（水利水电工程专业论文）丹江口小水电公司计算机监控系统.pdf

摘要 本文介绍了一个水力发电厂计算机监控系统的开发和运行 实例，提出了水电厂计算机监控系统总体设计的一般思路。 文章首先回顾了我国水电厂计算机监控系统的发展历程， 在第二章提出了监控系统需满足的一般性硬件条件，第三章重 点对水电厂监控系统的关键技术a g c 、a v c 进行了较为详细 的阐述，第四章对系统的应用程序，特别是智能操作票技术进 行了详细的介绍。 文章最后对一套已投运的监控系统进行了评价，指出了监 控系统在设计、制造、运行中需注意的问题。 关键词：水电厂计算机监控 a b s t r a c t t h i st h e s i st r i e st o s u p p l y a g e n e r a l i d e ao nt h e p l a n n i n g o ft h e s u p e r v i s o r y c o n t r o l s y s t e m o fc o m p u t e ro fh y d r op o w e rp l a n tt h r o u g h i n t r o d u c i n ga ne x a m p l eo f t h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mo p e r a t i o n c h a p t e r id i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to ft h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m o fc o m p u t e ro fh y d r op o w e rp l a n t c h a p t e ri i p u t s f o r w a r dt h eg e n e r a l h a r d w a r ec o n d i t i o nw h i c hm e e t st h en e e d so ft h e s u p e r v i s o r y c o n t r o l s y s t e m c h a p t e ri i ig i v e sad e t a i l e da c c o u n t o ft h ek e yt e c h n o l o g yo fa g c a n d a v c c h a p t e ri vf u r n i s h e s ac l e a ra n dl u c i d e x p l a n a t i o n f o rt h e a p p l y i n gp r o c e s s o ft h es y s t e m ，e s p e c i a l l yi n t e l l i g e n to p e r a t i n gt e c h n o l o g y t h el a s tp a r to ft h et h e s i sm a k e sac o m m e n to nt h es u p e r v i s o r yc o n t r o l s y s t e mb e i n gu s e da n dp o i n t so u ts o m ep r o b l e m so nd e s i g n i n g ，p r o d u c i n g a n d o p e r a t i n g k e yw o r d s ：h y d r op o w e rp l a n tc o m p u t e rs u p e r v i s o r y c o n t r o l 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 计算机监控系统的发展史 计算机应用于水电厂自动化的课题，在我困曾是一个长期进行研究而在很长一段 时间内未能圆满地解决的问题。5 0 年代开始，我国的水电先驱就有几代人致力于电厂 自动化专业技术的研究。其中颇具代表性的有仿苏的自动操作器、晶体管功率成组调 节装置和巡遇检测装置等。直至7 0 年代广东流溪河和四川龙溪河等水电站的计算机监 擦试点。在这一段漫长的时期，虽经全国多个性大型科研院所的努力，但均未取得成 功。当时存在的主要问题可以归纳为：主计算机不可靠，可利用率低；无法解决计算机 系统的抗干扰问题及合理接地问题；水电厂实时监控系统的功能设计及设备选型问题； 应用软件的组织及软件结构问题等。 1 9 7 9 年由原电力部科技委在福建古田主持召丌的”全国水电站自动化技术经验交 流会”在动员和组织我国的水电厂自动化工作方面起了非常重要的作用。会议认为经过 多年的努力，虽然我国在清除水电厂主、辅机缺陷，改进基础自动化元件，研制”四遥 “、”功调”、”巡检”及”屏幕显示”等新技术、新装置方面取得了一定的成绩，但总体水 平还是较差，认为当时我国水电站自动化水平只相当于国际上5 0 年代至6 0 年代初期 的水平。 