水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是水電廠運(yùn)行管理的關(guān)鍵，是水電廠安全生產(chǎn)的前提保證，它具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、涉及面廣、科技含量高的特點(diǎn)。本文簡述了監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程，詳細(xì)介紹了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)及其軟件模塊功能的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；軟件模塊

1. 前言

自20世紀(jì)80年代初期以來 ，國外在水電廠監(jiān)控系統(tǒng)上普遍采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)，水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控控制水平及自動(dòng)控制功能，性能的得到極大的提高，許多水電廠實(shí)現(xiàn)了無人值班看守。這種管理模式提高了水電廠動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行的可靠性，降低了水電廠的運(yùn)行成本。另外，由于水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)集成度高，減少了控制系統(tǒng)的占地面積及外部電纜數(shù)量，因此降低了水電廠的建設(shè)成本[1]。

充分提高水電廠自動(dòng)化監(jiān)控水平和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，對(duì)保證國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展有著極其重要的意義。電力生產(chǎn)過程的特點(diǎn)是，電磁干擾大，信號(hào)量多而廣，控制對(duì)象多（包括水電機(jī)組、輔助設(shè)備、開關(guān)站等），控制過程復(fù)雜。對(duì)

作者簡介：李海峰（1982-），男，江蘇南通人，工程師，主要從事水電廠設(shè)備維護(hù)與管理工作。E—mail：bo2345@163.com。

自動(dòng)化裝置的實(shí)時(shí)性、測量精度以及可靠性等方面都有較高的要求，傳統(tǒng)的監(jiān)

2. 控設(shè)備功能已越來越不能夠滿足電力工業(yè)日益發(fā)展的需要，而以可編程計(jì)算機(jī)控制器、工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備以其技術(shù)先進(jìn)、功能強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[2]。同時(shí)，能夠給操作人員提供了友好的人機(jī)接口界面，主要完成數(shù)據(jù)的加工處理，在主接線處畫面顯示數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫和歷史文件中，對(duì)開關(guān)變位和數(shù)據(jù)越限進(jìn)行報(bào)警、制作數(shù)據(jù)報(bào)表等。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)成為了水電廠自動(dòng)化運(yùn)行管理過程中的一大關(guān)鍵組成部分，其在水電廠自動(dòng)化運(yùn)行管理及控制實(shí)施過程中發(fā)揮著安全運(yùn)行與安全監(jiān)控這兩個(gè)方面的重要作用[3] [4]。

3. 水電廠監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和組成

監(jiān)控系統(tǒng)采用的結(jié)構(gòu)是分層分布，設(shè)有按被控對(duì)象分布的現(xiàn)地分散的現(xiàn)地控制級(jí)和全廠集中的主控級(jí)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要方向就是按“無人值班”（少人值守）來設(shè)計(jì)，并遵循以下的幾點(diǎn)基本思路：

根據(jù)國內(nèi)水電站自動(dòng)控制技術(shù)的水平和發(fā)展方向，采用現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)成熟技術(shù)，全計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，全分布系統(tǒng)；

上位機(jī)系統(tǒng)采用主機(jī)/操作員工作站+打印服務(wù)器+通訊工作站；

操作系統(tǒng)采用Window NT系統(tǒng)；

設(shè)有AGC、AVC調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，根據(jù)節(jié)水、多發(fā)電的標(biāo)準(zhǔn)，按經(jīng)濟(jì)合理的原則在機(jī)組間進(jìn)行最優(yōu)負(fù)荷分配；

為了充分考慮與省調(diào)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的通信的可靠性和穩(wěn)定性，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)省調(diào)對(duì)電站的遠(yuǎn)程調(diào)度。

4. 水電廠的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要特點(diǎn)

系統(tǒng)采用多CPU處理方式，監(jiān)控、保護(hù)配置相互獨(dú)立，在站控級(jí)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)，保護(hù)功能仍能獨(dú)立發(fā)揮作用。

