11-水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展概況

1、第一部分基礎(chǔ)理論水電站計算機監(jiān)控技術(shù)是一門綜合性很強的科學(xué)，它是水電站硬件技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動化監(jiān)控技術(shù)等多種技術(shù)的有機融合。要深入了解水電站計算機監(jiān)控技術(shù)，必須先了解水電站監(jiān)控系統(tǒng)的各種基礎(chǔ)裝置、計算機應(yīng)用基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)以及計算機監(jiān)控系統(tǒng)的模式和配置等內(nèi)容。在后面的學(xué)習(xí)中，我們將逐步理解水電站計算機監(jiān)控技術(shù)的深刻內(nèi)涵。第1章概論1.1水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展概況安全經(jīng)濟(jì)運行是水電站最根本的任務(wù)之一。隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，電力需求迅猛增長，興建的水電站越來越多，其容量也越來越大，如正在建設(shè)的三峽水電站，總裝機容量高達(dá)18200MW。為了實現(xiàn)安全發(fā)供電，

2、需要經(jīng)常監(jiān)測的量成千上萬，需要實現(xiàn)的控制功能也越來越復(fù)雜。特別是抽水蓄能電廠的出現(xiàn)，機組的工況不僅有發(fā)電、調(diào)相，而且還有抽水、各種工況之間的相互轉(zhuǎn)換，使控制功能進(jìn)一步復(fù)雜。為了實現(xiàn)水電站的優(yōu)化運行以期達(dá)到整個系統(tǒng)的的經(jīng)濟(jì)運行，需要進(jìn)行的計算更為復(fù)雜。以上這些復(fù)雜的工作使原來在水電站上廣泛使用的布爾邏輯型自動裝置越來越難以勝任，因此采用更為先進(jìn)的技術(shù)成了迫不及待的任務(wù)。與此同時，計算機科學(xué)發(fā)展異常迅猛，技術(shù)日新月異，其性能日趨完善，而價格日益下降，這為計算機監(jiān)控取代常規(guī)的布爾邏輯型自動裝置提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。早在20世紀(jì)70年代，計算機已開始應(yīng)用于水電站，起先用于各項離線計算和工況的監(jiān)測，后來

3、，逐漸進(jìn)入到控制領(lǐng)域。它經(jīng)歷了一段從低級到高級，從順序控制到閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，從局部控制到全廠控制，從電能生產(chǎn)領(lǐng)域擴(kuò)展到水情測報、水工建筑物的監(jiān)控、航運管理控制等各個方面，從監(jiān)控到實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運行，從個別電廠監(jiān)控到整個梯級和流域監(jiān)控的發(fā)展過程。出現(xiàn)了一批用微機構(gòu)成的調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器、同期裝置和繼電保護(hù)裝置等。多媒體技術(shù)應(yīng)用使電廠中控室的設(shè)計發(fā)生了巨大的變化。巨大的模擬顯示屏正在逐漸被計算機顯示器所代替；常規(guī)操作盤基本上已被計算機監(jiān)控系統(tǒng)的值班員控制臺所取代；運行人員的操作已從過去的扭把手、按開關(guān)轉(zhuǎn)為計算機鍵盤和鼠標(biāo)操作。運行人員的工作性質(zhì)也發(fā)生了質(zhì)的變化，從過去的日常監(jiān)盤和頻繁操作轉(zhuǎn)變?yōu)檠惨?，?jīng)常的

4、監(jiān)測和控制調(diào)節(jié)工作都由計算機系統(tǒng)去完成。運行人員的勞動強度大大減輕，人數(shù)也大大減少，甚至出現(xiàn)了無人值班或"無人值班"（少人值守）的水電站?？傊捎糜嬎銠C監(jiān)控已成了水電站自動化的主流。1.1.1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀從20世紀(jì)70年代起，計算機監(jiān)控在國外一些水電站上取得了實質(zhì)性的進(jìn)展，出現(xiàn)了用計算機控制的水電站。最初，由于計算機價格比較昂貴，全廠只用一臺計算機實現(xiàn)對主要工況的監(jiān)視和操作，通常采用開環(huán)調(diào)節(jié)控制。后來，隨著計算機性能改善和價格下降，出現(xiàn)了采用多臺計算機實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)控制的水電站。高性能微機的出現(xiàn)使微機在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中得到普遍的應(yīng)用?，F(xiàn)在，新投入的水電站大都采用由多臺計算

5、機構(gòu)成的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。世界各國的發(fā)展是不平衡的，目前關(guān)于水電站實現(xiàn)計算機監(jiān)控的情況還缺乏完整統(tǒng)計資料。就國家來說，美國、法國、日本和加拿大等國在這方面是比較領(lǐng)先的。國外研制水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)有許多公司，其中比較著名的有，加拿大的CAE公司、瑞士和德國的ABB公司、德國的西門子公司、法國的ALSTOM公司（原CEGELEC公司）、日本的日立公司和東芝公司、美國和加拿大的貝利公司、奧地利的依林（ELIN）公司等。各公司都推出自己的系列產(chǎn)品，在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用。我國水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的研制工作起步并不晚。早在70年代末，原水電部就組織了南京自動化研究所（現(xiàn)改為電力自動化研究院）、長江流

