论文部分内容阅读
【摘要】基于水电厂的计算机自动监控系统，就是将先进的通信技术、计算机控制技术、电子技术等应用于水电厂系统的全局控制，用以提高水电厂的自动化程度和经济效益，增加其运行的可靠性与稳定性。本文以计算机监控系统的应用现状为切入点，通过分析水电厂的实际性能要求，明确相应监控系统的主要功能。并结合水电厂的实际情况，考虑当前主流计算机监控系统的软硬件技术，分析监控系统各组成部分的配置及性能要求。
【关键词】水电厂；自动监控；系统结构；功能要求
20世纪70年代后期，计算机自动控制系统广泛应用于水电厂的整体监控。监控系统有助于水电厂完成较复杂的、且对值班人员很有帮助的操作，担当了代替人来处理信息的角色。由于各种水电厂的容量越来越大，越来越复杂，对设备可靠性也有更高的要求，所用的仪表种类和测量参数也明显增加，因而在中央控制室内值班人员可利用的信息也大量增加。面对这些有待快速采集的信息以及必须迅速及时处理这些信息的要求，值班人员应具备很强的理解分析能力，能及时进行判断、决策、执行，才能处理好。这对运行值班人员的工作能力、业务水平、甚至是长期处于紧张状态等都有很高要求。为值班人员提供一个支持系统来快速采集、处理和显示大量信息，已非常有必要。
1 计算机监控系统功能要求
综合考虑计算机监控系统实现水电厂的自动化管理的实际需求，相应的自动监控系统应满足如下的要求：1）系统的可靠性高，极少需要维护；2）系统对自己本身应有自诊断能力，能判断系统本身故障之所在，且故障排除方便迅速；3）系统应是分层分布式控制方式，局部故障不应影响系统 其它部分，甚至造成整个系统瘫痪，扩大事故范围。
根据上述几个要求，同时结合水电厂运行时整个体系需要完成的各项工作任务，确定水电厂的计算机监控系统应有如下几大主要功能：
1.1 数据采集及处理。
通过数据采集，使监控系统在线掌握机组及外围设备的运行情况，并利用预先编制好的程序指令或现实控制指令进行调节使机组运行在指定工况。数据采集分为模拟量，温度量，开关量，开出量，脉冲量和数字量等。
1.2 运行监视。
将实时采集到的数据进行分类处理，结合相应画面送到显示器上，运行值班人员可以从显示器上显示的各种机组运行示意图，一览表中得到详细的实时运行信息，事故报警可以通过显示器用简报信息或红色的事故光字来提醒值班人员，同时指出事故的性质，异常参数等信息。
1.3 集中控制与调节。
通过监视，控制画面可实现对全厂主要设备的集中控制和调节。包括机组的停机，空载，发电，调相的各种状态转换，机组有功，无功的调节，事故自动处理等。
1.4 自动记录和报表打印。
微机监控系统自动把运行设备的各种信息顺序登录到相应的数据库中，并能定时和召唤打印出所需的各种统计表格和运行日志，减少运行值班人员的工作量。
1.5 自动负荷分配调节（AGC）与自动无功调节（AVC）。
该项功能是为了满足电厂经济运行和保证发供电质量的要求。AGC和AVC有开环和闭环两种运行方式可选。有功，无功调节是在满足必要的安全稳定条件下进行的，设有限制和保护功能。
1.6 操作指导。
在复杂的人工操作时，计算机监控系统都要操作人员确认前面的操作已正常执行后，才把现行命令发布下去，严防误操作；事故发生时屏幕上自动显示简要的操作处理建议。
1.7 事故追忆。
当事故发生时，自动打印事故发生前后设定时段内的有关设备运行参数，为事故分析和制定对策提供资料。
1.8 在线技术管理。
自动记录峰荷，谷荷，腰荷电量，累计发电量，设备工况统计，机组启停，开关动作，事故跳闸次数累计，主要监控量的特征值记录存档等。
1.9 系统中应有的通讯功能。
留有与湖北省电力公司中央调度所的通讯接口。
1.10 系统自诊断功能。
系统应有模块级故障、打印机故障、监视模件和通道故障等的自诊断功能，其信息能自动显示和打印。
2 监控系统配置及其性能要求
结合水电厂的实际情况，考虑当前的计算机监控系统软件和硬件的发展水平，计算机监控系统分为上位机部分，网络部分和现地控制单元（LCU）部分。切合水电厂特点的计算机监控系统相关构成及性能要求，各部分的组成及功能要求具体如下：