1 9 9 3 年5 月由原电力部科技司，生产安全协调司会同水电规划设计总院，中国电 力企业联合会联合在成都召开了“全国水电厂计算机监控系统工作会议”。会上提出了 水电厂计算机监控系统的几种成熟模式，监控系统产品基本达到了工业化生产和实用 水平，会议认为我国水电厂计算机监控系统已达到国外8 0 年代水平。 到目前为止，我国的两个主要的水电厂计算机监控系统科研单位：南京自动化设备研 究所和中国水利水电科学研究院都取得了很好和成绩。她们承担了多个水电厂监控工 程项目，近二十年来，我国的水电厂计算机监控系统技术发展非常迅速，目前已达到 了较高水平。 l 2 从国外引进的水电厂监控系统评析 水电厂计算机监控系统引进对促进我国水电厂监控技术的发展是发挥了重要作 用的。7 0 年代我国的水电厂自动化的水平还较低，为了促进其发展，电力部科技委于 1 9 7 9 年在福建古田主持召开了全国水电站自动化技术经验交流会。在总结工作，确定 第3 页共7 2 页 河海大学硕士学位论文 试点的同时，建议尽快引进国外先进技术等等。引进涉及的国外公司主要有；a b b 公 司、加拿大c a e 公司，加拿大b a i l e y 公司、美国l a n d i & g y r 公司、德国西门子公司、 n 本f u j i 电机公司。这些系统的引进，对促进我国水电厂监控技术的发展，掌握国外 的行情，学习先进的技术和管理等，都发挥了相当有郊的作用。 以下分别从系统模式、操作系统、通信网络、冗余配置以及人机界面、等方面进 行说明。 1 2 1 系统模式 在9 0 年代投运的系统中，除隔河岩水电厂和十三陵抽水蓄能电站计算机监控系统 外，其余均属于开放系统，都采用工作站或工业微机以及服务器等，其主要特点是这 些水电厂的监控系统都符合国际丌放系统组织所推荐的开放环境规范。隔河岩水电厂 虽是采用分层分布及多计算机系统，采用v a x 3 8 0 0 计算机，但已明显呈现出开放系统 特性。十三陵抽水蓄能电站计算机监控系统则可说是开放系统的一种变形，虽然其不 具备开放系统的全部特征，但其操作系统的特征与u n i x 完全相同，且系统具有可移植 性等开放系统特征。 1 2 2 操作系统 除隔河岩采用v m s 操作系统，十三陵采用实时多任务多用户q n x l z n 一9 0 操作系 统外，其余均采用开放环境操作系统u n i x 的一种厂家的版本，如u l t r i x 是d i g i t a l 公司u n i x 操作系统的较老版本，d e co s f 1 是d i g i t a l 公司的较新版本等等。 1 2 3 局域网 虽然一些公司为自己的局域网取了专门的名称，如德国s i e m e n s 公司为广州抽水 蓄能电厂二期工程提供的系统采用了s i n e ch 1 f o ，a b b 公司为二滩水电厂提供的系统 叫m a s t e rb u s 3 0 0 ，但实际采用的都是i e e e 8 0 2 3 规约，都属于以太网，它们是采用 “载波侦听，多路访问冲突检测”的原理进行工作的，十三陵抽水蓄能电站主站内采 用l a n9 0 总线，也遵守i e e e 8 0 2 3 规约，全厂采用i n g l 9 0 网，其工作原理是“接力 棒式的广播通讯方式及例外报告和打包技术”。应该说从通讯原理和效率来看，以太网 并非最佳的网络，但却是比较经济而且应用很广的局域网。 从使用光纤通道的情况来看，引进系统中仅岩滩和二滩选用了光纤网，实践证明， 光纤具有极好的抗干扰能力。 1 2 4 冗余配罱 第4 页共7 2 页 河海大学硕士学位论文 引进的系统中大部分采用了双网冗余配置，应该说是否采用冗余系统主要决定于 电站的容量，网中的地位及用户要求，当然目前国内外公司均有能力配置双网冗余系 统，采用的通讯规约也基本上都是t c p p 协议。 1 2 5 人机界面 引进的系统中大多数公司均采用xw i n d o w s m o t i f 人机界面，能提供丰富多彩、 功能很强的多窗口显示系统。在xw i n d o w s m o t i f 的支持下系统集成商都能开发出非 常美观实用的画面，画面操作也很灵活简便。 1 3 开发水电厂计算机监控系统的必要性和可行性 随着计算机控制技术的不断发展和人们的生活水平不断提高，水电厂机组现行的 常规控制方式已经越来越满足不了生产生活的要求，这使得建立一个高度自动化的计 算机监控系统成为必要，主要有以下几个方面的原因： 一、由于水电厂一般地处边远山区，电厂工作人员特别是运行值班人员，要长期 工作在一个比较封闭的环境中，这给人们的日常生活带来了极大的不便，在知识经济 发展日益迅速的今天，这里人们的知识更新的速度越来越慢。在这种情况下，把一个 具有国际水准的先进控制理论带给他们是非常必要的。 二、运行人员长期工作在发电机、变压器、开关站等强磁场周围，他们的身心健 康受到了较大的伤害，所以减轻运行人员的劳动强度、让他们远离强磁场的伤害，实 现“无人值班、少人值守”的目标，也使得研发一个高可靠性的监控系统成为必要。 三、监控系统的实现，提高了设备的自动化水平、缩短了机组开停机时间；提高 了设备的监控力度、便于及时发现设备的隐患、降低事故的发生率；减少大量的常规 器件、提高了设备的可靠性；且以上各点都有利于增加机组的发电量，为电厂的安全 运行和创造好的经济效益打下了基础。 