢復(fù)信號(hào)，使系統(tǒng)或模塊重新工作，并保留歷史數(shù)據(jù)， 自恢復(fù)可以用硬、軟件實(shí)現(xiàn)，如看門狗電路等。此外，LCU還能采用自動(dòng)切換的方法來處理故障：在采用冗余供電時(shí)，當(dāng)LCU的某一路供電電源故障時(shí)，可以自動(dòng)切換；在雙網(wǎng)工作方式時(shí)，雙網(wǎng)間可以自動(dòng)切換；LCU在雙CPU工作方式時(shí)，主備 CPU間可以自動(dòng)切換。四計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：通常采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有：星形拓?fù)洹h(huán)型拓?fù)湫切谓Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：控制簡單、故障診斷和隔離容易、信道利用率高；缺點(diǎn)是電纜長度和安裝工作量較大。環(huán)型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：電纜長度短、增加或減少工作站簡單；缺點(diǎn)是多節(jié)點(diǎn)的故障會(huì)引起全網(wǎng)故障，信道利用率較低。圖 4 星形和環(huán)

15、形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)五計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊包括以下各個(gè)部分：1) 系統(tǒng)內(nèi)部通訊：電站 ( 或梯調(diào) ) 監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部各計(jì)算機(jī)之間采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) ( 單網(wǎng)或雙網(wǎng) ) 通訊， 并采用開放式網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。針對(duì)水電廠的具體情況，監(jiān)控系統(tǒng)要求具有較強(qiáng)的抗電磁干擾特性。常用的傳輸介質(zhì)有雙絞線、同軸電纜和光導(dǎo)纖維等。同軸電纜成本適中，傳輸速度較快；雙絞線電纜速度較低，但成本也較低，采用光導(dǎo)纖維通信則是今后發(fā)展的方向。2) 子電站與梯調(diào)的通訊：一般應(yīng)通過路由器或網(wǎng)橋進(jìn)行通訊，也可以采用通訊服務(wù)器。應(yīng)具有主備通道，通訊介質(zhì)一般應(yīng)采用光纖、微波、專用電纜等。3) 與站內(nèi)其它系統(tǒng)通訊：通過監(jiān)控系

16、統(tǒng)接口，能與站內(nèi)其它系統(tǒng)進(jìn)行通信，交換信息，通信方式一般采用串行通信或網(wǎng)絡(luò)通訊方式。對(duì)于有人值班電站至少應(yīng)考慮與以下系統(tǒng)通訊： (1) 水情測報(bào)與水庫調(diào)度系統(tǒng)； (2) 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)； (3) 管理信息系統(tǒng)(MIS) ； (4) 門警及消防系統(tǒng)； (5) 工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)。4) 與調(diào)度通訊：一般大中型水電廣都應(yīng)與省調(diào)、地調(diào)通訊，有的還應(yīng)與網(wǎng)調(diào)通訊，通訊應(yīng)符合調(diào)度要求。與調(diào)度通訊一般應(yīng)考慮計(jì)算機(jī)通訊和遠(yuǎn)動(dòng)通訊兩種方式，以后逐步過渡到計(jì)算機(jī)通信方式。通 訊通道可采用光纖、微波、專用電纜等，一般應(yīng)具備主備通道。六計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)，網(wǎng)絡(luò)和下位機(jī)組成，其核心是將三者融為一體的系統(tǒng)內(nèi)部通訊，內(nèi)部通訊的作用就是將下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)上行至上位機(jī)，同時(shí)將上位機(jī)的各種命令下行至下位機(jī)。其示意圖如圖 5 所示：下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)有：由開入、模入模件直接采集到的信號(hào)，由 SJ-30 采集的外部設(shè)備數(shù)據(jù)，包括調(diào)速、勵(lì)磁、保護(hù)等裝置數(shù)據(jù)，由 SJ-40C 采集的溫度量數(shù)據(jù)以及由交采表采集的電氣量數(shù)據(jù)。采集 的信號(hào)類型為：開關(guān)量、