水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造技術(shù)探討

王英

摘 要：介紹了水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀、特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)探討老電廠監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造的方案選擇、技術(shù)重點(diǎn)、體系結(jié)構(gòu)、工程實(shí)施中所應(yīng)注意的主要問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；升級(jí)改造；無(wú)人值班

在技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，近些年來(lái)，將更高的要求拋向了水電廠的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，隨著變化速度的不斷加快，尤其是就在電網(wǎng)中具有關(guān)鍵地位的梯級(jí)流域水電廠以及大中型水電廠的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)給出了更加嚴(yán)格的要求。此外，一些偏遠(yuǎn)區(qū)的水電站由于技術(shù)支撐、現(xiàn)代通信技術(shù)的應(yīng)用以及管理水平的不斷提升，也開(kāi)始大力執(zhí)行和推廣了“無(wú)人值班”的做法。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，將全新的水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)多個(gè)改造、設(shè)計(jì)思路探究出來(lái)是非常必要的。

1 設(shè)計(jì)改造計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的方法

針對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在我國(guó)水電廠中多年的發(fā)展歷史能夠看出：有著一定的復(fù)雜性存在于水電廠的綜合自動(dòng)化工程中，要同廠情結(jié)合，做到辦事多，花錢(qián)少。以實(shí)用為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)新、尖、高不過(guò)分去追求，由于計(jì)算機(jī)等自動(dòng)化裝置更新周期不長(zhǎng)，對(duì)性能價(jià)格比是需要認(rèn)真考慮。對(duì)實(shí)用功能在方案設(shè)計(jì)中也要進(jìn)行考慮，將可靠、安全的接入擴(kuò)展需求作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。

在設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，一定要從元件自動(dòng)化、自動(dòng)化輔助設(shè)備水平、水調(diào)水情信息、遠(yuǎn)方控制及梯級(jí)模式、電站機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、各級(jí)調(diào)度系統(tǒng)的通信、機(jī)組現(xiàn)地控制的最優(yōu)結(jié)構(gòu)、電能計(jì)量系統(tǒng)、廠級(jí)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等方面入手，而不可以拘泥于監(jiān)控系統(tǒng)一個(gè)環(huán)節(jié)中。

在未來(lái)水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展中，具備遠(yuǎn)方控制調(diào)節(jié)必將是一個(gè)重要的方面，將越來(lái)越多的可能性拋向中小型水電站。確保無(wú)人值班在水電廠中能夠有效的被實(shí)現(xiàn)，對(duì)于電廠內(nèi)的控制調(diào)節(jié)操作，一定要通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)代替操作人員來(lái)完成。因此，就需要具備優(yōu)越的通道，確保能夠有效的收發(fā)和執(zhí)行控制命令，要確保能夠安全的完成遠(yuǎn)方操作，進(jìn)而確保能夠正常的啟動(dòng)以下操作，或是對(duì)順控流程能夠繼續(xù)執(zhí)行，要利用相應(yīng)約定的形式，確保上級(jí)調(diào)度能夠清晰的了解電廠機(jī)組情況，并且，在此前提下將遠(yuǎn)方的控制命令發(fā)布出來(lái)。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施，尤其是在改造升級(jí)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的時(shí)候，要特別關(guān)注前期的預(yù)備工作，條件成熟，計(jì)劃周全，就可以馬上實(shí)施，保證工期見(jiàn)效快，工期段。在設(shè)計(jì)新建電廠時(shí)，應(yīng)該對(duì)那些成熟的監(jiān)控系統(tǒng)思路和較高起點(diǎn)的方案進(jìn)行優(yōu)先選擇，防治重復(fù)多次改造。運(yùn)行維護(hù)時(shí)管理一定要嚴(yán)格，對(duì)員工的技能不斷強(qiáng)化，將一個(gè)素質(zhì)精良的員工隊(duì)伍打造出來(lái)，才可以確保自動(dòng)化設(shè)備的穩(wěn)定安全運(yùn)行。

經(jīng)過(guò)多年的努力，國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)也在不斷的走向成熟，經(jīng)過(guò)在水電廠中不斷的推廣無(wú)人值班的理念，系統(tǒng)變的更加成熟，并且，開(kāi)始比肩國(guó)外的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。以硬件的角度出發(fā)進(jìn)行分析，不管進(jìn)口監(jiān)控系統(tǒng)還是國(guó)產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，都是將世界上一些著名計(jì)算廠家的產(chǎn)品當(dāng)作上位機(jī)硬件，以軟件的角度出發(fā)進(jìn)行分析，都是用Windows、UNIX為操作系統(tǒng)進(jìn)行主站建設(shè)。編程語(yǔ)言是C語(yǔ)言，軟件功能和數(shù)據(jù)庫(kù)都有各自的優(yōu)點(diǎn)。

