（水利水电工程专业论文）微机监控下水电站经济运行研究及实现.pdf

摘要 摘要 优先发展水电，是我国能源建设的一项重要措旋。解决我国能源问题，除积极 开发能源外，还必须节能。随着电力体制的改革和市场化的推进，水电走向市场，按照 “公平、公正、公开”的原则参与竞价上网，将是水电发展的必然。“厂网分开，竟价上 网”的电力市场运营机制的实施，使发电企业成了竞争的主体。在这种新形式下，发 电企业只有挖掘一切可以挖掘的潜力，降低运行成本，才能在竞争中处于有利地位。 随着计算机技术、通信技术与测量技术的发展，水电站微机监控系统技术日趋 成熟，是水电站控制系统的发展趋势。与此同时，系统工程领域的先进优化方法也 被引入水电站经济运行，加速了水电站经济运行的发展，这些使其投入实际应用成 为可能。 本论文针对水电的发展趋势，运用最新的研究成果，研究在微机监控下的水电 经济运行，提高水电管理的科技含量，提高水电的运行效益，主要内容有以下几个 方面： 1 ) 微机监控下水电站经济运行系统体系结构及信息流 分析水电站计算机监视与控制系统的体系结构及信息流，论述在监控平台下水 电站经济运行应用系统结构及软硬件构成和信息流程，为水电站经济运行在监控平 台下实施制定了框架。 2 ) 水电站经济运行模型及求解 分析在监控平台下制定水电站经济运行方案的径流预报、水库调度及厂内经济 运行所采用的数学模型和详细的求解方法，为经济运行方案的实施奠定理论基础。 3 ) 水电站经济运行数据库 分析水电站经济运行数据库结构形式，阐述了运用a d o 对象模型进行数据库应 用程序开发的过程，实现了对在s q l s e r v e r 中创立的经济运行数据库的连接、查询、 修改和存贮，为水电站经济运行提供了数据支持。 4 ) 水电站经济运行的对象化设计及其c o m 接口 论述水电站经济运行的对象化设计及其c o m 接口设计的思路，各对象模型既 可单独计算实现独自功能，也可通过各对象成员接口共同实现复杂功能，提高了系 统可靠性、扩展性及灵活性。 5 ) 水电站经济运行与微机监控系统的通信 介绍水电站经济运行与微机监控系统的数据通信方式，分析网络通信协议、数 据链路、编程接口及实现远程的数据交换和控制流程。为水电站经济运行与微机监 控系统的数据通信交换奠定基础。 关键词：微机监控经济运行信息流程数据库对象化设计通信 a b s t r a c t a b s t r a c t d e v e l o p i n gh y d r o e l e c t r i cp r e f e r e n t i a l l yi s a l l i m p o r t a n ts t e po fo m e n e r g y d e v e l o p m e n t t os o l v eo u re n e r g yp r o b l e m s , c o n s e r v i n ge n e r g yi sn e c e s s a r ye x c e p t d e v e l o p i n ge n e r g ya c t i v e l y a l o n gw i t ht h er e f o r m a t i o no fp o w e rs y s t e ma n d m a r k e t i z a t i o na p p r o a c h i n g ，i ti si n e v i t a b l et h a th y d r o e l e c t r i ca c c e s s e sm a r k e ta n dg o e s i n t op o w e rs y s t e ma c c o r d i n gt oi t sp r i c eb yt h ep r i n c i p l eo f “f a i r n e s s ，j u s t i e e ，o p e n n e s s ” t h ep r a c t i c eo fp o w e rm a r k e to p e r a t i o ns y s t e mo f p o w e rp l a n ts e p a r a t i n gf r o me l e c t r i c n e t w o r k ，c o m p e t i n ge l e c t r i cn e t w o r kb yi t sp r i c e m a k e st h ep o w e rg e n e r a t i o nb u s i n e s s b e i n gt h ec o m p e t i t o r s u n d e rt h i sn e ws t y l e ，p o w e rg e n e r a t i o nb u s i n e s s e sh a v et od e v e l o p t h e i rp o t e n t i a l i t i e sa n dc u td o w no p e r a t i o nc o s t , a n dm a yb ei na d v a n t a g ec o m p e t i t i o n a l o n gw i t ht