系統(tǒng)采用全分布、開放式結(jié)構(gòu)。各間隔層和站控級(jí)計(jì)算機(jī)之間相互獨(dú)立，任何局部單元出現(xiàn)故障都不會(huì)影響其它單元或站控級(jí)設(shè)備。

各種電氣參數(shù)的大屏幕液晶顯示窗口和可供操作的鍵盤。

系統(tǒng)具有功能較強(qiáng)的人機(jī)接口、全漢化的友好界面。

系統(tǒng)具備防誤操作功能和完善的自我診斷、自我恢復(fù)功能。

5. 水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要功能

4.1數(shù)據(jù)采集和處理

自動(dòng)采集模擬量、開關(guān)量、脈沖量等輸入的各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

形成報(bào)警記錄并發(fā)出報(bào)警音響，對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警處理檢查，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的刷新；

脈沖累積、電度量的分時(shí)累計(jì)和總計(jì)；

進(jìn)行數(shù)字量、模擬量的計(jì)算、用于監(jiān)視、控制和報(bào)警；

主、輔設(shè)備動(dòng)作次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間等的統(tǒng)計(jì)并歸檔；

向外部系統(tǒng)發(fā)送其所需要的信息。

4.2狀態(tài)安全監(jiān)視

包括模擬量數(shù)據(jù)合理性檢查、工程單位變換、模擬量數(shù)據(jù)變化及越限檢查。

按照規(guī)定的格式產(chǎn)生報(bào)警和記錄。狀態(tài)量變化次數(shù)記錄并歸檔。

對(duì)重要開關(guān)的動(dòng)作和繼電保護(hù)動(dòng)作，按不同性質(zhì)（事故、故障或狀變）和發(fā)生時(shí)間的先后進(jìn)行事件順序記錄，以便進(jìn)行事故分析，主要有：發(fā)電機(jī)電壓及以上電壓等級(jí)斷路器的動(dòng)作停車和發(fā)電機(jī)、變壓器主保護(hù)動(dòng)作停車等以及35KV電壓的各級(jí)母線三相電壓、頻率，35KV電壓等級(jí)出線的三相電流值，發(fā)電機(jī)出口電壓、電流等在事故期的事故追憶。

對(duì)發(fā)電機(jī)定子溫度、軸承溫度、主變油溫等進(jìn)行趨勢分析。

4.3控制操作

運(yùn)行人員可以在控制臺(tái)上做發(fā)電、停機(jī)、空載、P/Q調(diào)節(jié)、主變有載分接頭升、降和開關(guān)（或刀閘）合、分等控制操作。計(jì)算機(jī)對(duì)運(yùn)行操作分為兩類命令，對(duì)命令的合法性檢查和控制的閉鎖條件檢查，對(duì)非法命令和不滿足閉鎖條件的控制操作，監(jiān)控系統(tǒng)將拒絕執(zhí)行，并顯示操作信息區(qū)提示拒絕執(zhí)行的具體原因。

4.4自動(dòng)電壓控制（AVC）

電壓自動(dòng)控制能適應(yīng)電站的實(shí)際運(yùn)行方式，它能根據(jù)電站開關(guān)站母線電壓，對(duì)全廠無功進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使開關(guān)站母線電壓維持在給定值處運(yùn)行，在運(yùn)行機(jī)組間合理分配電站無功。

4.5自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）

自動(dòng)發(fā)電控制能根據(jù)調(diào)度中心要求的發(fā)電功率或下達(dá)的負(fù)荷曲線，同時(shí)考慮效率特性曲線，或確定最佳運(yùn)行的機(jī)組臺(tái)數(shù)、機(jī)組的組合方式和機(jī)組間最佳有功功率分配，對(duì)全廠的機(jī)組的有功功率進(jìn)行控制。

4.6系統(tǒng)通信功能

與外部系統(tǒng)（省調(diào)）之間的通信；

與廠內(nèi)其他子系統(tǒng)的通信；

與時(shí)鐘同步裝置的通信。

系統(tǒng)能正確接收GPS時(shí)鐘信息，以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的同步。