選用國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是合同執(zhí)行對(duì)使用方有利，可以局部增加合同中沒(méi)有的功能。二是調(diào)試維護(hù)方便。三是投運(yùn)幾年后擴(kuò)展功能。四是修改程序方便。上述優(yōu)點(diǎn)對(duì)于進(jìn)口計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就是缺點(diǎn)了。

對(duì)國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行使用有著這樣的優(yōu)越性：首先，執(zhí)行合同有利于使用方，將合同中不存在的功能在局部能夠完成提升；其次，維護(hù)調(diào)試更加便利；再次，投運(yùn)拓展性能更加優(yōu)質(zhì)。就進(jìn)口計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)而言，就是不足之處。

2 設(shè)計(jì)改造水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的原則

分析監(jiān)控系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)改造水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該從兩個(gè)界面、四個(gè)層次和三個(gè)接口出發(fā)進(jìn)行分析。

兩個(gè)界面：廠站級(jí)豐富人機(jī)界面、現(xiàn)地控制單元的簡(jiǎn)單操作型人機(jī)界面。

四個(gè)層次：現(xiàn)場(chǎng)裝置控制層、計(jì)算機(jī)廠級(jí)設(shè)備層、調(diào)度和梯級(jí)層、自動(dòng)化元件層。

三個(gè)接口：廠級(jí)計(jì)算機(jī)安全隔離信息交換接口、梯級(jí)或調(diào)度控制的信息交換接口、現(xiàn)地控制單元的現(xiàn)場(chǎng)總線與通信接口模式。

2.1 先進(jìn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)控制層結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)的生產(chǎn)量均能提供生產(chǎn)需求，機(jī)組LCU在運(yùn)行之后的一段時(shí)間里和其他先進(jìn)國(guó)家的技術(shù)水平不分上下，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備有很高的實(shí)用性，維護(hù)起來(lái)也非常方便，具有可靠的安全性，其使用標(biāo)準(zhǔn)也符合電力系統(tǒng)的規(guī)定。并且，現(xiàn)地控制單元的設(shè)計(jì)合理，隨時(shí)可以完善更新，以跟得上現(xiàn)代化的信息時(shí)代的發(fā)展。

2.2 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可靠

機(jī)組LCU網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)應(yīng)采用先進(jìn)技術(shù)方法，如機(jī)組LCU在產(chǎn)生意外故障之后，利用雙網(wǎng)冗余可以快捷并準(zhǔn)確地恢復(fù)工能，并把故障發(fā)到操作員工作站、應(yīng)用程序工作，及時(shí)有效時(shí)恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)。

2.3 設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)分散

機(jī)組LCU的部分功能出面故障之后，轉(zhuǎn)換成現(xiàn)地控制，可以單獨(dú)運(yùn)行系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)視控制，讓其他的功能照常運(yùn)行。同時(shí)操作者可以在設(shè)備運(yùn)行時(shí)對(duì)產(chǎn)生故障部分的設(shè)備進(jìn)行維修，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.4 減少誤操作風(fēng)險(xiǎn)

如一些復(fù)雜的系統(tǒng)可以把一些判斷功能加入到流程中，并那些不正規(guī)的操作關(guān)閉，而且，規(guī)定在實(shí)施操作前進(jìn)行明確。接入機(jī)組的LUC重要信息可依靠單端口進(jìn)行，并且完成牢固連接和屏蔽處理，此外，在數(shù)據(jù)中劃分這些點(diǎn)時(shí)，進(jìn)行單獨(dú)的管理，流程中要以這類(lèi)測(cè)點(diǎn)作為信任對(duì)象。

2.5 設(shè)置常規(guī)水機(jī)保護(hù)回路

增強(qiáng)系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，由繼電器、輸入信號(hào)及邏輯信號(hào)組成，同時(shí)和現(xiàn)地所控制單元PLC的控制流程的回路相互獨(dú)立，以此實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)故障退出運(yùn)行時(shí)，電站發(fā)生事故，機(jī)組通過(guò)常規(guī)水機(jī)保護(hù)回路進(jìn)行事故停機(jī)。