h ed e v e l o p i n go fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d s u r v e yt e c h n o l o g y , t h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mt e c h n o l o g yo fh y d r o p o w e rp l a n th a s b e e nd e v e l o p e d ，w h i c hi st h et e n d e n c yo fh y d r o p o w e rp l a n tc o n t r o ls y s t e m s o m e a d v a n c e do p t i m a lm e t h o d so fs y s t e me n g i n e e r i n ga r em e a n w h i l ei n t r o d u c e dt os o l v e e c o n o m i co p e r a t i o no fh y d r o p o w e rp l a n t a l lo ft h a ts p e e du pt h e d e v e l o p m e n to f e c o n o m i co p e r a t i o no f h y d r o p o w e rp l a n ta n dm a k et h ep r a c t i c eb ep o s s i b l e a i m i n ga t t h e d e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fh y d r o e l e c t r i c ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e s e c o n o m i co p e r a t i o no fh y d r o p o w e rp l a n tu n d e rs u p e r v i s o r yc o n t r o lu s i n gn e wr e s e a r c h r e s u l t s ，i n c l u d i n g ： 1 ) t h es t r u c t u r e a n di n f o r m a t i o nf l o w o fs y s t e mo fe c o n o m i co p e r a t i o no f h y d r o p o w e rp l a n tu n d e rs u p e r v i s o r yc o n t r 0 1 t h es t r u c t u r ea n di n f o r m a t i o nf l o wo fc o m p u t e rs u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e mo f h y d r o p o w e rp l a n ta r ea n a l y z e d i ti sc l a r i f i e dt h a tt h es t r u c t u r e ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r e c o n s t i t u t i o na n di n f o r m a t i o np r o c e s so fe c o n o m i co p e r a t i o no f h y d r o p o w e rp l a n ts y s t e m u n d e rs u p e r v i s o r yc o n t r o l ，a n de s t a b l i s h e sf l a n l ef o rt h ep r a c t i c eo f e c o n o m i co p e r a t i o no f h y d r o p o w e rp l a n tu n d e rs u p e r v i s o r yc o n t r 0 1 2 ) t h em o d e la n ds o l v i n go f e c o n o m i co p e r a t i o no f h y d r o p o w e rp l a n t t h em o d e l sa n dd e t a i l e ds o l v i n gm e t h o d so fr u n o f ff o r e c a s t i n g ，r e s e r v o i ro p e r a t i o n a n di n t e r n a le c o n o m i co p e r a t i o no fh y d r o p o w e rp l a n ta l ea n a l y z e du n d e rs