水電廠微機監(jiān)控系統(tǒng)

秦 民

(國家電網(wǎng)貴州省貴陽市紅楓水力發(fā)電廠，貴州 貴陽 551400)

?

水電廠微機監(jiān)控系統(tǒng)

秦 民

(國家電網(wǎng)貴州省貴陽市紅楓水力發(fā)電廠，貴州 貴陽 551400)

現(xiàn)代化大型水電站強調(diào)“無人值班”(少人值守)，建立現(xiàn)代的生產(chǎn)管理體系。這種管理體系的建立必須微機監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對水電廠各系統(tǒng)進行全方位系統(tǒng)化地監(jiān)控，以確保水電廠的安全、可靠、管理高效。而要合理的利用好自動化的微機監(jiān)控系統(tǒng)，就必須全面 系統(tǒng)的掌握水電廠自動化微機監(jiān)控系統(tǒng)的基本技術(shù)條件及原則，并對構(gòu)建系統(tǒng)的軟件進行了分析。

水電站，監(jiān)控，系統(tǒng)

1 水電廠微機監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件簡述

1.1 基本結(jié)構(gòu)

開放分布式計算機結(jié)構(gòu)：按水電廠控制對象或系統(tǒng)功能分布設(shè)置多臺計算機進行分布處理

開放分層分布式計算機結(jié)構(gòu)：按水電站控制層次和對象設(shè)置電站級和現(xiàn)地控制單元級。

現(xiàn)地控制單元級結(jié)構(gòu)：能獨立運行現(xiàn)地控制，可采用工控微機、可編程控制器及兩者組織控制。

1.2 系統(tǒng)功能及操作要求

能依據(jù)現(xiàn)場要求進行各種數(shù)據(jù)類型采集：模擬量、數(shù)字量(開關(guān)量)、控制量；并進行相應(yīng)報警等處理從而實現(xiàn)電站級控制、現(xiàn)地級控制、運行設(shè)備手動、自動控制、以及調(diào)度級控制；數(shù)據(jù)的存儲、分析功能。

1.3 硬件基本技術(shù)要求：

站級計算機：電站級CPU大于等于32位字長，時鐘頻率大于或等于16MHz，存儲器應(yīng)有足夠的存貯空間余量預(yù)留40%。

現(xiàn)地控制計算機：處理字長大于或等于16位，時鐘頻率大于或等于8MHz機內(nèi)總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)化，現(xiàn)地終端接口，具備局部網(wǎng)通訊接口。

數(shù)據(jù)和控制接口：具備模擬型號輸入接口、數(shù)字信號輸入接口、模擬信號輸出接口、數(shù)字信號輸出接口(參數(shù)略)。

通訊接口：具備本系統(tǒng)與調(diào)度系統(tǒng)通訊接口、電站級與現(xiàn)地控制單元級間或主控級多機間的通訊接口。

人機接口：具備符合技術(shù)要求的顯示器、鍵盤、打印機、控制臺等人機接口設(shè)備。

電源：具備符合技術(shù)要求不間斷電源(UPS)、機柜。

1.4 軟件基本技術(shù)要求

操作系統(tǒng)：應(yīng)具備滿足技術(shù)要求的能實時多重任務(wù)執(zhí)行程序、交互式分時操作或多道程序通用目標(biāo)虛擬存儲器系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)庫：具備滿足要求及集中式或分布式數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)采集軟件：具備滿足要求的能配合數(shù)據(jù)庫提供檢測和處理電廠監(jiān)控和管理所需要數(shù)據(jù)能力的軟件。

人機接口軟件：具備滿足系統(tǒng)功能設(shè)計要求并能按使用手冊增加或修改顯示畫面、報表和系統(tǒng)配置功能的軟件。

通訊軟件：采用開放系統(tǒng)互連協(xié)議或適于工藝控制標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，同時滿足局域網(wǎng)通信規(guī)約、調(diào)度端要求、能監(jiān)視通訊通道故障的軟件。

診斷軟件：具備周期在線診斷和對特定請求的在線測試檢查功能。

應(yīng)用軟件：具備結(jié)構(gòu)式模塊化特點、功能軟件具有完整性和獨立性，能實現(xiàn)補充修改和移植。

1.5 系統(tǒng)特性

實時性：相應(yīng)能力應(yīng)該滿足對生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)采集或控制命令執(zhí)行的時間要求。

可靠性：單個元件發(fā)生故障不造成關(guān)鍵性故障。

可維護性：滿足便于試驗和隔離故障斷開點等基本要求。

可維護性：滿足電廠可用指標(biāo)。

系統(tǒng)安全性：滿足操作安全性、通信安全性、軟硬件安全性基本要求。

可擴性：滿足系統(tǒng)擴充的基本要求。

可變性：滿足電站級和現(xiàn)地控制單元裝置中設(shè)備或結(jié)構(gòu)配置改變。

2 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)原則

依據(jù)對構(gòu)建模型的需求分析及微機監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件，確定本次監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建研究技術(shù)原則：