2.6 供電系統(tǒng)供電可靠性

對(duì)系統(tǒng)電源冗余的連接配置進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，將UPS電源安裝在監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)的主要設(shè)備中，逆變電源時(shí)直流和交流電源兩種供電方，逆變器供電的交流400V電源電力公司不同的總線訪問(wèn)，從直流母線和總線分別訪問(wèn)。

2.7 監(jiān)控系統(tǒng)和補(bǔ)充通信設(shè)備及外部系統(tǒng)

支持多個(gè)接口設(shè)備和組代碼補(bǔ)充通信設(shè)備及外部系統(tǒng)，可以減少電纜敷設(shè)的數(shù)量，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2.8 人機(jī)界面功能

電廠運(yùn)營(yíng)商利用操作站、監(jiān)控終端、接口設(shè)備和模擬屏。語(yǔ)音電話報(bào)警裝置、工業(yè)電視裝置、報(bào)表管理機(jī)電廠設(shè)備和觸屏裝置等，維護(hù)移動(dòng)站、工程師工作站，有效的進(jìn)行管理和維護(hù)。

3 執(zhí)行對(duì)策

以滿(mǎn)足新一代監(jiān)控系統(tǒng)的需求和當(dāng)前技術(shù)發(fā)展，配置更完美和實(shí)用的新系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和合理選擇監(jiān)控系統(tǒng)的一些重要指標(biāo)，如系統(tǒng)安全：對(duì)系統(tǒng)每個(gè)功能進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤及時(shí)報(bào)警和取消訂單。當(dāng)錯(cuò)誤操作時(shí)可以自動(dòng)或手動(dòng)、報(bào)警。對(duì)任何自動(dòng)或手動(dòng)操作來(lái)存儲(chǔ)記錄和及時(shí)指導(dǎo)。集成：設(shè)備系統(tǒng)和功能模塊相對(duì)獨(dú)立。一個(gè)設(shè)備或功能模塊故障不影響其他設(shè)備或功能模塊的功能。開(kāi)放性：系統(tǒng)采用開(kāi)放的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。在硬件方面，可以保證系統(tǒng)在現(xiàn)有的設(shè)備中來(lái)增加功能，或在系統(tǒng)中添加新設(shè)備。在軟件方面，容易擴(kuò)展和升級(jí)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)支持軟件二次開(kāi)發(fā)，可根據(jù)工程的實(shí)際情況及用戶(hù)要求進(jìn)行修改。系統(tǒng)所提供的軟件是成熟的工業(yè)軟件。

硬件應(yīng)選擇適合于工業(yè)控制、配有多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的機(jī)型，還應(yīng)考慮系統(tǒng)內(nèi)機(jī)型盡可能一致；選用成熟、可靠的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)備，設(shè)備應(yīng)具有較好的可擴(kuò)性和較高的性?xún)r(jià)比，不要一味追求高檔次，造成不必要的浪費(fèi)。

將開(kāi)放式分布冗余結(jié)構(gòu)應(yīng)用到系統(tǒng)中，以集中控制、分散監(jiān)視為主，應(yīng)用軟件應(yīng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于擴(kuò)充，同時(shí)具有自診斷、自恢復(fù)程序，保證機(jī)組能夠可靠安全運(yùn)行。在控制現(xiàn)場(chǎng)層時(shí)，對(duì)雙CPU雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)和智能可編程控制器進(jìn)行使用，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)直接進(jìn)行訪問(wèn)。單位將人機(jī)操作界面提供出來(lái)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)立運(yùn)行。相關(guān)部門(mén)將種種復(fù)制檢測(cè)信息訪問(wèn)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)提供了出來(lái)。在整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)控制單元可謂是基礎(chǔ)。因此，需要將可操作性?xún)?yōu)越、維護(hù)性強(qiáng)、冗余可靠的操作系統(tǒng)打造出來(lái)。

工廠級(jí)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備選擇大中型水電站小型計(jì)算機(jī)工作或高端工廠級(jí)代表主機(jī)操作，雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)考慮足夠的帶寬網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，千兆網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)際應(yīng)用中需要的相關(guān)協(xié)議等。在實(shí)踐中，重點(diǎn)應(yīng)集中在監(jiān)控系統(tǒng)的安全性和可靠性的可擴(kuò)展的訪問(wèn)模式。