4.7人機(jī)接口及操作

人機(jī)接口能使電站的運(yùn)行操作人員、維護(hù)人員和系統(tǒng)管理工程師，通過操作員站、工程師站等的人機(jī)接口設(shè)備，如顯示器、通用鍵盤、鼠標(biāo)以及漢字打印機(jī)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)電站的監(jiān)視、控制及管理功能。其基本功能和操作如下：

（1）人機(jī)接口滿足要求

對(duì)電站設(shè)備操作員只允許進(jìn)行監(jiān)視、控制調(diào)節(jié)和參數(shù)設(shè)置等操作，而不允許修改或測試各種應(yīng)用軟件；

人機(jī)接口操作方法簡便、靈活、可靠；

任何人機(jī)聯(lián)系請求無效時(shí)顯示出錯(cuò)信息

給不同職責(zé)的運(yùn)行管理人員提供不同的安全等級(jí)操作權(quán)限；

運(yùn)行人員能根據(jù)操作權(quán)限在控制臺(tái)方便準(zhǔn)確地設(shè)置或修改運(yùn)行方式、負(fù)荷給定值及運(yùn)行參數(shù)限值等；

操作過程中操作步驟簡單明了，有必要的命令校核及閉鎖功能

運(yùn)行人員能根據(jù)操作權(quán)限完成參數(shù)設(shè)值及輸入點(diǎn)狀態(tài)設(shè)值。

（2）畫面顯示

運(yùn)行人員能通過鍵盤或鼠標(biāo)選擇畫面顯示。畫面顯示功能做到組織層次清晰明了，信息主次分明，美觀實(shí)用；畫面圖符及顯示顏色定義符合中華人民共和國《電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 578-95》有關(guān)規(guī)定。屏幕顯示畫面的編排包括時(shí)間顯示區(qū)、畫面靜態(tài)及動(dòng)態(tài)信息主顯示區(qū)、報(bào)警信息顯示區(qū)及人機(jī)對(duì)話顯示區(qū)。

顯示的主要畫面包括電站電氣主接線圖（其中主要電氣模擬量能以模擬表方式顯示），機(jī)組及風(fēng)、水、油系統(tǒng)等主要設(shè)備狀態(tài)模擬圖，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換順序流程圖，機(jī)組運(yùn)行工況圖（P-Q圖）、各類棒圖、曲線圖，各類記錄報(bào)告，操作及事故處理指導(dǎo)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)圖等。其畫面監(jiān)視的主要內(nèi)容如下：

監(jiān)視水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行工況、工況轉(zhuǎn)換及實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)以及機(jī)組狀態(tài)；

監(jiān)視輔助設(shè)備、公用設(shè)備的運(yùn)行狀況；

監(jiān)視機(jī)組進(jìn)水閥的位置及運(yùn)行狀態(tài)；

監(jiān)視變壓器及其輔助設(shè)備運(yùn)行工況及實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)；

當(dāng)出現(xiàn)故障和事故，立即發(fā)出中文語音報(bào)警。中文語音報(bào)警可通過人機(jī)接口全部禁止或禁止某個(gè)LCU單元。通過在線或離線編輯禁止或允許單個(gè)語音報(bào)警。

運(yùn)行人員可以退出任何確認(rèn)的誤報(bào)警點(diǎn)。

（4）記錄和打印功能

各類操作記錄、事故和故障記錄；

各類異常報(bào)警和狀態(tài)記錄、趨勢記錄；

事故追憶及相關(guān)量記錄；

報(bào)表記錄及曲線打印；

畫面及屏幕拷貝。

（5）操作票

對(duì)電廠常用的重要操作如開、停機(jī)操作、倒閘操作等，系統(tǒng)具有專用操作票畫面，內(nèi)容包括有關(guān)主接線、設(shè)備狀態(tài)、人機(jī)聯(lián)系手段、操作步驟語句等。可對(duì)操作票進(jìn)行編輯、修改、打印。

6. 軟件系統(tǒng)功能模塊實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)功能模塊主要包括：系統(tǒng)配置、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測、診斷、信號(hào)分析處理、狀態(tài)報(bào)告、維護(hù)、實(shí)用計(jì)算模塊、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等模塊。