6、域規(guī)劃辦公室（現(xiàn)改為長江水利委員會）和華中工學(xué)院（現(xiàn)改為華中科技大學(xué)）研究葛洲壩水電站采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)問題。隨后，中國水利水電科學(xué)院研究院（簡稱水科院）自動化研究所開始了富春江水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的研制工作。天津電氣傳動設(shè)計研究所（簡稱天傳所）也開始了永定河梯級水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的研制工作。這些監(jiān)控系統(tǒng)于80年代中期先后投入運行。與此同時，我國也引進(jìn)了一些國外研制的監(jiān)控系統(tǒng)。采用CAE公司產(chǎn)品的有葛洲壩大江電廠、隔河巖水電站和龔嘴梯調(diào)；采用西門子公司產(chǎn)品的有魯布格水電站、廣州抽水蓄能電廠C二期、龔嘴水電站；采用ABB公司產(chǎn)品的有潘家口、天生橋二級、溪口、寶興河梯級和二灘等水電站；采用貝利公

7、司產(chǎn)品的有十三陵抽水蓄能電廠和天荒坪抽水蓄能電廠；采用法國CEGELEC公司產(chǎn)品的有廣州抽水蓄能電廠（一期）、高壩洲水電站；采用依林公司產(chǎn)品的有小浪底水電站。十多年來，國內(nèi)的研制單位也取得了很大的成就。已投運的幾十個計算機監(jiān)控系統(tǒng)中絕大多數(shù)是由國內(nèi)單位研制的。技術(shù)水平也有了很大的提高，達(dá)到了國外90年代的水平。許多新技術(shù)，如分層分布處理、分布式數(shù)據(jù)庫、開放系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、多媒體、專家系統(tǒng)等，都得到了相應(yīng)的應(yīng)用。電力自動化研究院和水科院自動化研究所還推出了自己的系列產(chǎn)品，不僅在國內(nèi)水電站得到廣泛的應(yīng)用，甚至還出口到國外。根據(jù)近年來的實踐，新建的大中型水電站已基本采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)，不采用的已是少數(shù)。

8、1.1.2水電站計算機監(jiān)控方式的演變隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，水電站監(jiān)控的方式也隨之改變，計算機系統(tǒng)在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中的作用及其與常規(guī)設(shè)備的關(guān)系也發(fā)生了變化，其演變過程大致如下。1. 以常規(guī)控制裝置為主、計算機為輔的監(jiān)控方式（Computer-AidedSupervisoryControl,簡稱CASC）早期由于計算機價格比較昂貴，而且人們對它的可靠性不夠信任，因此，計算機只起監(jiān)視、記錄打印、經(jīng)濟(jì)運行計算、運行指導(dǎo)等作用，水電站的直接控制功能仍由常規(guī)控制裝置來完成。采用此方式時，對計算機可靠性的要求不是很高，即使計算機局部發(fā)生故障，水電站的正常運行仍能維持，只是性能方面有所降低。采用這種控制方

9、式的典型例子是依泰普水電站運行的初期（80年代上半期）。當(dāng)時采用這種控制方式的理由是，根據(jù)巴西和巴拉圭的國情，認(rèn)為采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)的經(jīng)驗還不夠成熟，缺乏相應(yīng)的技術(shù)力量，故而先采用能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視記錄等功能的計算機系統(tǒng)，而水電站的控制仍由常規(guī)設(shè)備來完成。這樣，可以為將來可實現(xiàn)控制功能的系統(tǒng)作準(zhǔn)備，同時可以減少前期的投資。后來，依泰普水電站已將它更新為具有復(fù)雜控制功能的、比較完善的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。國內(nèi)采用這種控制方式的典型例子是富春江水電站綜合自動化的一期工程（80年代上半期）。一期工程是一個實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理、提供機組經(jīng)濟(jì)運行指導(dǎo)和全廠運行狀態(tài)的監(jiān)視記錄，計算機不直接作用于

10、生產(chǎn)過程的控制。這在當(dāng)時是適合的，后來也被更新為能實現(xiàn)控制功能的比較完善的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。這種控制方式的缺點是，功能和性能都比較低，并對整個水電站自動化水平的提高有一定的限制，目前新建水電站已很少采用。對已運行的水電站，尤其是在中小型水電站，在常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加一點專用功能的全廠自動化裝置，如自動巡回檢測和數(shù)據(jù)采集裝置，按水流或負(fù)荷調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)運行裝置等，也可取得很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，投資也不大，對運行管理水平要求不太高，這種CASC方式還是可以采用的。國外也有不少這樣的例子。2. 計算機與常規(guī)控制裝置雙重監(jiān)控方式（Computer-ConventionalSupervisoryControl

11、,簡稱CCSC）隨著計算機系統(tǒng)可靠性的提高和價格的下降以及人們對計算機實現(xiàn)監(jiān)控的信任度的提高，人們較容易接受讓計算機直接參加控制，但對它還不是很放心，所以出現(xiàn)了計算機與常規(guī)控制裝置雙重監(jiān)控的方式。此時，水電站要設(shè)置兩套完整的控制系統(tǒng)，一套是以常規(guī)控制裝置構(gòu)成的系統(tǒng)，一套是以計算機構(gòu)成的系統(tǒng)，相互之間基本上是獨立的。兩套控制系統(tǒng)之間可以切換，互為備用，保證系統(tǒng)安全可靠運行。采用這種方式的原因是：（1）有些用戶，特別是大型水電站，對計算機系統(tǒng)的可靠性仍有較大的顧慮，總覺得計算機系統(tǒng)沒有常規(guī)系統(tǒng)可靠，心理上有障礙，要設(shè)一套常規(guī)系統(tǒng)作后備。（2）原來的水電站運行值班人員習(xí)慣于常規(guī)設(shè)備的操作，不熟悉計算

12、機系統(tǒng)的操作，需要一段適應(yīng)過程。（3）計算機系統(tǒng)檢修時，常規(guī)系統(tǒng)可以投入運行，不影響水電站的正常運行。（4）如果水電站已有常規(guī)系統(tǒng)，加設(shè)計算機監(jiān)控系統(tǒng)可以減少干擾，不影響電廠的正常運行。這一點對已運行水電站的改造是有現(xiàn)實意義的。國外采用這種方式的典型例子是美國邦納維爾第二電廠（558MW）和巴斯康提抽水蓄能電廠（2100MW）。國內(nèi)采用這種控制方式的典型例子是葛洲壩大江電廠（1750MW）和龍羊峽水電站（1280MW）。采用這種方式的缺點是：由于需要設(shè)置兩套完整的控制系統(tǒng)，投資比較大；由于兩套系統(tǒng)并存，相互之間要切換，二次接線復(fù)雜，可靠性反而有所降低。目前新建水電站已很少采用這種控制方式。3.

