水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)

1、計算機監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)知識計算機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了以人工監(jiān)控，電話調(diào)度和遠動監(jiān)控 ( 遙測、遙信、遙調(diào)、遙控 ) 為主 體，以計算機為核心和以現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信為基礎(chǔ)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)等三個階段。 水電廠應(yīng)用計算機監(jiān)控系 統(tǒng)對提高自動化水平，保證電站實現(xiàn)“無人值班” (少人值守) ，提高經(jīng)濟效益，改善勞動條件，促進技 術(shù)進步都具有十分重要的意義。一水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本模式根據(jù)計算機在水電廠監(jiān)控系統(tǒng)中的作用可劃分為三種：計算機輔助監(jiān)控系統(tǒng)(CASC)、以計算機為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng) (CBSC)、計算機與常規(guī)裝置雙重監(jiān)控系統(tǒng) (CCSC)。根據(jù)計算機在水電廠監(jiān)控系統(tǒng)中的控制方式可劃分：集中式監(jiān)控系統(tǒng)、分散式

2、監(jiān)控系統(tǒng)、分布式 監(jiān)控系統(tǒng)，全開放、全分布式監(jiān)控系統(tǒng)。AGC、AVC、運行日志及報表、事件二計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本功能數(shù)據(jù)采集與處理、運行安全監(jiān)視、設(shè)備操作監(jiān)視、控制權(quán)限、 統(tǒng)計、數(shù)據(jù)通信、人機界面、多媒體功能、自診斷與遠方診斷。三監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1 單網(wǎng)型水電站監(jiān)控系統(tǒng)圖 2 雙網(wǎng)型水電站監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上來說一般分為兩層，上位機與下位機。上位機從硬件構(gòu)成來說一般由通用計算 機構(gòu)成，如 PC 機、服務(wù)器等，運行的軟件平臺一般為Windows、Unix 。下位機從硬件構(gòu)成來說則都是一些廠家自己開發(fā)的硬件平臺，種類繁多，如各公司的PLC，其軟件平臺也因硬件不同而相異，無法互相兼容。1. 上位機

3、 上位機一般配置有：操作員工作站，通信工作站，工程師工作站，廠級工作站等。操作員工作站 常被稱為控制臺， 是全廠集中監(jiān)視和控制的中心和人機接口； 通信工作站主要是用來與外部系統(tǒng)進行通 信；工程師工作站除具有程序開發(fā)、 調(diào)試以及培訓(xùn)仿真等功能外， 并兼有操作員工作站全部功能；廠級 工作站主要用來完成一些后臺工作，如AGC、AVC等。上位機系統(tǒng)主要完成人機界面接口，實時數(shù)據(jù)處理，全廠AGC、 AVC調(diào)節(jié)，歷史數(shù)據(jù)存檔，報表查詢，報表打印， 數(shù)據(jù)分析， 遠程診斷， 電量管理及其他系統(tǒng)的通訊等功能。 監(jiān)控軟件系統(tǒng)為全開放系統(tǒng)， 并且具有較強的可移植性。1) 數(shù)據(jù)庫 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用網(wǎng)絡(luò)型全分布數(shù)據(jù)庫

4、，所有數(shù)據(jù)的共享由網(wǎng)絡(luò)通訊來實現(xiàn)。實時數(shù)據(jù)庫和歷 史數(shù)據(jù)庫構(gòu)成了監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源中心。實時數(shù)據(jù)庫主要存放 LCU采集上送的所有實時數(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)。歷史數(shù)據(jù)庫由若干歷史文件組成， 其中每個文件存貯若干數(shù)據(jù)， 對若干個歷史文件進行目錄管理， 并可進行查詢、修改、存儲等操作。2) 安全監(jiān)視及事件報警 運行值班人員可以通過監(jiān)控系統(tǒng)的大屏幕彩色顯示器對全廠各主輔設(shè)備、公用設(shè)備的運行狀態(tài)和運行參數(shù)進行實時監(jiān)視。 通過各種一覽表可查詢設(shè)備的運行情況，以便對異常情況分析和處理。簡報信息窗口在有一些重要信息出現(xiàn)時，可自動彈出至顯示窗口的最上層，還可根據(jù)

