水电站计算机监控系统基础

1计算机监控系统基础知识计算机监控系统的发展经历了以人工监控，电话调度和远动监控(遥测、遥信、遥调、遥控)为主体，以计算机为核心和以现代数据通信为基础的计算机监控系统等三个阶段。水电厂应用计算机监控系统对提高自动化水平，保证电站实现“无人值班”（少人值守），提高经济效益，改善劳动条件，促进技术进步都具有十分重要的意义。一．水电厂计算机监控系统基本模式根据计算机在水电厂监控系统中的作用可划分为三种：计算机辅助监控系统(CASC)、以计算机为基础的监控系统(CBSC)、计算机与常规装置双重监控系统(CCSC)。根据计算机在水电厂监控系统中的控制方式可划分：集中式监控系统、分散式监控系统、分布式监控系统，全开放、全分布式监控系统。二．计算机监控系统基本功能数据采集与处理、运行安全监视、设备操作监视、控制权限、AGC、AVC、运行日志及报表、事件统计、数据通信、人机界面、多媒体功能、自诊断与远方诊断。三．监控系统结构图1单网型水电站监控系统2图2双网型水电站监控系统监控系统从结构上来说一般分为两层，上位机与下位机。上位机从硬件构成来说一般由通用计算机构成，如PC机、服务器等，运行的软件平台一般为Windows、Unix。下位机从硬件构成来说则都是一些厂家自己开发的硬件平台，种类繁多，如各公司的PLC，其软件平台也因硬件不同而相异，无法互相兼容。1.上位机上位机一般配置有：操作员工作站，通信工作站，工程师工作站，厂级工作站等。操作员工作站常被称为控制台，是全厂集中监视和控制的中心和人机接口；通信工作站主要是用来与外部系统进行通信；工程师工作站除具有程序开发、调试以及培训仿真等功能外，并兼有操作员工作站全部功能；厂级工作站主要用来完成一些后台工作，如AGC、AVC等。上位机系统主要完成人机界面接口，实时数据处理，全厂AGC、AVC调节，历史数据存档，报表查询，报表打印，数据分析，远程诊断，电量管理及其他系统的通讯等功能。监控软件系统为全开放系统，并且具有较强的可移植性。1)数据库监控系统数据库采用网络型全分布数据库，所有数据的共享由网络通讯来实现。实时数据库和历史数据库构成了监控系统数据资源中心。实时数据库主要存放LCU采集上送的所有实时数据，它是监控系统数据库中最主要的数据库，其采用按LCU单元存储的结构。历史数据库由若干历史文件组成，其中每个文件存贮若干数据，对若干个历史文件进行目录管理，并可进行查询、修改、存储等操作。2)安全监视及事件报警运行值班人员可以通过监控系统的大屏幕彩色显示器对全厂各主辅设备、公用设备的运行状态和运行参数进行实时监视。通过各种一览表可查询设备的运行情况，以便对异常情况分析和处理。3简报信息窗口在有一些重要信息出现时，可自动弹出至显示窗口的最上层，还可根据需要进行语音报警，提醒值班人员注意。3)控制与调节全厂监控系统能根据电厂当前运行情况、远方及当地的控制命令、自动发电控制(AGC)及自动电压控制(AVC)的计算，按预定的步骤对电厂运行进行控制及调节。包括机组的发电、调相等工况转换；机组有功功率、无功功率的闭环调节；断路器、隔离开关及接地刀闸的分、合操作；辅助设备及公用设备的启、停操作等。4)运行日志及报表监控系统能对各种设备的运行情况进行统计记录，某些信息还将自动提示给操作值班人员，并可以自动生成各类报表、日志，自动生成和打印操作票等。打印方式及打印报表的格式可修改。这些功能可以分为以下几类：(1)电厂发电运行记录记录的内容包括当班、当日、当月、当年的机组发电量、线路送电量、厂用电量、耗水量及效率等。它们的初值及时间区段的设置可以通过程序或由运行值班人员通过人机对话方式实现。(2)主要电气设备动作及运行记录监控系统可以对主要电气设备的动作次数和运行时数、事故和故障次数以及相应的时间等加以统计和记录，以便考核并合理安排运行和检修计划。例如：机组开、停次数，本次开机运行时数，累计开机运行时数，机组停机备用时数；断路器合闸次数、正常跳闸次数、事故跳闸次数等有关技术性能指标记录；主要电气设备、装置退出运行的记录等。