水電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)分析研究

王學(xué)軍 惠 杰 田金平

（1.鳳翔縣水產(chǎn)工作站 陜西 鳳翔 721400；2.鳳翔縣橫水河灌溉管理處 陜西 鳳翔 721400）

1 引言

水電站常規(guī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，運(yùn)行人員必須進(jìn)行操作，對(duì)機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡視檢查，在中控室進(jìn)行監(jiān)盤(pán)，在整點(diǎn)時(shí)對(duì)電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行記錄。常規(guī)控制系統(tǒng)不能把運(yùn)行人員從重復(fù)的機(jī)械操作中解脫出來(lái)。為了更加有效地保障發(fā)電站安全可靠運(yùn)行，就需要在電廠內(nèi)利用Internet網(wǎng)或工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)將各臺(tái)機(jī)組本地控制單元、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、調(diào)速器等連接起來(lái)，利用光纜等現(xiàn)代通訊技術(shù)將相距很遠(yuǎn)的梯級(jí)電站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連接，在調(diào)度中心集中監(jiān)控各水電廠及各臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行。本文主要對(duì)某小型水電站的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。

2 系統(tǒng)的核心LCU

LCU布置在機(jī)旁，其監(jiān)控對(duì)象為水輪發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備，它向電廠級(jí)發(fā)送采集的各種數(shù)據(jù)和事件信息，并接受電廠級(jí)的命令對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)又能脫離電廠級(jí)獨(dú)立工作。LCU主模件是LCU的心臟，它通過(guò)總線獲取I/O模塊采集到的數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以前常規(guī)回路實(shí)現(xiàn)的邏輯控制全部由LCU主模件中的CPU運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，同時(shí)它還負(fù)責(zé)與外界的通訊，將數(shù)據(jù)上送到主站，并接受主站下發(fā)的控制命令執(zhí)行操作。

3 基于分布式的架構(gòu)系統(tǒng)

由于水電廠自動(dòng)控制設(shè)備涉及面廣，設(shè)備分布遍及整個(gè)水電廠房，再考慮到機(jī)組LCU裝置在可靠性上的不斷進(jìn)步，這里采用分布式的模式來(lái)布置水電廠的整體監(jiān)控布局，即LCU可脫離主站獨(dú)立運(yùn)行。它強(qiáng)調(diào)以控制對(duì)象在現(xiàn)場(chǎng)分散布置為基礎(chǔ)，設(shè)置有主控計(jì)算機(jī)。分布即站級(jí)和現(xiàn)地監(jiān)控層的功能可以分布進(jìn)行。采用分層分布式結(jié)構(gòu)、現(xiàn)地單元控制層能脫離上位機(jī)獨(dú)立工作，具有自治性、模塊性、并行性三大特性。分布式監(jiān)控系統(tǒng)以功能的分散為主要特征，根據(jù)水電廠監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)立多套相應(yīng)的設(shè)備，獨(dú)立完成各自的功能。

系統(tǒng)的具體架構(gòu)組成為：調(diào)度中心和電站級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)采用100Mbps快速I(mǎi)nternet網(wǎng)，物理結(jié)構(gòu)為星型結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用TCP/IP。在調(diào)度中心和電站各配置一臺(tái)交換機(jī)，利用5類(lèi)雙絞線連接各臺(tái)主計(jì)算機(jī)。在每臺(tái)交換機(jī)上配置一臺(tái)NBASE光纖收發(fā)器模塊，連接單模光纖，將其連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。在機(jī)組控制現(xiàn)場(chǎng)，采用PLC設(shè)備所支持的工控網(wǎng)絡(luò)。

4 系統(tǒng)的主要組成模塊

系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)接口，完成實(shí)時(shí)的監(jiān)視、控制調(diào)節(jié)和參數(shù)設(shè)置。監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視電廠各類(lèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過(guò)更新顯示器畫(huà)面的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備的操作動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變更或參數(shù)超越設(shè)定限值等時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)立即報(bào)警，并推出相應(yīng)事故、故障顯示畫(huà)面，供運(yùn)行人員分析參考。為了達(dá)到這個(gè)目的，該系統(tǒng)主要包含如下模塊：

