桃林口水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建

文｜四川省成都市西華大學(xué) 董笑波

桃林口水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)按照 “無人值班（少人值守）”原則設(shè)計，采用天津水利電力機電研究所最高端的SDJV4.0版計算機監(jiān)控系統(tǒng)平臺。既可實現(xiàn)電站集中控制，又能實現(xiàn)上級調(diào)度中心遠(yuǎn)方遙控、遙調(diào)、遙信、遙測。桃林口水電站自動化控制系統(tǒng)采用全計算機控制的分層分布開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由主控層及電站現(xiàn)地控制層組成。系統(tǒng)整體安全可靠、實用經(jīng)濟、技術(shù)先進，易于維護，有較強的升級換代能力。

桃林口水電站自動化控制系統(tǒng)采用全計算機控制的分層分布開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由主控層及電站現(xiàn)地控制層組成。系統(tǒng)整體安全可靠、實用經(jīng)濟、技術(shù)先進，易于維護，有較強的升級換代能力。

電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用開放式分層分布系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。廠站級主控層及現(xiàn)地控制層之間采用快速交換式以太網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成高可靠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通訊介質(zhì)采用100Mbps工業(yè)以太網(wǎng)交換機和屏蔽雙絞線，系統(tǒng)具有較高的傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力。

電站主干網(wǎng)采用1套工業(yè)以太網(wǎng)交換機。該交換機分別通過各自的100Mbps端口連接主控層主機/操作員工作站、打印機等設(shè)備，對于現(xiàn)地控制層通信，該交換機分別通過100Mbps端口及屏蔽雙絞線連接現(xiàn)地控制層的PLC系統(tǒng)以太網(wǎng)通訊模塊。主控層與現(xiàn)地控制層之間呈星形分布，星形網(wǎng)具有點對點傳輸、網(wǎng)絡(luò)速度快、可靠性高、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)屏蔽線敷設(shè)施工簡單等優(yōu)點，機組之間相互干擾少?？焖俳粨Q式以太網(wǎng)絡(luò)具有很高的可靠性，可以滿足水電站控制對自動化系統(tǒng)實時性、可靠性及可維護性的要求。

廠站級主控層設(shè)備包括2套主機/操作員工作站,1套工程師工作站，1套通信工作站，1套網(wǎng)絡(luò)交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，1臺打印機。

現(xiàn)地控制層包括三套現(xiàn)地控制單元(LCU)，其中，2套機組LCU、1套開關(guān)站及公用LCU。

(1)主機/操作員工作站為二套。采用DELL商用計算機，CPU 為英特爾?酷睿雙核處理器；每套配置內(nèi)存為2GB、硬盤為500GB SATA硬盤。

每套工作站配置1套22寸彩色液晶顯示器，具有顯示、交互作圖、多窗口、圖形縮放等功能。帶鍵盤、鼠標(biāo)、多媒體語音報警系統(tǒng)。具有多媒體語音輔助事故報警功能，當(dāng)事故或故障發(fā)生時，立即實現(xiàn)語音報警。

2套操作員工作站為雙機冗余結(jié)構(gòu)，為主備用工作方式。2套工作站可同時工作, 同時接受各種實時數(shù)據(jù)，更新數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫內(nèi)容時刻保持一致。兩臺工作站以互為熱備用方式工作,互相監(jiān)視，一臺完成監(jiān)視控制任務(wù)，另一臺則進行正常監(jiān)視。當(dāng)監(jiān)控工作站故障時，監(jiān)視工作站自動升為監(jiān)控站。

電站廠站層的2套操作員工作站設(shè)在電站中控室內(nèi), 供運行值班人員使用。完成對全電站系統(tǒng)的運行監(jiān)視和閉環(huán)控制、隨時接受遠(yuǎn)方控制中心的調(diào)度命令，發(fā)布操作控制命令、設(shè)定與變更工作方式打印設(shè)備

1.22 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

電站主干網(wǎng)采用1套以太網(wǎng)交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，現(xiàn)地控制單元采用直接連接以太網(wǎng)的可編程控制器，主控級同現(xiàn)地控制單元構(gòu)成快速以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。主干網(wǎng)以太網(wǎng)交換機安裝在計算機室內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)柜內(nèi)。本方案配置交換機完全可以滿足電站控制系統(tǒng)主控層、現(xiàn)地層和未來應(yīng)用的需要。