13、 以計算機為基礎(chǔ)的監(jiān)控方式（Computer-BasedSupervisoryControl,簡稱CBSC）隨著計算機系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步提高和價格的進(jìn)一步下降，出現(xiàn)了以計算機為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)。采用此方式時，常規(guī)控制部分可以大大簡化，平時都采用計算機控制。因此，對計算機系統(tǒng)的可靠性要求就比較高，這可以采用冗余技術(shù)來解決，保證系統(tǒng)某一單元或局部環(huán)節(jié)發(fā)生故障時，整個系統(tǒng)和電廠運行還能繼續(xù)進(jìn)行。采用此種方式時，中控室僅設(shè)置計算機監(jiān)控系統(tǒng)的值班員控制臺，模擬屏已成為輔助監(jiān)控手段，可以簡化甚至取消。國外采用這種方式的典型例子是美國的大古力水電站（6150MW）,委內(nèi)瑞拉的古里水電站（10000MW）、法國

14、的孟德齊克抽水蓄能電廠（920MW）等。國內(nèi)采用這種方式的典型例子是漫灣水電站（1250MW）。這種控制方式是目前國內(nèi)外水電站普遍采用的計算機控制方式。4. 取消常規(guī)設(shè)備的全計算機控制方式隨著計算機技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)運行經(jīng)驗的累積，出現(xiàn)了以計算機為唯一監(jiān)控設(shè)備的全計算機控制方式，實際上它是CBSC方式的延伸。此時，取消了中控室常規(guī)的集中控制設(shè)備，機旁也取消了自動操作盤。中控室還保留模擬顯示屏，但其信息取自計算機系統(tǒng)，不考慮在機組控制單元（計算機型的）發(fā)生故障時進(jìn)行機旁的自動操作。此時，對計算機系統(tǒng)的可靠性提出更高的要求，冗余度也要進(jìn)一步提高。采用這種方式的典型例子是我國隔河

15、巖水電站(1200MW),采用CAE公司的產(chǎn)品。這種方式投資比較大，但它有良好的應(yīng)用前景，將成為未來的水電站計算機控制方式的主流。1.1.3小型水電站計算機監(jiān)控現(xiàn)狀由于早期的研制主要集中于大、中型水電站，對小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究較少，因此使得我國水電站自動化技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了極不平衡的局面，小型水電站的自動化水平目前還處于比較落后的狀態(tài)。在小型水電站自動化裝置的研究方面，與國外的先進(jìn)水平相比還有一段較大的差距。針對小型水電站的特點而專門進(jìn)行的一項研究是在20世紀(jì)90年代中期進(jìn)行的，是由國電自動化研究院與石景山發(fā)電總廠合作在下葦?shù)樗娬救萘烤鶠?5MW的5號和6號機上進(jìn)行的發(fā)電綜合控制裝置(GC

16、U)的研究試驗。由于GCU的設(shè)計構(gòu)想是集調(diào)速、勵磁、順控、同期、測量5個功能于一體，因此又稱為“五合一”裝置。經(jīng)一段時間的試運行，甩100%負(fù)荷試驗，從高井到下葦?shù)?號機的遠(yuǎn)方控制等情況來看，該套裝置運行正常，達(dá)到預(yù)期目的。為了促進(jìn)小水電站實現(xiàn)自動化控制，水利部亞太小水電中心和國家電力公司南京自動化股份有限公司都在小型水電站監(jiān)控方式方面進(jìn)行了一些探討。此外，武漢華工電氣自動化有限責(zé)任公司、南京自動化設(shè)備廠和許昌繼電器集團(tuán)有限公司等科研、制造單位也做了不少工作，在我國已形成了SDJKDZWXSSJ-3000、CSC繇列、SD200和SJK-3000等多種產(chǎn)品。下面作一簡要介紹。SDJK系列水電站

17、計算機監(jiān)控系統(tǒng)，是水利部亞太小水電中心自行開發(fā)研制成功的水電站綜合自動化系列產(chǎn)品之一，適用于中小型水電站的自動監(jiān)測、控制和保護(hù)，對水電站實行遙測、遙信、遙調(diào)和遙控，使電站運行實現(xiàn)高度自動化，并提高了電站運行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性。電站若與電力調(diào)度系統(tǒng)連接，可作為電力調(diào)度自動控制系統(tǒng)的廠站端。該系統(tǒng)集多種功能于一體，采用分層分布式結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計，以工業(yè)級微機為上位機，以可編程序邏輯控制器PLC微機保護(hù)裝置、智能采集與遠(yuǎn)動裝置RTU(如智能電參數(shù)測量儀、溫度巡檢儀及其他的智能采集與遠(yuǎn)動裝置)等構(gòu)成現(xiàn)地控制測量單元LCU以此作為下位機主體設(shè)備單元，這種配置極大地提高了該系統(tǒng)的靈活性和可靠性。SD