5、需要進行語 音報警，提醒值班人員注意。3) 控制與調(diào)節(jié)全廠監(jiān)控系統(tǒng)能根據(jù)電廠當(dāng)前運行情況、 遠方及當(dāng)?shù)氐目刂泼睢?自動發(fā)電控制 (AGC)及自動電壓 控制 (AVC)的計算，按預(yù)定的步驟對電廠運行進行控制及調(diào)節(jié)。包括機組的發(fā)電、調(diào)相等工況轉(zhuǎn)換；機 組有功功率、無功功率的閉環(huán)調(diào)節(jié)；斷路器、隔離開關(guān)及接地刀閘的分、合操作；輔助設(shè)備及公用設(shè)備 的啟、停操作等。4) 運行日志及報表 監(jiān)控系統(tǒng)能對各種設(shè)備的運行情況進行統(tǒng)計記錄，某些信息還將自動提示給操作值班人員，并可 以自動生成各類報表、日志，自動生成和打印操作票等。 打印方式及打印報表的格式可修改。這些功能 可以分為以下幾類：(1) 電廠發(fā)電運行記

6、錄 記錄的內(nèi)容包括當(dāng)班、當(dāng)日、當(dāng)月、當(dāng)年的機組發(fā)電量、線路送電量、廠用電量、耗水量及效率 等。它們的初值及時間區(qū)段的設(shè)置可以通過程序或由運行值班人員通過人機對話方式實現(xiàn)。(2) 主要電氣設(shè)備動作及運行記錄 監(jiān)控系統(tǒng)可以對主要電氣設(shè)備的動作次數(shù)和運行時數(shù)、事故和故障次數(shù)以及相應(yīng)的時間等加以統(tǒng) 計和記錄，以便考核并合理安排運行和檢修計劃。例如：機組開、停次數(shù)，本次開機運行時數(shù)，累計開 機運行時數(shù)，機組停機備用時數(shù)；斷路器合閘次數(shù)、正常跳閘次數(shù)、事故跳閘次數(shù)等有關(guān)技術(shù)性能指標 記錄；主要電氣設(shè)備、裝置退出運行的記錄等。(3) 操作記錄 監(jiān)控系統(tǒng)能對各種操作進行記錄，其中包括機組工況轉(zhuǎn)換，斷路器和隔離

7、開關(guān)的合、分閘等。記 錄內(nèi)容包括時間、操作內(nèi)容、成功與否、失敗原因等。(4) 事故及故障統(tǒng)計記錄 監(jiān)控系統(tǒng)對當(dāng)班、當(dāng)日、當(dāng)月、當(dāng)年的各類事故及故障的內(nèi)容、次數(shù)和時間進行統(tǒng)計記錄，作為 資料保存。(5) 參數(shù)越復(fù)限統(tǒng)計記錄 監(jiān)控系統(tǒng)可以自動地對當(dāng)班、當(dāng)日、當(dāng)月、當(dāng)年的參數(shù)越復(fù)限情況進行統(tǒng)計，并把它們記錄下來。(6) 運行日志及報表打印 監(jiān)控系統(tǒng)將能按照運行操作人員的管理和要求打印運行日志和報表。打印內(nèi)容及打印格式可以事 先設(shè)定。打印方式有定時自動打印、隨機召喚打印等形式。監(jiān)控系統(tǒng)能制訂如下生產(chǎn)報表：負荷運行電氣量參數(shù)報表，非電量參數(shù)報表，日發(fā)電量、廠用電 量統(tǒng)計表、生產(chǎn)綜合統(tǒng)計報表等。5) 人機