近四十年来，数字式电子计算机技术发展很快，计算机的应用已广泛而深入地影 响着科学技术、生产和生活的各个领域，它给各领域的面貌带来了巨大的而且往往是 质的变化。同样这也给水电厂计算机监控系统的发展带来了极大的机遇。 计算机c p u 的工作频率的不断提高，使监控系统的实时性逐渐满足自动化的要求， 网络技术的发展和图像处理技术在工业领域的应用，使“无人值班，少人执守”成为 可能。当然也派生出了些问题如：电磁兼容性问题，设备可靠性问题，产品的制造 工艺问题，由于设备更新换代太快导致的备品备件采购问题。 第5 喊共7 2 页 河海大学硕士学位论文 针对上述问题，厂家采用了如下对策：采用各种合理的接地方式来抑制外部二1 二扰， 应用多层电路板技术抑制了来自计算机内部和外部的电磁干扰，光纤的应用大大地提 高了网络的通讯速度和抗干扰能力，产品成本的逐渐降低使备品备件在投运初期就有 一定的储备成为可能。 上述各项技术的广泛应用，以及各种测量元件和执行元件的质量大幅度提升，使 水电厂计算机监控系统的开发变得相对简单，可靠性有了很大的提高，采用一套低成 本的计算机监控系统解决方案将给开发者带来极大的市场和丰厚的利润。 第6 页共7 2 页 河海大学硕士学位论文 第二章监控系统的总体设计方案 2 1 小水电公司概况 丹江口水利枢纽小水电有限公司前身为丹江口自各防汛电厂，是利用丹江大坝第 八坝段1 号深孔进行改造兴建的一座坝后式水电厂，安装两台单机容量为2 0 m w 的混流 式水轮发电机组，总装机容量为4 0 m w ，设计年发电量9 2 0 0 万k w h ，实际年发电量为 2 6 亿k w h 。电厂的主要任务是在汛期如遇特大洪水，当左岸大电厂被迫停机时，能 确保水利枢纽防汛设备的启动和照明，是可靠的防汛备用电源，在汛期可利用弃水多 发电。 电厂由长江水利委员会设计，水利部批准，总投资4 8 0 0 万元，主体工程于1 9 9 0 年4 月4 日破土动t ，第一台机组于1 9 9 2 年7 月2 8 目投产发电，同年1 0 月2 9 日， 第二台机组并网运行。 电厂两台发电机型号为s f 一2 0 2 2 4 5 0 0 ，立轴悬式，密闭自循环风冷，额定容量 2 0 2 5 m w m v a ，额定电压6 3 k v ，功率因数0 8 ，同步转速2 7 3 r m i n 。两台变压器型号为 s f 72 5 0 0 k v a 3 8 5 k v 6 3 k v 户外，三相油浸式低耗双绕组，无励磁调压铜导线电力 升压变压器。 电厂输出电压为3 5 k v 和6 3 k v 两级，3 5 k v 出线和丹江城区变电所3 5 k v 系统相连， 6 3 k v 一回和丹江组电厂相连作为两厂厂用电互为备用，一回作为防汛电源通过6 3 i o k v 变压器和丹江城区供电网络相连。电厂主接线采用发电机一变压器单元接线， 高压3 5 k v 系统采用隔离丌关分断的单母线分段方案。3 5 k v 开关为户内j y n 2 3 5 型金 属封闭间隔式手车结构，断路器型号为s n 一3 5 1 2 5 0 a 。6 3 k v 配电柜为手车式金属封 闭间隔，可移开式，型号为j y n 2 1 0 ( f ) ，断路器型号为s n 一1 0 。电厂主接线图如下： 第7 页共7 2 页 河海大学硕士学位论文 杰 ”一 丹 33 1 、 澎 j f ， 矧 、了 7 | f 一 6 v 下 丫 、，仄、 ”l 乡 图2 1 小水电厂主接线图 电厂原采用计算机监控为主，简化常规系统为辅的控制方式。计算机系统采用一 台c o m p a q 3 8 6 微机作为上位机，每台机组及公用设备各配备一台可编程序控制器( s o 一6 ) 作为终端，完成控制单元的数据采集处理和控制功能。系统原理图如f ： 图2 2 小水电原有计算机监控系统原理图 监控系统和简化常规系统共用一个集中控制台。常规系统监视表计有：组合同步 表、电压周波选测表、发电机和丌关有功、无功功率表、厂用电有功、无功功率表。 常规操作采用控制台集中安装一对一强电小型开关。每台发电机有无功、有功调整， 开、停机和发电调相共8 个开关。3 5 k v 共4 台丌关设有同期和跳合操作丌关各一个， 第8 页共7 2 页 肭 自月 河海大学硕士学位论文 其余断路器均设跳合开关。控制台还设有中央信号装置，采用简化光字。 原有监控系统在安装和运行当中出现了很多的问题，现归纳如下： 1 安装人员对计算机监控和简化常规系统共用一套操作回路的设计缺乏经验，在 安装配线上山现了很多问题，产生了很多难以解释的现象，影响了设备的正常使用。 计算机监控系统在投运初期彳i 能使用，常规操作系统又不完善，给安全运行带来威胁。 2 由于简化了信号和光字的设计，许多信号无法 二传，给运行监视带来很多不便。 而且产生了每个信号与多个回路相连，从设计、安装上都出现了不易发现的寄生回路， 导致运行中音响报警回路、光字误动作频繁，严重影响到运行人员对设备状态的正确 判断，也增加了维护人员的工作量。 3 测量系统的变送器和集控台的表计、微机系统的a i 输入回路参数不匹配、变送 器工作不可靠、变送器的极性和后续回路配合调整繁琐，直接影响到运行监盘。 4 微机系统无法和电度表通讯，只能通过电度表输出的脉冲计数，精度不够。