（水利水电工程专业论文）梯级电站闸门群远程监控系统的应用研究.pdf

摘要 论文题目：梯级电站闸门群远程监控系统 的应用研究 学科名称：水利水电工程 论文作者：申宏 指导教师：贾嵘副教授 企业导师：张龙奎高工 答辩日期：2 0 0 7 年4 月 摘要 研究方向：水利电力自动化 签名： 签名： 签名：弓涉参 挚 本文以梯级电站闸门群远程监控系统的研究、设计和应用为背景，对系统中所涉及到的多线程数 据采集、远程数据库的访问、基于w e b 的远方设备控制等技术进行了研究和探讨。 本系统构筑了梯级电站闸门群信息共享平台，并具有基于w e b 闸门群远程监控功能和丰富的图文 查询功能。论文运用中间件的设计思想，开发出了基于多线程数据采集技术的通讯中间支持软件，同 时解决了监控采集数据和w e b 系统之间数据共享和交互的问题；同时论文采用a s p 、w e b 数据库访问等 技术，实现了远程客户对实时数据的可视化查询和监视，并通过运用模糊p i d 解决了液压闸门控制中 的双液压缸的同步控制问题。 最后结合论文研究的具体实例，开发出了具有开放、易操作、易扩充的基于b s 结构的闸门群远 程监控系统。该系统为及时了解生产运行信息提供了重要途径，实现了跨平台、跨地域的信息发布和 共享。 关键词：闸门远程监控系统、w e b 数据库、多线程数据采集、模糊p i d a b s t r a c t s u b j e c t ：t h ea p p l l c a t i o n sa n dr e s e a r c ho fr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e mo fg a t eg r o u po fc a s c a d e s t a t l o n m a j o r ：w a t e rr e s o u r c ea n dh y d r o e l e c t r i ce n g i n e e r i n g a u t h o r ：s h e nh o n g a c a d e m i ca d v i s o r ：j i ar o n g s i g n a t u r e ：s k 乞吵 s i g n a t u r e ： e n t e r p r i s ea d v i s o r ：z h a n gl o n g k u i s i g n a t u r e ： d a t af o ro r a ld e f e n c e ：a p r i l2 0 0 7 a b s t r a c t u n d e rt h eb a c k g r o u n do ft h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fg a t eg r o u po f c a s c a d es t a t i o n , t h i sp a p e rd e a l sw i t hm u l t i t h r e a d i n gd a t aa c q u i s i t i o n ，r e m o t ed a t a b a s ea c c e s s ，w e b b a s e d r e m o t ee q u i p m e n tc o n t r o lo f t h es y s t e m e t c t h es y s t e mb u i l d s t h ei n f o r m a t i o ns h a r i n gp l a t f o r mo fg a t eg r o u po fc a s c a d es t a t i o n ，a n dh a st h e w e b - b a s e dr a m o t em o n i t o r i n gf u n c t i o na n dr i c hg r a p h i c sf u n c t i o n u s i n gm i d d l e w a r et e c h n o l o g y , t h i sp a p e r d e s i g n sa n dd e v e l o p st h ei n t e r m e d i a t es u p p o r ts o t h c a r ef o rc o m m u n i c a t i o nb a s e do l lt h em u l t i t h r e a d i n gd a t a a c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y , a n ds o l v e sd a t aa c q u i s i t i o nf o rc o n t r o l l i n gs y s t e ma n dd a t as h a r i n ga n di n t e r a c t i o n a m o n