u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e m , w h i c hm a k e st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ep r a c t i c eo fe c o n o m i c a b s t m c t o p e r a t i o no f h y d r o p o w e rp l a n t 3 ) d a m b a s eo f e c o n o m i co p e r a t i o no f h y d r o p o w e rp l a n t t h ed a t a b a s es t r u c t u r eo fe c o n o m i co p e r a t i o no fh y d r o p o w e r # a n ti sa n a l y z e d i ti s c l a r i f i e dt h a tt h ep r o c e s so fu s i n ga d om o d e lt od e v e l o pd a t a b a s ea p p l i c a t i o np r 0 掣锄s a n di ti sr e a l i z e dt h a tt h ee o m b i n a t i o mi n q u i r y , m o d i f i c a t i o na n ds t o r a g eo fe c o n o m i c o p e r a t i o no fh y d r o p o w e rp l a n td a t a b a s ee s t a b l i s h e du s i n gs q ls e r v e r , a n dp r 0 “d e sd a t a s u p p o r tf o re c o n o m i co p e r a t i o no f h y d r o p o w e rp l a n t 4 ) o b j e c td e s i g n i n go f e c o n o m i co p e r a t i o no f h y d r o p o w e rp l a n ta n di t sc o m a c c e s s i ti sd i s c u s s e dt h a to b j e c td e s i g n i n go f e c o n o m i co p e r a t i o no f h y d r o p o w e rp l a n ta n d d e s i g nt h o u g h to fi t sc o m a c c e s s e a c ho b j e c tm o d e lc a ns i n g l yc o m p u t ea n dr e a l i z ei t s f u n c t i o n , a l s oc a nr e a l i z ec o m p l i c a t e df u n c t i o nu s i n gt h e i ra c c e s s e s ，w h i c hi m p r o v e si t s r e l i a b i l i t y , s p r e a da n df l e x i b i l i t y 5 、c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne c o n o m i co p e r a t i o no fh y d r o p o w e rp l a n ta n d s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m t h ec o m m u n i c a t i o nm a n n e rb e t w e e ne c o n o m i co p e r a t i o no fh y d r o p o w e rp l a n ta n d s u p e r v i s o r yc o n l r o ls y s t e mi si n t r o d u c e da n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，d a t al i n e ， p r o g r a m m i n ga c c e s sa n dt h ep r a c t i c eo fd a t ae x c h a n g ea n dc o n t r o lo f f - n e t w o r ka r e a n a l y z e d t h ep a p e re s t a b l i s h e sf o u n d a t i o nf o rt h ed a t ae x c h a n g eb e t w e e ne c o n o m i c o p e r a t i o no f h y d r o p