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摘要：对某水电站综合自动化监控系统的几个主要问题，包括系统硬件结构与配置，机组LCU配置主要功能、现地控制单元、开关站及公用控制单元等进行介绍。可供中小型水电站综合自動化系统设计参考。
关键词：水电站 自动化 系统设计
中图分类号：TV742 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）23-545-02
一、工程概述
某水电站装机3x1000KW，两台S11-2500主变（38.5/6.3KV），一台S11-800近区变（10.5/6.3KV），两台厂变， 35KV出线一回至某变电站。
水电站自动控制改造采用计算机综合自动化系统，按无人值班少人值守方式改造。整个系统采用全开放的分层分布式系统结构，具备通讯调度的功能，同时预留远方调度、大坝测控系统、等通信接口。可实现遥测、遥信、遥控、遥调功能。
二、系统结构及配置
1、系统结构方案
按照水电站计算机监控系统的改造原则和功能设置，为保证计算机监控系统具有安全可靠，经济实用、技术先进功能齐全和便于扩充等技术性能，实现电站无人值班（少人值守）运行的目标，水电站计算机监控系统采用分布式系统总线式网络结构，各单元采用标准模块，既便于功能和硬件的更新和扩展，又方便日常运行的维护。
2、厂站层结构及配置
水电站计算机监控系统控制中心设备包括二台主机兼操作员工作站，二机互为冗余热备用，作为电站的控制中枢；一台通讯工作站；一台A4黑白激光打印机；一套网络设备；一套语音报警设备。
（1）主机兼操作员工作站
电站控制级配置二台主机兼操作员工作站。二台主机兼操作员工作站负责全厂的安全监视、控制操作、自动发电控制、自动电压调整、对各LCU及外部系统实时数据的采集和历史数据的处理（包括运行报表、设备档案、运行参数等）、人机对话（包括对运行设备的监视、事故和故障报警，对运行设备的人工干预及各种参数的修改和设置等）、时钟同步和通信管理功能。
（2） 通讯工作站
用于调度通讯和水情预报，具体配置同操作员工作站。
（3）网络设备，包括
TP-LINK公司8口1000/100M网络交换机个、网络双绞线及配件、光纤电缆等，所有计算机设备都按IEEE 802.3 标准连接到快速Ethernet局域网络上，网络上每个节点的数据传输速率为100Mbps，网络协议为TCP/IP。
（4）打印机
计算机监控系统提供1台A4黑白激光打印机，打印机用于报表、操作及报警历史记录以及一些文件和图纸等资料的打印
（5）语音报警、电话报警及查询系统
语音报警装置，在电站设备发生事故或故障可实现各种事故及故障的语音报警，重要事件和操作命令的语音报警，同时可启动电话或传呼系统报警。同时还具有电话查询功能，被呼叫的运行人员可通过电话查询当前电站设备的运行情况。
3、本地控制单元结构及配置
根据系统的改造原则，按照功能分布的特性和要求，现地控制单元按电站设备分布设置，共设有4套现地控制单元（LCU），其中：3套机组LCU（LCU1-LCU3），每套配置机柜一个、1套开关站及公用设备LCU（LCU4），配置机柜一个。现地控制单元完成监控系统与电站设备或装置的接口，数据采集与处理、控制与操作，实现人机接口、单元分布数据库，与现地智能装置和电站控制级节点计算机通信处理等功能，完成监控系统对电站设备的监控。
现地控制单元可以作为所属设备的独立监控装置运行，当现地控制单元与电站控制级失去联系时，由它独立完成对所属设备的监控，包括在现地由操作人员实行的监控以及由现地控制单元对设备的自动监控。人机接口设备选用深圳威纶通工业标准的7寸彩色液晶触模屏。PLC采用日本三菱公司FX2N系列PLC。
（1） 现地控制单元
现地控制单元控制级按控制对象性质分为机组LCU、开关站及公用LCU，实现对各生产对象的的监控。
每台机组配置一套LCU，全站共三套，每套配置机柜一个，分别布置于发电机层机组的机旁。
每套机组LCU配置一台通信管理机负责与本单元交流采样装置、同期装置、微机调速装置、微机励磁装置、微机保护装置及其它自动安全装置通讯，通讯采用光纤及Profibus通讯协议。