1.23 現(xiàn)地層設(shè)備及其描述

全系統(tǒng)共設(shè)有3套現(xiàn)地控制單元(LCU)，包括2套機組LCU、1套開關(guān)站及公用LCU。

LCU完成對監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)預(yù)處理，負(fù)責(zé)向網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)信息，并自動服從中控室上位機的命令和管理。同時各LCU也具有控制、調(diào)節(jié)操作和監(jiān)視功能，現(xiàn)地控制層LCU包括以下設(shè)備：

(1) LCU現(xiàn)地人機接口單元

每臺LCU均配有一臺10.4寸工業(yè)液晶觸摸屏，作為現(xiàn)地人機聯(lián)系接口，可顯示開停機流程、數(shù)據(jù)庫一覽表等畫面。平時可關(guān)機運行。與工控機相比，由于液晶觸摸屏沒有硬盤等運動部件，系統(tǒng)軟件全部固化，抗干擾能力強，其可靠性遠(yuǎn)高于工控機?，F(xiàn)地PLC采用觸摸屏為人機聯(lián)系手段已成為水電站監(jiān)控的發(fā)展趨勢。

(2) 現(xiàn)地PLC硬件配置及描述

每個LCU配有數(shù)據(jù)采集控制單元PLC，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、電站主輔設(shè)備的控制及設(shè)備的調(diào)節(jié)與控制(包括順控)。進行全站閉環(huán)控制與調(diào)節(jié)，保證全站發(fā)電運行可靠?？刂破鞑粌H實時性指標(biāo)要高，還應(yīng)有相當(dāng)高的可靠性。

(3) 智能通信控制器及其描述

本項目中LCU所配的智能通信控制器為MOXA公司的UC-7410-LX智能通信控制器，該裝置為RISC-based智能通訊服務(wù)器，具有2個10/100M以太網(wǎng)口和8個RS485或RS232通信口，完成LCU與各現(xiàn)地設(shè)備，如交流采樣裝置、微機勵磁調(diào)節(jié)裝置、微機調(diào)速裝置、微機保護裝置等其它設(shè)備的通信。

(4) 同期裝置的選用

1.3 系統(tǒng)軟件配置

計算機監(jiān)控系統(tǒng)中各結(jié)點計算機均采用具有良好實時性、開放性、可擴充性和高可靠性等技術(shù)性能指標(biāo)的中文WINDOWS 2000和WINDOWS XP操作系統(tǒng)。

為實現(xiàn)本計算機自動監(jiān)控功能，本系統(tǒng)配有下列SDJ系統(tǒng)應(yīng)用軟件。

SDJ系統(tǒng)軟件流程如圖1所示。

＞＞圖1 SDJ v4.0系統(tǒng)軟件流程圖

＞＞圖2

SDJ系統(tǒng)還提供下列工具軟件。工具軟件工作原理如圖2所示。

電站監(jiān)控系統(tǒng)核心技術(shù)應(yīng)用很多，對一些通用技術(shù)本文不做介紹，下面著重論述數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用。

監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括SDJ、 RTDB實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫為網(wǎng)絡(luò)型全分布式數(shù)據(jù)庫，采用Client/Server結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)透明，用戶不需關(guān)心所要存取的數(shù)據(jù)存放于網(wǎng)絡(luò)的哪個設(shè)備上。所有數(shù)據(jù)共享都通過網(wǎng)絡(luò)通訊來實現(xiàn)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器保留完整的系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)庫，其它各節(jié)點一般只保留與本節(jié)點功能有關(guān)的實時數(shù)據(jù)庫。

實時數(shù)據(jù)庫主要存放LCU采集送上來的所有實時數(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單元存儲的結(jié)構(gòu)。對實時數(shù)據(jù)庫的操作有：按點名或邏輯名修改、存取一個記錄，設(shè)置記錄的某些特征值和狀態(tài)，讀記錄狀態(tài)等。

退休不過是人生道路的中轉(zhuǎn)站，不是思想修煉的休止符。作為黨員干部，雖然身上肩負(fù)的擔(dān)子輕了，但退休仍在黨，還應(yīng)以共產(chǎn)黨員的標(biāo)準(zhǔn)要求自己，為人民服務(wù)的思想不能變，宗旨意識不能丟，清廉品德不能“退”。

2.1 實時數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)定義包括電站監(jiān)控和管理所需要的全部數(shù)據(jù)項。實時數(shù)據(jù)庫采用分層式結(jié)構(gòu)，共分為三層：

(1) 組: 包括組名、組格式、LCU的類型、I/O量的最大個數(shù)量等；

(2) 記錄: 按照組，定義了每個組所包含的各種類型的定義文本文件；

(3) 項：在某種類型的定義文本文件中，對各個I/O點及其它數(shù)據(jù)進行詳細(xì)性質(zhì)