o w e rp l a n ta n ds u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：s u p e r v i s o r ya n dc o n t r o l m o d e l sa n ds o l v i n gm e t h o d sd a t a b a s e e c o n o m i c - o p e r a t i o n i n f o r m a t i o n - f l o wt h e o b j e c td e s i g n i n g c o m m u n i c a t i o n i i i 郑州大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 1 课题提出的背景及研究意义 随着我国国民经济的持续发展，对能源的需求不断增加，而能源的供应增长又 大大低于能源需求的增长，部分地区已经出现了由于能源供应不足而影响人民正常 生活和经济持续发展的现象。我国水能资源丰富，开发条件优越，因此，大力发展 水电是改善我国现有能源结构，实现西电东送、缓解东南沿海地区用电紧张问题的 最现实和最有效的途径，也是我国能源建设的一项重要措施【1 1 。同时在我国已开发 的能源中，由于利用率低，浪费很大，因水库调度不当，机组运行不合理或者一些 电站施工处理不善导致尾水位抬高等问题，造成了大量的水力资源浪费【2 】，因此解 决我国能源问题，除积极开发能源外，还必须节能。 水电站经济运行，是从电力系统安全、优质、经济发供电的目标出发，制定水 电站的最优运行方式，以一定的水电能源获取水电站最大发电量。根据国内外电站 运行经验，水库水电站优化调度与常规调度相比，可增加3 7 的效益，厂内经 济运行可增加1 3 的效益【3 j 。同时又随着电力体制的改革和市场化的推进，水电 走向市场，按照“公平、公正、公开”的原则参与竞价上网，将是水电发展的必然【4 】。“厂 网分开，竞价上网”的电力市场运营机制的实施，使发电企业成了竞争的主体。在 这种新形式下，发电企业只有挖掘一切可以挖掘的潜力，降低运行成本，才能在竞 争中处于有利地位。因此，开展水电站优化调度工作，充分挖掘水库的潜力、提高 水电站水库的运行管理水平，对增加水电站的收入，实现“工程水利”向“资源水利” 转变具有重要的现实意义。 但在我国已建成的水电站中，目前实现水电站经济运行功能的比重偏低，一方 面，重建轻管的思想依然存在，另一方面也有其技术上的原因。技术原因主要体现 在：一是水库调度研究由于径流预报精度问题进展缓慢，导致总体无法投入实际应 用。二是没有实测机组流量的仪器，而从模型特性曲线换算出来的机组运行特性曲 线与实际情况有出入，影响了计算的精度。三是水电站经济运行主要依赖其实时性， 传统的负荷分配等优化算法会出现“维数灾”，难以达到实时性要求。四是优化计算 为开环计算，当运行条件变化时，计算结果缺乏比较调整。这些都严重制约了水电 站经济运行功能的实施。 虽然存在诸多制约因素，但随着计算机技术、通信技术与测量技术的发展，水 电站微机监控系统技术日趋成熟，许多新建水电站和改造电站目前广泛采用了微机 监控系统。微机监控系统不仅具有常规自动控制功能，还能自动记录水电站的运行 郑州大学硕：t 毕业论文 参数及事故情况，具有实现和调度自动化系统连接的功能，是水电站控制系统的发展 趋势。与此同时，系统工程领域的先进优化方法也被引入水电站经济运行，加速了 水电站经济运行的发展，这些使其投入实际应用成为可能。可以预见，在市场运行 机制下，水电站经济运行必将获得广泛的应用前景。 因此，针对水电的发展趋势及存在的技术缺陷，运用最新的研究成果，研究在 微机监控下的水电经济运行，提高水电管理的科技含量，提高水电的运行效益，对 加强水库电站的管理和实现水资源的合理高效利用；加强水电站动态管理具有重要 理论意义和很强现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外水电站微机监控发展概况 从7 0 年代起，计算机监控在国外的一些水电厂上取得了实质性的进展，出现了 用计算机控制的水电站，最初，由于计算机比较昂贵，全厂只用一台计算机实现对 主要工况的监视和操作，通常不实现闭环调节控制。后来，随着计算机性能改善和 价格降低，出现了多台小型计算机实现闭环调节控制的水电厂，其代表是美国总装 机容量达6 1 5 0 m w 的大古力水电厂。随着高性能微机的出现，微机在水电厂监控系 统中得到普遍的应用。现在，新投入的水电厂大都采用由多台计算机构成的计算机 监控系统。世界各国的发展是不平衡的，目前还缺乏关于水电站实现计算机监控的 完整统计资料。就国家来说，美国、法国、日本和加拿大等国在这方面是比较领先 的【5 】。 我国的水电厂计算机监控系统的研制起步较早，早在7 0 年代末，原水电部就组 织了南京自动化研究所( 现为电力自动化研究所) 、长江流域规划办公室( 现为长 委会) 和华中工学院( 现为华中科大) 研究葛洲坝水电厂采用计算机监控系统问题。 随后，中国水利水电科学研究院自动化研究所开始了富春江水电厂计算机监控系统 的研制工作，天津电气传动研究所也开始了永定河梯级水电厂计算机监控系统的研 制工作。