基于以太網(wǎng)技術(shù)的中小水電站監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)

葉貴光

摘 要：近年來，隨著科技的進步，水利水電工程“扶搖直上九萬里”。在水電站的發(fā)展過程中，實現(xiàn)“無人值守，少人值守”，促進電力工程的智能化，是現(xiàn)階段技術(shù)人員重點攻關(guān)的對象，尤其是中小水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，更是我國水利水電行業(yè)的重要建設(shè)目標(biāo)。在工業(yè)發(fā)達的國家，水電站的自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)趨于完善，但是我國在這方面的建設(shè)仍然任重而道遠。文章對基于以太網(wǎng)技術(shù)的中小水電站監(jiān)控系統(tǒng)進行了深入研究和分析，以期為促進中小型水電站的現(xiàn)代化作出貢獻。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；中小型水電站；監(jiān)控系統(tǒng)；無人值班

中圖分類號：TV663.8 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）29-0080-02

1 研究背景

隨著我國電力設(shè)施的不斷完善，生產(chǎn)和生活用電基本得到滿足，但是“電荒”現(xiàn)象依然沒有完全杜絕，電力行業(yè)發(fā)展的腳步從未停止過。

現(xiàn)階段，隨著我國生態(tài)文明建設(shè)的開展，符合環(huán)境保護要求、具有可再生能源性質(zhì)的水電行業(yè)更加需要抓住發(fā)展的機遇，尤其是在我國水電資源極為豐富的地區(qū)，發(fā)展中小型水電站，將資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟優(yōu)勢勢在必行。而隨著科技的進步，新建水電站的監(jiān)控系統(tǒng)也采用基于以太網(wǎng)的現(xiàn)代化模式，促進了我國水電行業(yè)的發(fā)展。

2 基于以太網(wǎng)技術(shù)的中小水電站監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)

2.1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

在以太網(wǎng)技術(shù)支持下，水電站監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾方面。

首先，具有完全開放性的分層分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵技術(shù)之一，在這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，不同的PLC可以憑借以太網(wǎng)模塊接入以太網(wǎng)，由PLC與各種智能設(shè)備相連接，數(shù)據(jù)的分布式采集結(jié)構(gòu)、功能的完全分布結(jié)構(gòu)就此完成。

其次，系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)該還包括水輪發(fā)電機組不同工況的定義和監(jiān)視。

第三，控制操作權(quán)限的閉鎖保護誠然也是監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵之一。

此外，對機組負荷突變檢測和仿人工智能功率調(diào)節(jié)技術(shù)、無擾動切換開閉環(huán)運行方式等也都是中小水電站監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)能夠?qū)λ娬緦崿F(xiàn)安全監(jiān)控，具有顯著的迅速性、準(zhǔn)確性和高效性。在計算機監(jiān)控系統(tǒng)下，分為電站控制層和現(xiàn)地控制層。

電站控制層具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、實時控制、實時調(diào)節(jié)、安全監(jiān)視、屏幕顯示、事故處理、運行維護管理、數(shù)據(jù)通信和軟件開發(fā)等功能；現(xiàn)地控制層具有與電站控制層相同的幾項功能，如數(shù)據(jù)采集、處理、安全監(jiān)控、實時控制調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)通信等，還具有故障保護和事件順序檢測等功能。

2.3 系統(tǒng)特點

基于以太網(wǎng)的中小水電站監(jiān)控系統(tǒng)的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

①采用具有完全開放意義的分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主機與不同工作站之間的操作系統(tǒng)均為具有開放性質(zhì)Windows操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議統(tǒng)一為TCP/IP。操作以圖形化方式進行。

②不同的設(shè)備功能有所差異，實現(xiàn)功能分布，即使某一設(shè)備發(fā)生故障，系統(tǒng)的整體功能也不會受到影響。

③系統(tǒng)的可靠性符合當(dāng)下無人值守的要求。

④數(shù)據(jù)通信協(xié)議和規(guī)約形式豐富，既能滿足本系統(tǒng)的要求，同時也能夠滿足遠程調(diào)度、MIS、水情預(yù)測、大壩監(jiān)測等系統(tǒng)的通訊要求。

⑤用軟件代替冗余設(shè)備，硬件切換裝置被取消，系統(tǒng)硬件故障率得到有效控制。

2.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從物理層面劃分，整個監(jiān)控系統(tǒng)可以被看作是電站控制層和現(xiàn)地控制層的結(jié)合。電站控制層和現(xiàn)地控制層之間以100MB快速以太網(wǎng)的形式進行連接，而電站控制層不同設(shè)備之間的連接也是采用這種方式，使得整個監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、實時性和靈活性都有所保障。電站控制層的主要作用有兩個，其一，用于監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)和維護；其二，用于監(jiān)控、操作、優(yōu)化控制水電站的運行，優(yōu)化信息管理。而現(xiàn)地控制層主要包括一系列的水電站自動化裝置，機組現(xiàn)地控制單元、微機保護測控單元、公用設(shè)備現(xiàn)地控制單元、開關(guān)站現(xiàn)地控制單元、輔助控制單元、機組調(diào)速器、勵磁裝置等都屬于現(xiàn)地控制層的重要組成部分。