机组控制以可编程控制器（PLC）为核心，采用液晶触摸屏作为人机界面，监控界面采用菜单形式，并具有强度大的实时图形界面显示，可方便进行机组控制和参数设置，机组LCU主要完成机组及附属设备有关电流、电压、频率、有功无功、压力、流量、温度等实时运行数据的采集及预处理功能，同时也具有对机组的开停机、并网操作及监视功能。当它与监控主机通讯断开以后仍然能独立的实现对机组实行正常的开、停机操作；机组有功、无功负荷的调整。机组运行状况及参数的监视，而当其与监控主机恢复通讯后又能自动接受上位机系统的控制和管理。
①机组现地控制单元PLC采用日本三菱公司FX2N系列PLC。包括有采集与处理、顺控、调节、过程输入/输出、数据处理和通信功能等。现地控制单元设置一台通讯服务器，与电站控制级通过以太网连接。
②机组为保证机组电气量采集与处理的实时性、可靠性，机组电气量采用交流采样方式，现地控制单元配置一台交流采样微机电量监测仪测量机组的电气量参数，该交流采样微机电量监测仪配备有RS-485接口与机组通讯管理机交换信息，这样可提高机组控制的实时性。
③机组现地控制单元配置一台转速信号装置，用于测控发电机组的转速、转速百分比、频率。
④机组现地控制单元配置一台8路温度巡检装置。
⑤机组现地控制单元具有自检功能，对硬件和软件进行经常监视。 ⑥机组现地控制单元设有输出闭锁的功能。在维修、调试时，可将输出全部闭锁而不作用于外部设备。当处于输出闭锁状态时，有相应信息上送电站控制中心，以反映现地控制單元的工作状态。
⑦机组电气保护的输出信号和机组其它事件顺序记录SOE点中断量采集与处理， SOE中断处理分辨率不大于2ms。
⑧机组现地控制单元的PLC输出经中间继电器接至现场设备的执行元件。为提高可编程序控制器的输出控制能力，现地控制单元LCU的PLC输出经驱动能力大、具有多对转换接点的中间继电器接至现场设备的执行元件，中间继电器的接点容量满足现场设备执行元件的容量要求。
⑨现地控制单元上设有远方/现地切换开关、自动控制/手动控制切换开关和现地控制操作按钮和开关、测量表计等。所有转换开关的位置可显示。
⑩现地控制单元的电源采用交直流双供电电源供交流设备使用。开关量输入和开关量输出所用24V电源分别采用S-100-24开关电源实现。该装置电源端为220VAC输入，24VDC/10A输出。
（2）开关站及公用控制单元（LCU4，共计1套）
开关站及公用LCU监控范围包括35KV出线、主变压器、近区变压器、6.3KV母线、直流系统，厂用电系统，厂内通信系统，公用辅机系统、消防系统等。开关站及公用地控制单元LCU4设置于中控室。
开关站及公用LCU向上通过快速以太网与厂站级上位机通讯 ，开关站LCU主要完成本单元的数据采集及预处理功能，同时也具有控制、操作及监视功能。其改造必须能保证当它与系统脱离后仍然能实现对对象进行必要的监视和控制功能，这些功能包括对象的开、停操作、运行状况及参数的监视，而当其与系统恢复联系后又能自动地服从上位机系统的控制和管理。
①开关站现地控制单元PLC采用日本三菱公司FX2N系列PLC，包括有采集与处理、顺控、调节、过程输入/输出、数据处理和通信功能等。现地控制单元PLC采用以太网与电站控制级以太交换机接口，完成与电站控制级计算机联网。
②同机组现地控制单元一样具有自检功能，对硬件和软件进行经常监视。控制单元设有输出闭锁的功能。在维修、调试时，可将输出全部闭锁，而不作用于外部设备。当处于输出闭锁状态时，有相应信息上送电站控制中心，以反映现地控制单元的工作状态。
③为保证电气量采集与处理的实时性、可靠性，电气量采用交流采样方式，现地控制单元配置4台交流采样微机电量监测仪测量35KV线路、主变和近区变的电气量参数。该交流采样微机电量监测仪配备有RS-485接口。
④开关站现地控制单元共用一套多点微机自动准同期装置，完成35kv线路开关及主变开关的同期操作。同时配置手动准同期一套作为备用。
⑤现地控制单元配置通讯转发装置，实现与35KV线路保护、主变保护、近区变保护、交流采样微机电量监测仪等智能设备的通信，同时通过以太网接口完成与电站控制级计算机通讯。
三、工程技术特点