5.1：系統(tǒng)配置模塊

系統(tǒng)配置主要是指硬件配置，在ENTEK IRD中完成，在ENTEK IRD中的配置完成后，在CMFD中進(jìn)行刷新處理，以把ENTEK數(shù)據(jù)庫中的硬件設(shè)置與CMFD中設(shè)置結(jié)合起來，并必須有一個(gè)CMFD硬件設(shè)備數(shù)據(jù)庫。本數(shù)據(jù)庫是取自ENTEK硬件數(shù)據(jù)庫中的。

5.2：機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測模塊

機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測分為三種圖形顯示：（1）單信號(hào)時(shí)間曲線圖；（2）單信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測屏模擬圖；（3）系統(tǒng)全部信號(hào)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表圖。

單信號(hào)時(shí)間曲線圖用來顯示每一信號(hào)的實(shí)時(shí)時(shí)間曲線，單信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測屏模擬圖顯示每一信號(hào)的實(shí)時(shí)棒圖，系統(tǒng)全部信號(hào)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表圖在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖上顯示整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

5.3：信號(hào)分析功能模塊

信號(hào)分析是CMFD系統(tǒng)的關(guān)鍵，只有確實(shí)可靠的、自動(dòng)獲取的信號(hào)分析功能才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化診斷。由于在加載時(shí)會(huì)使程序運(yùn)行緩慢，故此部分做成DCOM控件和DLL庫。

5.4：診斷模塊

診斷是CMFD軟件的最終目的。本系統(tǒng)的在線診斷首先采用報(bào)警故障與專家系統(tǒng)結(jié)合，在某信號(hào)發(fā)生報(bào)警時(shí)觸發(fā)診斷程序，根據(jù)故障樹進(jìn)入深度搜索、規(guī)則匹配，通過對(duì)等特征量的檢驗(yàn)，最終定向故障類，給出診斷報(bào)告。

系統(tǒng)定期調(diào)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行診斷，以求判別無報(bào)警發(fā)生時(shí)含有的先期故障。系統(tǒng)在用戶的需求下進(jìn)行設(shè)備故障樹與專家系統(tǒng)結(jié)合診斷。

5.5：維護(hù)工具

維護(hù)工具主要是對(duì)數(shù)據(jù)庫的維護(hù)，定時(shí)處理日常數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)庫的容量和正常運(yùn)行。

5.6：網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊

在這個(gè)模塊中主要處理一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和一個(gè)狀態(tài)報(bào)告數(shù)據(jù)庫，可以定制發(fā)布頻率，控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)布數(shù)據(jù)量，這一部分?jǐn)?shù)據(jù)庫存入或連入WEB服務(wù)器中，由WEB程序調(diào)用，定時(shí)刷新和刪除，確保數(shù)據(jù)的正常運(yùn)行。

7. 結(jié)語

隨著水電廠無人值班少人值守工作的不斷深入和計(jì)算機(jī)技術(shù)信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展如今的水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該成為一個(gè)集計(jì)算機(jī)控制通信網(wǎng)絡(luò)電力電子為一體的綜合系統(tǒng)不僅可以完成對(duì)單個(gè)電站還需要實(shí)現(xiàn)對(duì)梯級(jí)流域甚至跨流域的水電廠群的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和安全監(jiān)控。系統(tǒng)的成功應(yīng)用，大大減輕了水廠運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。

8. 參考文獻(xiàn)

[1] 郭謀發(fā)，曹舒.小型水電廠監(jiān)控系統(tǒng)方案及其通信軟件設(shè)計(jì)[J].中國農(nóng)村水利水電，2005，（4）：103-105.

[2] 陳造懷.水電站計(jì)算機(jī)控制[M].北京：水利電力出版社，1994.

[3] 李玉成.白石窯水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[J].電工技術(shù)，2005，（7）：37-39.

[4] 施沖，朱辰，方輝欽，黃健.水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)發(fā)展趨勢分析[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2002，26（6）：1-4.