2_水电站自动控制系统和装置

第2章水电站计算机监控系统

水电厂采用计算机监控技术,实现发电生产综合自动化,一方面对于提高我国水电厂的自动化技术水平和管理水平,赶超世界先进水平,实现水电厂现代化,具有十分重要的意义。另一方面,由于水电厂多数建在江河上游的深山峡谷中,交通生活条件十分不便,采用综合自动化技术,实现水电站现地的“无人值班”(少人值守),可将生活基地安排在生活比较方便的城镇或中心城市,对于解决职工子女的教育问题,稳定水电职工队伍,是十分重要的举措,具有重要的战略意义。

在国家电力公司(包括原水利电力部、原能源部、原电力部)的大力倡导下,我国的水电厂自动化工作,从上世纪80年代初科研试点开始,经历了实用化推广、和90年代的综合自动化及“无人值班”(少人值守)普遍推广的阶段,取得了巨大的成功。

科研试点阶段:我国水电站综合自动化技术的应用起步于80年代初。当时,水电部的水科院和南自所及机械部的天传所分别在富春江、葛洲坝二江和永定河梯级进行试点研究,研制成功的富春江水电厂多微机分布控制系统于1984年11月正式投入运行,1986年获国家科技进步三等奖。通过试点,尝试了计算机技术应用于水电厂监控系统的优越性和可行性,并初步形成了实用推广模式,培养和锻炼了一批从事水电厂计算机监控系统的科研、设计、安装和运行维护的工程技术人员队伍,积累了宝贵的经验。但由于经验不足,研制周期过长,资金缺乏,使基础自动化配套改造不够,影响计算机监控系统的正常使用,另外,在系统的规模、功能、结构、工艺、可靠性以及软件的水平等方面与国外差距较大。

实用推广阶段:原水电部于1987年和1993年先后制定了“七五期间水电厂自动化计算机应用规划”和“八五期间以及2000年水电厂计算机监控系统推广应用规划”,两批共规划了67个大中型水电厂。根据“七五”规划,到1993年,先后又有27座水电站采用了不同形式的计算机监控系统,如葛洲坝二江、鲁布革、富春江、丹江口、新安江、铜街子、安康、石泉、龙羊峡、东江、白山等。软件和硬件设备的标准化工作取得了初步成效,初步形成了工业化生产,达到了实用化

水平,形成了几种成熟的推荐模式。同时,科技水平有了很大的提高,有关科研院所已经能够独立承担各类工程的计算机监控系统设备的开发研制生产任务,一大批科技人才茁壮成长。

水电厂“无人值班”(少人值守)试点:根据1994年电力部在东北太平湾水电厂会议提出的建议,由安生司主持制定了《水电厂“无人值班”(少人值守)的若干规定(试行)》并于1996年颁布执行。与此同时,电力部颁布试行了《一流水电厂的考核标准》。1994年太平湾会议还确定了葛洲坝二江、太平湾等5个水电厂为“无人值班”(少人值守)第一批试点单位,1996年又扩大白山、紧水滩、龚嘴等9个水电厂为第二批试点单位。这一阶段工作的特点是,(1)各水电厂积极要求上计算机监控系统,并把监控系统当作全厂“创一流”工作的重点,以监控系统带动全厂的自动化改造,为监控系统工作的顺利展开创造了良好的局面;(2)系统的功能齐全,软件和硬件标准化程度高,开发周期短,性能指标先进,基本上达到了国际同期先进水平,实用性强,可靠性好,成功率高,可以满足水电厂“无人值班”(少人值守)的要求,如白山梯级电站远方集中控制监控系统、葛洲坝电站监控系统、紧水滩梯级电站监控系统等;(3)国家级科研开发队伍逐渐形成,形成了自主品牌的监控系统,在国际上具有一定的知名度,如水科院的H9000系列分布开放系统和电自院的SSJ系列计算机监控系统,基本占领了国内水电市场。