18、JK系列水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，遵循成熟的工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)，采用模塊化設(shè)計，具有以下幾個特點：結(jié)構(gòu)合理。SDJK系統(tǒng)軟硬件根據(jù)中小型水電站的實際情況，采用先進(jìn)的分層分布式智能結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)層次清晰、結(jié)構(gòu)靈活、實用性強、擴(kuò)展方便、性能價格比高。功能強。SDJK系統(tǒng)可對各類輸入量進(jìn)行實時采集、處理、監(jiān)視，對各類控制對象進(jìn)行多種控制；人機界面友好，根據(jù)水電站實際情況，可方便地對畫面、參量、編號進(jìn)行修改或重新定義；強有力的事故追憶和順序事件記錄(SOE功能，為事故分析提供了必不可少的手段。(1) 擴(kuò)展靈活。SDJK系統(tǒng)的軟硬件均采用模塊化設(shè)計，可依據(jù)電站實際規(guī)模，靈活配置，并留有充足的備用和可擴(kuò)充容量，該系

19、統(tǒng)還能與調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)更高層次上的擴(kuò)展。(2) 性能可靠。SDJ麻統(tǒng)設(shè)計充分考慮到保證系統(tǒng)的高度可靠性，重要部位實現(xiàn)多重冗余，某一設(shè)備故障不影響系統(tǒng)性能；所有輸入輸出均帶隔離、軟硬件數(shù)字濾波、防觸點抖動等措施。上位機與LCU軟件還帶有完備的防誤操作、自診斷、自恢復(fù)程序，PLC輸出口采用了軟件和硬件的雙重閉鎖，并通過多種防雷和抗干擾的措施，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。DZWX列低壓機組智能型控制系統(tǒng)，是專門針對農(nóng)村小型水電站(AC400V630kW及以下低壓機組)的設(shè)備配套及運行特點而開發(fā)的一套可靠、實用又經(jīng)濟(jì)的自動化系統(tǒng)的廠站端。系統(tǒng)設(shè)計思路是盡可能使小型水電站在減少配置，減少投資的情況下

20、實現(xiàn)高度自動化，所以它在SDJ麻列的分層分布式結(jié)構(gòu)、模塊化設(shè)計基礎(chǔ)上又加入自身設(shè)計特色：DZW系統(tǒng)簡化設(shè)計，將二次測量、控制、保護(hù)設(shè)備與一次電氣設(shè)備同組一屏，即對電站配置來說，只需一機一屏，整個系統(tǒng)層次清晰、結(jié)構(gòu)靈活、實用性強、擴(kuò)展方便、性能價格比高。(1) 取消自動調(diào)速器，只需電手動兩用操作器或電動機，完成機組的自動同期并網(wǎng)及功率調(diào)節(jié)。(2) 智能控制器完成機組的殘壓測頻、電站控制、調(diào)節(jié)操作及電站運行狀態(tài)的采集。(3) 智能電量測量儀完成機組的電氣參數(shù)采集及保護(hù)。(4) 電站若有多臺機組，DZW系統(tǒng)可根據(jù)需要配置上位機，對各類輸入量進(jìn)行實時采集、處理、監(jiān)視，對各類控制對象進(jìn)行多種控制；上位機

21、軟件自行開發(fā)，人機界面友好，根據(jù)實際情況，可方便地對畫面、參量、編號進(jìn)行修改或重新定義；強有力的事故追憶和順序事件記錄(SOE功能，為事故分析提供了必不可少的手段。(5) DZW系統(tǒng)的軟硬件均采用模塊化設(shè)計，可依據(jù)電站實際規(guī)模，靈活配置，并留有充足的備用和可擴(kuò)充容量，該系統(tǒng)還能與調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)更高層次上的擴(kuò)展。DZWX系統(tǒng)設(shè)計充分考慮到保證系統(tǒng)的高度可靠性，某一設(shè)備故障不影響系統(tǒng)性能；所有輸入輸出均帶隔離、軟硬件數(shù)字濾波、防觸點抖動等措施。上位機與LCU件還帶有完備的防誤操作、自診斷、自恢復(fù)程序，輸出口采用了軟件和硬件的雙重閉鎖，并通過多種防雷和抗干擾的措施，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。S

22、SJ-3000水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要適用于中、小型水力發(fā)電廠的運行監(jiān)視、控制調(diào)節(jié)和運行管理自動化。其特點為可靠性高、功能強、人機界面友好、可擴(kuò)性好。系統(tǒng)功能包括數(shù)據(jù)采集和處理；各種開關(guān)量、模擬量、脈沖量、溫度量的輸入處理，狀態(tài)監(jiān)視，故障登陸、報警，相應(yīng)的保護(hù)功能；生產(chǎn)過程的操作控制；自動完成機組開機、停機過程，輔機設(shè)備的啟停，隔離開關(guān)、斷路器的分合；機組有功功率、無功功率、頻率的自動調(diào)節(jié)；運行監(jiān)視和事件報警；遠(yuǎn)動通信；統(tǒng)計記錄；操作票管理等。國電南京自動化股份有限公司生產(chǎn)的SD20冰電站自動化系統(tǒng)采用全開放、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、機組順控、自動準(zhǔn)同步、調(diào)速、勵磁、功率調(diào)節(jié)控制

23、等功能；采用了當(dāng)今已成熟的先進(jìn)技術(shù)和器件，如WINNT操作系統(tǒng)、DS吸字信號處理器、CAN®場總線技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)和INTERNE咬術(shù)等；它滿足可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、實用、技術(shù)先進(jìn)和便于擴(kuò)充等基本原則，符合相關(guān)部頒與國家標(biāo)準(zhǔn)；適合各種容量等級，不同功能要求的水電站，既適用于新建水電站、又可用于已建水電站的改造及梯級水電站調(diào)度自動化系統(tǒng)，并可與各種微機保護(hù)裝置，變電站微機監(jiān)控裝置，縣、地級調(diào)度中心系統(tǒng)等配套供貨，實現(xiàn)電站“無人值班”(少人值守)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運行。其部分功能也可構(gòu)成獨立裝置使用，如機組順控裝置、微機自動準(zhǔn)同步裝置、微機溫度巡檢/保護(hù)裝置、微機交流電量采集裝置、閘門監(jiān)控系