（1）水电站采用全计算机监控系统，电站按无人值班（少人值守）运行方式改造。整个系统采用局部网的全分布式开方系统结构，主机操作员工作站实用开放的操作系统，主计算机工作站及LCU直接接入网络，可获得高速通讯和资源共享能力。
（2）系统冗余化的设计和开放式的系统结构，使系统可靠实用其本身的局部故障不应影响现场设备的正常运行。
（3）在保证整个系统可靠性、设备运行的安全稳定性、实时性、实用性和经济实用的前提下，在系统硬件及软件上充分考虑系统的开放性。
（4）为了满足系统实时性要求和保证系统具有良好的开放性和向后兼容性，系统硬件与软件平台采用现在具有成熟运行经验且严格遵守当今工业标准的具有较好资历的厂商的产品。
（5）软件采用模块化、结构化改造，保证系统的可扩性，满足功能增加及规模扩充的需要。系统具有冗余容错改造，不会因局部的故障而引起系统误操作或降低系统性能。各LCU能脱离电站控制级独立运行。
（6）电站监控系统将与机组联系紧密的辅机系统按功能直接接入监控系统，或具有与由独立控制器组成的辅机控制系统联网能力。
（7）电站监控系统将与励磁系统、调速器、保护装置、辅助设备等设备的通信，监控系统应充分考虑与这些设备的通信，并应主动配合。
（8）系统网络结构改造和设备选型满足电站现场特点和要求如抗干扰、防雷击、机旁高温环境，并保证监控设备所需电源的高可靠性和电压质量等。
（9）系统采用可靠性高、具有成熟应用和运行经验、抗病毒能力强的开放式UNIX技术工作站，运用动态多窗口图形显示技术，保证人机界面的友好；采用全分布开放式系统包括分布式功能与开放分布式数据库。
（10）各现地控制单元与现场设备的接口均采用抗干扰能力强、电站用经验成熟、实时性好、性能高、便于系统与功能扩充的高性能可编程序控制器（PLC）。
（11）在水电站和上级调度中心计算机系统之间进行通信，实现四遥功能。
（12）采用统一规约，实现电站监控系统与电子式电能表的通信，实现全站电能表的精确采集、统计及管理。
结束语
电站计算机监控系统的改造满足使运行值班人员可以通过监控系统对全厂各主要设备、公用设备、线路的运行状态和参数，厂用电运行方式，闸门的位置以及监控系统设备和通道状态进行实施监视，通过与大坝水情、水位的实时监控对数据的实时处理通过自动发电（AGC）软件实现了电站经济、安全、可靠运行的要求。
关键词：水电站 自动化 系统设计
中图分类号：TV742 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）23-545-02
一、工程概述
某水电站装机3x1000KW，两台S11-2500主变（38.5/6.3KV），一台S11-800近区变（10.5/6.3KV），两台厂变， 35KV出线一回至某变电站。
水电站自动控制改造采用计算机综合自动化系统，按无人值班少人值守方式改造。整个系统采用全开放的分层分布式系统结构，具备通讯调度的功能，同时预留远方调度、大坝测控系统、等通信接口。可实现遥测、遥信、遥控、遥调功能。
二、系统结构及配置
1、系统结构方案
按照水电站计算机监控系统的改造原则和功能设置，为保证计算机监控系统具有安全可靠，经济实用、技术先进功能齐全和便于扩充等技术性能，实现电站无人值班（少人值守）运行的目标，水电站计算机监控系统采用分布式系统总线式网络结构，各单元采用标准模块，既便于功能和硬件的更新和扩展，又方便日常运行的维护。
2、厂站层结构及配置
水电站计算机监控系统控制中心设备包括二台主机兼操作员工作站，二机互为冗余热备用，作为电站的控制中枢；一台通讯工作站；一台A4黑白激光打印机；一套网络设备；一套语音报警设备。
（1）主机兼操作员工作站
电站控制级配置二台主机兼操作员工作站。二台主机兼操作员工作站负责全厂的安全监视、控制操作、自动发电控制、自动电压调整、对各LCU及外部系统实时数据的采集和历史数据的处理（包括运行报表、设备档案、运行参数等）、人机对话（包括对运行设备的监视、事故和故障报警，对运行设备的人工干预及各种参数的修改和设置等）、时钟同步和通信管理功能。
（2） 通讯工作站
用于调度通讯和水情预报，具体配置同操作员工作站。
（3）网络设备，包括