普遍推广应用阶段:进入21世纪后,随着我国电力体制改革,电力建设事业出现了蓬勃发展的大好局面,举世瞩目的三峡工程已于2003年7月首台机组发电,2005年9月左岸14台机组全部发电,左岸电站全部建成。三峡右岸电站的首台机组于2007年6月发电,与此同时,龙滩、小湾、拉西瓦、构皮滩及金沙江上游等一批特大型水电站也将于2008年前后首台机组发电,标志着中国水电建设进入新的历史阶段。三峡右岸电站和龙滩电站分别采用了北京中水科水电科技开发有限公司(水科院自动化所)和南瑞集团的计算机监控系统,标志着我国两大自主知识产权品牌的技术发展达到了一个新的高度。

过去的二十年,我国的水电厂计算机监控系统从无到有,逐步发展壮大,并形成了强大的生产力,促进了我国水电厂自动化技术的进步,为水电厂“无人值班”

(少人值守)、减人增效奠定了物质基础。

目前,我国已有约800个(估计)水电厂安装了计算机监控系统,7个水电厂达到了国家电力公司的一流水电厂标准,实现了“无人值班”(少人值守)。国产品牌在国际招标活动中也屡屡中标,已有约20套系统出口国外。水科院和电自院提供的监控系统累计已约600套。

2.1系统结构类型与选择

2.1.1系统总体结构

我国水电厂计算机监控系统的系统结构,已由80年代初的功能分布式系统、多微机分布式系统、80年代中期的星形分层分布式结构,逐步过渡到90年代的面向网络的分布开放系统的结构。

(1)小型集中式控制系统结构

对于装机容量在1万千瓦以下的农村小型水电厂,由于机组容量较小,对控制系统的可靠性要求相对较低,可采用集中式系统结构。系统由一台主计算机、外部设备及I/O数据采集设备构成。这种结构成本低,结构简单,在水电厂计算机监控的初期及农村小水电有应用,可节省投资,但存在可靠性瓶颈集中、系统规模小、功能扩展及维护不方便等缺点。

分层分布是将系统的功能由不同层次的不同硬件协同完成,是目前流行的大型控制系统的结构。分层是在系统硬件结构上将系统分成若干个层次,将系统的功能分布在不同层次的硬件上,如在主站层配置全局性的数据管理、高级分析、决策功能,在现地层设备中配置数据采集、回路控制、单元调节等功能。分布是根据现地设备的数量与性质,将现地控制设备分成若干个控制单元。

在水电厂计算机控制系统应用中,分层分布的原则一般分为电站控制层和现地控制层两个层次。在现地控制层,一般又根据控制对象进行分布,分为机组控制单元、开关站控制单元、公用及厂用电控制单元、闸门控制单元等,分别控制的设备如下:

由于分层分布式系统结构硬件分布、功能分布,使系统的性能指标、可靠性指标等大大提高,成为水电厂计算机监控系统的经典系统结构。

90年代以前,通讯一般采用串行通讯方式,为了减轻主站层主计算机的负荷,通常将大量的通讯功能由前置通讯机完成,构成前置处理层。

在传统的采用串行通讯的远动控制术语中,现地控制单元被称为远程终端单元(Remote Terminal Unit,缩写为RTU)。

图2 双主机双前置机的星型分层分布式系统结构

为了提高系统的可靠性,在主计算机、前置处理机、现地控制单元及通讯通道等环节进行双机冗余配置,形成比较经典的双主机、双前置机、双通道的大型水电厂计算机监控系统模式,如图2所示。

典型的应用包括:多微机系统有富春江一期(1985,水科院自动化所),功能分布式有葛洲坝二江一期(1986,南自所),星型分层分布式有:丹江口(1990,南自所)、龙羊峡一期(1993,水科院自动化所)。