24、統(tǒng)等，操作方便，配置靈活。SJK-3000系統(tǒng)是西安理工大學(xué)水力機械及自動化研究所的科研人員在總結(jié)多年從事中小型水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，適應(yīng)計算機監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展和用戶的要求，與許繼電氣集團(tuán)合作與1998年研制成功的新產(chǎn)品，1999年4月通過了國家電力公司和經(jīng)貿(mào)委機械局組織的“兩部”鑒定。該系統(tǒng)采用了“工業(yè)控制微機+現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)+PCC現(xiàn)地控制單元”的結(jié)構(gòu)模式，以WindowsNT下的工業(yè)組態(tài)軟件為開發(fā)平臺，實現(xiàn)了SCADAI程，從而構(gòu)成了基于現(xiàn)場總線的分布式全開放水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的最大特點是結(jié)構(gòu)簡單且硬件采用標(biāo)準(zhǔn)化工控產(chǎn)品，即使上位機出現(xiàn)故障，現(xiàn)地PCC$制單元仍可正

25、常工作，極大地提高了系統(tǒng)本身的可靠性。另外，除具備實時監(jiān)測、實時控制與調(diào)節(jié)、運行管理、遠(yuǎn)程通信等功能外，通過現(xiàn)場總線與調(diào)速、勵磁及保護(hù)裝置連接后，便可構(gòu)成水電站綜合自動化系統(tǒng)，這為用戶提供了極大的方便。1.2水電站計算機監(jiān)控的目的和意義水電站計算機監(jiān)控的目的和意義，就是通過對電站各種設(shè)備信息進(jìn)行采集、處理，實現(xiàn)自動監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)，從而保證水電站設(shè)備充分利用水能安全穩(wěn)定運行，并按電力系統(tǒng)要求進(jìn)行優(yōu)化運行，保證電能的質(zhì)量，同時減少運行與維護(hù)成本，改善運行條件，實現(xiàn)無人值班或少人值守。1.2.1減員增效，改革水電站值班方式水電站計算機監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用，使水電站運行實現(xiàn)自動化，運行人員對設(shè)備的操

26、作工作量大大減少，減輕了運行人員的勞動強度，減少了水電站的運行人員數(shù)量，使水電站實現(xiàn)少人值守或無人值守。由于運行人員減少，電站生活設(shè)施等基礎(chǔ)設(shè)施也可以相應(yīng)地減少、簡化，降低了電站的造價；水電站運行人員減少的同時，也減少水電站的運行費用及發(fā)電成本，達(dá)到減員增效的目的。此外，在水電站實現(xiàn)計算機監(jiān)控，可對水電站運行人員的職能進(jìn)行轉(zhuǎn)變，把運行人員從對水電站設(shè)備的操作向?qū)λ娬驹O(shè)備的管理進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使電站運行人員有更多的時間和精力花在水電站設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)上，保證水電站設(shè)備的可用性及完好性，延長水電站設(shè)備的使用壽命及檢修周期，水電站設(shè)備的一些重復(fù)操作、調(diào)節(jié)、運行狀態(tài)及參數(shù)的記錄則由計算機監(jiān)控系統(tǒng)在不須允許人

27、員干預(yù)的情況下自動完成。水電站實現(xiàn)計算機監(jiān)控后，富余出來的人員則可進(jìn)行輪流培訓(xùn)，以提高對電站的運行管理水平，還可為電站從事多種經(jīng)營、第三產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造條件，充分開發(fā)水電站的資源，為水電站增加經(jīng)濟(jì)效益。1.2.2優(yōu)化運行，提高水電站發(fā)電效益水電站自動控制系統(tǒng)與機組自動控制系統(tǒng)相結(jié)合，使電站自動控制系統(tǒng)能按優(yōu)化運行方案給機組分配有功功率和無功功率，讓機組運行在高效率區(qū)。對一個電站來說，有了優(yōu)化運行，就可以給水電站帶來直接經(jīng)濟(jì)效益，意義也是非常大的。根據(jù)國內(nèi)外資料表明，在水電站實行優(yōu)化運行可最大限度地利用水能，水能利用率能提高3%5%。如果從機組的角度來看，就相當(dāng)于機組的效率提高了3%5%。然而這對現(xiàn)代水

28、輪發(fā)電機組來講，機組本身的效率已很高，要提高機組的效率，哪怕是0.5%1%,都要利用現(xiàn)代高新技術(shù)，技術(shù)難度可想而知。而利用優(yōu)化運行，同樣多的水可發(fā)出更多的電能，比通過提高機組本身效率來增加電能要容易得多。對于水電站內(nèi)優(yōu)化運行，則可把水電站運轉(zhuǎn)特性、水輪機運轉(zhuǎn)特性等數(shù)學(xué)模型編成軟件放入計算機監(jiān)控系統(tǒng)，計算機監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)水電站運行情況自動調(diào)節(jié)水電站、機組的運行，以保證整個水電站的運行處在高效率區(qū)；對于具有月調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)、多年調(diào)節(jié)能力的水庫電站，則同樣可把中長期洪水預(yù)報建成數(shù)學(xué)模型，編成軟件，放入計算機監(jiān)控系統(tǒng)，由計算機監(jiān)控系統(tǒng)自動按中長期洪水預(yù)報的數(shù)學(xué)模型調(diào)整水電站的運行。計算機監(jiān)控系統(tǒng)也可對水電