勵(lì)磁子系統(tǒng)：對(duì)電廠勵(lì)磁實(shí)行自動(dòng)監(jiān)控。

水文子系統(tǒng)：利用超短波無(wú)線通道，遙測(cè)水電廠庫(kù)區(qū)內(nèi)的各水文站降雨量、水位變化，庫(kù)容、流量等，為水電廠提供水情資料。

運(yùn)行子系統(tǒng)：為水輪發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備的工況監(jiān)視，可采集水輪機(jī)各種非電量參數(shù)，如：溫度參數(shù)、壓力參數(shù)（包括氣壓、水壓、油壓）、水輪機(jī)大軸擺度，水輪機(jī)頂蓋水位與集水井水位。

微機(jī)調(diào)速子系統(tǒng)：對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控。

閘門(mén)子系統(tǒng)：系統(tǒng)可遙測(cè)多個(gè)閘門(mén)的開(kāi)度，以及根據(jù)調(diào)度端命令自動(dòng)啟閉各扇閘門(mén)。

以上系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)了的具體功能如下：

水情采集：實(shí)時(shí)采集庫(kù)區(qū)、流域內(nèi)的降雨量、水位、流量、庫(kù)容。

顯示功能：水位雨量關(guān)系曲線；群閘開(kāi)度模擬圖，動(dòng)態(tài)閘門(mén)開(kāi)度坐標(biāo)圖；電廠動(dòng)態(tài)電氣主接線圖；電廠動(dòng)態(tài)供電系統(tǒng)圖；電廠動(dòng)態(tài)油、水、汽系統(tǒng)圖；動(dòng)態(tài)日、月負(fù)荷曲線圖；動(dòng)態(tài)入庫(kù)流量、引用流量、泄洪量旬月曲線圖；各水文站水位、流量關(guān)系曲線。

電量采集：模擬量包括有功功率、無(wú)功功率、電流、電壓、頻率、濕度、頂蓋水位、前池水位、尾水水位、落差、壓力、時(shí)間等；狀態(tài)量主要為開(kāi)關(guān)（斷路器）。

分析處理：自動(dòng)查詢(xún)負(fù)荷—水頭—流量表；開(kāi)度—水頭—流量表；根據(jù)設(shè)定值，達(dá)到預(yù)警數(shù)據(jù)自動(dòng)報(bào)警；定時(shí)打印各種報(bào)表。

5 系統(tǒng)軟件分析與設(shè)計(jì)

5.1 系統(tǒng)軟件

UNIX是一個(gè)強(qiáng)大的多用戶(hù)、多任務(wù)操作系統(tǒng)，支持多種處理器架構(gòu)，按照操作系統(tǒng)的分類(lèi)，屬于分時(shí)操作系統(tǒng)。Unix因?yàn)槠浒踩煽俊⒏咝?qiáng)大的特點(diǎn)在服務(wù)器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。直到GNU/Linux流行開(kāi)始前，Unix也是科學(xué)計(jì)算、大型機(jī)、超級(jí)計(jì)算機(jī)等所用操作系統(tǒng)的主流。

5.2 系統(tǒng)通信

通訊軟件的研制基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口和標(biāo)準(zhǔn)UNIX IPC接口。它采用Client（客戶(hù)）/Server(服務(wù)器)模式，其工作方式如圖1所示。電力系統(tǒng)各進(jìn)程間提供了網(wǎng)絡(luò)透明的通訊服務(wù)。為全分布系統(tǒng)的全部資源，數(shù)據(jù)共享提供了必需的條件和有效的保證。同時(shí)通訊軟件中還有冗余雙結(jié)點(diǎn)的管理工作，即系統(tǒng)冗余。