2.1 上位机部分：由两台功能完全相同的SUNBLADE工作站或服务器，互为备份，它们具有相同的配置，可任意设置其中一台为主控站，另一台为备用站，根据需要配备工程师站。图形终端为显示各种实时系统状态数据与图表的液晶显示器，后台终端为人机接口设备，打印机为打印各种报表，操作票和事故记录等。
上位机的功能要求：
2.1.1 人机接口。
①运行人员通过人机接口设备能监视，控制和管理电厂运行设备，还应允许维护，配置设备，便于应用软件的开发利用，具体为：
②图形显示：有接线图，过程控制画面，趋势曲线等，具备汉字显示能力。
2.1.2 越限报警：有语音报警，显示牌报警和显示屏中断调出报警画面等，并将当前时间自动发布（显示或打印）。
①打印各种记录和报表：包括定时打印，自动打印和召唤打印，具有汉字打印能力，并可按要求打印各种操作表。
②运行人员通过键盘和鼠标进行各种操作：有运行知道，运行控制，显示画面选择，系统配置等。
2.1.3 数据收集和处理。
上位机通过网络收集从各现地控制单元上送的实时数据，完成数据库的刷新并对数据进行处理，如对模拟量数据的越复限检查，数据合理性检查和报警处理，并对开关量进行状态变化检查及正常/异常变化处理，对显示屏上的各类图形或者表格刷新。
2.1.4 控制功能。
①点设备控制，对所有现地控制单元接口的过程设备能在上位机操作台上实现手动操作，且具有设备的闭锁功能。
②顺序控制：机组停机，空载，发电，调相四种状态转换操作的顺控。
③设点控制：机组的转速，有功功率，无功功率，导叶开度等应能按设定值进行闭环控制，其调节品质在规定范围内。
④有功功率联合控制（AGC）调节和无功功率联合（AVC）调节，联合控制机组按系统指令设定值自动调整有功，或按给定的日负荷计划调整有功。调节时考虑耗水率小，躲过振动区等原则；无功按全厂无功负荷分配来调节机组无功，维护高压母线的电压。AGC和AVC调节是在满足必要的安全稳定条件下进行的，为此设定限制和保护功能。
2.1.5 通信功能。
上位机系统留有与中调所的通信通道，考虑到电厂实际情况，网络设备的状况能进行在线或离线诊断，当诊断出故障时自动发出信号，对冗余设备还完成自动切换，对故障的发生和设备的自动切换应有报警和记录。
2.2 现地控制单元LCU部分。
LCU装置主要由具有网络功能的可编程控制器PLC及相应模块组成，如I/O扩充模件，与生产过程连接的输入输出模件，智能面板和电源系统等组成。改系统配备四台现地LCU，其中两台机组各一台，开关站与公用设备各共用一台，它们上通过网络于上位机相联，下通过各种I/O模件与生产过程接口，相对独立地完成某个单元的监控任务，是分级控制系统中的重要组成部分。LCU作为微机监控系统的生产过程数据采集和控制命令的发布或传达设备，具备有如下功能：
2.2.1 LCU的功能。
①板级接口功能，LCU通过各种I./O模件采集生产过程的各种参数，并有相应的检测手段，如对模拟量输入超限检测是否为实测值，开关量的变动是否正常等，有板级故障检查，板故障禁扫和试恢复功能。
②人机接口功能，LCU具备便携式终端设备，LCU对上位机的所有报文可在便携式终端上显示，LCU 终端上能实现单项设备控制，闭环控制和顺序控制，通过LCU终端能进行软件的修改和编辑。
③对机组的顺序控制功能，停机，空载，发电，调相四种状态转换的顺控，保证机组安全。机组运行监视能从零转速开始监视有关过程设备状态变化，并对事故发出报警和自动紧急停机，机组静止监视能对机组蠕动报警。顺序控制过程中的被控设备能改用手动命令操作。
④数据存储功能：LCU有自己的实时数据库，当上位机或网络故障时，LCU采集的数据能存储并可提供便携终端调用，待上位机或网络正常后上送，保证运行记录完整。
2.2.2 LCU的控制方式。
在系统正常的情况下由上位机系统通过网络实现远方控制，当上位机系统或网络故障时由LCU现地终端控制，机组运行时由LCU运行程序控制。
2.3 网络选择。
作为分层分布微机控制系统的骨架，网络的选择是十分重要，它决定了整个系统各项功能和技术指标能否具体实现，决定了系统的实时性，安全性，可靠性和可维护性。
建立一个微机监控系统，其网络的构成要求如下：
2.3.1 网络的覆盖范围和工作环境：
微机监控系统的监控对象是机组，开关站和主要公用设备。网络的覆盖范围是厂房及周围，工作环境，网络设计应优选考虑无源总线网络。