29、站運行人員給出調(diào)整指導(dǎo)，由水電站運行人員調(diào)整水電站的運行；對于只具有日調(diào)節(jié)能力或無調(diào)節(jié)能力的徑流式水電站，水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)與洪水實時測報系統(tǒng)相結(jié)合，可避免這類水電站在汛期大量棄水。洪水實時測報系統(tǒng)的基礎(chǔ)是水電站所在集雨面積內(nèi)的自動雨量站，當(dāng)水電站所在集雨面積內(nèi)發(fā)生降雨，自動雨量站把降雨量情況發(fā)送到水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，計算機監(jiān)控系統(tǒng)則按預(yù)先設(shè)計好的數(shù)學(xué)模型調(diào)整水電站的運行，增加水電站的出力，降低日調(diào)節(jié)池或前池水位。當(dāng)數(shù)小時后，由于降雨而形成的洪水到達(dá)水電站時，則可減少洪汛時的棄水。1.2.3安全穩(wěn)定，保障水電站電能質(zhì)量眾所周知，在廣大山區(qū)、農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)，有相當(dāng)多的地方大電網(wǎng)延伸不到，而絕

30、大多數(shù)的中小水電站也主要集中在山區(qū)、農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)，因此產(chǎn)生了由中小水電站形成的相對獨立的區(qū)域供電網(wǎng)或地區(qū)供電電網(wǎng)。在這些電網(wǎng)中，水電站在提供電力方面起了主要作用。隨著山區(qū)和農(nóng)村工農(nóng)業(yè)的發(fā)展及農(nóng)村電氣化實現(xiàn)，人民生活水平的不斷提高和家用電器的不斷增加，早期對電的低層次的需求一一如照明、農(nóng)副產(chǎn)品的粗加工等也在悄悄地發(fā)生變化，逐漸提高了對電的需求的層次，由此，對水電站發(fā)出的電能的質(zhì)量和電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性提出了較高的要求。計算機監(jiān)控系統(tǒng)不僅能準(zhǔn)確而迅速地反映水電站各設(shè)備正常運行的狀態(tài)及參數(shù)，還能及時反映水電站設(shè)備的不正常狀態(tài)及事故情況，自動實施安全處理。水電站的自動控制減少了運行人員直接操作的步驟，從

31、而大大降低了發(fā)生誤操作的可能性，避免了運行人員在處理事故的緊急關(guān)頭，發(fā)生誤操作，保證了水電站設(shè)備運行的可靠性，從而也保證了電網(wǎng)運行的可靠性。在設(shè)備可靠運行的情況下，計算機監(jiān)控系統(tǒng)能自動控制發(fā)電機組頻率和電壓，并根據(jù)電力系統(tǒng)調(diào)度要求，自動調(diào)節(jié)發(fā)、供、用電的平衡，保障了水電站發(fā)出的電能質(zhì)量和電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。1.2.4競價上網(wǎng)，爭取水電站上網(wǎng)機會水電站采用計算機控制系統(tǒng)可加快水電站、機組的控制調(diào)節(jié)過程。計算機監(jiān)控系統(tǒng)可按預(yù)定的邏輯控制順序或調(diào)節(jié)規(guī)律，依次自動完成水電站設(shè)備的控制調(diào)節(jié)，免去了人工操作在各個操作過程中的時間間隔，還免去了人工操作過程中的檢查復(fù)核時間，由自動控制系統(tǒng)快速完成各個環(huán)節(jié)的檢查

32、復(fù)核，大大加快了控制調(diào)節(jié)過程。比如機組開機過程，采用人工操作，光是機組并網(wǎng)這一環(huán)節(jié)，有的機組經(jīng)十多分鐘都并不了網(wǎng)，運行操作人員精神高度集中緊張，弄不好還可能發(fā)生非同期合閘，給電網(wǎng)和機組帶來沖擊。采用計算機控制系統(tǒng)、自動控制裝置并網(wǎng)，機組的頻率、電壓自動迅速跟蹤電網(wǎng)的頻率、電壓，當(dāng)頻率、電壓、相位差滿足并網(wǎng)合閘要求后，機組自動并網(wǎng)，并網(wǎng)時間很短，一般只需一、二分鐘即可解決問題，時間短的只需半分鐘就可并上網(wǎng)。根據(jù)國家電力體制改革的要求，實現(xiàn)“廠網(wǎng)分開，競價上網(wǎng)”后，水電站如果沒有自動化系統(tǒng)，而是依靠傳統(tǒng)的人工操作控制，將難以滿足市場競爭的需要。不了解實時行情，參與競價將非常困難，即使?fàn)幦〉搅税l(fā)電上

33、網(wǎng)的機會，又因設(shè)備陳舊落后而不能可靠運行，既影響電網(wǎng)供電，又使自身效益受損，最終也失去了來之不易的發(fā)電機遇。1.2.5簡化設(shè)計，改變水電站設(shè)計模式采用常規(guī)控制，電氣設(shè)計非常繁瑣，訂貨時要向廠家提供原理圖、布置圖，還要進(jìn)行各種繼電器的選型。而自動控制設(shè)備集成后，設(shè)計單位只要提供一次主接線和保護(hù)配置及自動化要求即可，故能以選型的方法代替電氣設(shè)計，簡化設(shè)計、安裝和調(diào)試工作。1.3小型水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的特點小水電站實現(xiàn)自動化，是改善電站運行條件，提高電站綜合經(jīng)濟(jì)效益的重要措施。與大型水電站相比，小型水電站的自動化設(shè)計有以下特點：(1) 建設(shè)資金不富裕這類電站多為地方投資或者集資興建，資金來源有限。