3 基于以太網(wǎng)技術(shù)的中小水電站監(jiān)控系統(tǒng)性能指標(biāo)

3.1 電站控制層性能

中小水電站監(jiān)控系統(tǒng)的控制層性能主要從數(shù)據(jù)采集和人機接口響應(yīng)時間以及可靠性來判斷。關(guān)于數(shù)據(jù)采集，從任一現(xiàn)地控制單元數(shù)據(jù)采集變化的混合信息數(shù)據(jù)到達數(shù)據(jù)庫的時間應(yīng)該不超過2 s，從全部現(xiàn)地控制單元采集可能出現(xiàn)最終負擔(dān)信息數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫內(nèi)的時間應(yīng)該不超過3 s。

關(guān)于人機接口響應(yīng)時間，對于調(diào)用新畫面、控制命令的響應(yīng)時間以及動態(tài)數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)庫的更新時間都應(yīng)該控制在1s以內(nèi)。對于聯(lián)合控制有功功率的執(zhí)行時間，應(yīng)該確保其周期不超過10 s。對于SOE分辨率，以低于2 ms為最佳。關(guān)于可靠性，MTBF（故障間隔的平均時間）應(yīng)該不低于3萬h，MTTR（故障維修的平均時間）應(yīng)該控制在0.5 h以內(nèi)，并確保系統(tǒng)的利用率在99.99%以上。

3.2 現(xiàn)地控制單元性能

①關(guān)于數(shù)據(jù)采集時間，具體的性能指標(biāo)應(yīng)該包括開關(guān)量、電氣量、非電氣量、溫度量和脈沖量。為了保證系統(tǒng)性能的穩(wěn)定發(fā)揮，開關(guān)量、電氣量和非電量的數(shù)據(jù)采集時間應(yīng)該以低于1 s為佳，溫度量的采集應(yīng)該控制在2 s以內(nèi)，脈沖量以連續(xù)、無延遲為標(biāo)準(zhǔn)。

②關(guān)于控制響應(yīng)時間，為了保證系統(tǒng)運行具有可靠性和高效性，回答和接受控制命令的響應(yīng)時間也應(yīng)該保持在1 s以內(nèi)。

③關(guān)于I/O接口，具體的性能指標(biāo)如下：

第一，關(guān)于開關(guān)量輸入，每一路都應(yīng)該有特定的LED狀態(tài)顯示，輸入接口的信號類型以空接點為準(zhǔn)，彈跳時間控制在2～30 ms之間。

第二，關(guān)于模擬量輸入，采用交流量信號輸入的方式，信號范圍PT為100 V，CT為5 A/1 A。輸入溫度量時，應(yīng)該與現(xiàn)場三線電阻溫度探頭連接，測溫電阻Pt100、Cu50。非電量信號范圍以4～20 mA、0～5 V為佳。模擬量轉(zhuǎn)換分辨率以14位為標(biāo)準(zhǔn)。

第三，關(guān)于脈沖量輸入，具體的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)也不是隨意確定的，脈沖寬度應(yīng)該不低于100 ms，負載能力最低限度為10 mA，超過10 mA對于系統(tǒng)性能的發(fā)揮更加有利，輸入電平為24 VDC。

第四，關(guān)于開關(guān)量輸出，輸出信號采用繼電器輸出、LED狀態(tài)顯示的方式。開關(guān)量輸出接口的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)也有既定的標(biāo)準(zhǔn)：輸出形式為空接點；交流接點容量為220 V AC，5 A；直流接點接通容量為220 V DC，3 A；直流接點斷開容量為20 VA。

4 結(jié) 語

現(xiàn)階段，以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用十分普遍。隨著電力行業(yè)的發(fā)展，電力行業(yè)的現(xiàn)代化、智能化、信息化趨勢更加明顯，特別是無人值班管理模式的推廣，為電站設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn)。電站工作人員迫切希望建立起無人值班環(huán)境下的完善的監(jiān)控系統(tǒng)，通過視頻圖像的形式解決電站的安全防衛(wèi)問題。以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，建立中小水電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，為水電站自動化監(jiān)控的實現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)，同時，由于基于以太網(wǎng)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的可靠性、高效性和可移植性，必然成為今后中小水電站自動化發(fā)展的主流。

參考文獻：

[1] 劉會遵.基于以太網(wǎng)技術(shù)的中小水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)[J].產(chǎn)業(yè)與 科技論壇，2013，（2）.

[2] 勞增江.渡口壩水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點[J].科技創(chuàng)新 與應(yīng)用，2014，（3）.

[3] 張煦，劉曉波.以太網(wǎng)I/O掃描通信技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].水電 站機電技術(shù)，2009，（3）.

[4] 劉曉彤，文正國，楊春霞，等.巨型水電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng) 數(shù)據(jù)交換的研究[J].水電站機電技術(shù)，2014，（3）.