而 且微机读数和表计实际走字之间的误差随时间累计加大。 5 保护装置和监控系统不能通讯，监控系统无法实时了解事故的准确信息。 6 监控系统的冗余不够，一旦蠊控主机出现问题，整个微机监控系统都不能正常 运行。 7 临控系统无法和调度、m i s 系统相连，卜位机的操作票模块相当于文字编辑， 既加重了运行人员输入汉字的负担，又不能保证操作票的正确性。 8 监控系统的人机界面不够友好，要通过专用的功能键盘操作，繁琐费时而且容 易出错。 9 各r t u 采用独立的d i 、a i 板对信号进行处理，一旦p l c 出现故障，整个r t u 单元采集的信号都不能，e 送，影响到多个设备的监视。 1 0 控制、信号等回路大量采用常规继电器回路，盘柜多、电缆多、接线复杂、调 试困难。 1 1 集控台集中了操作回路强电、信号弱电、测量回路交流等，当某一吲路检修时， 经常会影响到其它回路。 第9 页共7 2 页 河海大学硕士学位论文 2 2 设计要求 2 2 1 监控系统设计原则 原有监控系统存在着种种缺陷，究其原因，在于以下几点： 1 限于当时的实际条件，计算机、网络、通讯、大规模集成电路等先进技术没有成 熟的使用经验，系统冗余度、可靠性、人机界面等都不尽人意。 2 监控系统的设计上有先天不足，采用r t u + 上位机模式，使用串口通讯与r t u 或 其它设备通讯，可扩展性不好，各个厂家设备之间的配合较困难。面向功能设计各种 专用的数据采集模块，如果模块发生故障，会影响到多个设备的监视。上位机还兼作 调度通讯转发、各种规约转换，工作负荷太重，发生故障直接影响至q 整个系统。 3 外围设备的智能化不足，导致监控系统的优越性不能发挥。例如，保护装置、计 量装置、直流屏等设备均没有通讯接口，监控系统还要依赖传统的继电器、变送器接 点去采集数据。 4 没有采用开放性的操作系统和开放性的数据库，用户进行二次开发、与其它系统 相连、系统进行扩充都很困难。 5 监控系统使用的复杂程度和运行人员、维护人员本身的素质不相匹配，运行人员 不愿使用监控系统，限制了系统发挥作用。 因此在设计新的监控系统时，应充分考虑以上情况。把握以下原则： ( 1 ) 监控系统本着”安全、可靠、经济、实用”的原则，实现全厂计算机监视和控 制。 ( 2 ) 采用全分布、开放系统、网络化和模块化、结构化的软件设计，使系统易于扩 充功能和规模，充分保护用户的投资。 ( 3 ) 面向单元设置l c u ( 现地控制单元) ，在站级控制层及网络失效的情况下，l c u 仍能独立完成间隔层的监测和控制功能 ( 4 ) 系统要有一定的冗余度，可考虑双机、双网，在任意一个节点失效的情况下， 都不影响整个系统的：常运行。 ( 5 ) 人机接口功能强，操作方便。系统配备智能操作票系统，并能和防误锁具一起 组成整套防误操作系统，提高安全运行水平。 ( 6 ) 监控系统的使用要其他智能设备的配合使用，例如配置微机监控系统后，保护 第1 0 页共7 2 页 河海大学硕士学位论文 装置就优先选用微机型保护。 2 2 2l c u 装置的电气指标 2 2 2 1i o 接口 1 、开关量输入 ( 1 ) 每一路开关量输入口有i 。e d 状态显示。 ( 2 ) 输入接【_ 】参数 输入方式：空接点 接点弹跳：2 - 3 0 m s 2 、模拟量输入 ( 1 ) 输入接口参数 输入信号接口连接方式：差分输入 信号范围：电气量及非电气量：电流：d c 4 “2 0 m a 电压：d c o 一5 v 模数转换分辨率：1 1 位十符号位 转换精度：不大于士0 5 共模电j - j ( ：2 0 0 v d c 或a c 5 0 h z 共模抑制比( c m r r ) ：9 0 d b ( 直流到交流5 0 h z ) 常模抑制( n m r r ) ：6 0 d b ( 交流5 0 h z ) 3 、脉冲量输入 信号范围：d c 2 4 v 最小变态检测时间：8 0 2 0 m s 最大计数范围：9 9 9 9 9 9 计数冻结控制方式：内部 4 、数字量输入 输入电平：无源接点或2 4 v d c 电平。 最小变态检测时间：2 m s 最大变态检测时间：3 0 m s 5 、开关量输出 ( 1 ) 开关量输出信号采用继电器输出。 第1 1 页共7 2 贞 河海大学硕士学位论文 ( 2 ) 每一开关量输出设有l e d 状态显示。 ( 3 ) 丌关量输出接口参数 输出形式：二付常开空接点 接点容量：阻性：5 0 h z ，2 2 0 v a c ，5 a ：2 2 0 v d c ，2 a 感性负载：5 0 w 2 3 监控系统的选择 2 3 1 监控系统分类 如何选择监控系统的结构、组成、技术特点是关系到监控系统能否发挥作用的关 键，我们深入研究了国内外水电厂监控系统的发展历程、技术特点，总结出现代计算 机监控系统的几个分类，供在选择监控系统厂家时作为参考 分类原则 123 按计算机作计算机与常规相结合监控系以计算机为基础的监拄系统 计辅助监控系统算机( c a s c ) 用分统( c c s c ) ( c b s c ) 按计算机系集中式计算机监控系统分散式计算帆监控系统分布处理式计算机监挣系统 统结构分 ( c e n t r a l i z dc s )( d e c e n t r a l i z dc s )( d i s t r i b u t e dc s ) 按l c u 配置 甲板机总线型p l c 为基础的结构智能i o 模件配t 业实时嘲 分 按控制的层 直接控制分层控制 次分 按控伟4 方式鼠标、功能键盘、屏幕相结合 按纽、把手等习惯方式鼠标、光标等计算机方式 分方式 表2 1 监控系统分类 根据分析我们认为，单纯追求技术上的绝对先进并不可取，还要综合考虑到技术 的成熟性、造价、复杂性、使用的习惯、维护的难易程度等诸多因素。