34、因此.往往在興建過程中力求設(shè)備簡單，價格低廉，以節(jié)省投資。(2) 運行方式變化大小型水電站一般水庫容量很小，運行方式受降雨量的影響較大，而用電規(guī)律受生產(chǎn)季節(jié)與生活用電的影響極大，因而運行方式變化大，機組啟停頻繁。(3) 電壓變化極大農(nóng)村電站往往為獨立供電，農(nóng)村用戶分散，輸送距離遠(yuǎn)，負(fù)荷變化幅度極大，因而電壓變化幅度大。為了照顧首末端用戶的使用電壓，所以電壓的設(shè)定和調(diào)節(jié)變化頻繁。(4) 無特殊用戶農(nóng)村電站供電對象一般為鄉(xiāng)鎮(zhèn)加工企業(yè)和生活照明用電。沒有要求不停電、高電能質(zhì)量的特殊企業(yè)及單位。(5) 技術(shù)力量薄弱農(nóng)村電站的運行維護(hù)人員一般均為非專業(yè)學(xué)校的技術(shù)人員，不可能去面對復(fù)雜、繁多的自動化裝置和

35、應(yīng)付復(fù)雜的運行方式。(6) 技術(shù)更新費用少農(nóng)村小水電站的年維護(hù)更新費用是很少的，不可能象大中型電站那樣有計劃的去進(jìn)行設(shè)備的更新和完善。根據(jù)上述小水電站自動化設(shè)計的特點可知，在中國這樣一個人口眾多、勞動力豐富、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱的發(fā)展中國家，小水電站搞自動化比發(fā)達(dá)國家難得多，它要更多地考慮價格因素、適應(yīng)運行人員的知識水平、經(jīng)濟(jì)效益等。所以，小水電站計算機監(jiān)控有其自身的特點，這里將其概括為經(jīng)濟(jì)實用、簡單可靠。1.3.1經(jīng)濟(jì)實用小水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)不能搞花架子，要強調(diào)以經(jīng)濟(jì)實用為原則。過去，有的小水電站為了應(yīng)付領(lǐng)導(dǎo)參觀，測量參數(shù)不管有用沒用，總是加大采集量，似乎顯示畫面越花哨，系統(tǒng)就越先進(jìn)。有的電站盲目

36、學(xué)大電站，系統(tǒng)配置很高，比如一個裝機容量1000kW的電站除了上位機，還設(shè)置了前置機、工程師工作站等，結(jié)果自動化投資很高，收到的效益甚微。因為小水電站不比大中型水電站，它在系統(tǒng)中地位不十分重要，系統(tǒng)對它的可靠性和穩(wěn)定性要求也相對較低，因此自動化功能和配置可以簡化，只要滿足運行要求即可。事實上，對一些裝機容量只有幾百千瓦的農(nóng)村小水電站，在歐美國家也有采用“開機手動，停機自動”的自動化模式的，平時無人值守，值班人員住在山下城鎮(zhèn)，開機時騎摩托車來，開完機就走。遇事故自動停機，向值班人員住處或傳呼機發(fā)信號，值班人員再過來處理。根據(jù)小水電站不同裝機容量或等級，采用不同的自動化模式，一切從實用化出發(fā)，這也

37、是近幾年小水電站自動化得到發(fā)展的原因之一。1.3.2簡單可靠由于小水電站位于偏僻的農(nóng)村，電站運行人員大多數(shù)是當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)民，只是水平比較低。如果自動化系統(tǒng)操作維護(hù)復(fù)雜，就很難為他們所接受。20世紀(jì)80年代初，小水電站自動化剛剛起步，電站雖然安裝了計算機控制系統(tǒng)，但原先人員仍在原控制臺監(jiān)控，微機閑置，僅在為參觀人員表演時投入運行。詢問原因，是電站熟悉微機的運行人員不多，擔(dān)心誤操作出事故，而且出了問題資金沒法解決，要千里之外請專家來排除?？梢?，小水電站自動化如果操作維護(hù)復(fù)雜，運行人員不敢用，它最后成為一種供人參觀的擺設(shè)。對于小水電站，運行人員希望使用的是一種“傻瓜”型高可靠型自動控制保護(hù)系統(tǒng)，就像一部

38、傻瓜型照相機，只需簡單培訓(xùn)就能完全掌握。小水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備簡單，反而提高了系統(tǒng)的可靠性。1.4水電站綜合自動化在我國，水電站綜合自動化問題的提出始于20世紀(jì)70年代，1979年由原電力部科技委在福建古田主持召開的“全國水電站自動化技術(shù)經(jīng)驗交流會”提出了19791985年的七年奮斗目標(biāo)，即水電站自動化科學(xué)技術(shù)發(fā)展七年規(guī)劃，要求加強梯級電站和大型電站綜合自動化試點工作，但由于當(dāng)時技術(shù)條件的限制，研究的注意力逐漸集中于計算機監(jiān)視和控制技術(shù)的研究。經(jīng)過多年的發(fā)展，水電站計算機監(jiān)控技術(shù)已基本成熟，在國內(nèi)的大中小型水電站得到推廣應(yīng)用，取得了非常好的經(jīng)濟(jì)效果。同時由于計算機技術(shù)及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信

