淺談中小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文

淺談中小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要： 介紹幾種適用于中小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)水電站的具體情況選擇性價(jià)比優(yōu)越的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)方案。僅供狼友參考。還有什么好的方案可共同探討。 關(guān)鍵字 ：中小型水電站 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 為了適應(yīng)電力工業(yè)發(fā)展的需要，進(jìn)一步提高設(shè)備安全運(yùn)行及自動(dòng)水平，改變我國電廠運(yùn)行管理用人多，效率低的落后局面，水電站值班方式的改革勢在必行，使水電站運(yùn)行管理達(dá)到無人值班（少人值守）的水平。 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)掌握以下幾個(gè)設(shè)計(jì) 原則： 按照全廠綜合自動(dòng)化以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主、常規(guī)控制為輔的指導(dǎo)思想進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)配置，使計(jì)算機(jī)在水電站的應(yīng)用達(dá)到一個(gè)新的水平； 對于梯級電站，在梯級電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之間進(jìn)行通訊，應(yīng)從安全性和經(jīng)濟(jì)性的角度實(shí)現(xiàn)部分梯級調(diào)度的能力； 系統(tǒng)高度可靠、高度冗余，其本身的局部故障不會影響現(xiàn)場設(shè)備的正常運(yùn)行 ; 系統(tǒng)配置和設(shè)備選型應(yīng)符合計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速的特點(diǎn)，充分利用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)； 全分布開放式系統(tǒng)，既便于功能和硬件的擴(kuò)充，又能充分保護(hù)用戶的投資。分布式數(shù)據(jù)庫及軟件模塊化、結(jié)構(gòu) 化的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)更能適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴(kuò)充； 實(shí)時(shí)性好，抗干擾能力強(qiáng)； 友好的人機(jī)接口功能，操作方便。 目前大多數(shù)設(shè)計(jì)院和計(jì)算機(jī)監(jiān)控生產(chǎn)廠家，對水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)都是按分層分布開放式無人值班（少人值守）的運(yùn)行方式設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)在物理上分為兩層：電站主控層和現(xiàn)地控制層。 電站控制層即上位機(jī)系統(tǒng)主要用于綜合自動(dòng)化的組態(tài)、維護(hù)、水電站運(yùn)行的監(jiān)視、操作、信息管理、遠(yuǎn)動(dòng)和優(yōu)化控制。其主要設(shè)備配置各種工作站、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、打印設(shè)備、 UPS、 GPS 對時(shí)設(shè)備、電話語音報(bào)警、模擬返回屏、操作控制臺等 。 現(xiàn)地控制層由一系列水電站綜合自動(dòng)化裝置組成，包括機(jī)組現(xiàn)地控制單元、開關(guān)站及公用現(xiàn)地控制單元、微機(jī)保護(hù)測控單元、輔機(jī)控制單元等。 用戶可根據(jù)水電站的實(shí)際情況，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，選用性能價(jià)格比優(yōu)越的方案。下面淺談幾種中小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。 圖 1 集散式綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 一、集散式組網(wǎng)結(jié)構(gòu) 該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是基于 RS485/Modbus 等現(xiàn)場總線聯(lián)接的實(shí)時(shí)通訊網(wǎng)絡(luò)，如圖 1 所示。其特點(diǎn)就是所有監(jiān)控功能在一臺主機(jī)上運(yùn)行，簡單、可靠、造價(jià)低、投資少。適用于對監(jiān)控系統(tǒng)要求不高的小型水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。 二、分層分布式組網(wǎng)結(jié)構(gòu) 該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基于以太網(wǎng)聯(lián)接的實(shí)時(shí)通訊網(wǎng)絡(luò)，如圖 2、 3、 4 所示。 1、圖 2 為采用一體化工控機(jī)上以太網(wǎng)方式，為全開放、分層、分布式結(jié)構(gòu)， PLC、保護(hù)、勵(lì)磁、調(diào)速器、輔機(jī)等設(shè)備通過一體化工作站與上位機(jī)系 統(tǒng)通信。這種設(shè)計(jì)一般在現(xiàn)地設(shè)備的配置上，考慮在工控機(jī)故障時(shí)仍可獨(dú)立運(yùn)行。即所有現(xiàn)地單元均可以各自獨(dú)立運(yùn)行。每個(gè)單元都是由工業(yè)控制微機(jī)和可編程控制器 (PLC)及各個(gè)專用功能裝置或設(shè)備構(gòu)成，并可以設(shè)計(jì)成具有各自獨(dú)立的現(xiàn)地操作、監(jiān)控功能。該系統(tǒng)功能豐富、人機(jī)界面友好、可靠性更高，性價(jià)比高，但是投資較高，適用于中型水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。 