我们认为第2 代、第3 代都有一些特征最适合小水电的实际需求。例如：以计算机为基础、分布式 处理、p i c 为基础的l c u 、鼠标操作等。 2 3 2 国内外厂家产品的比较 据有关会议资料显示，截止到1 9 9 8 年1 2 月，国内实力较强水电厂自动化1 商主 第1 2 页共7 2 页 河海大学硕士学位论文 要是南京电力自动化研究院自控所和中国水利水电科学研究院两家，其中南白院完成 了9 3 项1 程，水科院完成了4 1 项，可以看出，国内一商之间的市场业绩相差较大。 我们分析其原因，认为除了市场因素外，最主要的原因还在于技术上的差别。由此可 见，拿国内厂商和国外厂商之间进行比较可能更有意义。通过多方收集资料，我们整 理出南京电力自动化研究院和国外较为著名的公司在中国已投运产品之间的比较表： 加c a e美s i德s i m e n s德a b b南自院自控 系统模式分层分布全分布p r o k o n 开 a d v a n ts e r i e ss s j 3 0 0 0 全 放系统5 0 0 分层分布分布 主控机v a x 一3 0 0 0 双主机d e cs p a r c s t a t i o i lh pa d v a n t多_ t 作站 s y s t e m 5 0 0 0s e r i e s5 0 0 操作系统v m su 【j r i xs o l a r i so p e n v m sa l p h a 6 4 位 网络类型双以太网e d l 0 0 0 系统s i n e ch 1 m a s t e rb u s取以太网 总线f o ) 3 0 0 通讯速率1 0 m1 0 m】0 m1 0 m1 0 0 m 软件o n s i t ep r o k o n en a r i a c c e s s 人机界面三控制台，每个带双 二二控制台，双二：控制台，双二控制台，双屏二控制台，双 屏显示器显示器屏显示器 显示器屏显示器 数据库 k e r n e l + s c a d a + s q lo r a c l e 分布式分布式 x - l s a mo r a c l ed bn a r id b 带s q l 接口 现地控制c a e 自制p r o e o n t i cs i m a t i cs 5m p 2 0 0电自院模件 冗余配簧双系统互为备用e d l 0 0 0 双系 双系统互为备双网双系统互为 统用备用 编程方式f o r t r a n 语言结构化c 语言m p l ：m a s t e r c 语言 设计 p i e c e 语言 常规控制取消中控窒的 取消中控室的取消中控室 备用 备用的备用 语音报警无无无 有语音报警及 第1 3 页共7 2 页 河海大学硕士学位论文 表2 2 国内外产品比较 从上表可以看出，国内厂商的产品在硬件配置、系统结构、人机界面上与进口设 备已无明显的差距，在采用的编程语言上，国内的系统更容易被用户的维护人员掌握， 更易于进行二次开发，而且国内厂家开发的产品更符合国内用户的使用习惯和各类强 制性标准规范的要求，为此我们选择了国内有很强实力的南京电力自动化研究院自动 控制研究所作为小水电公司计算机监控系统的供货商。 2 3 3l c u 的配置 现地控制单元l c u ( l o e a lc o n t r o lu n i t ) 主要是用来就地对机组进行监视控制的设 备，一般布置在发电机旁边，是计算机监控系统较低层和基础的部分，原始数据都在 此采集，各种控制调节命令都最后在此发出。l c u 的监控对象包括： 1 电厂发电设备，包括发电机、水轮机、主变、励磁、调速系统等。 2 丌关站，主要有母线、断路器、隔离开关等。 3 闸门设备，主要有各种迸水口快速闸门，泄洪闸门等。 4 公用设备，主要有厂用电、直流、油水风等。 l c u 按照其配置可分为微机一总线型、以p l c 为基础的l c u 、以智能i o 模件为 基础配制的l c u 三种。 采用微机一总线型的l c u 在国内外都较普遍，一般采用i n t e r 公司的i s b c 8 8 2 5 或i s b c 8 8 5 0 a 单板机，在此基础上开发出监控板、存储板、i o 板、a d 板、面板接 口板、串行或并行接口板、总线板等构成l c u ，并采用p l m 语言编程。其质量主要 依赖于监控厂家，这种做法目前已逐渐淘汰。 国内外目前尚无专为水电厂监控专门设计的p l c 。p l c 原来的用途是为化工、机 械制造流水线控制用的，目前国内用p l c 作为水电厂监控的工程实例很多。