39、技術(shù)的迅速發(fā)展，水電站內(nèi)出現(xiàn)了多系統(tǒng)互聯(lián)的趨勢，如隔河巖水電站原引進(jìn)加拿大CAE公司的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，但在幾年運行中發(fā)現(xiàn)還不能滿足電站的運行要求，后又增加了許多防洪、調(diào)度、管理、通信等子系統(tǒng)，使原引進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)外部連接混亂，管理維護(hù)困難。廣州蓄能電站也有類似情況，為了能進(jìn)行擴(kuò)充，從原打字機接口接入MIS系統(tǒng)等。這些都說明在水電站運行管理也在不斷向減人增效、“無人值班”(少人值守)的方向發(fā)展，迫切需要進(jìn)一步研究水電站綜合自動化系統(tǒng)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步提高水電站的運行管理水平和綜合自動化水平。1.4.1水電站綜合自動化的內(nèi)涵從水電站的總體層次上來分析，其綜合自動化體現(xiàn)在如下多個方面：(1) 水電

40、站實際是水、機、電的一個綜合整體，相互之間既有分工又密切聯(lián)系，因此考慮綜合自動化是適宜的。(2) 水電站綜合自動化涉及電力調(diào)度、水利調(diào)度、航運調(diào)度、水情測報以及灌溉及防洪等，因此有關(guān)的研究應(yīng)涉及上述各行業(yè)的協(xié)調(diào)問題。水電站狀態(tài)監(jiān)測及預(yù)測檢修是當(dāng)前很受關(guān)注的問題，它除了涉及監(jiān)控系統(tǒng)常規(guī)的內(nèi)容外，還包括與振動擺度、汽蝕磨損、絕緣間隙等測量裝置的接口與配合問題等，需要全面考慮。水電站綜合自動化也涉及如何在原有計算機監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)功能的擴(kuò)展及提高的問題，如新型計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)增建及延伸、人工智能、多媒體技術(shù)等。(3) 水電站綜合自動化任務(wù)的提出，更使水電站的自動化成為一個系統(tǒng)工程，其各部門和領(lǐng)

41、域之間的有機協(xié)調(diào)配合將會使整個系統(tǒng)配置更為合理、利用效率更高，例如一些綜合性的問題，以往單項控制時他們之間所隱含的關(guān)系常被忽略掉，而在綜合自動化系統(tǒng)中則比較容易實現(xiàn)，以此來提高系統(tǒng)性能，加速系統(tǒng)的速動性及實時性并改善系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)性。1.4.2水電站實施綜合自動化改造的基本原則水電站進(jìn)行技術(shù)改造，逐步提高自動化水平和運行管理水平已是必然趨勢。水電站由于受各方面條件的限制，必然采用分步實施方式進(jìn)行技改。因此，如何進(jìn)行總體設(shè)計以利于分步實施，最大限度地避免重復(fù)投資，是技術(shù)改造合理、成功的關(guān)鍵。水電站的生產(chǎn)、管理是一個完整的整體，應(yīng)該從系統(tǒng)的角度來考慮水電站的綜合自動化問題。計算機集成制造(Compu

42、terIntegratedManufacturing，簡稱CIM)正是這樣一種系統(tǒng)思想。它是一種組織、管理與運行企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)的新哲理。它借助計算機硬、軟件，綜合運行現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)，將企業(yè)生產(chǎn)全部過程中有關(guān)人、技術(shù)、經(jīng)營管理三要素集成起來，并將其信息流與物流有機地集成，并優(yōu)化運行。這一系統(tǒng)通常稱為計算機集成過程控制系統(tǒng)(ComputerIntegratedProcessingSystems簡稱CIPS)。CIM哲理近年來在全球范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。針對不同類型的企業(yè)，有不同的應(yīng)用模式。同時，由于其系統(tǒng)集成的復(fù)雜性，尤其是在我國產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平相對較低的情

43、況下，實施CIMS要從企業(yè)的實際情況出發(fā)，根據(jù)企業(yè)現(xiàn)在的基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)狀，使用最有效的對組織最有利的方式將各種新技術(shù)集成到企業(yè)的計算環(huán)境中。從現(xiàn)有的組織管理體制看，以縣電力公司為一個CIPS主體可能更恰當(dāng)一些。因此將水電站的綜合自動化系統(tǒng)看成是縣級CIPS的一個子項目，從這一角度出發(fā)，提出以下幾個原則：系統(tǒng)的實用性。系統(tǒng)的目標(biāo)必須與企業(yè)要解決的關(guān)鍵問題相結(jié)合，要和企業(yè)的核心問題掛鉤。電站要解決的核心問題是基層生產(chǎn)單位的自動化控制以及信息交流。因此采用CIM思想進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計時，目標(biāo)系統(tǒng)只包括生產(chǎn)自動化系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)兩部分，采用目前成熟和已獲得成功應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)來實現(xiàn)。(1) 系統(tǒng)的廣泛性。初始的應(yīng)用設(shè)計應(yīng)該滿足企業(yè)現(xiàn)實的、各生產(chǎn)和管理環(huán)節(jié)的需求，同時還應(yīng)考慮企業(yè)未來發(fā)展的潛在需求，即系統(tǒng)要具備良好的開放性和可擴(kuò)展性，便于系統(tǒng)今后的升級、擴(kuò)充和先進(jìn)技術(shù)的采用。(2) 系統(tǒng)的簡單性。在建設(shè)初期，企業(yè)整個技術(shù)水平和管理水平都可能還不適應(yīng)，相應(yīng)的企業(yè)其他信息資源、管理環(huán)境都不完善的情況下，要從作一些簡單的應(yīng)用開始、復(fù)雜的應(yīng)用可能不易實現(xiàn)。(3) 系統(tǒng)建設(shè)的階段性。設(shè)立恰當(dāng)?shù)碾A段性目標(biāo)，明確需要解決的主要問題，制定切實可行的計劃。用系統(tǒng)工程的方法建立一個系統(tǒng)的框架，實現(xiàn)一些基本的