这些监控系统于8 0 年代末先后投入运行。同时，我国也引进了一些国外 研制的监控系统。如采用g a e 公司产品的葛洲坝大江电厂、隔河岩水电厂和龚嘴 的梯调；采用a b b 公司产品的潘家口、天生桥二级和二滩；采用依林公司产品的 小浪底等水电厂。 二十年来，国内的技术水平也有了很大的提高，许多新技术如分层分布处理、 分布式数据库、网络结构、多媒体和专家系统等都得到了相应的应用。电力自动化 研究所和水科院研究所还推出了自己的系列产品，不仅在国内水电厂得到广泛的应 2 郑州大学硕士毕业论文 用，还出口到国外。 1 2 2 国内外水电站经济运行发展概况 水电站经济运行是整个电力系统经济运行的一个重要组成部分。由于水电站所 具有的特点，决定了水电站的最优运行对整个电力系统的运行状况、电力电量平衡、 周波与电压控制、供电的可靠性和运行的经济性起着主导和巨大的作用。 水电站不仅是动力系统的一个有机组成部分，同时它又是水利系统的一个重要 环节，故其运行方式受综合利用部门的制约，由于水文、负荷及其他原始资料等因 素的影响，若从整个动力系统的角度出发来研究水电站的各种运行方式存在着相当 大的困难，通常根据具体的问题的性质把水电站经济运行研究按时间和空间划分为 若干个子问题或三种方式：厂内经济运行、短期经济运行和长期经济运行。 实现水电站短期优化运行和中长期优化运行的重要措施是水库短期和中长期 优化调度。e r i ep a r e n t 、c l a u d em i c h e l 等学者认为水库优化调度其实质包括两个部 分，一是水库入库径流的模拟预报，二是水库的水量优化调度；并且后者是建立在 前者的基础之上，径流预报的精确程度在很大程度上影响着水库实时优化调度的效 率与精度。 径流预报通常可分为短期预报和中长期预报。中长期径流预报，通常泛指预见 期超过流域最大汇流时间，且在三天以上、一年以内的预报。目前多以旬为时段， 短期预报一般指预见期在三天以内，多以1 5 m i n 、3 0 m i n 或l h 为时段。径流预报方 法可分为传统方法和新方法两大类。前者主要有成因分析和水文统计方法，后者主 要包括模糊分析、人工神经网络、灰色系统分析等方法。在我国8 0 年代初，陈守 煜 6 - 7 等在水利、水文、水资源与环境科学领域中进行了模糊集的应用研究，并将 模糊集分析与系统分析结合起来，形成了一个新的模糊随机系统分析体系，在1 9 9 7 年眵】又提出了中长期水文预报的综合分析理论模式与方法，该方法依据水文成因、 统计与模糊集分析相结合的研究方法论，提出考虑预报因子权重的中长期水文预报 综合分析理论模式与方法，为提高中长期水文预报的精度提供了一条新途径。 水库调度通常分为常规调度和优化调度两类。常规调度是以调度规则为依据， 利用径流调节理论和水能计算方法来确定满足水库既定任务的蓄洪过程。常规调度 虽然简单、直观，但调度结果不一定最优，而且不便于处理复杂的水库调度问题。 水库的水量优化调度则是一种建立以水库为中心的水利水电系统的目标函数，拟定 其应满足的约束条件，然后用最优化方法求解由目标函数和约束条件组成的系统方 程组，使目标函数取极值的水库控制运用方式。 在水库水量优化调度研究方面，主要是采用了动态规划、遗传算法、模糊集合、 模拟退火法、b p 神经网络以及将它们之间相结合的方法 9 - 2 1 】等，例如美国学者在肯 郑州大学硕士毕业论文 塔基州g r e e n 水库的优化调度应用了模糊集合和遗传算法相结合；b a y a z i t 和 d u r a n y i l d i z 应用动态规划法与渐次逼近的方法来解决动态规划中的“维数灾”问题； a t u r g e o n l 2 2 】成功地应用逐次逼近算法p o a 求解了梯级水电站水库的短期优化调 度问题；r o d r i g e oo l i v e i r a 2 3 将遗传算法应用与水库群优化调度系统，取得了良好 效果。 在我国，1 9 6 3 年谭维炎、黄守信等阱搬据动态规划与m a r k o v 过程理论，建立 了一个长期调节水电站水库的优化调度模型，并在狮子滩水电站的优化运行中得到 了应用；1 9 8 2 年张勇传等【2 5 】将变向探索法引入动态规划中，并研究了在水库优化调 度中的应用；1 9 8 3 年，吴信益率先把模糊数学方法引入水库调度领域，制定了乌 溪江水电站水库的模糊调度方案；谢新民和陈守煜等( 1 9 9 5 ) 1 2 6 1 利用大系统理论、 模糊数学规划理论和动态规划技术，研制出一种水电站水库群模糊优化调度模型与 目标协调一模糊规划法，该模型可以充分地考虑人的知识、经验和决策过程中所存 在的模糊性因素对水库调度的影响，并较好的解决了大规模水库群优化调度的计算 问题。 水电站厂内经济运行在短期经济运行的基础上，主要研究厂内水电站出力、流 量和水头平衡、机组的动力特性和动力指标、机组间负荷的合理分配、最优的运转 机组台数和机组的启动及开停机计划、机组的合理调节等。水电站厂内经济运行在 国外开展得比较早，早在二十世纪2 0 年代左右，等微增率方法的思想就己产生。 5 0 年代，国内外都进行了不少关于水电站厂内经济运行的理论研究工作，以等微 增率方法为代表的各种研究取得了不少成果。