gw e bs y s t e m s ；m e a n w h i l ea d o p t i n gt h et e c h n o l o g ys u c ha sa s p , w e bd a t a b a s e ，t h es y s t e mr e a l i z e sa l o n g - d i s t a n c ec u s t o m e rv i s u a l i z a t i o ni n q u i r i e sa n ds u r v e i l l a n c eo f r e a l - t i m ed a t a ；a l t h r o u g ht h eu s eo f f u z z y p i d ，t h i ss y s t e mr e s o l v e st h es y n c h r o n o u sc o n t r o lo f t h et w oh y d r a u l i cc y l i n d e r si nh y d r a u l i cg a t ec o n t r 0 1 f i n a l l y , i n t e g r a t i n gs p e c i f i ce x a m p l e s ，t h i st h e s i sd e v e l o p sa no p e n ，e a s yt oo p e r a t e ，e a s ye x p a n s i o no f t h eb s b a s e dr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fg a t eg r o u p t h es y s t e mp r o v i d e sa ni m p o r t a n tm e a n st ot i m e l y o p e r a t et h ei n f o r m a t i o no fp r o d u c t i o n , a n da c h i e v e sag l o s s - p l a t f o r m ，g l o s s z o n ei n f o r m a t i o ns h a r i n ga n d i s s u i n g k e y w o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo f g a t e ，w e bd a t a b a s e 、m u h i t h r e a d i n gd a t aa c q u i s i t i o n ，f u z z yp i d 2 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：、勉年月日 学位论文使用授权声明 本人2 匕雹在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申清博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：导师签名：毯年月日导师签名：超塑基年月日 1 综述 1 霉亲i 术 1 1 研究的目的及意义 近年来，随着国民经济及科学技术的进一步发展，我国的水电建设也取得了突飞猛进 的发展。随着我国水电设计、制造、安装和运行技术水平的逐步提高，水电机组装机容量 年增长率达1 0 以上。从1 9 8 0 年到2 0 0 0 年我国的水电站装机容量增加了4 倍，总装机容 量达到8 0 1 0 6 千瓦。到2 0 0 5 年计划达到9 5 l0 6 千瓦，到2 0 1 0 年计划达到1 2 5 1 0 8 千 瓦，到2 0 1 5 年计划达到1 5 0 1 0 6 千瓦。世界水电站年总发电量为5 0 0 0 亿千瓦时，其中 我国占2 0 0 0 亿千瓦时“1 。说明我国水电已经跨入了世界大电厂、大机组运行的行列，水 电生产运行管理也将稳步提高到一个新的水平。随着水电事业的不断发展和科学技术的不 断进步，水电在电力系统中的地位、作用及效益也日益突出。我国水电建设的发展不仅为 国民经济建设的持续发展提供了廉价的电力，而且为电网的安全、经济、稳定运行发挥了 巨大作用。 水库大坝等水电工程具有防洪、发电、航运等巨大的综合效益，其运行涉及社会的诸 多方面，对社会具有很大影响。其科学管理就越来越显示其重要性和必要性，尤其是在我 国水资源并不充裕的情况下，水资源必然成为国民经济发展及人民生活水平提高的制约因 素。合理高效利用现有水资源，进一步发挥水电工程效益，提高设备的自动化水平，保证 调度的准确性和可靠性，已成为当前的迫切任务。 伴随着水库大坝建设的迅速发展，对设备自动化水平的要求也越来越高，为了适应发 展的需要，提高设备安全运行和自动化水平，改变我国用人多、效率低的落后局面，加快 设备的技术改造，尽快实现无人值班( 少人值守) 的要求日趋迫切。