8、接口 操作人員可通過彩色監(jiān)視器、鍵盤、鼠標器以及打印機等實現(xiàn)對全廠運行的監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)、 在線修改定值、畫面索引、報表顯示和打印等功能，交互式人機對話方式，使用起來非常便捷。人機接 口還具有權(quán)限管理功能，不同的權(quán)限有不同的使用范圍，以保證系統(tǒng)的安全性。6) 系統(tǒng)通信通過主機和通訊機， 實現(xiàn)與網(wǎng)調(diào)遠動、 壩區(qū)閘門控制系統(tǒng)、 直流供電系統(tǒng)、 MIS 系統(tǒng)及電能計費系 統(tǒng)的通訊； 通過 WEB服務(wù)器和路由器可實現(xiàn)廠長終端遠程訪問； 通過 Modem撥號上網(wǎng)可實現(xiàn)遠方在線診 斷等功能 .7) 自診斷和自恢復(fù)完善的系統(tǒng)自檢、自診斷與自恢復(fù)功能是實現(xiàn)“無人值班” (少人值守 ) 的重要條件。功能包括主機

9、自檢、軟件任務(wù)超時處理及通道故障檢測。當(dāng)工作主機故障（內(nèi)存、磁盤、 I0及 CPU等的故障和軟件任務(wù)執(zhí)行異常等 ） 時，能將控制權(quán)自動切換到備用主機。軟件超時能實現(xiàn)部分功能軟件的故障自啟動 功能。通道檢測包括對網(wǎng)絡(luò)、通信通道、 IO 過程通道在線自動檢測，檢測的內(nèi)容有通道數(shù)據(jù)有效性 合理性判斷、故障點自動查找及故障自動報警等。2. 下位機 監(jiān)控系統(tǒng)下位機的控制對象包括：電廠發(fā)電設(shè)備、開關(guān)站、公用設(shè)備、閘門設(shè)備。一般根據(jù)監(jiān)控 對象劃分為機組 LCU、公用 LCU、開關(guān)站 LCU和閘門 LCU，以實現(xiàn)對各個對象的監(jiān)視和控制。下位機系 統(tǒng)的功能主要有：數(shù)據(jù)采集、流程處理、控制現(xiàn)場設(shè)備，現(xiàn)地人機交互，

10、與上位機數(shù)據(jù)傳輸以及與現(xiàn)場 設(shè)備通訊等。LCU的核心是可編程控制器 （PLC），主要有：美國 GE公司的 90系列，美國 Modicon 公司的 Quantum 系列，德國西門子的 S7系列，日本 MITSUBISHI公司的 FX2.A 系列，中國南瑞公司的 MB系列等。 LCU 的冗余結(jié)構(gòu)有三種，即異構(gòu)型冗余，同構(gòu)型冗余和交叉型冗余。典型的 LCU結(jié)構(gòu)如圖 3 所示 :圖 3 LCU 結(jié)構(gòu)與配置示意圖LCU 可用來選擇遠方 / 現(xiàn)地控制方式，可現(xiàn)地進行手動控制或自動控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理和設(shè) 備運行監(jiān)視，通過局域網(wǎng)與監(jiān)控系統(tǒng)其它設(shè)備進行通信，以及自診斷功能等。1）數(shù)據(jù)采集處理 現(xiàn)地控制單元

11、對電站主要設(shè)備的運行狀態(tài)和參數(shù)自動定時采集并處理后， 存入實時數(shù)據(jù)庫。 對于一 些非直接控制的物理量， 通常由現(xiàn)地控制單元采集， 然后送上級計算機進行處理。 按信號性質(zhì)分為模擬 量、開關(guān)量及脈沖量等。2）控制操作 根據(jù)上位機或現(xiàn)地人機接口下達的命令， 可進行機組的開、停機順序控制，開關(guān)的分、 合操作等控 制，可以自動實現(xiàn)緊急開、 停機等操作， 必要時也可對刀閘進行操作， 以確保機組安全。 當(dāng)事故復(fù)歸時， 能立即進行相應(yīng)的事故復(fù)歸處理，操作控制都應(yīng)有校核與閉鎖功能。3) 有功功率和無功功率調(diào)節(jié) 根據(jù)上位機或現(xiàn)地人機接口下達的給定值進行有功、無功的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。4) 歷史事件記錄 主要包括事件順序