究其原因， 是因为p l c 一般按工业环境使用标准设计，可靠性高，抗震性好，封装好后为系统集 成商省去了机械加工和焊接的麻烦，标准的梯形图编程语言易于掌握，因而深受系统 集成商和用户的欢迎。目前国内用于工程的p l c 品牌很多，主要有美国的g e 9 0 系列、 a b 系列、m o d i c o n 系列；日本k o y o 公司的s u 系列、o m r o n 系列、三菱系列、德 圈西门子系列等。 采用研制l c u 通常会遇到两个问题：一是如何提高事件的分辨率，一般p l c 的 第1 4 贞：共7 2 页 河海大学硕士学位论文 事件分辨率只能达到1 0 m s ，个别的p l c 甚至只有5 0 m s ，远远不能达到电力系统的要 求，这是因为通用p l c 在研制时本就不是为电力系统量身定制的。二是时钟同步的问 题，要求p l c 能用基准时钟( g p s ) 来校时。为解决以上两个问题，一般需要配置中 断扩展板和高精度时钟板，近年来这个问题在国内较大的厂商已解决。 近年来，以网路为基础的智能i o 模件也开始在工程中使用，这种模件的特点是 分布式，每块模件上均带有c p u 和电源，可独立工作，每块模件可灵活地选配各种i o 单元。每个模件通过网络进行连接，没有总线。用户不需要对模件进行编程，全不得 设置都在后台卜位机进行，然后通过网络加载到各个模件中。 通过对l c u 配置的比较，我们认为微机一总线型的模时结构复杂，编程困难，属 于淘汰技术，不予采用，而智能i o 模件技术先进，但缺乏大量的工程实践，凼此也 不予采用，但我们对此密切关注，因为它是以后的一个发展方向。我们实际采用的是 以美国g e 一9 0 系列为基础的l c u ，因为它有大量的工程实践，性能先进而稳定，编程 简单，备品备件容易采购。 2 3 4 提高系统可靠性的几点措施 1 隔离措施。克服外围系统对监控系统设备的影响，在电站监控系统中，比较多地 采用隔离技术，如常见的输入输出采用中间继电器。系统还采用了光电隔离技术，如在电 度表脉冲输出回路，采用光电耦合隔离，同时抬高输出信号电压，使回路具备更高的抗干 扰性能。 2 采用电流环输入、由于系统的模拟量测量距离较远，如上下游水位、蜗壳压力等， 信号传输的距离损耗就不能忽视。如果采用电压输入，线路损耗较大，并且容易受感应电 压的干扰。系统采用4 2 0 m a 的电流环输入，就能克服以上弊端，而且传输距离可以大大 加长。 3 重要传输线采取屏蔽电缆、辫子线。电厂是电磁干扰十分严重的场所，在i o 口， 尽量提高信号的电位，但计算机通讯线路一般采用5 v 的弱信号。为使信号传输可靠，应 采用屏蔽电缆或辫子线，并且在布置上尽量与强电信号分开，尽量避免平行相邻走线。一 方面使各自信号可靠传输，另一方面减少互相干扰。 4 防雷措施。雷击对设备的影响比较严重，因此系统在计算机通讯接 5 1 上应加抑n - 极管等防雷措旌，保证系统的安全性和可靠性。 第15 页共7 2 页 河海大学硕士学位论文 2 3 5 一些技术细节的考虑 2 3 5 1 监控系统的电源 电厂控制层一般设有两路直流、两路交流控制电源，监控系统的l c u 及外围自动化装 置宜采用交直流双电源、互为备用、无扰切换的供电方式。小水电监控系统的电源装置正 常情况f 由交流供电、直流备用，以减轻直流系统的负担；运行经验表明，u p s 在现场环 境下使用寿命很短，难以维护，不宜采用。监控系统的主站设备( 工作站、服务器、网络 设备) 机房环境好，采取交流+ u p s 供电方式较好。 2 3 5 2 与励磁、保护、调速器接口 l c u 与上述自动化裟簧一般采用开关量( d i o ) 接口和通信两种方式。对于d i o 方式，由 于交换的信号一一对应，接线直观，便于调试和故障查处。但接线较多，有些控制功能， 例如有功、无功调节，必须在l c u 内编制复杂的p i d 调节程序，如p i d 参数不当还可能造 成调节性能不佳。现场应用表明，这种方式对无功电压闭环调节尚能满足要求，但对有 功闭环调节，常常出现超调或调节不到位、或凋节时间过长等现象。 上述三种自动化装置应采用通信方式，l c u 直接将给定值传送至电调、励磁装置，实 现有功、无功的一次设定；l c u 通过通信链路获得各自动化装置的内部详细状态、微机保 护的事故追忆采样值数据包( 如果微机保护有此功能的话) 。 尽管监控系统与励磁、保护、调速器装置存在接口联系，但应它们之间应保持相对独 立，并在通信上设置”互检”和容错功能，一方故障不应影响其它系统的正常运行，尤其是 一些反映主设备状态、上述装置直接作为控制和调节条件的信号( 例如主开关状态、机组 转速、机组状态等) 不应相互转送利用，而应通过呵靠的渠道直接从设备上采集。我们在 进行详细设计时，注意了以上原则。 2 3 5 3 现地自动控制回路和后台监控主机的功能协调 处理现地自动化与后台系统的关系时，应尊重”分层分布”的原则，自动化为主，监控 系统则通过开关量、模拟量的采集( 无需通信) 承担监视、后备控制的任务，葛洲坝大江电 厂采用了这种方式，具有很高的可靠性。 直流电源装置也应视为现地自动装置，监控系统只对直流系统和电源装置的工作状态 其进行监视，不参与控制。 2 3 5 4 事件记录与故障录波的考虑 河海大学硕士学位论文 事件记录与故障录波装置都是运行和事故分析的手段。