(4) 定義: 包括點名稱、點屬性、點分類等。

2.2 實時數(shù)據(jù)庫管理

所有實時數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)存儲在一個全局性的實時數(shù)據(jù)庫(RTDB)中。RTDB中的數(shù)據(jù)包括從各個LCU采集的實時數(shù)據(jù)、從外部系統(tǒng)獲得的實時和準(zhǔn)實時數(shù)據(jù)、基于RTDB數(shù)據(jù)點的計算數(shù)據(jù)、及人工輸入數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)運行狀況的參數(shù)也存儲在RTDB中。實時數(shù)據(jù)庫是監(jiān)控系統(tǒng)各個模塊單元的中心接口，這些單元包括數(shù)據(jù)采集和處理功能、用戶界面功能、應(yīng)用功能。RTDB也是這些應(yīng)用軟件間的公用數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)庫支持漢語和英語兩種語言。

本系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫設(shè)計為分布式數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)提供專用進程對各個站點上的數(shù)據(jù)庫進行管理，以使在所有設(shè)備上的所有數(shù)據(jù)保持一致。數(shù)據(jù)的存儲地點對存取功能是透明的。

2.3 歷史數(shù)據(jù)庫(文件方式)概要

采用歷史數(shù)據(jù)文件的方式，即歷史數(shù)據(jù)庫是由若干歷史文件組成，其中每個文件存貯若干數(shù)據(jù)。包括：報警畫面(主接線)狀態(tài)信息及重要參數(shù)越限前后變化過程數(shù)據(jù)、事故現(xiàn)場軟拷貝歷史數(shù)據(jù)文件等。操作包括：事故發(fā)生后，將有關(guān)的數(shù)據(jù)及圖表記錄、存貯起來，并將若干個這樣的記錄組成一個歷史文件存起來；事后可調(diào)用歷史文件及記錄顯示(再現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)及圖表)；對若干個歷史文件進行目錄管理，并進行一些增、刪、轉(zhuǎn)存等操作。另外，歷史數(shù)據(jù)的處理包括對各種實時采集的數(shù)據(jù)進行各種計算，統(tǒng)計并形成相應(yīng)的報表。

電站監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過精心構(gòu)建和核心技術(shù)的應(yīng)用，最終實現(xiàn)了以下主要功能。

3.1 數(shù)據(jù)采集和處理

系統(tǒng)對電站系統(tǒng)主要設(shè)備的運行狀態(tài)和運行參數(shù)自動定時進行采集，并作必要的預(yù)處理、計算，存于實時數(shù)據(jù)庫，供計算機系統(tǒng)實現(xiàn)并用于畫面顯示、更新，控制調(diào)節(jié)，記錄檢索，統(tǒng)計報表，操作、管理指導(dǎo)和事故分析等。廠站級主控制層管理現(xiàn)地控制單元層設(shè)備的工作，記錄整個電站系統(tǒng)的運行信息并作綜合計算，并把經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)存入SDJ系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，以完成電站系統(tǒng)的遠(yuǎn)方監(jiān)視和調(diào)度控制等功能。

電站現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)的采集基本由各自的現(xiàn)地LCU來完成，現(xiàn)場數(shù)據(jù)包括：模擬量、數(shù)字量、數(shù)字脈沖量、一般開關(guān)量和中斷開關(guān)量。

(1)電氣模擬量的采集和處理

電氣模擬量指電壓、電流及功率等電氣信號量，系統(tǒng)周期采集。處理包括有效性、合理性判斷，輸入線路誤差補償，標(biāo)度變換，信號接點抖動消除、刻度計算等加工、越復(fù)限比較及格式化等，具有斷線檢測功能，信號抗干擾，數(shù)字濾波，梯度計算，越限報警及相關(guān)時間記錄功能。

(2)非電氣模擬量的采集和處理

非電氣模擬量主要指溫度、壓力、流量、水位、擺度和振動等信號量，周期采集。測溫點直接接入PLC的RTD模塊或者接入溫度巡檢裝置。

(3) 數(shù)字量的采集與處理

普通型狀態(tài)量包括各類故障信號、斷路器及隔離開關(guān)的位置信號、電站設(shè)備運行狀態(tài)信號等。

周期采集，輸入硬件光電隔離，信號處理包括光電隔離、接點防抖動處理、硬件及軟件濾波、基準(zhǔn)時間補償、數(shù)據(jù)有效性合理性判斷、發(fā)事故報警信號和進行事件記錄，能指出故障設(shè)備名稱、內(nèi)容和時間，同時伴有報警音響，最后經(jīng)格式化處理后存入實時數(shù)據(jù)庫。