而实施建立梯级电站 闸门群远程监控系统是提高设备安全、可靠、经济运行，保证供电质量，实现无人值班的 必要条件，因而利用现代高新技术开发梯级电站闸门群远程监控系统便具有现实的必要 性。建立梯级电站闸门群远程监控系统的意义如下： 一个河流梯级往往有多个电站，各级电站相隔的距离较远，厂区地域比较分散，战线 拉得较长，信息不畅，而整个梯级都受到上游来水的影响、下游梯级都受到上游水库调节 能力的制约、下一梯级受到上一梯级运行工况的制约；这就使生产指挥受到种种限制，运 行调度受到制约；即涉及利税分配、水量分配、防洪安全、环境影响等多方面问题；因此 在梯级电站闸门群实行远程集中监控系统的前提下实施梯级水量优化调度，再进行电站和 机组间的优化调度和负荷分配，才能使水能资源利用最充分、最合理，机组设备的利用效 率最高； 由于梯级电站运行时要彼此受到制约和影响，因此，各梯级电站之自j 的安全也息息相 关。特别是在泄洪抗灾等危急时刻的操作方式。这也是梯级电站管理中的特殊而重要的问 题；闸门群计算机远程集中监控系统在泄洪抗灾、水利发电等方面具有不可替代的作用。 在发生洪水时，水位数据变化大，变化很迅速，此时靠人工的手段是很难跟踪这些数据变 西安理工大学工程硕士学位论文 化的。而且此时也要求快速准确的对闸门实现精确控制，这也是手工操作所做不到的。在 水利发电中，为了保证水利发电的可靠性，提高发电的质量，更离不开对闸门的实时监控； 通过闸门数据的远程集中监控，可以实时跟踪、监控梯级电站闸门开度、水位高度等 数据，为合理调度提供第一手数据资料。根据闸门上、下游水位高度，以及闸门的当前开 度，再根据调度的具体需求，从而确定出当前闸门的具体控制方案。上游水位高了，而此 时上游的用水量也呈现增长趋势，那么此时不要急于提升闸门，而要等到上游用水量需求 趋减，而下游需求呈现增加趋势时，则可以考虑提升闸门：当下降闸门时，情况与上述相 反。因此，通过闸门远程监控系统，可以及时掌握闸门、水位等实时数据，为水资源调度、 电站安全高效运行提供第一手数据； 由于梯级水电厂大都地处偏僻山区，地理位置偏僻，远离城市，交通不便，文化设施 较差，生活单调，大批水电职工长期处在生活及工作条件较差的环境之中。随着人民生活 水平的提高，人们对生活质量的要求也提高了，相应出现了一系列尖锐的社会问题。采用 闸门计算机监控系统可以为我们节省大量的人力，物力，财力。过去在水库大坝闸门调度 中，手工操作即费时，又费力，而且达不到良好的控制效果，使用计算机监控系统后，我 们可以在远离现场的控制室里，对闸门，水位的各项数据进行实时记录，以及实现对闸门 的实时控制。采用闸门计算机监控系统大大减轻了运行人员的劳动强度，满足目前少人值 班的要求。 以上各点说明，建立梯级电站闸门群远程监控系统实现整个梯级闸门的统一调度，便 于合理利用水力资源，提高水能利用率，同时是实现我国水电厂自动化的重要措施，它不 仅可以大大提高水电厂闸门调度的自动控制能力、减轻运行人员的劳动强度、减少值班人 数，并可获得较大的经济效益。并为提高电厂及电网的管理水平提供良好条件。 1 2 国内外相关技术研究现状 闸门监控系统实际上是工业自动控制系统在闸门控制上的特例。因此，闸门监控系统 的发展始终追随工业自动控制系统的发展。 1 2 1 自动控制系统的发展 自动控制系统大致经历了从集中式控制系统、集教控制系统、分布式控制系统、全开 放分布式控制系统和基于i n t e r n e t i n t r a n e t 分布式网络控制系统等阶段。 a 集中控制系统 。 集中式控制系统，简称c c s ( c e n t r a l i s e dc o n t r o ls y s t e m ) 。随着生产规模不断扩大， 对自动化的要求也就越来越高，因而在五、六十年代就出现了单元组合仪表，采用模拟技 术和古典控制理论，实现生产过程的集中控制。由于电子计算机的发展及其在工业上的应 用，人们从六十年代开始探索用计算机实现生产过程集中控制的方案，只是由于这种方案 投资高、风险大、可靠性没有保证，所以只在部分领域获得应用，无法在生产过程自动化 领域普遍推广应用。 l 综述 8 0 年代初期，当计算机控制系统用于控制自动化领域时，多使用以单板机组成的计 算机控制装罱，与远程监控系统连接多采用串行通讯方式，所有模件集中布置在一个或几 个机柜中。由这些装置构成的系统多为集中式控制系统或分层控制系统。这种系统为我国 控制自动化控制系统发挥了重要作用，其开拓性的实践是今天控制系统丰富多彩的基础。 但是，这类系统技术上已经落后，不符合控制系统分布、开放的发展趋势。 b 集散控制系统 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 是7 0 年代中期发展起来的新型数字 控制系统，并一直处于发展之中，今天d c s 已步入第三代。它是4 c 技术即计算机 ( c o m p u t e r ) 技术、控制( c o n t r 0 1 ) 技术、通讯( c o m m u n i c a t i o n ) 技术、图形显示( c r t ) 技术相结合的产物，随着技术的发展，它又结合了信息( c o r r e s p o n d e n c e ) 管理技术，目 前的d c s 是完成过程控制和信息管理的现代化的装置( 即5 c 技术) 。