6 0 年代后，随着计算机的使用，美 国、日本、加拿大等都取得了一些成功的例子并提出了许多方法：等微增率法叫、 线性规划法闭、非线性规划澍2 9 】、动态规划法、模糊优化法等。此外，基于生物医 学和进化理论的神经网络方法、遗传基因方法【3 0 。3 1 1 ，在近十几年也得到了飞速发展。 1 2 3 水电厂经济运行在监控系统的应用概况 伴随着水电站经济运行算法的发展，运用现代控制理论将其运用于实际电站也 得到了发展，开发一大批自动控制设备及系统。 上世纪6 0 年代初，美国的一些电力公司利用数字计算机实现电力系统经济调 度，开始了计算机在调度中的应用。在1 9 6 5 年美国东北部大停电后，多数电力公 司意识到依靠远动装置在模拟盘上显示信息的方式已远不能满足复杂电网安全运 行的要求，将计算机应用于电力系统的调度中，不仅考虑到负荷分配的经济性也考 虑到整个电力系统的安全性。加拿大自二十世纪九十年代 3 2 - 3 3 】开始将经济运行功能 引入发电管理子系统( g e n e r a t i o nm a n a g e m e n ts u b s y s t e m ，g m s ) 中，使a g c ( 自 动发电控制) 成为水电站实时管理系统的一个重要组成部分【5 1 。由研究监控技术 4 郑州大学硕士毕业论文 发展起来的瑞士m c - - m o n i t o r i n gs a 公司【3 6 l 于二十世纪九十年代开始开发水电站 的模拟、分析与优化系统研究，其开发的r u n a i d4 0 系统可以为多台水轮机组分配 负荷、制定工作计划并实现实时操作。雅典的水电系统【3 。7 】于上世纪末期实现了水电 站参数的在线监控，根据水文资料、原始数据以及实际的参数情况，采用线性优化 和非线性优化的方法实现水电站系统的整体优化。新西兰z & mn u m e r i c s 公司【3 叼开 发的软件a l l o c a t e 可以根据负荷和机组情况进行优化计算，使得水电站在同样的出 库条件下，发电量最大。该软件采用动态规划( d p ) 方法实现。该公司的另一软件 m a x h y d r o 可以实现最多三个水电站的联合优化调度。 在国内，我国四大电网( 华北、华中、华东、东北网) 于2 0 世纪8 0 年代末从 美国西屋公司引进的电能管理系统w e s d a c 3 2 中首次引进了a g - c ( 包含经济负荷 分配) i s 。上世纪8 0 年代末【3 9 】葛洲坝电厂的计算机监控系统的研制成功成为我国 电厂计算机监控技术从无到有发展的一个重要里程碑，使我国一举成为具有百万千 瓦容量级水电厂计算机监控研制力量的国家。长江支流上的丹江口水电厂计算机监 控系统是继葛洲坝之后攀上另一高峰的工程。在国内首次成功应用了分层分布式计 算机监控系统及其它许多新技术，系统具有自动发电控制和自动电压控制的功能， 自动发电控制中包括了厂内经济运行的负荷分配的功能。南瑞自控公司【4 0 】采用开放 系统的研究始于1 9 9 0 年，居全国领先。葛洲坝二江电厂的新计算机监控系统即为 其首批开放系统之一，其a g e 中包括经济运行功能。 近些年来，随着监控技术和人工智能技术的日趋完善，国内外的许多机构都在 为经济运行的应用进行着不懈的努力。 1 3 课题主要研究内容 本文针对水电的发展趋势及存在的技术缺陷，运用最新的研究成果，研究在微 机监控平台下的水电经济运行的特征和实现。主要从以下几方面进行研究： 1 ) 微机监控下水电站经济运行系统体系结构及信息流 分析水电站计算机监视与控制系统的体系结构及信息流，论述在监控平台下水 电站经济运行应用系统结构及软硬件构成和信息流程，为水电站经济运行在监控平 台下实施制定框架。 2 ) 水电站经济运行模型及求解 分析在监控平台下制定水电站经济运行方案的径流预报、水库调度及厂内经济 运行所采用的数学模型和详细的求解方法，为经济运行方案的实施奠定理论基础。 3 ) 水电站经济运行数据库 分析水电站经济运行数据库结构形式，阐述运用a d o 对象模型进行数据库应 用程序开发的过程，实现对在s q l s e r v e r 中创立的经济运行数据库的连接、查询、 郑州大学硕士毕业论文 修改和存贮，为水电站经济运行提供了数据支持。 4 ) 水电站经济运行的对象化设计及其c o m 接口 论述水电站经济运行的对象化设计及其c o m 接口设计的思路，各对象模型既 可单独计算实现独自功能，也可通过各对象成员接口共同实现复杂功能，提高了系 统可靠性、扩展性及灵活性。 5 ) 水电站经济运行与微机监控系统的通信 介绍水电站经济运行与微机监控系统的数据通信方式，分析网络通信协议、数 据链路、编程接口及实现远程的数据交换和控制流程。为水电站经济运行与微机监 控系统的数据通信交换奠定基础。 1 4 本章小结 本章主要介绍了微机监控下的水电站经济运行的研究背景和意义与重要性，介 绍了水电厂微机监控及水电站经济运行的研究历史和现状，在这些基础上提出了本 文的主要研究内容。 6 郑州大学硕十毕业论文 第二章微机监控下水电站经济运行系统体系结构及信息流 随着计算机技术、通信技术与测量技术的发展，水电站微机监控系统技术日趋 成熟，许多新建水电站和改造电站目前都广泛采用了微机监控系统。微机监控系统 也成为水电站经济运行实现的基本平台，经济运行所需的机组运行工况等基本数据 通过系统采集、传输。