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关于中小型水电站计算机监控系统设计和特点及发展趋势的分析
李 震
新疆新华水电投资股份有限公司 新疆 乌鲁木齐830063
摘要：水电站计算机监控技术的发展方兴未艾，它必将随着硬件技术、计算机技术、通信技术、数据库技术、网络技术和自动化监控技术的不断发展而不断向前推进。本文从中小水电站自身的特点出发，介绍几种适用于中小型水电站计算机监控系统网络结构设计方案。对小水电站计算机监控系统包括监控模式、系统配置、监控系统结构、网络结构以及监控系统功能分配和实现，作了探讨并阐述了自己的看法和建议。
关键词：中小型水电站；计算机监控系统；网络结构设计；特点分析；发展趋势
中图分类号：TV742文献标识码： A
一、水电站理论概述介绍
水电站是将水能转换为电能的综合工程设施。一般包括由挡水、泄水建筑物形成的水库和水电站引水系统、发电厂房、机电设备等。水库的高水位水经引水系统流入厂房推动水轮发电机组发出电能，再经升压变压器、开关站和输电线路输入电网。它包括为利用水能生产电能而兴建的一系列水电站建筑物及装设的各种水电站设备。利用这些建筑物集中天然水流的落差形成水头，汇集、调节天然水流的流量，并将它输向水轮机，经水轮机与发电机的联合运转，将集中的水能转换为电能，再经变压器、开关站和输电线路等将电能输入电网。有些水电站除发电所需的建筑物外，还常有为防洪、灌溉、航运、过木、过鱼等综合利用目的服务的其他建筑物。这些建筑物的综合体称水电站枢纽或水利枢纽。
二、我国水电站计算机监控现状
我国水电站计算机监控系统的研制工作起步并不晚。早在70年代末，原水电部就组织了南京自动化研究所、长江流域规划办公室和华中工学院研究葛洲坝水电站采用计算机监控系统问题。随后，中国水利水电科学院研究院自动化研究所开始了富春江水电站计算机监控系统的研制工作。天津电气传动设计研究所也开始了永定河梯级水电站计算机监控系统的研制工作。这些监控系统于80年代中期先后投入运行。
十多余年来，国内的研制单位也取得了很大的成就。已投运的几十个计算机监控系统中绝大多数是由国内单位研制的。技术水平也有了很大的提高，达到了国外90年代的水平。许多新技术，如分层分布处理、分布式数据库、开放系统、网络、多媒体、专家系统等，都得到了相应的应用。电力自动化研究院和水科院自动化研究所还推出了自己的系列产品，不仅在国内水电站得到广泛的应用，甚至还出口到国外。
三、水电站计算机监控系统的种类及优缺点
1.集中式监控系统
早期，计算机比较贵，一般只能设一台计算机对全厂进行集中监控，称作是集中式监控系统。这种结构的特点是不分层，所有的信息都送到唯一的一台计算机中，所有的操作、控制命令都从这台电脑中发出。这种结构的缺点是只要计算机一出故障，整个控制系统就瘫痪，只能改为手动控制运行，性能大大降低，且由于所有信息都要送这台计算机，现场需要敷设很多电缆，机组越多，电缆也越多，这不但增加了投资，而且降低了系统的可靠性。
由于集中式监控系统可靠性较低，已经不太采用，只用在机组台数较少、控制功能简单的中小型水电厂。
2.功能分散式监控系统
随着计算机价格的下降和水电厂监控系统可靠性要求的提高，为了克服集中监控系统的部分缺點，出现了功能分散式监控系统。这种结构的特点是计算机实现的功能不再由一台计算机来完成，而由多台计算机分别完成。各台计算机只负责完成某一项或一项以上的任务。这是一种横向的分散，功能的分散，如果某一台计算机出故障，只影响某一功能，而其他功能仍然可以设施，可靠性在某种程度有所提高。功能分散式计算机监控系统仍没有解决集中式监控系统的所有问题。如某个功能装置计算机故障，则全厂的这部分功能均将丧失，影响较大；而且仍然没有解决要将所有信息集中到一处所带来的问题；系统可靠性仍然不高。因此，功能分散式监控系统目前已经很少采用。
3.分层分布式监控系统
分层分布式监控系统在地域上是分散的，即按控制对象进行分散。水电厂的控制对象是水轮发电机组、开关站、公用设备、溢洪闸门等。按控制对象设置单独的控制单元，称作现代控制单元。电厂控制级也设计算机，它负责一些全厂性功能。电厂控制级本身也可以是功能分散的系统，由多台计算机组成。此时某个机组控制单元发生故障，只影响这一台机组，而不影响整个电厂的运行。由于信息进行了分布处理。即各台机组的信息由各台机组控制单元进行处理，就不必敷设许多电缆将信息送到一处集中处理了，可以节省投资，且由于上述两个原因，整个系统的可靠性得到了显著的提高。由于分层分布式监控系统有以上的优点，它已经取代其他两种类型成为了水电厂监控系统的主要类型。分层分布式监控系统结构：经过多年的实践，对水电厂分层控制模型已经形成了比较一致的看法，其中有代表性是BBC公司提出的一种划分方法。它将水电站分成四层：与现场设备直接相联的驱动层，功能组控制层，机组控制层，电厂控制层。