它的发展一方面受 5 c 技术的影响，另一方面又受到生产过程控制和管理要求的驱动。工业应用的需求是其 发展的源动力。 - 集散控制系统最基本的特征就是实现了系统的分散控制和集中管理，它以高可靠性和 完善的控制管理功能代替了大部分原有的常规仪表控制系统。但是，封闭的、各制造厂家 自成体系的第二代d c s 已远不能满足当今用户的需求，同时由于计算机技术的开放模式 和集成技术对d c s 应用和发展的影响，促使d c s 向集成化、综合化、智能化方向发展。 c 分布式控制系统 集中式控制系统和集散式控制系统都有一些共同的缺点，那就是随着现场设备的增 加，系统布线十分复杂，成本大大提高，以及系统的抗干扰性差、灵活性不够、扩展不方 便等。为了从根本上解决这些问题，必须采用分布式控制系统来取代独立控制系统。分布 式控制系统就是将控制功能下放到现场节点，不需要一个中央控制单元来集中控制和操 作，通过智能现场设备来完成控制和通讯任务。 分布式控制系统按使用的网络分为分布式现场总线控制系统和分布式网络控制系统。 ( 1 ) 分布式现场总线控制系统 分布式现场总线控制系统，简称d f c s ( d i s t r i b u t e df i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。现 场总线是连接智能化现场设备和控制室自动化系统的数字式、全分散、双向传输、多分枝 结构的通讯网络。其主要有以下特点：采用分布式智能现场设备：现场设备与通讯线直 接连结：采用开放式系统和现场设备互连：一般采用总线型拓扑结构。 ( 2 )分布式网络控制系统 分布式网络控制系统，简称d n c s ( d i s t r i b u t e dn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ) 。现场总 线控制系统尽管能够解决独立控制系统存在的问题，但是它在网络的可扩展性、网络拓扑 结构和通讯媒介的使用方面都要受到限制，而分布式网络控制系统可以方便地解决这些 问题。分布式网络控制系统主要有以下特点：混合的通讯媒介，可以使用双绞线、电 力线、光纤、无线电射频、红外线和同轴电缆等等：更好、更完全地实现了o s i7 层 西安理工大学工程硕士学位论文 模型，大大提高了网络的可靠性：可以采用星形、总线形和环形的任一种或多种网络拓 扑结构：界面友好的软件和开发工具。 d 全开放分布控制系统 开放性无疑将是现代控制系统的重要特征。开放就是技术和标准面向全世界开放，从 总线标准、产品试验、成品检验到信息发布都是平等、公开地面向所有制造商和用户，这 些标准和技术无需许可证就可以自由获得，并由许多供应商所支持。统一的通讯协议和组 态方式使不同厂家的产品可互连、互换和互操作，数据连接和硬、软件可移植性的组合。 全开放分布控制系统，就是在分布控制系统的基础上增加了系统的全开放性，使得系 统可以很方便的添加不同厂家生产的不同协议的设备，彻底改变了传统的控制系统的封闭 性、专用性，实现了具有真正意义的开放。 e 基于ln t e r n e t ln t r a n e t 分布式网络控制系统 由上所述，采用分布式现场总线控制系统和分布式网络控制系统，较好地解决了自 动控制的两大基本问题，即现场设备的实时控制和现场信号的网络通讯。这为实现基于 i n t e r n e t i n t r a n e t 分布式网络控制系统奠定了现场级技术基础。同时。i n t e r n e t i n t r a n e t 技术的应用越来越广泛，技术本身也越来越成熟，这又为实现基于i n t e r n e t i n t r a n e t 分布式网络控制系统提供了宏观信息平台。 由于分布式现场总线控制系统具有开放性、网络化的特点，将它与 i n t r a n e t i n t e r n e t 技术相结合就切实可行。目前有很多企业已经采用某一种现场总线做 为现场控制网络，同时也实现了i n t r a n e t 技术，因此采用这种方案硬件投资小、技术成熟， 是当前比较优秀的解决方案。 在该系统中，公共网络基础平台提供基本的网络服务、管理网络变量地址和设备参数 等网络数据，公共网络基础平台能被现场总线的网络所共享：网络应用对象平台管理网络 服务对象，这些对象主要有网络数据库a p i 、应用程序编译工具、网络协议分析a p i 等，网 络应用对象平台通过一个对象连接和可嵌入接口( o l e ) 实现与现场总线控制平台接口：现 场总线控制平台就是一个用于完成现场控制任务的现场总线控制系统，包括各种应用程序 如用户界面程序、系统安装、维护和诊断程序等；w w w 导航系统就是利用诸如 m i c r o s o f t a c t i v e x 、c g i 、j a v a a p p l e t 等工具将现场被控对象的工作状态和实时数据与w w w 结合起来，实现在i n t r a n e t 上用户可以通过w w w 导航系统远程监控现场的工作和生产状况 并及时调整控制系统。 