(3)操作记录监控系统能对各种操作进行记录，其中包括机组工况转换，断路器和隔离开关的合、分闸等。记录内容包括时间、操作内容、成功与否、失败原因等。(4)事故及故障统计记录监控系统对当班、当日、当月、当年的各类事故及故障的内容、次数和时间进行统计记录，作为资料保存。(5)参数越复限统计记录监控系统可以自动地对当班、当日、当月、当年的参数越复限情况进行统计，并把它们记录下来。(6)运行日志及报表打印监控系统将能按照运行操作人员的管理和要求打印运行日志和报表。打印内容及打印格式可以事先设定。打印方式有定时自动打印、随机召唤打印等形式。监控系统能制订如下生产报表：负荷运行电气量参数报表，非电量参数报表，日发电量、厂用电量统计表、生产综合统计报表等。5)人机接口操作人员可通过彩色监视器、键盘、鼠标器以及打印机等实现对全厂运行的监视、控制、调节、在线修改定值、画面索引、报表显示和打印等功能，交互式人机对话方式，使用起来非常便捷。人机接口还具有权限管理功能，不同的权限有不同的使用范围，以保证系统的安全性。6)系统通信通过主机和通讯机，实现与网调远动、坝区闸门控制系统、直流供电系统、MIS系统及电能计费系统的通讯；通过WEB服务器和路由器可实现厂长终端远程访问；通过Modem拨号上网可实现远方在线诊断等功能.7)自诊断和自恢复完善的系统自检、自诊断与自恢复功能是实现“无人值班”(少人值守)的重要条件。功能包括主4机自检、软件任务超时处理及通道故障检测。当工作主机故障(内存、磁盘、I／0及CPU等的故障和软件任务执行异常等)时，能将控制权自动切换到备用主机。软件超时能实现部分功能软件的故障自启动功能。通道检测包括对网络、通信通道、I／O过程通道在线自动检测，检测的内容有通道数据有效性合理性判断、故障点自动查找及故障自动报警等。2.下位机监控系统下位机的控制对象包括：电厂发电设备、开关站、公用设备、闸门设备。一般根据监控对象划分为机组LCU、公用LCU、开关站LCU和闸门LCU，以实现对各个对象的监视和控制。下位机系统的功能主要有：数据采集、流程处理、控制现场设备，现地人机交互，与上位机数据传输以及与现场设备通讯等。LCU的核心是可编程控制器（PLC），主要有：美国GE公司的90系列，美国Modicon公司的Quantum系列，德国西门子的S7系列，日本MITSUBISHI公司的FX2.A系列，中国南瑞公司的MB系列等。LCU的冗余结构有三种，即异构型冗余，同构型冗余和交叉型冗余。典型的LCU结构如图3所示:图3LCU结构与配置示意图LCU可用来选择远方/现地控制方式，可现地进行手动控制或自动控制，实现数据采集、处理和设备运行监视，通过局域网与监控系统其它设备进行通信，以及自诊断功能等。1)数据采集处理现地控制单元对电站主要设备的运行状态和参数自动定时采集并处理后，存入实时数据库。对于一些非直接控制的物理量，通常由现地控制单元采集，然后送上级计算机进行处理。按信号性质分为模拟量、开关量及脉冲量等。2)控制操作根据上位机或现地人机接口下达的命令，可进行机组的开、停机顺序控制，开关的分、合操作等控5制，可以自动实现紧急开、停机等操作，必要时也可对刀闸进行操作，以确保机组安全。当事故复归时，能立即进行相应的事故复归处理，操作控制都应有校核与闭锁功能。3)有功功率和无功功率调节根据上位机或现地人机接口下达的给定值进行有功、无功的闭环调节控制。4)历史事件记录主要包括事件顺序记录、变位记录、越限记录等。(1)事件顺序记录：对重要开关量的状态变化或自检出错进行顺序记录。现地控制单元一般至少能记录256个事件。(2)变位记录：对一般开关量的状态变化记录，分辨率为1-2秒，现地控制单元一般至少能记录256个变位事件。(3)越限记录：对模拟量的五种越限(高限、高高限、低限、低低限、梯度限制等)情况进行记录，并可设置越、复限的死区，以避免频繁记录导致计算机资源被占用过多。