事件记录一般集成在计算机监 控系统中，但由于采样速度、内存等限制往往不能提供足以用来分析事故的波形；故障录 波一般用在开关站，作为线路故障数据的采集和分析工具，但以往也习惯于在电厂安装集 中故障录波器来解决机组事故数据的快速采集和波形分析问题。 机组不必配置故障录波器，因为配置故障录波器会导致信号的重复采集，使二次回路 和电缆布置复杂化，而且不可能收集太全的信号( 有些设备的关键量、中间计算数据点无 法提供接r _ 1 ) 。将事什记录与故障录波功能分别由监控系统和具有快速交流采样功能的微 机保护装置、微机励磁调节器、微机调速器等分担较为合理。这就要求微机保护装置、微 机励磁调节器、微机调速器具有判别故障、存储、对时等功能。出现事故后由监控系统调 用相关数据，在后台计算机上进行画面、曲线重新生成供浏览分析。 2 3 5 5 模拟屏的考虑 模拟屏( 信号返回屏) 是电厂实现集中监视和控制的重要人机界面，显示直观清晰可 靠，画面和各仪表、元件位置固定，对运行值班十分方便，尤其是事故情况下，运行人员 对仝厂的状况一+ 目厂然，因此大型电厂都习惯于设立模拟屏。但随着计算机技术的发展和 投影仪等多媒体技术的广泛应用，越来越多采用计算机监控系统的小水电站淘汰了模拟 屏。考虑到小水电的实际情况，决定不采用模拟屏。 2 3 5 6m i s 的接入 为实现生产发电与电厂管理相结合，m i s 应与监控系统联网。由于m i s 用户多，m i s 上数据多种多样，为安全起见，两网之间除采取防火墙等隔离措施外，还应采用单向数据 流( 从监控系统流向m i s ) ，控制室设置专用m i s 终端。 2 4 系统结构及功能说明 2 4 1 结构说明 整个系统采用符合开放系统国际标准的开放式环境下全分布式计算机监控系统。 由监控主机+ 网络设备+ 现地控制单元l c u 组成。l c u 共三套，其中：机组l c u 两套， 公用设备l c u 一套。 系统采用现场总线将分散在现场的智能仪表、智能执行机构、智能变送器、智能 控制器连接成一体。正好体现了分散控制的特点，提高了系统的自治性和可靠性，节 省了大量信号电缆和控制电缆。便于安装和维护。 系统采用分层分布式网络结构，包括两部分：站级控制层和问隔控制层。站级控 第1 7 页共7 2 页 河海大学硕士学位论文 制层为全所设备监视、测量、控制、管理的中心，通过网络，接受现场采集的数字， 模拟量与电度量信息，以及向现场发布控制命令，通过远动工作站与调度中心进行远 方数据通讯。间隔控制层实现对各生产对象的监控。l c u 选用美国g e 公司的9 0 3 0 系 列p i 。c 构成现地控制单元。i ，c u 主要完成数据的采集及数据预处理功能，同时也具有 控制操作和监视功能。 机组i 。c u 配备有薄膜键盘及监视设备，其设计能保证当它与主机系统脱离后仍然 能实现对机组进行必要的监视和控制功能，( 这些功能包括机组的开、停操作；有功、 无功负荷增、减：机组运行状态及参数的监视，而当其与主机恢复联系后又能自动地 服从上位机系统的控制和管理。采集各种实时信息，监测和控制一次设备的运行，自 动协调就地操作与变电站层的操作要求，保证设备安全运行，并具有就地远方切换开 关。系统结构如图所示： 第1 8 页共7 2 页 耐幸犁册书肾帅婚霹 河海大学硕士学位论文 ( 1 ) 厂级计算机兼操作员工作站 系统配置主机兼操作员工作站2 套，互为热备用，其作为主机，功能包括对整个 电站计算机监控系统的管理，a g c 、a v c 计算和处理，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。 同时，其作为操作员工作站供运行值班人员使用，具有图形显示、全厂运行监视 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。全厂所有 的操作控制都可以通过鼠标器及键盘而实现；通过功能键盘和c r t 可以对全厂的生产、 设备运行作实时监视，并取得所需的各种信息。 ( 2 ) 工程师工作站 系统配置台工程师t 作站，用于修改定值、增加和修改数据库、画面和报表， 并可作一定的软件维护工作。只有经过特许的人员才可以通过口令实现在该工作站的 操作。1 二程师工作站还可兼作培训工作站功能。 ( 3 ) 主计算机与各l c u 都按i e e e 8 0 2 3 标准联成总线以太网络，网络介质主要采 用光纤电缆。 ( 4 ) 所有上述计算机和l c u 的c p u 都采用开放系统的操作系统u n i x ，图形系统 符合x - w i n d o w 标准，高层网络软件为t c p i p 。 ( 5 ) 时钟同步系统采用g p s 全球定位时钟系统与厂站计算机及各l c u 进行时钟同 步。 ( 6 ) 系统配置两台汉字打印机作各种信息及报表打印用，根据其它电厂的运行经 验，推荐以召唤打印为主、定时打印为辅的方法。 2 4 2 系统的功能说明 2 4 2 1 数据采集与处理 这部分功能包括对实时数据的采集、进行必要的数据预处理并以一定的格式存入实 时数据库。通常按照信号性质的不同把它们分为模拟量、开关量及脉冲数字量等，其 采集及处理方法也各不相同。 ( 1 ) 模拟量的采集与处理 这类实时量包括电气模拟量、非电气模拟量及温度量，对它们的采集范围、 处埋方式以及各量的变化规律各不相同，所要求的采集周期也各不相同。 第2 0 良共7 2 页 河海大学硕士学位论文 电气模拟量系指电压、电流及功率等电气信号量。非电气模拟量主要指压力、 流量、水位、油位等信号量以及摆度、振动等。温度量也属于非电气模拟量，由于其 采集的信号是测温电阻，且其变化速度一般也比较缓慢，因此将其单列出来。其处理 包括预防回路断线及断线检测功能、信号抗干扰、数字滤波、误差补偿、数据有效性 合理性判断、标度换算、梯度计算、越复限判断及越限报警，最后经格式化处理后形 成实时数据并存入实时数据库。 ( 2 ) 开关量的采集 开关量采集包括中断型开关量和非中断型开关量两种中断型开关量信号指事故信 号、断路器分合及重要继电保护的动作信号。计算机监控系统能以中断方式迅速响应 这些信号并做出一系列必要的反应及自动操作。中断型开关量信号输入为无源接点输 入，中断方式接收。非中断型开关量信号是指除中断型开关量信号以外的那部分开关 量信号。包括各类故障信号、断路器及隔离开关的位置信号、机组设备运行状态信号、 手动自动方式选择的位置信号等。计算机监控系统对这些信号的采集方式为定期扫查。 对信号的处理包括光电隔离、接点防抖动处理、硬件及软件滤波、基准时间补偿、数 据有效性合理判断、启动相关量处理功能( 如启动事故顺序记录、发事故报警音响、 画面自动推出以及自动停机等) ，最后经格式化处理后存入实时数据库。 ( 3 ) 脉冲量、数字量采集 脉冲量主要指有功及无功电度量、机组过水流量、冷却水流量等的累加。脉冲量 的输入为无源接点或有源电脉冲，即时采集。对脉冲量的采集处埋包括接点防抖动处 理、数据有效性合理判断、标度变换、检错纠错处理，经格式化处理后存入实时数据 库。 数字量信号指水位等输入量。对它们的处理有光电隔离、数字滤波、码制变换、 数据有效性合理性判断、标度变换、检错纠错处理，经格式化处理后存入实时数据库。 ( 4 ) 丌关量输出 特指各类操作控制指令。计算机在输出这些信号前进行校验，经判断无误后j 能 送至执行机构。为保证信号的电气独立性及准确性，开关量输出信号也经光电隔离接 点防抖动处理后发出。 ( 5 ) 信号量值及状态设定 对于r 乜站在建设初期所无法采集到的信号，或某些由于设备原因而造成的信号出 第2 1 页共7 2 页 河海大学硕士学位论文 错以及在必要时要进行人工设定量值作分析处理的信号量，计算机监控系统允许运行 值班人员和系统操作员对其进行人工设定，并在处理时把它们与其它正常采集到的信 号等同对待，在计算机监控系统可以区分它们并给出相应标志。 ( 6 ) 统计及计算 实时功率计算 根据所测得的实时数据，计算各发电机实时功率之和并显示在画面上。 电量分类累加 单台发电机、单回送电线路的日、月、年发电及送电有功无功电量累加； 单台主变日、月、年送电有功无功电量累加； 全厂同、月、年总发电量，主变总送电量，厂用总用电量及线路总送电量累加； 单台主变及全厂主变日、月、年总有功损耗，总无功损耗； 全厂日、月、年厂用电率； 在规定的时间间隔内( 如当班及分时等) 的全厂总发电量和总送电量累加； 上述各累加量可以通过人机联系设备及程序设置初值。 效率计算 对每台机组和全厂计算实时效率，并计算日、月、年的平均效率。 温度量特征值计算 数据压缩精简 对实时数据和历史数据按要求进行筛选整理，去除无用的数据后，才将“匝缩” 了的数据存入数据库。 2 4 2 2 电站运行安全监视 ( 1 ) 全厂运行实时监视 所有要进行监视的内容包括当前各设备的运行及停运情况，并对各运行参数进行 实时显示；监视的设备包括发变组、开关站、厂用电及全厂公用设备系统及直流系统 等。 ( 2 ) 参数越复限报警记录 全厂监控系统将对某些参数以及计算数据进行范围监视，有的量如温度量等还将 进行趋势分析，即进行梯度监视。对这些参数量值及梯度值可预先设定其限制范围， 当它们越限及复限时要作相应的处理。 第2 2 页共7 2 页 河海大学硕士学位论文 ( 3 ) 事故顺序记录 当电站发生事故造成断路器跳闸、重合闸动作等情况时，计算机监控系统将立即 以中断方式响应并自动显示、记录和打印事故名称及时阳j ；记录、显示和打印相关设 备的动作情况；自动推出相关画面；作事故原因分析并提示处理方法计算机监控系统 能将发生的事故及设备的动作情况按其发生的先后顺序记录下来，且记录的分辨率不 超过5 毫秒。 ( 4 ) 故障状变显示记录 计算机监控系统定时扫查各故障状变信号，一旦发生状变将在c r t 上即时显示出 来，同时记录并打印故障音响名称及其发生时间，音响报警，计算机监控系统对故障 状变信号的查询周期不超过2 秒。 ( 5 ) 趋势分析判断 对发电机定子温度、轴承温度、主变压器油温等进行趋势分析，趋势变化速率超 过限值时发出报警信号。 2 4 2 3 电厂运行指导 ( 1 ) 开、停机过程监视 当开、停机指令下达后，计算机监控系统能自动显示相应的机组开、停机监视画 面。画面能以流程框图的形式实时显示全部开、停机过程中每一步骤及执行情况，提 示在开、停机过程受阻时的受阻部位及其原因，进行开环运行指导甚至闭环自动控制 操作。另外，计算机监控系统能自动识别在