(4)脈沖量的采集與處理

脈沖量主要指有功和無功電能量。脈沖量的輸入為有源電脈沖，

周期采集(現(xiàn)地PLC實時記數(shù))，各路脈沖計數(shù)累加，處理包括光電隔離、接點防抖處理，有效性、合理性判斷，軟件抗干擾濾波，標(biāo)度變換、格式化，并在上位機分時累加形成各類表格供打印、顯示使用。脈沖量可以通過人機聯(lián)系手段，由操作人員進行初始值設(shè)置和累加值修改?？砂捶謺r累計的要求進行峰荷、谷荷、腰荷的電量累計、顯示與打印。在規(guī)定的時間間隔內(nèi)可對脈沖量累計值進行凍結(jié)、讀取、解凍。

(5)交流量的采集與處理

根據(jù)需要，部分三相交流電量可不用變送器，而由交流采樣裝置直接從PT、CT采集。分析計算后用通訊方式送至LCU。

3.2 綜合計算

監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)實時采集到的數(shù)據(jù)進行周期、定時或召喚計算分析，形成各種計算數(shù)據(jù)庫與歷史數(shù)據(jù)庫，幫助運行人員對電廠設(shè)備的運行進行全面監(jiān)視與綜合管理。

3.3 運行安全監(jiān)視和事件報警

運行安全監(jiān)視和事件報警包含以下內(nèi)容：

(1)故障報警記錄

計算機系統(tǒng)周期掃測故障訊號量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時，立即響應(yīng)并處理，記錄故障發(fā)生的時間，動作設(shè)備器件名稱、內(nèi)容等，時間以時、分、秒記錄，立即顯示、打印故障報警語句，并順序存入主站數(shù)據(jù)庫記錄區(qū)，形成全天故障記錄。對重要設(shè)備的操作及事故可在LCU盤上液晶屏顯示。

(2)參數(shù)越限故障報警記錄

監(jiān)控系統(tǒng)對運行設(shè)備參數(shù)設(shè)定有四種限值：上上限，上限，下限，下下限。當(dāng)超越其設(shè)定限值時，立即進行報警(一次性)，當(dāng)越限值恢復(fù)正常時，進行復(fù)限提示(一次性)。參數(shù)越復(fù)限時，記錄越復(fù)限發(fā)生的時間，參數(shù)名稱、限值、越限參數(shù)的實時值等內(nèi)容。時間以時、分、秒記錄。立即顯示、打印越復(fù)限報警提示語句，并順序存入主站數(shù)據(jù)庫記錄區(qū)，形成全天參數(shù)越復(fù)限記錄。

(3)電氣主設(shè)備操作記錄

對于電站設(shè)備，包括機組開、停，斷路器的投、切，隔離開關(guān)，接地刀閘的合、切等操作，F(xiàn)MK投、切，廠變高低壓開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)、刀閘的投、切等操作，在進行非事故狀態(tài)判斷后，按先后動作順序進行記錄。

(4)計算機系統(tǒng)綜合信息記錄

計算機系統(tǒng)對系統(tǒng)設(shè)備投切、軟件出錯信息、系統(tǒng)診斷信息等計算機系統(tǒng)有關(guān)的信息及時自動記錄，形成綜合信息統(tǒng)計記錄。這些綜合信息在操作或軟件行為自檢時會以顯示語句的方式提示，同時打印記錄。

(5)事故追憶

系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的事故追憶點及事故追憶采樣周期，對追憶量進行前若干秒(30s)追憶，后若干秒(120s)記錄，形成事故追憶記錄(事故追憶采樣周期可設(shè)定)。事故發(fā)生時，計算機將按順序?qū)⑹鹿蕡缶畔?、事故的名稱及這些追憶數(shù)據(jù)保存于磁盤中，形成歷史數(shù)據(jù)。

(6)趨勢報警與分析

SDJ系統(tǒng)也具有趨勢報警追憶功能。系統(tǒng)實時監(jiān)視某些重要參數(shù)的變化趨勢，現(xiàn)設(shè)備異常情況的早期發(fā)現(xiàn)。當(dāng)變化率超過限值時，進行趨勢越限報警。并可啟動有關(guān)處理功能，如停機，趨勢報警追憶等，形成歷史數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)的存儲方法與事故追憶相同。

(7)實時監(jiān)視

對電站的設(shè)備開停，狀態(tài)等系統(tǒng)的實時運行參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)以召喚方式進行實時監(jiān)視顯示。