5)报警现地控制单元应有一定的报警功能，以便与上位机通讯中断时能独立运行，在电站设备或监控系统本身出现故障或异常情况时，输出报警。报警方式一般为音响、语音、文字显示等。6)人机交互LCU可通过触摸屏进行人机交互，用于运行监视、控制、调试等。7)与其它设备的联系(1)与励磁调节器、调速器之间，以计算机通讯接口方式或调脉宽输出方式对机组有功和无功进行闭环调节控制。(2)与微机故障录波、测速装置等的联系有计算机通讯接口，并可把相应信息送到上位机。(3)与微机保护有计算机通讯接口，可以交换信息、保护参数修改等。常规保护接点用空接点输出给监控系统。(4)接受GPS卫星同步时钟信号，提高LCU时钟精度。8)与上位机通讯LCU能通过计算机网络(单网或双网)与上位机通讯，通讯协议应符合开放性原则。把采集的数据和有关信息上送给上位机，同时接受上位机的命令。9)自诊断功能与处理方法LCU具有较强的在线自检功能，各模块可以自检、互检。LCU可以诊断出模件、电源、外设等的故障，并自动切除故障部分，给出故障信息，供运行、维护人员作处理依据。当LCU或某智能模件出现死机时，可以产生自恢复信号，使系统或模块重新工作，并保留历史数据，自恢复可以用硬、软件实现，如看门狗电路等。此外，LCU还能采用自动切换的方法来处理故障：在采用冗余供电时，当LCU的某一路供电电源故障时，可以自动切换；在双网工作方式时，双网间可以自动切换；LCU在双CPU工作方式时，主备CPU间可以自动切换。四．计算机监控系统的网络结构：通常采用的网络拓扑结构有：星形拓扑、环型拓扑星形结构的优点是：控制简单、故障诊断和隔离容易、信道利用率高；缺点是电缆长度和安装工作量较大。6环型结构的优点是：电缆长度短、增加或减少工作站简单；缺点是多节点的故障会引起全网故障，信道利用率较低。图4星形和环形网络拓扑结构五．计算机监控系统的数据通讯计算机监控系统的数据通讯包括以下各个部分：1)系统内部通讯：电站(或梯调)监控系统内部各计算机之间采用计算机网络(单网或双网)通讯，并采用开放式网络通讯协议。针对水电厂的具体情况，监控系统要求具有较强的抗电磁干扰特性。常用的传输介质有双绞线、同轴电缆和光导纤维等。同轴电缆成本适中，传输速度较快；双绞线电缆速度较低，但成本也较低，采用光导纤维通信则是今后发展的方向。2)子电站与梯调的通讯：一般应通过路由器或网桥进行通讯，也可以采用通讯服务器。应具有主备通道，通讯介质一般应采用光纤、微波、专用电缆等。3)与站内其它系统通讯：通过监控系统接口，能与站内其它系统进行通信，交换信息，通信方式一般采用串行通信或网络通讯方式。对于有人值班电站至少应考虑与以下系统通讯：(1)水情测报与水库调度系统；(2)大坝安全监测系统；(3)管理信息系统(MIS)；(4)门警及消防系统；(5)工业电视监视系统。4)与调度通讯：一般大中型水电广都应与省调、地调通讯，有的还应与网调通讯，通讯应符合调度要求。与调度通讯一般应考虑计算机通讯和远动通讯两种方式，以后逐步过渡到计算机通信方式。通讯通道可采用光纤、微波、专用电缆等，一般应具备主备通道。六．计算机监控系统中的数据流计算机监控系统主要由上位机，网络和下位机组成，其核心是将三者融为一体的系统内部通讯，内部通讯的作用就是将下位机采集的数据上行至上位机，同时将上位机的各种命令下行至下位机。其示意图如图5所示：下位机采集的数据有：由开入、模入模件直接采集到的信号，由SJ-30采集的外部设备数据，包括调速、励磁、保护等装置数据，由SJ-40C采集的温度量数据以及由交采表采集的电气量数据。采集的信号类型为：开关量、模拟量、温度量、交流采集量等。7上位机开出的数据有：开关量输出和模拟量开出。图5监控系统数据流示意图数据上行过程：两种类型的数据经过LCU的CPU模件处理放入上行信箱中，由上行信箱送给上位机人机界面显示，并存入实时数据库，由上位机确定是否入历史数据库以供报表制作。同时，CPU模件内有一