2、圖 3 為采用 PLC 直接連接以太網(wǎng)的全開放、分層、分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保護(hù)、勵(lì)磁調(diào)速器、輔機(jī)等設(shè)備通過 PLC 與上位機(jī)系統(tǒng)通信，采用工業(yè)級觸摸屏作為人機(jī)界面，系統(tǒng)可靠性極高、性價(jià)比高 ，設(shè)備直接上網(wǎng)便于網(wǎng)絡(luò)控制和管理，系統(tǒng)響應(yīng)速度大大提高。適用于通信協(xié)議較少，對監(jiān)控系統(tǒng)要求較高在中型水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。 3、圖 4 為采用 PLC 直接連接以太網(wǎng)的全開放、分層、分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與圖 3 比較，該方案中保護(hù)、勵(lì)磁、調(diào)速器、直流系統(tǒng)等裝置通過通訊管理機(jī)與上位機(jī)系統(tǒng)通信，減輕 PLC 通信負(fù)擔(dān)。該設(shè)計(jì)方案考慮到各 PLC 生產(chǎn)廠家在直接上網(wǎng)哪個(gè)（以太網(wǎng)）上并不是支持所有產(chǎn)品，而且價(jià)格較高，因此我們可以考慮另外一種現(xiàn)地設(shè)備上網(wǎng)配置方案，就是通過多串口通訊轉(zhuǎn)換裝置（通訊管理機(jī)）將 PLC 和其他現(xiàn)場總線設(shè)備接入以太網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。我們可以在每一個(gè) LCU 設(shè)置一臺通訊轉(zhuǎn)換裝置，也可以全廠集中設(shè)備一臺通訊轉(zhuǎn)換裝置。該方案的特點(diǎn)是成本較低、性能可靠、系統(tǒng)響應(yīng)速度快。適用于通信協(xié)議復(fù)雜，協(xié)議數(shù)較多而 PLC 通信接口數(shù)較少，對監(jiān)控系統(tǒng)要求較高的中型水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。 三、冗余組網(wǎng)方式 水電站實(shí)現(xiàn) “ 無人值班 ” （少人值守）后，由于現(xiàn)場值班人員減少，每值班往往只有兩人，當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，維護(hù)人員一般要等待較長時(shí)間才能抵到現(xiàn)場，因此對于監(jiān)控系統(tǒng)可靠性要求極高在中型水電站， 可以采用圖 5 所示的基于以太網(wǎng)聯(lián)接的冗余組網(wǎng)方式。 該組網(wǎng)方式的硬件要求可根據(jù)要求采用多層次的冗余措施，如數(shù)據(jù)服務(wù)器、操作員工作站、通訊服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通道、 UPS、現(xiàn)地總線、機(jī)箱電源、機(jī)柜電源等，都可以實(shí)現(xiàn)冗余配置，并可對PLC 擴(kuò)充雙 CPU、雙電源、 I/O 模塊熱插拔等功能，系統(tǒng)要求由軟件實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)備的檢測與故障診斷，實(shí)現(xiàn)冗余部件的無擾動(dòng)切換，確保系統(tǒng)中某一部件的故障不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。故障部件稍后可由維護(hù)人員及時(shí)處理。該方案系統(tǒng)功能極為豐富，可靠性極高，適用于對監(jiān)控系統(tǒng)要求極高的中大型水電站綜 合自動(dòng)化系統(tǒng)。 四、典型配置的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)十分靈活，可根據(jù)各自水電站的具體的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，在進(jìn)行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮水電站在電力系統(tǒng)中的重要性、水電站的運(yùn)行管理方式、水電站建設(shè)資金狀況、水電站周圍帝力環(huán)境的影響、水電站與其他系統(tǒng)的關(guān)系等因素。 水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)一般典型配置網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，具體配置如下： 兩臺操作員工作站：實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的監(jiān)視與控制，實(shí)現(xiàn)對電站的自動(dòng)管理； 一臺或多臺通訊工作站：負(fù)責(zé)本系統(tǒng)同其他系統(tǒng)的通訊，如網(wǎng)調(diào)、省 調(diào)、 MIS 系統(tǒng)、水情測報(bào)系統(tǒng)、大壩監(jiān)測系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)以及電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等的通訊； 現(xiàn)地 LCU 按單元分布，每臺機(jī)組設(shè)置一個(gè) LCU，開關(guān)站及公用系統(tǒng)共用一個(gè) LCU，輔機(jī)系統(tǒng)設(shè)置一個(gè) LCU。 LCU 的具體配置需更具對控制系統(tǒng)可靠性的要求進(jìn)行配置，并可采取適當(dāng)?shù)奶岣呖煽啃缘拇胧写笮蜋C(jī)組 LCU 可采用必要的冗余措施，確保控制裝置的可靠性； 系統(tǒng)還可以設(shè)置語音報(bào)警報(bào)警裝置、工程師工作站、培訓(xùn)仿真工作站、廠長終端以及大屏幕投影儀或大屏幕電子顯示屏等。 對于某些小型水電站，由于被控制對象的規(guī)模 較小，所需實(shí)現(xiàn)功能也比較簡單，另外投資額也較低，因此計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備盡可能地采用簡化配置方式。 【參考資料】 1、方輝欽 現(xiàn)代水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)與試驗(yàn) 中國電力出版社 2、生產(chǎn)廠家產(chǎn)品說明書 北京四方利水自動(dòng)化設(shè)備有限公司 3、重慶大學(xué)金沙電氣研究所 重慶