2.3.2 网络的标准性和连接性。
上位机系统和现地控制单元通过网络相互通讯，还要接入MIS信息管理系统。因此要求网络的通信规约符合国际标准，网络上的设备入网或退出对整个网络应无扰动影响。
2.3.3 网络的处理能力。
网络的处理能力是指网络上数据的传送能力，现地控制单元LCU采集数据上送上位机，上位机的控制命令向下发布，网络不应出现“瓶颈”堵塞现象。四台LCU以每台100个模拟量，250个开关量估算，并考虑到异常报警控制命令，快速扫描，故障检测，数据交换等的信息量，要求网络的传送 能力应保证数据和命令的实时性。
2.3.4 网络的可靠性和安全性。
为避免网络工作不稳定造成系统“死机”，“脱网”，上位机系统和现地控制单元的网卡性能应符合网络的要求，其无故障工作时间应满足整个微机监控系统的要求，具有故障自诊断能力。
2.3.5 网络的使用性和可扩展性。
网络的使用性为网络操作系统应便于应用软件的开发安装，运行，修改和维护，并具有防病毒的能力，应有使用级别的限制防止越权操作。网络可挂入新的设备而对原系统不造成干扰。
3 总结
水电厂的计算机自动监控系统综合利用通讯技术、电子技术、计算机技术等先进技术对水电厂的电能生产过程进行全面监测与智能控制，计算机监控系统的实现与自动化技术与控制技术也有极其密切的关联。采用计算机自动监控系统不仅可以大幅度提高水电站的自动化水平，进而提升供电质量，而且更能提高水电厂的系统安全级别，最终提升水电厂的生产效率与经济效益。分析计算机监控系统的实际性能要求与主要功能，明确监控系统各组成部分的配置及性能要求，有助于监控系统的合理布置与有效实施。
参考文献
［1］ 基于校园网的高校水电监控系统的实现.支琴,雷中明等.福建电脑 ,2011/09
［2］ 基于可编程计算机控制器的水电站监控系统设计.刘俊,许鸿文等.华中电力,2005/04
［3］ 贵州思林水电站计算机监控系统设计.陈龙.可编程控制器与工厂自动化,2011/05
［4］ 紧水滩水电厂计算机监控系统的建设和运行.吴明扣,俞鸿飞等.水力发,1999/12
［5］ 计算机监控系统与外围设备接口规范化方法探讨.王为福.水电自动化与大坝监测,2004/01
［6］ 特大型水电机组计算机监控系统的研制.朱辰.水电自动化与大坝监测,2008/01
【关键词】水电厂；自动监控；系统结构；功能要求
20世纪70年代后期，计算机自动控制系统广泛应用于水电厂的整体监控。监控系统有助于水电厂完成较复杂的、且对值班人员很有帮助的操作，担当了代替人来处理信息的角色。由于各种水电厂的容量越来越大，越来越复杂，对设备可靠性也有更高的要求，所用的仪表种类和测量参数也明显增加，因而在中央控制室内值班人员可利用的信息也大量增加。面对这些有待快速采集的信息以及必须迅速及时处理这些信息的要求，值班人员应具备很强的理解分析能力，能及时进行判断、决策、执行，才能处理好。这对运行值班人员的工作能力、业务水平、甚至是长期处于紧张状态等都有很高要求。为值班人员提供一个支持系统来快速采集、处理和显示大量信息，已非常有必要。
1 计算机监控系统功能要求
综合考虑计算机监控系统实现水电厂的自动化管理的实际需求，相应的自动监控系统应满足如下的要求：1）系统的可靠性高，极少需要维护；2）系统对自己本身应有自诊断能力，能判断系统本身故障之所在，且故障排除方便迅速；3）系统应是分层分布式控制方式，局部故障不应影响系统 其它部分，甚至造成整个系统瘫痪，扩大事故范围。
根据上述几个要求，同时结合水电厂运行时整个体系需要完成的各项工作任务，确定水电厂的计算机监控系统应有如下几大主要功能：
1.1 数据采集及处理。
通过数据采集，使监控系统在线掌握机组及外围设备的运行情况，并利用预先编制好的程序指令或现实控制指令进行调节使机组运行在指定工况。数据采集分为模拟量，温度量，开关量，开出量，脉冲量和数字量等。
1.2 运行监视。
将实时采集到的数据进行分类处理，结合相应画面送到显示器上，运行值班人员可以从显示器上显示的各种机组运行示意图，一览表中得到详细的实时运行信息，事故报警可以通过显示器用简报信息或红色的事故光字来提醒值班人员，同时指出事故的性质，异常参数等信息。