四、水电站计算机监控系统设计原则
1.全厂综合自动化以计算机监控为主、常规控制为辅指导思想进行总体设计和系统配置，使计算机水电站应用达到一个新水平。
2.梯级电站，梯级电站计算机监控系统之间进行通讯，应从安全性和经济性角度实现部分梯级调度能力。
3.系统高度可靠、高度冗余，其本身局部故障不会影响现场设备正常运行。
4.系统配置和设备选型应符合计算机发展迅速特点，充分利用计算机领域先进技术。
5.全分布开放式系统，既便于功能和硬件扩充，又能充分保护用户投资。分布式数据库及软件模块化、结构化设计，使系统更能适应功能增加和规模扩充。
6.实时性好，抗干扰能力强。
7.友好人机接口功能，操作方便。
五、水电站计算机监控系统的结构模式
水电站计算机监控系统结构模式基本有三种：1)集中式计算机监控系统。水电站计算机监控系统利用一台主控计算机，实集中式监控，配备人机联系，对外通信联系，数据存储设备，根据需要为提高系统可靠性以设置备用主控机。2）功能分散式监控系统。水电站监控指标通过多台计算机完成，每一项任务或一项以上任务都由单独计算机来完成。其主要特征是是功能分散，能让控制系统实现功能、负载、危险、地域分散等功能。能按不同的系统功能设立多套相应的设备，这些设备能独立完成各自的功能。3) 分层分布式监控系统。水电站计算机监控系统分为中央控制层(一般有一台或两台主机，配备人机联系设备)和现地控制层，主要特征是控制对象分散，以控制对象为单元设置多套相应装置，形成控制单元，完成控制对象的数据采集和处理等。该监控方式与电厂分层控制结合应用，形成水电厂分层、分布式控制系统。其特点：用户的可移植性；应用软件的可移植性；不同系统之间的相互操作性。最大优势是系统扩展、升级更新方便，具有开放性，可保护用户的利益。这种模式已广泛应用于在国内外水电厂。
六、监控系统功能分配和实现
1.主控层为电站实时监控中心，负责全厂自动化功能、历史数据处理以及全厂的人机对话等。其功能分配及实现为：
①全厂生产过程的运行参数的采集、处理。
②全厂生产过程的安全监视和实时报警。
③主设备运行状态的监视和主设备生产过程的远方控制。
④运行日志、电能量、故障次数、操作次数的统计和报表。
李 震
新疆新华水电投资股份有限公司 新疆 乌鲁木齐830063
摘要：水电站计算机监控技术的发展方兴未艾，它必将随着硬件技术、计算机技术、通信技术、数据库技术、网络技术和自动化监控技术的不断发展而不断向前推进。本文从中小水电站自身的特点出发，介绍几种适用于中小型水电站计算机监控系统网络结构设计方案。对小水电站计算机监控系统包括监控模式、系统配置、监控系统结构、网络结构以及监控系统功能分配和实现，作了探讨并阐述了自己的看法和建议。
关键词：中小型水电站；计算机监控系统；网络结构设计；特点分析；发展趋势
中图分类号：TV742文献标识码： A
一、水电站理论概述介绍
水电站是将水能转换为电能的综合工程设施。一般包括由挡水、泄水建筑物形成的水库和水电站引水系统、发电厂房、机电设备等。水库的高水位水经引水系统流入厂房推动水轮发电机组发出电能，再经升压变压器、开关站和输电线路输入电网。它包括为利用水能生产电能而兴建的一系列水电站建筑物及装设的各种水电站设备。利用这些建筑物集中天然水流的落差形成水头，汇集、调节天然水流的流量，并将它输向水轮机，经水轮机与发电机的联合运转，将集中的水能转换为电能，再经变压器、开关站和输电线路等将电能输入电网。有些水电站除发电所需的建筑物外，还常有为防洪、灌溉、航运、过木、过鱼等综合利用目的服务的其他建筑物。这些建筑物的综合体称水电站枢纽或水利枢纽。
二、我国水电站计算机监控现状
我国水电站计算机监控系统的研制工作起步并不晚。早在70年代末，原水电部就组织了南京自动化研究所、长江流域规划办公室和华中工学院研究葛洲坝水电站采用计算机监控系统问题。随后，中国水利水电科学院研究院自动化研究所开始了富春江水电站计算机监控系统的研制工作。天津电气传动设计研究所也开始了永定河梯级水电站计算机监控系统的研制工作。这些监控系统于80年代中期先后投入运行。
十多余年来，国内的研制单位也取得了很大的成就。已投运的几十个计算机监控系统中绝大多数是由国内单位研制的。技术水平也有了很大的提高，达到了国外90年代的水平。许多新技术，如分层分布处理、分布式数据库、开放系统、网络、多媒体、专家系统等，都得到了相应的应用。电力自动化研究院和水科院自动化研究所还推出了自己的系列产品，不仅在国内水电站得到广泛的应用，甚至还出口到国外。