12、記錄、變位記錄、越限記錄等。(1) 事件順序記錄： 對重要開關(guān)量的狀態(tài)變化或自檢出錯進行順序記錄。 現(xiàn)地控制單元一般至少能 記錄 256 個事件。(2) 變位記錄：對一般開關(guān)量的狀態(tài)變化記錄，分辨率為 1-2 秒，現(xiàn)地控制單元一般至少能記錄 256 個變位事件。(3) 越限記錄：對模擬量的五種越限 (高限、高高限、低限、低低限、梯度限制等) 情況進行記錄，并可設(shè)置越、復(fù)限的死區(qū)，以避免頻繁記錄導(dǎo)致計算機資源被占用過多。5) 報警現(xiàn)地控制單元應(yīng)有一定的報警功能， 以便與上位機通訊中斷時能獨立運行， 在電站設(shè)備或監(jiān)控系統(tǒng) 本身出現(xiàn)故障或異常情況時，輸出報警。報警方式一般為音響、語音、文字顯示等。6

13、) 人機交互LCU 可通過觸摸屏進行人機交互，用于運行監(jiān)視、控制、調(diào)試等。7) 與其它設(shè)備的聯(lián)系(1) 與勵磁調(diào)節(jié)器、 調(diào)速器之間， 以計算機通訊接口方式或調(diào)脈寬輸出方式對機組有功和無功進行 閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。(2) 與微機故障錄波、測速裝置等的聯(lián)系有計算機通訊接口，并可把相應(yīng)信息送到上位機。(3) 與微機保護有計算機通訊接口， 可以交換信息、 保護參數(shù)修改等。 常規(guī)保護接點用空接點輸出 給監(jiān)控系統(tǒng)。(4) 接受 GPS衛(wèi)星同步時鐘信號，提高 LCU 時鐘精度。8) 與上位機通訊LCU 能通過計算機網(wǎng)絡(luò) (單網(wǎng)或雙網(wǎng) ) 與上位機通訊，通訊協(xié)議應(yīng)符合開放性原則。把采集的數(shù)據(jù)和 有關(guān)信息上送給上位機

14、，同時接受上位機的命令。9) 自診斷功能與處理方法LCU具有較強的在線自檢功能，各模塊可以自檢、互檢。LCU可以診斷出模件、電源、外設(shè)等的故障，并自動切除故障部分，給出故障信息，供運行、維護人員作處理依據(jù)。當(dāng) LCU 或某智能模件出現(xiàn)死機時， 可以產(chǎn)生自恢復(fù)信號， 使系統(tǒng)或模塊重新工作， 并保留歷史數(shù)據(jù)， 自恢復(fù)可以用硬、軟件實現(xiàn)，如看門狗電路等。此外， LCU還能采用自動切換的方法來處理故障：在采用冗余供電時，當(dāng)LCU的某一路供電電源故障時，可以自動切換；在雙網(wǎng)工作方式時，雙網(wǎng)間可以自動切換；LCU在雙 CPU工作方式時，主備 CPU間可以自動切換。四計算機監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：通常采用的網(wǎng)絡(luò)