1.3 集中控制与调节。
通过监视，控制画面可实现对全厂主要设备的集中控制和调节。包括机组的停机，空载，发电，调相的各种状态转换，机组有功，无功的调节，事故自动处理等。
1.4 自动记录和报表打印。
微机监控系统自动把运行设备的各种信息顺序登录到相应的数据库中，并能定时和召唤打印出所需的各种统计表格和运行日志，减少运行值班人员的工作量。
1.5 自动负荷分配调节（AGC）与自动无功调节（AVC）。
该项功能是为了满足电厂经济运行和保证发供电质量的要求。AGC和AVC有开环和闭环两种运行方式可选。有功，无功调节是在满足必要的安全稳定条件下进行的，设有限制和保护功能。
1.6 操作指导。
在复杂的人工操作时，计算机监控系统都要操作人员确认前面的操作已正常执行后，才把现行命令发布下去，严防误操作；事故发生时屏幕上自动显示简要的操作处理建议。
1.7 事故追忆。
当事故发生时，自动打印事故发生前后设定时段内的有关设备运行参数，为事故分析和制定对策提供资料。
1.8 在线技术管理。
自动记录峰荷，谷荷，腰荷电量，累计发电量，设备工况统计，机组启停，开关动作，事故跳闸次数累计，主要监控量的特征值记录存档等。
1.9 系统中应有的通讯功能。
留有与湖北省电力公司中央调度所的通讯接口。
1.10 系统自诊断功能。
系统应有模块级故障、打印机故障、监视模件和通道故障等的自诊断功能，其信息能自动显示和打印。
2 监控系统配置及其性能要求
结合水电厂的实际情况，考虑当前的计算机监控系统软件和硬件的发展水平，计算机监控系统分为上位机部分，网络部分和现地控制单元（LCU）部分。切合水电厂特点的计算机监控系统相关构成及性能要求，各部分的组成及功能要求具体如下：
2.1 上位机部分：由两台功能完全相同的SUNBLADE工作站或服务器，互为备份，它们具有相同的配置，可任意设置其中一台为主控站，另一台为备用站，根据需要配备工程师站。图形终端为显示各种实时系统状态数据与图表的液晶显示器，后台终端为人机接口设备，打印机为打印各种报表，操作票和事故记录等。
上位机的功能要求：
2.1.1 人机接口。
①运行人员通过人机接口设备能监视，控制和管理电厂运行设备，还应允许维护，配置设备，便于应用软件的开发利用，具体为：
②图形显示：有接线图，过程控制画面，趋势曲线等，具备汉字显示能力。
2.1.2 越限报警：有语音报警，显示牌报警和显示屏中断调出报警画面等，并将当前时间自动发布（显示或打印）。
①打印各种记录和报表：包括定时打印，自动打印和召唤打印，具有汉字打印能力，并可按要求打印各种操作表。
②运行人员通过键盘和鼠标进行各种操作：有运行知道，运行控制，显示画面选择，系统配置等。
2.1.3 数据收集和处理。
上位机通过网络收集从各现地控制单元上送的实时数据，完成数据库的刷新并对数据进行处理，如对模拟量数据的越复限检查，数据合理性检查和报警处理，并对开关量进行状态变化检查及正常/异常变化处理，对显示屏上的各类图形或者表格刷新。
2.1.4 控制功能。
①点设备控制，对所有现地控制单元接口的过程设备能在上位机操作台上实现手动操作，且具有设备的闭锁功能。
②顺序控制：机组停机，空载，发电，调相四种状态转换操作的顺控。
③设点控制：机组的转速，有功功率，无功功率，导叶开度等应能按设定值进行闭环控制，其调节品质在规定范围内。
④有功功率联合控制（AGC）调节和无功功率联合（AVC）调节，联合控制机组按系统指令设定值自动调整有功，或按给定的日负荷计划调整有功。调节时考虑耗水率小，躲过振动区等原则；无功按全厂无功负荷分配来调节机组无功，维护高压母线的电压。AGC和AVC调节是在满足必要的安全稳定条件下进行的，为此设定限制和保护功能。
2.1.5 通信功能。
上位机系统留有与中调所的通信通道，考虑到电厂实际情况，网络设备的状况能进行在线或离线诊断，当诊断出故障时自动发出信号，对冗余设备还完成自动切换，对故障的发生和设备的自动切换应有报警和记录。
2.2 现地控制单元LCU部分。