(8)過程監(jiān)視

在操作與調(diào)節(jié)過程中，監(jiān)控系統(tǒng)屏幕能夠顯示操作接線圖，被選中的操作對象能閃光、變色，顯示命令單，操作提示與操作結(jié)果、自動登錄操作記錄等，供運行人員監(jiān)視操作過程。

(9)語音報警

運行人員可對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行設(shè)置、定義發(fā)生哪些事故時，監(jiān)控系統(tǒng)需要進行語音報警，當(dāng)發(fā)生事故時，系統(tǒng)能根據(jù)設(shè)置情況發(fā)出聲光、語音報警信息，實現(xiàn)漢語報警功能。

(10)遠(yuǎn)方診斷功能

監(jiān)控系統(tǒng)具有遠(yuǎn)方診斷及遠(yuǎn)方維護功能。通過遠(yuǎn)方診斷及維護系統(tǒng)，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)方故障診斷及遠(yuǎn)方系統(tǒng)維護。

(11)畫面拷貝

發(fā)生事故、重要故障、某些重要量越、復(fù)限時，監(jiān)控系統(tǒng)能自動將當(dāng)時的主接線畫面或有關(guān)畫面拷貝并保存，形成歷史畫面數(shù)據(jù)，以時間順序編號。

3.4 人機聯(lián)系

SDJ系統(tǒng)提供面向?qū)ο蟮娜珗D形人機界面系統(tǒng)。采用最新開放式圖形硬件、軟件技術(shù)，全圖形人機界面軟件基于X/Window、MS Window，顯示直觀易懂，操作手段簡便、靈活，具有多窗口無級縮放功能，面向目標(biāo)編程，全鼠標(biāo)驅(qū)動，圖形操作，漢字界面，多級下拉式菜單加多級彈出式菜單操作，靈活的用戶適配工具功能，用戶可以根據(jù)自己的習(xí)慣制作自己的人機界面。

3.5 控制與調(diào)節(jié)

系統(tǒng)的控制與調(diào)節(jié)主要針對計算機監(jiān)控系統(tǒng)而言，它包含以下內(nèi)容：

(1)控制調(diào)節(jié)對象：1、2號機組及輔助設(shè)備和線路等。

(2)控制調(diào)節(jié)方式: 包括上級調(diào)度中心遠(yuǎn)方自動控制方式、廠站級(中控室)集中控制方式、手動指令方式和現(xiàn)地控制單元級現(xiàn)地控制方式。

(3)系統(tǒng)控制權(quán)管理 對于上級調(diào)度中心、控制層各級的相互的關(guān)系及控制權(quán)的管理，必須通過控制權(quán)的設(shè)置，進行閉鎖控制。控制權(quán)的設(shè)置可通過人機聯(lián)系進行設(shè)置。監(jiān)控系統(tǒng)的控制權(quán)管理采取現(xiàn)地優(yōu)先的原則。優(yōu)先設(shè)置權(quán)依次為單元控制級、電站主控級及上級調(diào)度中心級。

(4)運行人員指令操作與調(diào)節(jié) 通過中控室或辦公樓控制室的監(jiān)控系統(tǒng)人機聯(lián)系設(shè)備，運行人員可對電站設(shè)備進行控制、調(diào)節(jié)、工況轉(zhuǎn)換及參數(shù)設(shè)置等操作。重要的操作指令包括：機組工況轉(zhuǎn)換如開停機、斷路器分合、隔離開關(guān)分合、有功功率和無功功率調(diào)整，斷路器、隔離開關(guān)分合操作、閘門提降、閥門開關(guān)、重要設(shè)備投切等。SDJ系統(tǒng)具有獨特而完善的防誤操作功能，可以確保由計算機系統(tǒng)發(fā)出的命令安全可靠。

SDJ系統(tǒng)的人機聯(lián)系原理及流程如下圖3所示：

3.6 生產(chǎn)管理與統(tǒng)計

監(jiān)控系統(tǒng)可將自動生成的報表數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)等自動保存，形成生產(chǎn)統(tǒng)計報表歷史數(shù)據(jù)。另外，各種報警記錄數(shù)據(jù)也存放在計算機硬盤上，形成報警記錄歷史數(shù)據(jù)。

結(jié)語

＞＞圖3 系統(tǒng)人機對話流程框圖

監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過精心設(shè)計和配置后，于2013年4月調(diào)試成功并投入運行，從一年多的運行情況來看，系統(tǒng)很好地滿足了電站各種監(jiān)控要求,運行穩(wěn)定，安全可靠。