15、拓撲結(jié)構(gòu)有：星形拓撲、環(huán)型拓撲星形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是： 控制簡單、 故障診斷和隔離容易、信道利用率高； 缺點是電纜長度和安裝工作 量較大。制，可以自動實現(xiàn)緊急開、 停機等操作， 必要時也可對刀閘進行操作， 以確保機組安全。 當(dāng)事故復(fù)歸時， 能立即進行相應(yīng)的事故復(fù)歸處理，操作控制都應(yīng)有校核與閉鎖功能。3) 有功功率和無功功率調(diào)節(jié) 根據(jù)上位機或現(xiàn)地人機接口下達的給定值進行有功、無功的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。4) 歷史事件記錄 主要包括事件順序記錄、變位記錄、越限記錄等。(1) 事件順序記錄： 對重要開關(guān)量的狀態(tài)變化或自檢出錯進行順序記錄。 現(xiàn)地控制單元一般至少能 記錄 256 個事件。(2) 變位記錄：對一般開關(guān)

16、量的狀態(tài)變化記錄，分辨率為 1-2 秒，現(xiàn)地控制單元一般至少能記錄 256 個變位事件。(3) 越限記錄：對模擬量的五種越限 (高限、高高限、低限、低低限、梯度限制等) 情況進行記錄，并可設(shè)置越、復(fù)限的死區(qū)，以避免頻繁記錄導(dǎo)致計算機資源被占用過多。5) 報警現(xiàn)地控制單元應(yīng)有一定的報警功能， 以便與上位機通訊中斷時能獨立運行， 在電站設(shè)備或監(jiān)控系統(tǒng) 本身出現(xiàn)故障或異常情況時，輸出報警。報警方式一般為音響、語音、文字顯示等。6) 人機交互LCU 可通過觸摸屏進行人機交互，用于運行監(jiān)視、控制、調(diào)試等。7) 與其它設(shè)備的聯(lián)系(1) 與勵磁調(diào)節(jié)器、 調(diào)速器之間， 以計算機通訊接口方式或調(diào)脈寬輸出方式對機

17、組有功和無功進行 閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。(2) 與微機故障錄波、測速裝置等的聯(lián)系有計算機通訊接口，并可把相應(yīng)信息送到上位機。(3) 與微機保護有計算機通訊接口， 可以交換信息、 保護參數(shù)修改等。 常規(guī)保護接點用空接點輸出 給監(jiān)控系統(tǒng)。(4) 接受 GPS衛(wèi)星同步時鐘信號，提高 LCU 時鐘精度。8) 與上位機通訊LCU 能通過計算機網(wǎng)絡(luò) (單網(wǎng)或雙網(wǎng) ) 與上位機通訊，通訊協(xié)議應(yīng)符合開放性原則。把采集的數(shù)據(jù)和 有關(guān)信息上送給上位機，同時接受上位機的命令。9) 自診斷功能與處理方法LCU具有較強的在線自檢功能，各模塊可以自檢、互檢。LCU可以診斷出模件、電源、外設(shè)等的故障，并自動切除故障部分，給出故障信

18、息，供運行、維護人員作處理依據(jù)。當(dāng) LCU 或某智能模件出現(xiàn)死機時， 可以產(chǎn)生自恢復(fù)信號， 使系統(tǒng)或模塊重新工作， 并保留歷史數(shù)據(jù)， 自恢復(fù)可以用硬、軟件實現(xiàn)，如看門狗電路等。此外， LCU還能采用自動切換的方法來處理故障：在采用冗余供電時，當(dāng)LCU的某一路供電電源故障時，可以自動切換；在雙網(wǎng)工作方式時，雙網(wǎng)間可以自動切換；LCU在雙 CPU工作方式時，主備 CPU間可以自動切換。四計算機監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：通常采用的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有：星形拓撲、環(huán)型拓撲星形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是： 控制簡單、 故障診斷和隔離容易、信道利用率高； 缺點是電纜長度和安裝工作 量較大。上位機開出的數(shù)據(jù)有：開關(guān)量輸出和模擬量開出。液晶觸摸屏發(fā)控制令開入、模入模件C8 C7 C6圖 5 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流示意圖交