LCU装置主要由具有网络功能的可编程控制器PLC及相应模块组成，如I/O扩充模件，与生产过程连接的输入输出模件，智能面板和电源系统等组成。改系统配备四台现地LCU，其中两台机组各一台，开关站与公用设备各共用一台，它们上通过网络于上位机相联，下通过各种I/O模件与生产过程接口，相对独立地完成某个单元的监控任务，是分级控制系统中的重要组成部分。LCU作为微机监控系统的生产过程数据采集和控制命令的发布或传达设备，具备有如下功能：
2.2.1 LCU的功能。
①板级接口功能，LCU通过各种I./O模件采集生产过程的各种参数，并有相应的检测手段，如对模拟量输入超限检测是否为实测值，开关量的变动是否正常等，有板级故障检查，板故障禁扫和试恢复功能。
②人机接口功能，LCU具备便携式终端设备，LCU对上位机的所有报文可在便携式终端上显示，LCU 终端上能实现单项设备控制，闭环控制和顺序控制，通过LCU终端能进行软件的修改和编辑。
③对机组的顺序控制功能，停机，空载，发电，调相四种状态转换的顺控，保证机组安全。机组运行监视能从零转速开始监视有关过程设备状态变化，并对事故发出报警和自动紧急停机，机组静止监视能对机组蠕动报警。顺序控制过程中的被控设备能改用手动命令操作。
④数据存储功能：LCU有自己的实时数据库，当上位机或网络故障时，LCU采集的数据能存储并可提供便携终端调用，待上位机或网络正常后上送，保证运行记录完整。
2.2.2 LCU的控制方式。
在系统正常的情况下由上位机系统通过网络实现远方控制，当上位机系统或网络故障时由LCU现地终端控制，机组运行时由LCU运行程序控制。
2.3 网络选择。
作为分层分布微机控制系统的骨架，网络的选择是十分重要，它决定了整个系统各项功能和技术指标能否具体实现，决定了系统的实时性，安全性，可靠性和可维护性。
建立一个微机监控系统，其网络的构成要求如下：
2.3.1 网络的覆盖范围和工作环境：
微机监控系统的监控对象是机组，开关站和主要公用设备。网络的覆盖范围是厂房及周围，工作环境，网络设计应优选考虑无源总线网络。
2.3.2 网络的标准性和连接性。
上位机系统和现地控制单元通过网络相互通讯，还要接入MIS信息管理系统。因此要求网络的通信规约符合国际标准，网络上的设备入网或退出对整个网络应无扰动影响。
2.3.3 网络的处理能力。
网络的处理能力是指网络上数据的传送能力，现地控制单元LCU采集数据上送上位机，上位机的控制命令向下发布，网络不应出现“瓶颈”堵塞现象。四台LCU以每台100个模拟量，250个开关量估算，并考虑到异常报警控制命令，快速扫描，故障检测，数据交换等的信息量，要求网络的传送 能力应保证数据和命令的实时性。
2.3.4 网络的可靠性和安全性。
为避免网络工作不稳定造成系统“死机”，“脱网”，上位机系统和现地控制单元的网卡性能应符合网络的要求，其无故障工作时间应满足整个微机监控系统的要求，具有故障自诊断能力。
2.3.5 网络的使用性和可扩展性。
网络的使用性为网络操作系统应便于应用软件的开发安装，运行，修改和维护，并具有防病毒的能力，应有使用级别的限制防止越权操作。网络可挂入新的设备而对原系统不造成干扰。
3 总结
水电厂的计算机自动监控系统综合利用通讯技术、电子技术、计算机技术等先进技术对水电厂的电能生产过程进行全面监测与智能控制，计算机监控系统的实现与自动化技术与控制技术也有极其密切的关联。采用计算机自动监控系统不仅可以大幅度提高水电站的自动化水平，进而提升供电质量，而且更能提高水电厂的系统安全级别，最终提升水电厂的生产效率与经济效益。分析计算机监控系统的实际性能要求与主要功能，明确监控系统各组成部分的配置及性能要求，有助于监控系统的合理布置与有效实施。
参考文献
［1］ 基于校园网的高校水电监控系统的实现.支琴,雷中明等.福建电脑 ,2011/09
［2］ 基于可编程计算机控制器的水电站监控系统设计.刘俊,许鸿文等.华中电力,2005/04
［3］ 贵州思林水电站计算机监控系统设计.陈龙.可编程控制器与工厂自动化,2011/05
［4］ 紧水滩水电厂计算机监控系统的建设和运行.吴明扣,俞鸿飞等.水力发,1999/12
［5］ 计算机监控系统与外围设备接口规范化方法探讨.王为福.水电自动化与大坝监测,2004/01
［6］ 特大型水电机组计算机监控系统的研制.朱辰.水电自动化与大坝监测,2008/01