水电站经济运行方案的实施也需通过监控系统接收进而控制、 调节机组流量和负荷加以实现。在水电站计算机监视与控制系统基本平台下，整个 系统的结构及信息流对微机监控下水电站经济运行的研究和实现具有着指导性的作 用，也是本章所要研究的主要内容。 2 1 水电站计算机监视与控制系统结构及信息流 2 1 1 水电站计算机监控结构 自2 0 世纪7 0 年代水电站采用计算机监控系统以来，其系统结构主要经历了集 中式监控、功能分散式监控( 功能横向分散) 和分层分布式监控三个过型5 1 。 集中式监控、功能分散式监控和分层分布式监控主要区别是不分层( 不设计算 机的现地控制级设备) 信息采集过于集中，系统可靠性较差，目前已经很少采用。 分层分布式监控系统在地域上是分散的，即按控制对象进行分散。水电站的控制对 象是水轮发电机组、开关站、公用设备、水工设施等。按控制对象设置单独的控制 单元，称作现地控制单元( l c u ) 、它们是由微机或可编程序控制器构成，组成了现 地控制级( 层) 。电站控制级( 层) 也设计算机，它负责一些全厂性功能。电厂控制 级本身也可以是一个功能分散的系统，由多台计算机组成。此时，某个机组发生故 障。只影响这一台机组，而不影响整个电站的运行。各台机组的信息由各台机组控 制单元处理，由于信息进行了分布处理，就不必敷设许多电缆信息送到一处集中处 理了。因此整个系统的可靠性得到显著的提高。d l t 5 0 6 5 - - 1 9 9 6 明确指出：“监控 系统宜采用分层分布式结构，分设负责全厂集中控制任务的电厂级及完成机组、开 关站和公用设备等监控任务的现地控制级”。 ( 1 ) 水电厂分层控制模型 经过多年的实践，对水电厂分层控制模型已经形成了比较一致的看法，其中有 代表性的是瑞典a b b 公司提出的一种划分方法。将水电厂分成四层：l 与现场设备 直接相连的驱动层；2 功能组控制层；3 机组控制层( 或过程控制层) ；4 电厂控制 层。它们之间的关系可用下图2 1 表示。 郑州大学硕十毕业论文 装置范围 图2 1 水电厂分层控制模型图 驱动层是水电厂控制中的最低层，与现场设备直接相连。它用于监视和控制 机组的各种驱动，如油泵、水泵、阀、断路器等。 功能组控制层是处于机组控制层与驱动层之间的一种自治性的自动控制子 系统。它一般用来实现某一特定的功能，如调速、调励磁、同步并列、机组停机时 的制动等，增加这一层的好处是，可以使机组控制层从繁琐的经常性工作中解脱出 来，因而使其控制程序得以简化。 机组控制层包括机组各种运行工况( 开机、停机、调相) 的转换、有功功率 和无功功率的调整、数据的采集和处理、运行参数的监测和报警、与上一层的信息 交换等。 电厂控制层是水电厂控制系统中的最高层，用于控制整个水电厂的运行。主 要任务是与上一级( 调度部门) 进行通信联系，向上发送有关的水电厂信息，并接 收上一级下达的各项控制命令，协调控制水电厂中各台机组的发电，并通过机组控 制层实现。 ( 2 ) 开放式分层分布系统特点 在以分布式数据库为特征的开放式分层分布系统中，网络上各节点不仅具有一 定的功能，而且在各节点上分布着与该节点功能相关的数据库。该系统中的厂级计 算机也只是网络上的一个节点，其数据库只是为了实现该节点对应的全厂统计、 a g c 、a v c 功能，而不是全厂唯一的总数据库。这样，网络上各节点之间可进行所 需的信息交换，而不再依赖厂级计算机。如操作员工作站可以在厂级计算机未投入 运行的情况下，从各现地控制单元采集数据、更新画面，也可以将运行人员在工作 站上下达的操作命令通过网络直接传到现地控制单元去执行，而不需厂级计算机转 发。 自动化复杂程度 郑州大学硕士毕业论文 2 1 2 计算机监控系统数据通信 水电厂内存在多种通信方式，计算机监控系统数据通信包括内部通信和外部通信 两大部分。监控系统内部通信主要是用来实现监控系统内部工作站、服务器、现地 控制单元等相互之间的通信，以及与微机调速系统、微机励磁系统、微机保护系统 等的通信。监控系统外部通信即国外常称的e d l ( e x t e r n a l d a t a l i n k ) ，主要用来与 上级调度系统、水情测报系统、水库调度系统等的通信。 根据水电站计算机监控系统的组成结构及设备的配置不同，水电站计算机监控系 统的通信方式也不同，常用的主要有点对点r s - - 2 3 2 c 串行通信方式、多级联r s - _ 4 8 5 串行通信方式、c a n 控制器局部网网络通信方式、l a n 局域网通信方式等。 监控系统的机组控制层与电厂控制层网络通信目前使用最广泛的是1 0 m b p s 和 1 0 0 m b p s 的以太网( e t h c m c t ) 。监控系统与微机调速系统、微机励磁系统、微机保 护系统等的通信曾经较广泛的使用串行口通信方式，如r s 2 3 2 c 或r s - 4 2 2 等。有 时监控系统为了与多套保护装置通信，常设置一台保护通信机，由保护通信机与多 个保护单元通信，再将保护信息送往监控系统。目前一种较新的方式是采用现场总 线，即将微机调速系统、微机励磁系统、微机保护系统等装置挂在现场总线上，通 过现场总线进行通信。 监控系统一种常用的网络通信如2 2 图。