(2)分布开放系统结构

以太网技术出现于80年代初,由于其支持的厂家众多,价格低廉,应用面十分广,成为开放性网络的实际标准,90年代中后期在各类控制系统中得到越来越广泛的应用。

分布开放式监控系统是一种面向网络的系统。该系统在硬件系统配置方面与

分层分布系统相似,但主要硬件之间的通讯连接一般均采用以太网技术。该系统具有系统结构简单、灵活、通用性好的特点,发展非常迅速,与采用串行通讯的分层分布系统在可靠性方面有本质性的提高。水科院自动化所研制的H9000系列和电自院研制的SSJ系列计算机监控系统,均是面向网络的分布开放式监控系统。根据需要,系统一般可配置数据库管理站、操作员工作站、工程师工作站、语音报警站、通信工作站、多媒体工作站等,数据采集及控制设备一般按电厂单元分布,一般一套发电机变压器组设一台现地控制单元(LCU),开关站设一至两台LCU,公用系统及厂用电设一至两台LCU,闸门控制设一台LCU。上述设备一般采用以太网连接。分布开放系统有:葛洲坝二江二期、公伯峡、李家峡、白山梯级等。系统结构如图3所示。

图3 面向网络的分布开放式系统结构

在本文的后续介绍中,除非特别说明,监控系统一般指面向网络的分布开放系统。

2.1.2主站系统结构

监控系统的结构及配置模式应综合考虑电站规模、系统装机容量、电站在系统中的地位、可靠性要求以及造价等因素。

(1)中小型水电站配置模式

中小型水电站是指单机容量为5-100MW之间、电站装机容量为10-250MW之间的水电站。相对于大型电站而言,中小型电站在系统中的重要性要低一些,对控制系统的可靠性要求也相对低一些。因此,监控系统一般采用三机配置,即:双数据库管理兼操作员工作站,一台工程师工作站,现地控制单元按机组单元配置,

另设开关站单元及/或公用系统单元。全部设备采用单网连接。根据需要,也可配置通信服务器,厂长总工终端,语音报警站等。容量大一些的电站也可考虑双网配置。

(2)大中型水电站配置模式

大中型水电站是指单机容量为100MW以上、电站装机容量为250MW以上的水电站。这些电站由于在系统中的重要性突出,对控制系统的可靠性要求也比较高。因此,计算机监控系统一般采用五机双网配置,即:双数据库管理机,双操作员工作站,及一台工程师工作站,现地控制单元按机组单元配置,另设开关站单元,公用系统单元,闸门控制单元。全部设备采用双网连接。根据需要,也可配置厂长总工终端,通信服务器,语音报警站,培训仿真站,多媒体站等。

(3)特大型水电站系统结构

为了提高可靠性,可在系统硬件上采取冗余配置,如数据库管理机、操作员工作站、网络通道、电源等。对于数据采集与控制单元,一般则采用不完全冗余配置的方式,即有一套完全配置的主用LCU完成正常运行时的全部监控功能,另外有一套不完全配置的备用控制系统,在主用LCU故障时,备用控制系统确保被控设备不失去控制。LCU也有采用双CPU的,如白山梯级,双I/O,或全部采用双重冗余配置的,如天荒坪蓄能电站,视被控对象的可靠性重要性而定。

可编程控制器由于可靠性高,编程简单,维护使用方便,用户易于掌握,性能指标可完全满足水电厂计算机监控系统的要求,在水利水电行业获得了广泛的应用,因此,监控系统的数据采集和控制目前多数由可编程控制器构成,辅以其它的专用装置。温度检测可采用独立的温度检测装置,重要的温度监测点可由可编程直接采集,并作用于保护。电气量可采取交流采样技术,取消变送器,方便运行维护,尤其适合线路电气量的采集。

根据现场情况,数据采集系统的模块一般集中安装在机柜内,可采用机箱式结构,也可采用直装式结构。机箱式结构紧凑,总线速度高,抗干扰能力强。对于个别信号,如快速闸门控制信号,采用远方I/O方式,可节省有关信号电缆的敷设。