三、水电站计算机监控系统的种类及优缺点
1.集中式监控系统
早期，计算机比较贵，一般只能设一台计算机对全厂进行集中监控，称作是集中式监控系统。这种结构的特点是不分层，所有的信息都送到唯一的一台计算机中，所有的操作、控制命令都从这台电脑中发出。这种结构的缺点是只要计算机一出故障，整个控制系统就瘫痪，只能改为手动控制运行，性能大大降低，且由于所有信息都要送这台计算机，现场需要敷设很多电缆，机组越多，电缆也越多，这不但增加了投资，而且降低了系统的可靠性。
由于集中式监控系统可靠性较低，已经不太采用，只用在机组台数较少、控制功能简单的中小型水电厂。
2.功能分散式监控系统
随着计算机价格的下降和水电厂监控系统可靠性要求的提高，为了克服集中监控系统的部分缺點，出现了功能分散式监控系统。这种结构的特点是计算机实现的功能不再由一台计算机来完成，而由多台计算机分别完成。各台计算机只负责完成某一项或一项以上的任务。这是一种横向的分散，功能的分散，如果某一台计算机出故障，只影响某一功能，而其他功能仍然可以设施，可靠性在某种程度有所提高。功能分散式计算机监控系统仍没有解决集中式监控系统的所有问题。如某个功能装置计算机故障，则全厂的这部分功能均将丧失，影响较大；而且仍然没有解决要将所有信息集中到一处所带来的问题；系统可靠性仍然不高。因此，功能分散式监控系统目前已经很少采用。
3.分层分布式监控系统
分层分布式监控系统在地域上是分散的，即按控制对象进行分散。水电厂的控制对象是水轮发电机组、开关站、公用设备、溢洪闸门等。按控制对象设置单独的控制单元，称作现代控制单元。电厂控制级也设计算机，它负责一些全厂性功能。电厂控制级本身也可以是功能分散的系统，由多台计算机组成。此时某个机组控制单元发生故障，只影响这一台机组，而不影响整个电厂的运行。由于信息进行了分布处理。即各台机组的信息由各台机组控制单元进行处理，就不必敷设许多电缆将信息送到一处集中处理了，可以节省投资，且由于上述两个原因，整个系统的可靠性得到了显著的提高。由于分层分布式监控系统有以上的优点，它已经取代其他两种类型成为了水电厂监控系统的主要类型。分层分布式监控系统结构：经过多年的实践，对水电厂分层控制模型已经形成了比较一致的看法，其中有代表性是BBC公司提出的一种划分方法。它将水电站分成四层：与现场设备直接相联的驱动层，功能组控制层，机组控制层，电厂控制层。
四、水电站计算机监控系统设计原则
1.全厂综合自动化以计算机监控为主、常规控制为辅指导思想进行总体设计和系统配置，使计算机水电站应用达到一个新水平。
2.梯级电站，梯级电站计算机监控系统之间进行通讯，应从安全性和经济性角度实现部分梯级调度能力。
3.系统高度可靠、高度冗余，其本身局部故障不会影响现场设备正常运行。
4.系统配置和设备选型应符合计算机发展迅速特点，充分利用计算机领域先进技术。
5.全分布开放式系统，既便于功能和硬件扩充，又能充分保护用户投资。分布式数据库及软件模块化、结构化设计，使系统更能适应功能增加和规模扩充。
6.实时性好，抗干扰能力强。
7.友好人机接口功能，操作方便。
五、水电站计算机监控系统的结构模式
水电站计算机监控系统结构模式基本有三种：1)集中式计算机监控系统。水电站计算机监控系统利用一台主控计算机，实集中式监控，配备人机联系，对外通信联系，数据存储设备，根据需要为提高系统可靠性以设置备用主控机。2）功能分散式监控系统。水电站监控指标通过多台计算机完成，每一项任务或一项以上任务都由单独计算机来完成。其主要特征是是功能分散，能让控制系统实现功能、负载、危险、地域分散等功能。能按不同的系统功能设立多套相应的设备，这些设备能独立完成各自的功能。3) 分层分布式监控系统。水电站计算机监控系统分为中央控制层(一般有一台或两台主机，配备人机联系设备)和现地控制层，主要特征是控制对象分散，以控制对象为单元设置多套相应装置，形成控制单元，完成控制对象的数据采集和处理等。该监控方式与电厂分层控制结合应用，形成水电厂分层、分布式控制系统。其特点：用户的可移植性；应用软件的可移植性；不同系统之间的相互操作性。最大优势是系统扩展、升级更新方便，具有开放性，可保护用户的利益。这种模式已广泛应用于在国内外水电厂。
六、监控系统功能分配和实现
1.主控层为电站实时监控中心，负责全厂自动化功能、历史数据处理以及全厂的人机对话等。其功能分配及实现为：
①全厂生产过程的运行参数的采集、处理。
②全厂生产过程的安全监视和实时报警。
③主设备运行状态的监视和主设备生产过程的远方控制。
④运行日志、电能量、故障次数、操作次数的统计和报表。