根據(jù)《電網(wǎng)與電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)規(guī)定》，遵循《全國(guó)電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案》的技術(shù)要求，即針對(duì)安全區(qū)Ⅰ（實(shí)時(shí)控制區(qū)）、安全區(qū)Ⅱ（非控制生產(chǎn)區(qū)）、安全區(qū)Ⅲ（生產(chǎn)管理區(qū)）和安全區(qū)Ⅳ（管理信息區(qū)）的系統(tǒng)執(zhí)行如下的隔離要求：

根據(jù)相關(guān)固定發(fā)現(xiàn)，遵循有關(guān)的技術(shù)要求，針對(duì)四個(gè)不同的安全區(qū)，完成以下隔離施工：

首先，在安全區(qū)1、2中，采用相當(dāng)設(shè)備或者硬件防火墻完成邏輯隔離，在安全區(qū)之間的隔離設(shè)備中禁止從Telnet、Rlogin、E-mail穿過(guò)。

其次，采用一定的設(shè)備對(duì)安全區(qū)3、4進(jìn)行隔離控制，在安全區(qū)之間的隔離設(shè)備中禁止從Rlogin、Telnet等設(shè)備穿過(guò)。

再次，將安全區(qū)一、二、四直接連接到一起。

最后，采用專(zhuān)用安全隔離裝置對(duì)安全一、二、三之間進(jìn)行物理隔離。用正反兩種專(zhuān)用安全隔離裝置，將正向安全隔離裝置安裝在安全區(qū)2、3中，完成信息傳輸。

按照水電廠每個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)使用者、場(chǎng)所、業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的聯(lián)系、功能、實(shí)時(shí)性等，在四個(gè)安全區(qū)中對(duì)其進(jìn)行控制，在安全區(qū)1中設(shè)置計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，在上述原則下，采取正確的方式將其監(jiān)控系統(tǒng)連接起來(lái)。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)處于安全區(qū)Ⅰ，其它需與監(jiān)控系統(tǒng)通信的系統(tǒng)必須遵循上述原則選擇可行連接的方式。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造應(yīng)于電廠其他控制、保護(hù)、二次接線系統(tǒng)中，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)量輸入宜以無(wú)源觸點(diǎn)方式直接送入監(jiān)控系統(tǒng)，盡量不采用中間繼電器接點(diǎn)擴(kuò)展的方式，開(kāi)關(guān)量輸入應(yīng)經(jīng)光電耦合隔離等軟硬件措施防止干擾、接點(diǎn)抖動(dòng)等現(xiàn)象。溫度量則采用熱電偶或熱電阻輸入，模擬量取自變送器，最好以4-20mA電流方式送入，此方式的抗干擾能力強(qiáng)。模擬輸入電纜應(yīng)該用于絞屏蔽聚合屏蔽線，屏蔽層應(yīng)在計(jì)算機(jī)端接地，使兩者的結(jié)合信號(hào)線路應(yīng)該相同。開(kāi)關(guān)輸入宜采用多芯電纜屏蔽電纜。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)電纜在一層電纜架另建，除了通信電纜，不得混合與其他電纜敷設(shè)防止干擾。

轉(zhuǎn)換過(guò)程主要分為兩個(gè)階段，第一階段的改革主要內(nèi)容為上位機(jī)部分和原位現(xiàn)場(chǎng)LCU，重建的第一階段完成后改變?cè)O(shè)備一次性投資，由新電腦系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控、管理和其他高級(jí)應(yīng)用功能，并負(fù)責(zé)與上級(jí)調(diào)度部門(mén)信息數(shù)據(jù)傳輸和命令執(zhí)行，未改造的機(jī)組LCU在第一期設(shè)備改造完成后，通過(guò)必要的規(guī)約轉(zhuǎn)換設(shè)備一并接入新的上位機(jī)系統(tǒng)；第二期改造主要內(nèi)容為剩余LCU，剩余的各機(jī)組LCU分批改造后，取消規(guī)約轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，依次直接接入新的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則轉(zhuǎn)換，在傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的前提下，對(duì)新的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行使用采集周期不長(zhǎng)，高分辨率、快速響應(yīng)、事件大的特征，遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)調(diào)度通信信道帶寬高、系統(tǒng)安全需求、仿真培訓(xùn)，確保電站可以穩(wěn)定安全的運(yùn)行，便于維護(hù)和操作人員的操作，將電站維修成本能夠有效的降低下來(lái)，從而提高電站的經(jīng)濟(jì)效益。文章從電廠維護(hù)人員的角度出發(fā)，結(jié)合電廠改造的實(shí)際情況，希望和同行進(jìn)行交流，望對(duì)正在改造以及即將改造的電廠有所幫助。

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