2.1.3网络系统管理机制

目前,国内外监控系统厂家在网络技术方面有两种做法,一种是大多数公司采用商业化以太网技术,如ABB公司、Alstom公司、H9000系列和SSJ系列等;另一种采用基于令牌技术的网络技术,如Bailey公司的Info-90网络等。

(1)以太网

以太网的传输方法,也就是以太网的介质訪問控制(MAC)技术称为:載波监听多路存取和冲突检测(CSMA/CD,Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection )。

以太网技术的通用化程度非常高,产品品牌众多,兼容性好,价格较低,升级换代也简单,缺点是采用竞争发送的原理,当系统节点较多、通信负荷较大时,网络的通信效率下降,综合通讯效率一般只有标定速率的10%-20%,系统的实时性能会受较大影响。以太网的80年代初的标准速率是10Mbps,1996年前后速率上升到100Mbps,1998年1Gbps的光纤网络产品问世,并出现了种类繁多的速率自适应的成熟产品,促进了以太网技术的应用和发展。

交换型以太网的出现避免了共享型以太网的碰撞問題。交换型以太网的特点是使用交换机(Switch)代替集线器(HUB),交换机的高速背板和强大的存储转发功能,使每个用户都感到一直在不间断地占有使用网络。每个用户可以独自享用10或100Mbps的传输速率,网络的实际带宽大幅度提高。以存储转发机制为基础的交换式以太网技术的出现,基本解决了以太网的碰撞引起通讯时间延迟不确定性的问题,在工业实时控制领域的地位进一步加强。

对于中小型水电站,机组台数较少,数据不多,10Mbps完全可以满足要求。而对于大型水电厂,由于实时性能指标要求高,机组台数很多,应采用速率高一些的产品,如100Mbps的快速以太网。在没有特别功能要求的情况下,如实时多媒体,采用速率更高的网络意义不是很大。另外,由于网络硬件价格不是特别高,100Mbps与10Mbps的价格差异不大,目前中小型水电厂采用100Mbps的网络情况也十分普遍。

(2)令牌网

令牌网技术的最大优点在于确定性的实时响应性,但由于令牌网的应用少,品牌选择有限,一般是控制设备厂家的专用设备,硬件及软件的开放性互换性差,

产品更新换代慢,性能的进一步提高有一定的困难。尽管如此,令牌网仍会在对实时性要求非常苛刻的特定实时控制领域得到应用,并且目前个别产品的最高速率已达5Mbps,仍具有一定的吸引力。

2.1.4网络系统拓扑结构

(1)星形网

星形网中所有的主机和其他设备均通过一个中央连接单元或是集线器(HUB)连接在一起,因其连接模型形状酷似发光的星星而得名。它的优势在于扩充简单方便、网络内可以混用多种传输媒体、分支线路故障不会影响全网的安全稳定运行、多台主机可以同时发送信息等。

(2)总线网

网络介质的选择。目前,网络设备多数采用光纤连接,在环境较好的情况下也有采用五类屏蔽双绞线的。由于光纤具有无与伦比的抗干扰能力,设备之间无电气联系,可靠性高,一般首先推荐使用光纤。五类屏蔽双绞线的通信速率也可以很高,如100Mbps,但距离不宜超过100米。综合性能指标比较好的方式,计算机室与现地控制单元的联系采用光纤,计算机室与中控室的联系采用五类屏蔽双绞线。如有长距离室外通信联系,最好采用光纤,可以防止各种电磁干扰对通信的影响,形成远距离设备之间的电气隔离。

(3)环形网

最早的环形网是令牌网。环形局域网中全部的计算机连接成一个逻辑环,数据沿着环传输,通过每一台计算机。环形局域网数据传输的模式比较特殊:逻辑环路内始终存在一个“令牌(token passing)”信号,它沿着整个逻辑环路传输,需要发送信息的源主机首先需要捕捉到这个“令牌”信号,然后将其状态标示变为“令牌忙”,宣布占用网络传输数据,然后将“令牌”原有的数据替换其想要传输的数据,然后加上目标主机的网卡MAC地址发送出去,此数据包通过网络上的一台台主机传送到目的主机,目的主机收到数据后将“令牌”数据修改表明其已经成功收到数据,当此“令牌”沿环形网络回传到源主机时,源主机将“令牌”状态恢复为“令牌空闲”,清除数据,并将“令牌”交给逻辑环路中的下一台主机。