(1) 所有技術(shù)條件都必須滿足《水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件》要求。

(2) 構(gòu)建系統(tǒng)的安全性原則必須遵循《電網(wǎng)與電廠微機監(jiān)控系統(tǒng)及調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全防護規(guī)定》[6]，滿足《全國電力二次系統(tǒng)安全防護總體方案》的技術(shù)要求。其隔離要求應(yīng)滿足：安全區(qū)Ⅰ(實時控制區(qū))與安全區(qū)Ⅱ(非控制生產(chǎn)區(qū))之間采用硬件防火墻或相當(dāng)設(shè)備進行邏輯隔離，禁止E_mail、Telnet、Rlogin等服務(wù)穿越安全區(qū)之間的隔離設(shè)備；安全區(qū)Ⅲ(生產(chǎn)管理區(qū))和安全區(qū)Ⅳ(管理信息區(qū))之間采用硬件防火墻或相當(dāng)設(shè)備進行邏輯隔離，禁止Telnet、Rlogin等服務(wù)穿越安全區(qū)之間的隔離設(shè)備；安全區(qū)Ⅰ、安全區(qū)Ⅱ不得與安全區(qū)Ⅳ直接聯(lián)系；安全區(qū)Ⅰ、安全區(qū)Ⅱ與安全區(qū)Ⅲ之間必須采用專用安全隔離裝置進行物理隔離。根據(jù)水電廠各應(yīng)用系統(tǒng)的實時性、使用者、功能、場所、各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的相互關(guān)系、廣域網(wǎng)通信的方式以及受到攻擊之后所產(chǎn)生的影響，將其分置于四個安全區(qū)之中。微機監(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。

(3) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展原則，能夠升級處理。選用運行仍十分可靠，在相當(dāng)一段時間內(nèi)仍處于世界先進水平的現(xiàn)地控制系統(tǒng)(LCU)，主機的設(shè)計應(yīng)該具備可用性、可維護性與可擴展性，并且各部單元能隨計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計采用開放式結(jié)構(gòu)，其硬件軟件均能進行升級或擴展。各微機控制之間能相互獨立相互備用，現(xiàn)地控制單元不會因主控機發(fā)生故障而影響運行。

(4) 系統(tǒng)的簡便性，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計原則。人機對話要簡便，易于操作、修改，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及控制結(jié)構(gòu)要標(biāo)準(zhǔn)化，當(dāng)電站設(shè)備發(fā)生變化時能進行數(shù)據(jù)的更換和改變，并且能夠確保長期運行。LCU網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)應(yīng)設(shè)計留有足夠的數(shù)據(jù)傳送帶寬，預(yù)留足夠的通訊接口，滿足梯級調(diào)度自動要求。設(shè)計采用雙網(wǎng)冗余，以保障LCU在大量突發(fā)事件產(chǎn)生后，仍能準(zhǔn)確、完整地將事件送到操作員工作站、應(yīng)用程序工作站處理以及送歷史數(shù)據(jù)站歸檔，保證主機與各控制單元之間通訊，控制信號能很好到達各控制單元。

(5) 系統(tǒng)兼容性強，能很好的與現(xiàn)有排水泵自動控制裝置、氣機自動控制裝置、線路保護裝置、機組保護裝置、變壓器保護裝置等進行通訊。同時對保護裝置所發(fā)的信號能很好的響應(yīng)，確保輔機自動裝置及保護保證能安全平穩(wěn)運行。

(6) 裝置電源的可靠性。監(jiān)控系統(tǒng)電源冗余接線配置。監(jiān)控系統(tǒng)上位機主備設(shè)備電源原則從兩臺互備UPS設(shè)備供電。逆變電源為交流市電和直流兩種供電模式，或雙直流供電模式。逆變電源的交流市電從公用400V不同的母線段接取，直流電從直流一段母線和二段母線分別接取。

(7)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，要依據(jù)控制對象及現(xiàn)場實際條件對現(xiàn)場控制設(shè)備進行合理分類，達到結(jié)構(gòu)合理，運行速度快、運行穩(wěn)定的原則。

3 構(gòu)建模型監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建結(jié)構(gòu)分析比對及結(jié)構(gòu)確定

(1) 采用開放分布式計算機結(jié)構(gòu)，即采用水電廠控制對象或系統(tǒng)功能分布設(shè)置多臺計算機進行分布處理的結(jié)構(gòu)。由1.3.2水電站(廠)設(shè)備及自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析得知，水電站(廠)控制設(shè)備由水工建筑物部分、電氣一次部分、水輪發(fā)電機組部分、油水氣部分、廠用配電部分，控制功能包括機組的啟動、機組停止、發(fā)供電設(shè)備的運行操作、輔助設(shè)備的運行操作、廠用電設(shè)備操作等，如果采用開放分布式結(jié)構(gòu)，計算機設(shè)置多，不利于集中的信息管理，不能滿足集中管理及梯級調(diào)度的需要。