总之，基于i n t e r n e t i n t r a n e t 的分布式网络控制系统就是将自动控制技术和 i n t e r n e t i n t r a n e t 技术相结合，使控制系统网络和i n t e r n e t i n t r a n e t 网络互连， 从而实现现场控制信息在i n t e r n e t i n t r a n e t 上实时共享和在i n t e r n e t i n t r a n e t 上 对现场设备功能的在线编程。i n t r a n e t 作为i n t e r n e t 技术在企业内部的应用，为企业内 部管理和信息交流提供了一个十分完善的技术方案，已成为连接企业内部各部门并与外 界交流信息的重要基础设施。因此，将控制技术和i n t e r n e t i n t r a n e t 技术相结合，构 1 综述 成基于i n t e r n e t i n t r a n e t 的分布式网络控制系统，就能实现现场微观控制和企业宏观 决策的一体化，为工业控制和企业管理决策带来一种全新的模式：将会成为促进企业发展 的又一巨大技术基础。同时，将工业控制技术和i n t e r n e t 技术结合，将会大大促进控制 技术的发展和加快信息时代的步伐，该技术在实践上将能解决远程实时控制等已经遇到 和将要遇到的诸多技术难题；在理论上将大大促进控制技术、计算机技术和通讯技术等多 学科的交叉发展。 因此基于i n t e r n e t i n t r a n e t 分布式网络控制系统将使控制技术进入一个全新的阶 段。也将是未来控制系统的发展方向。 1 2 2 闸门控制系统的现状 在2 0 世纪7 0 年代，限于技术和设备的制造水平，水电站枢纽闸门控制多采用早期的 继电器硬件回路构成的常规手动控制，安全性和可靠性不高。 自2 0 世纪8 0 年代起随着计算机技术的发展，计算机技术己成为水电站监控系统的主 要手段，但其结构类似于常现自动控制系统，即把常规自动控制系统的某些功能单元用计 算机来代替，计算机控制系统的功能基本上与常规控制系统相同，控制模式也类同常规自 动控制系统，基本上由各个功能单元的计算机控制系统构成整个水电站的计算机控制系 统。各功能单元之问的数据通讯基本上没有，计算机功能单元之间的协调工作采用硬件接 口。计算机控制系统与常规自动控制系统相比，集成度虽然大大提高了，但还不是最高。 随着计算机技术、通讯技术、网络技术、人工智能技术的迅猛发展，现在水力发电厂 中，特别是在大、中型水电厂都实现了生产过程计算机监控。许多小型水电厂也逐步在完 成监控系统的技术改造。实现生产过程计算机监控以后，计算机系统真正取代了原来完全 由运行人员担任的绝大部分工作。采用计算机监控系统对生产过程进行控制大大提高主设 备的运行可靠性和运行管理水平。 但目前，在我国许多中小型水电厂中，闸门控制系统还是采用常规现地控制的方式运 行，只是将早期由继电器构成的硬件回路改为由可编程控制器组成的集成控制。但各功能 单元之问的数据通讯基本上还是没有提供。 国外发达国家的水电站枢纽闸门计算机控制起步较早，技术领先，像美国s t s 水电咨 询公司在8 0 年代初期就在小水电站实现了“四遥”功能。目前发达国家己经普遍实现了 中小水电站自动化，水电站枢纽闸门集中监控，自动经济运行，水情信息测报，基础自动 化比较完善，运行可靠，中小水电站的安全经济运行达到了很高的水平，普遍实现了少人 或无人值守。 目前的水电站( 厂) 生产过程计算机监控为分布控制系统，一般分为两个控制层，控 制过程的末端是由分布在电站各个部位的功能控制单元组成的现地单元级控制层，它由不 同的项目组的控制功能组成，例如，水轮机，发电机等。电站级控制层由监测控制、人一 机一通讯和远程控制等构成。高速通讯网络将现地单元级控制层和电站级控制层连在一起， 西安理工大学工程硕士学位论文 保证各控制单元之间能有效地传送数据。欧洲和北美洲水电发达的国家，如瑞典、法国、 芬兰、美国、加拿大等国的中小水电站的控制大多沿用这种方法。 1 。2 3 闸门控制系统的发展趋势 进入2 l 世纪后，由于网络技术的飞速发展以及现场总线技术的应用，为水库大坝实现 信息集成、远方无人职守、少人值班创造了条件。在生产现场的测量控制设备之间构成了 底层控制网络，在完成生产现场测量控制任务的同时，提供生产过程与设备的各种信息，并 把网络化、信息化的概念引入工业控制领域中，为闸门构建全面的控制网络和信息网络提 供了基础条件。 为了适应无人值班少人职守的要求，建立基于i n t e r n e t i n t r a n e t 分布式网络的远 程闸门计算机监控系统已成为一个必然趋势。远程闸门监控计算机系统，不仅可以实现无 人值守监控，而且为经营管理的决策工作提供及时、全面、准确的信息资源，为真正实现实 时决策奠定了基础。