l c u 的保护、测量、温度巡检等装置 通过串行总线与p l c 通讯，实现数据交换，p l c 通过以太网接口直接接入系统，与 站控层进行数据交换，同时人机交互界面h m i 与p l c 对接，完成现地的监控功能。 图2 - 2 监控系统网络通信图 9 郑州大学硕士毕业论文 2 1 3 计算机监控系统数据库 对于水电厂监控系统而言，数据库存储的内容主要与被监控的对象的数据有关， 如监控系统的测点、设备、画面、监控系统配置、自动发电控制等数据。 当前水电站分布式计算机监控系统结构已成为主流，并广泛采用了分布式数据库 结构，既有主控层即电厂控制层的分布数据库，又有现地控制单元数据库。 ( 1 ) 电厂控制层的分布数据库 主控层按主计算机、工程师工作站、操作员工作站、网关( 路由器) 分别建立数 据库，除系统数据库和通信数据库外，按水电厂生产管理需要还需有实时数据库和 历史数据库等。 实时数据库是指具有实时特性，能支持实时控制系统的数据库，其一个重要的特 征是要满足系统对时间的要求和限制，是监控系统最重要最基本的组成部分，决定 着监控系统的性能和水平。它与配套的控制组态、数据分析等子系统一起，构成了 企业的实时数据平台，为面向大型的实时数据应用系统和企业上层管理分析系统提 供了基础，已经成为工业控制的核心。 水电站监控系统实时数据库通常由一系列的数据点( 记录) 所组成，每个数据点 又由若干字段( 即点名、点描述、若干点值和1 个标志值) 所组成；其中，点名和点描 述分别表示数据点的名称( 用英文字母和数字表示) 和功能属性( 功能文字说明) 。标志 值表明该数据点是否为人工设值、坏数据、禁止报警、禁止扫查或禁止操作。数据 点根据其性质分为开关量( 数字量) 、模拟量、脉冲量和计算量等。不同类型的数据点， 点值的个数和格式也不同。如开关量只有1 个值，以0 和1 表示。模拟量点可包括： 当前值、下限和上限等。 由于实时性等方面有较高的要求，与商用数据库的设计思想和目标不完全一样， 实时数据库通常是常驻内存，节省数据交换的时间，因此实时数据库一般不采用商 用数据库，而多数由相应公司自行开发。 历史数据库包括生产管理需要的各种类型报表和趋势显示的数据存储。多数系统 的历史数据库的存储是按分组进行的，不同的组可以支持不同的取样频率。 历史纪录是由实时数据库经历史数据处理而建立的，历史数据库一般存放在操作 员工作站的磁盘上，常常采用商用数据库。水电站监控系统常采用的有o r a c l e 、 s q l s e r v e r 、i n f o r m i x 和s y b a s e 等，其特点是功能强大，通用性好。 ( 2 ) 现地控制单元实时数据库 在分布式计算机监控系统中，现地控制单元实时数据库功能己迅速增强，不但有 本地控制单元的全部数据记录，能够保证该单元脱离系统独立运行，而且还是该现 地控制单元软件的中心环节，在数据库中还有各种功能模块或算法。 1 0 郑州大学硕士毕业论文 2 1 4 计算机监控系统信息流 监控系统利用i o 设备驱动，通过实时数据库与各类现场测控设备如p l c 、智能 仪表等设备交互通讯，读取现场设备点的采样数据值，并将用户设置输出写入响应 的设备点。同时监控系统通过它的数据库系统对连续变化的过程数据进行存储和检 索，作为人机界面的数据动态显示和更改，生产情况分析，生产数据汇总和统计的 依据和基础。信息流程如图2 3 。 i o 服务器 帕设备 用户界面 自由自 卫 萋l 石 南：崔库j n 数据缓工业以太网、现场总线等通 d d e 、o p c 存区信协议服务等 f o 管理 n 降采li 銎帮ii 鬈符f d c s p i 图2 3 监控系统信息流程 2 1 5 计算机监控系统组态软件及其组态过程 组态软件是数据采集监控系统s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 的软件平台，是工业应用软件家族的成员之。它具有丰富的设置选项、 郑州大学硕l 毕业论文 使用方式灵活、功能强大。最早的组态软件是在d o s 环境下工作的，具有简单的 人机界面( h m i ) 、图库、绘图工具箱等基本功能。随着w i n d o w s 操作系统的推广， 在w i n d o w s 环境下工作的组态软件逐渐取代d o s 环境下工作的组态软件成为主流。 同时由早期单一的人机界面向数据处理机的方向发展，管理的数据量越来越大。随 着组态软件及控制系统的不断发展，组态软件已经部分地和硬件发生分离。o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 的出现，现场总线技术及工业以太网的快速发展，极大 地简化了不同设备之间相互连接的问题，f o 驱动软件也逐渐向标准化发展。世界 上第一个将组态软件商品化的公司是美国的w o n d e r w a r e 公司，它在2 0 世纪8 0 年 代末就率先推出了第一个商品化的工业组态软件i n t o u c h 。在此之后，又有很多家公 司分别推出了自己的产品，比较著名的有美国i n t e l l u t i o n 公司的i f i x 、r o c k w e l l 公 司的r s v i e w 3 2 、i c o n i c s 公司的g e n e s i s 、德国西门子公司的