TP-LINK公司8口1000/100M网络交换机个、网络双绞线及配件、光纤电缆等，所有计算机设备都按IEEE 802.3 标准连接到快速Ethernet局域网络上，网络上每个节点的数据传输速率为100Mbps，网络协议为TCP/IP。
（4）打印机
计算机监控系统提供1台A4黑白激光打印机，打印机用于报表、操作及报警历史记录以及一些文件和图纸等资料的打印
（5）语音报警、电话报警及查询系统
语音报警装置，在电站设备发生事故或故障可实现各种事故及故障的语音报警，重要事件和操作命令的语音报警，同时可启动电话或传呼系统报警。同时还具有电话查询功能，被呼叫的运行人员可通过电话查询当前电站设备的运行情况。
3、本地控制单元结构及配置
根据系统的改造原则，按照功能分布的特性和要求，现地控制单元按电站设备分布设置，共设有4套现地控制单元（LCU），其中：3套机组LCU（LCU1-LCU3），每套配置机柜一个、1套开关站及公用设备LCU（LCU4），配置机柜一个。现地控制单元完成监控系统与电站设备或装置的接口，数据采集与处理、控制与操作，实现人机接口、单元分布数据库，与现地智能装置和电站控制级节点计算机通信处理等功能，完成监控系统对电站设备的监控。
现地控制单元可以作为所属设备的独立监控装置运行，当现地控制单元与电站控制级失去联系时，由它独立完成对所属设备的监控，包括在现地由操作人员实行的监控以及由现地控制单元对设备的自动监控。人机接口设备选用深圳威纶通工业标准的7寸彩色液晶触模屏。PLC采用日本三菱公司FX2N系列PLC。
（1） 现地控制单元
现地控制单元控制级按控制对象性质分为机组LCU、开关站及公用LCU，实现对各生产对象的的监控。
每台机组配置一套LCU，全站共三套，每套配置机柜一个，分别布置于发电机层机组的机旁。
每套机组LCU配置一台通信管理机负责与本单元交流采样装置、同期装置、微机调速装置、微机励磁装置、微机保护装置及其它自动安全装置通讯，通讯采用光纤及Profibus通讯协议。
机组控制以可编程控制器（PLC）为核心，采用液晶触摸屏作为人机界面，监控界面采用菜单形式，并具有强度大的实时图形界面显示，可方便进行机组控制和参数设置，机组LCU主要完成机组及附属设备有关电流、电压、频率、有功无功、压力、流量、温度等实时运行数据的采集及预处理功能，同时也具有对机组的开停机、并网操作及监视功能。当它与监控主机通讯断开以后仍然能独立的实现对机组实行正常的开、停机操作；机组有功、无功负荷的调整。机组运行状况及参数的监视，而当其与监控主机恢复通讯后又能自动接受上位机系统的控制和管理。
①机组现地控制单元PLC采用日本三菱公司FX2N系列PLC。包括有采集与处理、顺控、调节、过程输入/输出、数据处理和通信功能等。现地控制单元设置一台通讯服务器，与电站控制级通过以太网连接。
②机组为保证机组电气量采集与处理的实时性、可靠性，机组电气量采用交流采样方式，现地控制单元配置一台交流采样微机电量监测仪测量机组的电气量参数，该交流采样微机电量监测仪配备有RS-485接口与机组通讯管理机交换信息，这样可提高机组控制的实时性。
③机组现地控制单元配置一台转速信号装置，用于测控发电机组的转速、转速百分比、频率。
④机组现地控制单元配置一台8路温度巡检装置。
⑤机组现地控制单元具有自检功能，对硬件和软件进行经常监视。 ⑥机组现地控制单元设有输出闭锁的功能。在维修、调试时，可将输出全部闭锁而不作用于外部设备。当处于输出闭锁状态时，有相应信息上送电站控制中心，以反映现地控制單元的工作状态。
⑦机组电气保护的输出信号和机组其它事件顺序记录SOE点中断量采集与处理， SOE中断处理分辨率不大于2ms。
⑧机组现地控制单元的PLC输出经中间继电器接至现场设备的执行元件。为提高可编程序控制器的输出控制能力，现地控制单元LCU的PLC输出经驱动能力大、具有多对转换接点的中间继电器接至现场设备的执行元件，中间继电器的接点容量满足现场设备执行元件的容量要求。
⑨现地控制单元上设有远方/现地切换开关、自动控制/手动控制切换开关和现地控制操作按钮和开关、测量表计等。所有转换开关的位置可显示。
⑩现地控制单元的电源采用交直流双供电电源供交流设备使用。开关量输入和开关量输出所用24V电源分别采用S-100-24开关电源实现。该装置电源端为220VAC输入，24VDC/10A输出。