通过i n t e r n e t i n t r a n e t 分布式网络，闸门管理人员在任何地方都能 够掌握闸门的实时生产情况，下达生产指令，甚至对某些参数进行调控。 因此，采用现代计算机控制技术、通讯技术、网络技术对梯级电站闸门群实行远程集 中监控运行，为实现水电站( 厂) 现地“无人值班”( 少人值守) 提供条件，尤为重要。 1 3 研究内容 本课题研究的是梯级电站闸门群远程监控系统应用研究，有关梯级电站如何设计以及 如何管理、具体的调度方案将不在本次研究的范围之内。 为了适应当前计算机监控系统的技术发展趋势，本系统以不断成熟和普及的网络技术 以及微软的n e t 开发平台为技术支撑，基于微软的d n a ( d i s t r i b u t e dn e t w o r k a p p l i c a t i o n s ) 架构的c s ( c l i e n t s e r v e r ) 和b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 相结合的结构实 现。通过本监控系统达到闸门前后水位、闸门工情、图像信息自动化采集与传输，达到能 够在监控中心远程控制闸门起闭以及闸门自动控制；通过实时图像可以直观了解闸门的运 行工况以及周围环境。开发一个无论在什么操作平台上的用户，只需通过相同的人机界面， 轻点文本及图像便可获得梯级电站闸门群运行的信息；充分开发利用和共享水电厂信息资 源，使得维护人员、调度人员和领导在厂内p c 联网的地方，甚至于在任何地点经网络接 入后能方便和直观地及时了解闸门群运行过程信息，掌握闸门运行的总体情况。为实现水 电厂“无人值班”( 少人值守) 的目标和提高水电厂综合自动化程度的提供条件。本课题 研究内容包括以下几个部分。 1 3 1 系统总体结构的设计 系统结构可按照如下五层考虑实现： 1 ) 集中调度控制中心层 2 ) 梯级通讯网络层 l 综述 3 ) 电站级中央控制层 4 ) 现场通讯网络层 5 ) 现场控制单元层 1 3 2 闸门现地控制单元l c u 的设计 1 ) l c u 硬件选型 控制、测量部件的选型( p l c 、开度传感器) 动力部件的选型( 断路器、接触器、软启动器) 2 ) l c u 软件设计 闸门顺控( 开闸门、关闸门、事故报警) ； 左右纠偏等p i d 算法的设计。 3 ) 现地通讯网络的设计 现地控制单元同电站级工作站通讯采用现场总线、工业以太网等方式进行。 1 3 3 梯级通讯网络系统结构的设计 一个河流梯级往往有多个电站，各级电站相隔的距离较远，厂区地域比较分散，战线 拉得较长，信息不畅，这就使生产指挥受到种种限制，运行调度受到制约，故整个系统的 网络通讯问题的解决尤为重要。 由于当前通讯技术的高速发展，对于较远距离通讯传输现在多采用直接光纤连接，铺 设光纤，并组成光纤以太网的方式实现远距离通讯。 但对于铺设光纤不方便的电站，可采用租赁电信等部门已经架设好的s d h ( 同步数字 序列) 或a d s l ( 非对称数字用户线路) 等方式亦可实现系统网络通讯的问题。 1 3 4 集中调度控制中心业务应用及数据库的设计 后台数据库是系统的数据支撑层。数据数据库的设计是建设应用系统的核心和基础， 它要求对于指定的应用环境，构造出较优的数据库模式，建立起数据库应用系统，并使系 统能有效地存储数据，满足用户的各种应用需求。 在以上研究内容中，将在甘肃张掖龙首一西流水梯级电站实际工程加以应用。 西安理工大学工程硕士学位论文 2 总体设计 闸门综合自动化监控信息系统是一个跨流域、跨地区的大型分布式系统，该系统的特 点是软硬件环境复杂、多种网络协议共存、共享多种数据资源、一致的用户界面、易于和 其它系统互联、足够的开放性等。一般选用c s + b s 的构架模式是组建该类应用系统是 最好的选择。 2 1 系统结构与组成 2 1 1 系统总体结构 系统总体结构如下图所示。 p印审 缺中集中调腰控翻中心 芳一 、 电站中央控制童 固 移 掣 划 南杆二袖南莳：1 1 ：一南 嚆司一。医j卜叠jl 慧ji 翟j l c u ll c u - 2l c u n 、梯级电站n， 图2 - i 系统结构图 f i g 2 - lt h ef r a m e w o r ko fs y s t e m 为表述方便，本文以单个电站系统结构加以论述，梯级电站结构为在单个电站的基础 上结合成熟的通讯技术加以扩展即可。 系统采用符合国际开放系统标准的开放分层分布式系统结构，保证系统中选用不同设 2 总体设计 备时的互操作性，系统扩展和设备更新时的可移植性。此外，系统用开发环境、用户接口 环境和系统互连环境均符合国际开放系统组织推荐的开放环境规范。系统总体结构如下图 图2 - 2 系统体系结构l 璺i f i g 2 - 2t h ef r a m e w o r ko fs y s t e m 在中小型的闸门监控系统中，通常采用由上位机系统( 主控级) 及现地控制单元( l c u ) 组成的分层分布式控制系统。 主控级采用双机互为热备用方式，通讯网络采用单总线以太网，真正做到了“控制分 散，信息集中”，其中某处设备出现故障时，并不影响其他设备的正常运行，在硬件上确 保整个系统简单、安全、可靠。