5.3 數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)基于UNIX標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，在研制上自己定義并開(kāi)發(fā)了適用于水電廠監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言。用戶(hù)可用這種語(yǔ)言為系統(tǒng)的各結(jié)點(diǎn)定義數(shù)據(jù)庫(kù)，并規(guī)定數(shù)據(jù)在適當(dāng)時(shí)間或事件發(fā)生時(shí)應(yīng)完成的操作。數(shù)據(jù)庫(kù)加載程序?qū)τ脩?hù)編寫(xiě)的數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言程序進(jìn)行語(yǔ)法檢查，并按要求建立數(shù)據(jù)庫(kù)；數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序借助通訊軟件為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)；數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行程序?qū)?shù)據(jù)中的算術(shù)，邏輯運(yùn)算進(jìn)行操作，并對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新如圖2所示。

5.4 人機(jī)交互

設(shè)計(jì)人機(jī)界面的目的是為值班操作人員能快速、準(zhǔn)確、可靠地提供機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，以及方便可靠地對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，SIEMENS MP370觸摸屏作為L(zhǎng)CU的人機(jī)界面，能夠?qū)崟r(shí)的將機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)反饋給值班操作人員，并對(duì)主要設(shè)備進(jìn)行有效控制。因此，它的功能為畫(huà)面能夠反映機(jī)組電氣接線圖、機(jī)組及輔助設(shè)備(包括油系統(tǒng)，水系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)、壓油裝置、勵(lì)磁裝置、頂蓋推力、調(diào)速器等)的狀態(tài)模擬圖；通過(guò)各個(gè)畫(huà)面，能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)視各類(lèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，并能對(duì)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定值進(jìn)行設(shè)置。

6 關(guān)于元器件的選擇

在元器件選擇上，要滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)其接口的要求，信號(hào)規(guī)范，宜選用既有模擬量輸出又有開(kāi)關(guān)量輸出的元件，將二種輸出均接入LCU，可用于對(duì)元件本身進(jìn)行檢測(cè)，并提高可靠性?，F(xiàn)地控制單元選用技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠的可編程控制器(PLC)和工控機(jī)，完成順序控制，數(shù)據(jù)采集及處理，充分利用PLC所支持的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一規(guī)劃選擇有關(guān)自動(dòng)裝置?；A(chǔ)自動(dòng)化元器件盡可能齊全，按將來(lái)無(wú)人值班的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際選用抗干擾性能強(qiáng)、防潮、防銹蝕性好的元件。對(duì)集水井，水輪機(jī)頂蓋等部位冗余配置水位信號(hào)器。例如，監(jiān)測(cè)元件由于環(huán)境條件復(fù)雜，選型時(shí)應(yīng)符合以下原則：①在潮濕部分的器件，必須選擇防水型以及密封型；②有些部分溫度振幅很大(例如閘門(mén))，這就需要選取耐高、低溫器件；③傳輸距離大，以及露天安裝情況下，需要選擇防電磁干擾、防雷的設(shè)施。

其次，精度選擇也有一些條件：①當(dāng)以狀態(tài)監(jiān)控為主時(shí)，相對(duì)誤差小于5%；②目的是為了控制調(diào)節(jié)或試驗(yàn)檢測(cè)的器件，相對(duì)誤差小于0.5%；③被測(cè)設(shè)備有超行程的狀態(tài)情況下，監(jiān)測(cè)元件也存在超行程的本領(lǐng)。

7 總結(jié)

水電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)而復(fù)雜的綜合體，涉及到機(jī)械、電子、通信等方面專(zhuān)業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用，特別是當(dāng)前的無(wú)線自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)通信的要求更高。本文的設(shè)計(jì)是針對(duì)某小型水電站來(lái)講的，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)自身的特點(diǎn)加以變化，才能更好地適用于更為特殊的情況。陜西水利