(2) 現(xiàn)地控制單元級結(jié)構(gòu)，即采用工控微機、可編程控制器及兩者組織控制，能實現(xiàn)獨立運行現(xiàn)地控制結(jié)構(gòu)。同上述有相似之處，此結(jié)構(gòu)能解決現(xiàn)地控制問題，一般為舊的電磁型繼電器控制改造升級的方式。仍不能滿足集中信息管理及遠程控制調(diào)度的要求。

(3) 綜上所述，我們此次構(gòu)建采用開放分層分布式計算機結(jié)構(gòu)，即按水電站控制層次和對象設(shè)置設(shè)置電站級和現(xiàn)地控制單元級。電站級主要起的作用是完成水電站實時狀態(tài)的采集和處理，實時運行參數(shù)的采集和處理、監(jiān)控，遠方控制，對控制對象進行調(diào)節(jié)，完成優(yōu)化運行，報警及事故記錄、實時顯示電站設(shè)備運行狀態(tài)和參數(shù)等功能，接受當(dāng)?shù)乜刂茊卧獋鬏敂?shù)據(jù)，向當(dāng)?shù)乜刂茊卧l(fā)出控制調(diào)節(jié)指令等作用?，F(xiàn)地控制單元級主要起的作用是完成被控制對象如機組、升壓站、線路、輔助設(shè)備的控制、數(shù)據(jù)采集、保護、調(diào)節(jié)等功能，把采集的數(shù)據(jù)、狀態(tài)送到電站控制層，接受電站控制層的控制調(diào)節(jié)指令，見圖1。

圖1 水電站監(jiān)控系統(tǒng)圖

4 構(gòu)建模型監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建軟件分析比對確定

4.1 軟件構(gòu)架設(shè)計的要求

要具備面向?qū)ο蠊δ?，把水電站實際生產(chǎn)管理中運行、維護人員非常熟悉的設(shè)備抽象為監(jiān)控系統(tǒng)中的對象，軟件從系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)實現(xiàn)、語言選擇、用戶界面定義等一系列過程都依據(jù)對象進行設(shè)計。

具備控制安全性，要設(shè)置控制方式切換、負荷調(diào)節(jié)權(quán)限、機組控制方式及控制權(quán)等控制權(quán)限，確保各種情況下的控制安全。

具備實時可靠功能，水電站實時采集的數(shù)量較大，保證數(shù)據(jù)的實時可靠功能尤為重要，通過數(shù)據(jù)分組處理和媒體流等方式對數(shù)據(jù)進行實時處理，確保數(shù)據(jù)實時可靠性。

具備獨立子系統(tǒng)運行模式。由于水電站控制設(shè)備安全性，必須采用獨立子系統(tǒng)運行模式，確保各系統(tǒng)不受其他系統(tǒng)運行干擾，能在其他系統(tǒng)退出情況下能獨立運行。

具備系統(tǒng)兼容性，對于新投系統(tǒng)，設(shè)備更換及改進，良好的軟件也應(yīng)進行相應(yīng)的改變，因此必須吸收和借鑒模塊化設(shè)計、接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、軟件封裝設(shè)計等技術(shù)，確保軟件系統(tǒng)兼容性。

具備數(shù)據(jù)處理和智能報警功能，因為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集量較多，如果將所有的數(shù)據(jù)都由運行人員進行處理，這是不現(xiàn)實的，因此軟件必須要具備數(shù)據(jù)處理和智能報警功能。

4.2 構(gòu)建軟件確定

站控層構(gòu)建軟件采用NC2000監(jiān)控系統(tǒng)軟件對上位機各顯示界面、報警信息、通訊等進行構(gòu)建，其操作系統(tǒng)平臺采用UNIX系統(tǒng)。

現(xiàn)地控制層(以下簡稱LCU)采用PLC可編程控制器進行現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)建。

5 結(jié) 論

本文主要講述了水電廠微機監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件、監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)原則，在闡述構(gòu)建技術(shù)條件和技術(shù)原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比進行了構(gòu)建對象的硬件軟件構(gòu)建確定。

[1] 李學(xué)志.計算機安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)探討[J].電子技術(shù)與軟件工程，2013(11)：82-82.

[2] 趙敏.計算機安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

[3] 項國富.虛擬計算環(huán)境的安全監(jiān)控技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[4] 周德澤.計算機智能監(jiān)測控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[5] 王曉穗.計算機網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展[J].民航經(jīng)濟與技術(shù)，2000(12)：34-36.

Computer Monitoring System for Hydropower station

QIN Min

(Guiyang Hongfeng Hydroelectric Power Station of The State Grid，Guizhou Guiyang 551400)

The management of The large modern hydropower station emphasize “unmanned on duty”， establish modern management system which on the microcomputer monitoring system basis to ensure the safety of the hydropower station，reliable and efficient management.

Hydropower station；Monitoring；System

2016-04-12

秦 民(1973-)，男，貴州省貴陽市人，貴州省貴陽市清鎮(zhèn)市國電紅楓水力發(fā)電廠工程師，主要研究方向：自動化控制.

1005-2992(2016)05-0097-04

TP309，TP277

A