一般主控级设有多套操作员工作站，每套操作员工作站由 计算机、外围设备以及不间断电源( u p s ) 等组成。操作员可通过操作员工作站上的显示 器、标准键盘和鼠标等，对监控对象进行控制。主控级所有的设备均布置在坝顶控制楼内 的闸门控制室。 现地控制单元( l c u ) 采用以可编程逻辑控制器为基础的控制装置，并布置在启闭机 旁。一般，这些l c u 根据闸门的不同地理位置，需要分成多组，每组l c u 通过工控机与通 讯网相联，实现与主控级的通讯。闸门控制系统主控级与现地控制单元之间通过单总线网 络进行通讯，另外还设有与其他监控系统之间的通讯接口，以便与其他监控系统进行数据 交换。现地控制装置与闸门启闭机同时安装、调试和投运。 9 西安理工大学工程硕士学位论丈 2 1 2 结构组成 a 主控制级 主控制级配置于监控中心，一般包括软件及硬件两部分。 ( 1 ) 主控制级为闸门监控系统的实时监控中心，其软件主要负责闸门的自动化功能 ( 包括安全监视、控制操作等) 、历史数据处理( 包括运行报表、设备档案、运行参数等) 、 人机对话( 包括对闸门设备的监视、事故和故障报警，对运行设备的人工干预及监控系统 各种参数的修改和设置等) 及时钟同步等具体功能的实现。 ( 2 ) 主控制级硬件放置于中央控制室中，一般配置如下： 一般配一台主计算机兼操作员工作站便可完成所有监控工作。 特殊重要场合可配置两台主计算机，采用双机冗余配置热备用工作方式。正常情 况一台工作，一台备用，主计算机故障，则由备用计算机接替。自动完成双机无 扰动切换。 此外，还应配置网络设备，同步时钟，语音报警装置，中文打印机等设备。 还可选配通讯服务器，同时配置工程师培训工作站，厂长总工程师终端等设 备 b 现地控制级 现地控制级由位于闸门控制现场的各现地控制单元( l c u ) 组成。每一套现地控制单 元能对所管辖的闸门控制设备进行完善的监控，它们经过输入、输出接口与相关设备相连； 现地控制单元对主控级有相对独立性，它们能脱离主控级直接完成生产过程的实时数据采 集及预处理、单元设备状态监视、调整和控制等功能。 c 现场通讯网络 现场通讯网络是连接主控级及各现场控制单元的现场通讯总线。现地控制单元通过通 讯接口到现场通讯网络总线上，与主控级交换信息，同时现地控制单元彼此问亦可通过现 场通讯网络交换信息。 d 主要设备配置说明 ( 1 ) 主控级计算机兼操作员工作站 通常情况下配置一台主计算机兼操作员工作站，特殊情况可采用双机冗余配置热备用 工作方式。正常情况一台工作，一台备用，主计算机故障，则由备用计算机接替。自动完 成双机无扰动切换。 主控级计算机功能包括对整个系统计算机监控系统的管理，数据库管理，在线及离线 计算功能，各图表、曲线的生成，事故故障信号的分析处理等。 主控级计算机同时供运行值班人员使用，具有图形显示、运行监视和控制功能、发操 作控制命令、作定值修改、设定与变更工作方式等功能。所有的操作控制都可以通过鼠标 器及键盘而实现；通过c r t 可以对生产、设备运行作实时监视，并取得所需的各种信息。 ( 2 ) 主控制台 1 0 2 总体设计 提供1 套四席运行人员主控制台，每席装1 台c r t ，1 套通用键盘和鼠标器以及必需 的配电盒、小型断路器、指示灯等。主控制台能为工业电视、调度操作等其它系统提供必 须的放置位置，还具有值班运行记录的工作空间，所有设备统一布置，美观大方、合理， 便于运行人员的操作。满足电站的需要。 ( 3 ) 通讯服务器( 选配) 可选配通讯服务器，有多个串行口。可用于计算机系统与上级调度部门通讯专用( 远 期用) 、以及用于连接打印机和其他需与本系统通讯的设备、管理的m i s 系统、水情系统 等的通讯。通讯规约和要求待具体实施时确定。 ( 4 ) 工程师培训站( 选配) 工程师培训站采用与主控计算机相同的工业级微机，构成一台单席控制台与主控制 台相似，可模拟主控制台的各种监控操作，供运行操作人员培训用，并兼作离线软件开发 和建立新显示画面，修改图表和记录、操作方式等功能。必要时可作主控制台的备用。 ( 5 ) 厂长总工程师终端( 选配) 。 厂长总工程师终端采用工业级微机、配有全图形彩色显示器、键盘、鼠标器。装于 办公楼厂长总工程师终端室，供厂长、总工程师了解设备的运行情况。 ( 6 ) 时钟系统 系统提供一套高精度的时钟系统，时钟系统以每天计时( 时、分、秒) ，时钟误差为二 十四小时不超0 0 0 2 s 。时钟系统能与卫星的标准时间同步。 时钟系统中卫星同步时钟能接收卫星时钟信息，并使主控级和l c u 时钟与卫星时钟同 步，时钟精度满足事件顺序记录分辨率的要求。 ( 7 ) 语音系统 系统提供一套联结在局部区域网络上的语音系统，该系统作为监控系统的一部分，可 以对故障和事故设备发语音告警信号。用中国普通话，具有完整的调音和测试功能。 ( 8 ) 打印机 系统配置汉字激光打印机作各种信息及报表打印用，根据运行经验，推荐以召唤打印 为主、定时打印为辅的方法。系统还具备音响、语音报警功能。 ( 9 ) 现地控制单元l c u 现地控制单元l c u 具有智能型和可编程能力及顺控功能。l c u 由控制系统及动力系统 组成。主要完成闸门控制现场的设备控制及相关数据的采集、数据预处理、同主控级计算 机通讯等功能。 ( 1 0 ) 不停电电源( u p s ) 本主控级计算机系统电源采用在线式不停电电源装鼍( u p s ) 供电。u p s 装置包括旁路 回路，当u p s 系统故障退出时，旁路将承担所有的负载，其设计能连续承载1 2 5 的系统 负载。 ( 1 1 ) 机柜 西安理工大学工程硕士学位论文 监控系统现地控制单元设备所使用机柜适合现场使用环境。有防尘、屏蔽和通风设施。 2 2 系统总体功能 闸门监控系统总体应具有如下功能： 主控级计算机是系统的指挥、监控中心，它可以与上级管理中心联网。 通过主控级计算机与l c u 的通讯功能指挥系统运行和修改工艺参数。 l c u 是系统的控制中心，可以独立控制整个系统正常运行。 自动监测被控闸门开度及工况 闸门运行参数、运行状态的监测及记录 自动监测闸门上下游水位 根据操作规程自动控制闸门启闭 具有手动自动转换功能 有必要联动的设备具有合理的联动功能 具有梯形连锁功能 实时远程遥控单个、多个闸门启闭 定时打印、召唤打印各种运行报表 自动生成日报表、月报表、年报表 可定开度自动控制或定流量自动控制 计算各闸门过流量、合计流量及各泄水建筑累计过水总量 有电视视频监控要求的要具有闭路电视监视操作过程功能 有网络视频监控功能的要有网络视频监控画面 具有操作过程记录功能 具有故障报警、故障位置分析处理功能。 具有操作过程查询、检索功能技术指标 自动生成闸门运行实时数据库、历史数据库、事件数据库 具有数据库查询功能 具有打印各种生产报表、历史数功能。 2 3 系统特点及性能 2 3 1 结构特点 采用局部网的分层分布式开放系统结构，主控级计算机( 兼操作员工作站) 、工程师工 作站、通讯工作站等使用开放的操作系统。各控制工作站等及l c u 的直接接入网络，可获 得高速通讯和共享资源的能力。 网络上接入的每一设备都具有自己特定的功能。实现功能的分布，既提供了某一设备 故障只影响局部功能的优点，又利于今后功能的扩充。 2 总体设计 系统先进，冗余化的设计和开放式系统结构，使系统可靠实用、便于扩充，整个系统 性能价格比高。 2 3 2 系统主要性能指标 a 环境参数 中控室 环境温度：1 5 - 3 5 相对湿度：4 0 一8 8 现场 环境温度：一1 0 - + 4 5 相对湿度：5 - 9 5 ( 无凝露) b 技术参数 电源电压：三相a c 3 8 0 v l o 测量范围：o - 4 0 m 测控精度：l c m 通讯方式：现场总线、无线、光纤、电话线 c 实时性 数字量采集周期 i s 模拟量采集周期 2 s 实时数据库更新时间2 s 控制命令回答响应时间 1 s 主控级对现场系统数据采集和控制的响应时问2 s 从运行人员发出一个新的图像调用指令开始到图像完全显示在c r t 上为止的c r t 响应时间 1 s 报警或事件发生到c r t 屏幕显示和发出响声的时间 2 0 0 0 0 h e 可维修性 可维修性参数m t t r 5 0 ； 现地控制单元c p u 储备 4 0 。 i 系统安全 对系统每一功能和操作提供检查和校核，发现有误时能报警、撤消； 当操作者有误时，能自动被禁止并报警； 对任何自动或手动操作提示指导并有存贮记录； 在人机通讯中设操作员控制权口令； 现地操作与远方操作通过现地控制屏上的转换开关转换。控制优先级为现地操作 优于远方操作。 j 通讯安全 系统设计保证信息传送中的错误码率不会导致系统关键性故障；主控级与现地控制单 元的通讯包括控制信息时，对有否响应作明确的提示。 安全措施 有电源故障保护和自动重新启动： 能预置初始状态和重新预置； 有自检能力，检出故障时能自动报警； 自身设备故障能自动切除并能报警； 任何硬件和软件的故障都不危及电力系统的完善和人身安全； 系统中任何地方单个元件的故障都不会造成生产设备误动。 k 可扩性 备用点不少于使用点的2 5 ； 主控级计算机存贮器容量有5 0 以上裕度； 留有扩充现地控制装置、外围设备或系统通讯的接口； 通道利用率或通道数据率 1 5 0 0 0 万次 电气寿命：5 0 万次 电介强度a c 5 0 h z2 0 0 0 v 环境适均性： 温度： 一5 5 7 0 湿度：3 5 8 5 ( 无凝结) 抗冲击：1 5 9 ，1 l m s 4 4 5 软启动器 软启动器主要用于电机的启停操作过程中改善电机启动特性，减少对厂用电系统的冲 击，对启动过程及运转过程中的电机实施保护( 如过载、缺相保护等) 及参数监测。软启 动器的选择与电机容量相匹配。软启动器控制模块回路与主电源回路之间加装小型空气断 路器进行隔离保护。 本系统范围内大于3 0 k w 的电机启动控制回路均采用软启动器。小于3 0 k w 的电机启动 控制回路根据实际需要，可选用法国施耐德公司的2 元件或3 元件启动设备。同时在软启 动器前设置接触器。电机启动时先接通接触器，再启动软启动器，电机停运时先