（2）开关站及公用控制单元（LCU4，共计1套）
开关站及公用LCU监控范围包括35KV出线、主变压器、近区变压器、6.3KV母线、直流系统，厂用电系统，厂内通信系统，公用辅机系统、消防系统等。开关站及公用地控制单元LCU4设置于中控室。
开关站及公用LCU向上通过快速以太网与厂站级上位机通讯 ，开关站LCU主要完成本单元的数据采集及预处理功能，同时也具有控制、操作及监视功能。其改造必须能保证当它与系统脱离后仍然能实现对对象进行必要的监视和控制功能，这些功能包括对象的开、停操作、运行状况及参数的监视，而当其与系统恢复联系后又能自动地服从上位机系统的控制和管理。
①开关站现地控制单元PLC采用日本三菱公司FX2N系列PLC，包括有采集与处理、顺控、调节、过程输入/输出、数据处理和通信功能等。现地控制单元PLC采用以太网与电站控制级以太交换机接口，完成与电站控制级计算机联网。
②同机组现地控制单元一样具有自检功能，对硬件和软件进行经常监视。控制单元设有输出闭锁的功能。在维修、调试时，可将输出全部闭锁，而不作用于外部设备。当处于输出闭锁状态时，有相应信息上送电站控制中心，以反映现地控制单元的工作状态。
③为保证电气量采集与处理的实时性、可靠性，电气量采用交流采样方式，现地控制单元配置4台交流采样微机电量监测仪测量35KV线路、主变和近区变的电气量参数。该交流采样微机电量监测仪配备有RS-485接口。
④开关站现地控制单元共用一套多点微机自动准同期装置，完成35kv线路开关及主变开关的同期操作。同时配置手动准同期一套作为备用。
⑤现地控制单元配置通讯转发装置，实现与35KV线路保护、主变保护、近区变保护、交流采样微机电量监测仪等智能设备的通信，同时通过以太网接口完成与电站控制级计算机通讯。
三、工程技术特点
（1）水电站采用全计算机监控系统，电站按无人值班（少人值守）运行方式改造。整个系统采用局部网的全分布式开方系统结构，主机操作员工作站实用开放的操作系统，主计算机工作站及LCU直接接入网络，可获得高速通讯和资源共享能力。
（2）系统冗余化的设计和开放式的系统结构，使系统可靠实用其本身的局部故障不应影响现场设备的正常运行。
（3）在保证整个系统可靠性、设备运行的安全稳定性、实时性、实用性和经济实用的前提下，在系统硬件及软件上充分考虑系统的开放性。
（4）为了满足系统实时性要求和保证系统具有良好的开放性和向后兼容性，系统硬件与软件平台采用现在具有成熟运行经验且严格遵守当今工业标准的具有较好资历的厂商的产品。
（5）软件采用模块化、结构化改造，保证系统的可扩性，满足功能增加及规模扩充的需要。系统具有冗余容错改造，不会因局部的故障而引起系统误操作或降低系统性能。各LCU能脱离电站控制级独立运行。
（6）电站监控系统将与机组联系紧密的辅机系统按功能直接接入监控系统，或具有与由独立控制器组成的辅机控制系统联网能力。
（7）电站监控系统将与励磁系统、调速器、保护装置、辅助设备等设备的通信，监控系统应充分考虑与这些设备的通信，并应主动配合。
（8）系统网络结构改造和设备选型满足电站现场特点和要求如抗干扰、防雷击、机旁高温环境，并保证监控设备所需电源的高可靠性和电压质量等。
（9）系统采用可靠性高、具有成熟应用和运行经验、抗病毒能力强的开放式UNIX技术工作站，运用动态多窗口图形显示技术，保证人机界面的友好；采用全分布开放式系统包括分布式功能与开放分布式数据库。
（10）各现地控制单元与现场设备的接口均采用抗干扰能力强、电站用经验成熟、实时性好、性能高、便于系统与功能扩充的高性能可编程序控制器（PLC）。
（11）在水电站和上级调度中心计算机系统之间进行通信，实现四遥功能。
（12）采用统一规约，实现电站监控系统与电子式电能表的通信，实现全站电能表的精确采集、统计及管理。
结束语
电站计算机监控系统的改造满足使运行值班人员可以通过监控系统对全厂各主要设备、公用设备、线路的运行状态和参数，厂用电运行方式，闸门的位置以及监控系统设备和通道状态进行实施监视，通过与大坝水情、水位的实时监控对数据的实时处理通过自动发电（AGC）软件实现了电站经济、安全、可靠运行的要求。