环形网的优点在于网络数据传输不会出现冲突和堵塞情况,但同时也有物理链路资源浪费多,而且环路构架脆弱,环路中任何一台主机故障即造成整个环路崩溃。

由于令牌环网的网络管理复杂,通讯效率低。目前环网多采用交换以太网技术构成,硬件及软件开放性好,网络管理简单,通讯效率提高,可靠性高,在高可靠性的工业控制环境应用较广。

(4)现地总线网

近年来,现场总线技术发展非常迅速,值得注意。国际上基本形成了现场总线技术的两大阵营,如以ProfiBus为代表的欧洲标准和以DeviceNet为代表的北美标准,各自制定有关技术标准,主要设备厂家也均推出相应的现地总线产品。现地总线技术更适用于被控对象在地理空间上比较分散的场合,可节省大量的现场信号电缆的敷设。另外,现场总线产品的可维护性也是一个显著的优点。

(5)冗余网络结构

目前,网络设备的可靠性在有关设备中是比较高的,可以满足一般水电厂对监控系统可靠性的要求。对于大型水电厂来说,为了进一步提高可靠性,确保系统万无一失,一般还是采用网络双冗余配置。

一般说来,大电站大机组的控制系统采用的网络设备档次要高一些,性能指标高,冗余度也要高一些。根据我们应用的经验,不论是单网还是双网,由于网络设备本身故障而影响系统运行的情况还是相当少见的。

2.1.5现地控制单元

现地控制单元(Local Control Unit: LCU)主要完成现场的数据采集和控制功能,主要由CPU、通讯、总线、各种I/O、电源模块以及专用功能装置如同期装置、交流采样装置等构成。根据I/O的形式,LCU可分为集中I/O和分布I/O两种模式,集中与分布是相对而言的。为提高系统的可靠性,有关模块可采取冗余配置。

(1)集中I/O模式

集中I/O模式是指I/O为插卡式模块,直接插入I/O模块机箱里,集中安装在机柜。由于机箱总线的通讯速率高,比较适合系统规模较大、实时性能指标要

求高的场合。另外,设备集中布置,运行环境好,也便于设备的维护和管理。

(2)分布I/O模式

分布I/O是指I/O模块分散布置在被控设备附近,有关模块通过现场总线连接。这种模式的最大优点是模块布置在设备附近,可以节省大量的信号控制电缆,现场设计施工大大简化。但最大总线的长度一般取决于波特率与中继器的使用,例如:Profibus总线在 500kBaud 时总线长度为400米,而 12Mbaud 时仅为100米。

采用光缆和光中继器后,总线的长度可增加至若干公里。

(3)混合I/O模式

在实际水电自动化系统工程应用中,往往采用两种模式混合的方式。如水轮发电机组的控制系统,大部分信号采集与控制模块集中布置在机旁的控制柜中,另外有部分信号,如蝶阀控制设备布置在蝶阀附近,机组温度数据采集模块安装在发电机通风层,这些设备通过现场总线连接到机旁的主控制系统。

(4)冗余系统结构模式

高可靠性的控制系统对于提高水电机组的安全运行水平十分重要。冗余系统结构模式是提高控制系统可靠性的有效途径。

冗余是指采用多于一个的功能模块配合完成某一功能。在水电控制应用中,有下列几种不同的冗余结构:

(a)全双冗余结构

全双冗余结构是指该装置中的全部部件均按 1:1 冗余配置,正常情况下按双机备用方式运行。任何一套发生故障时,一套维持正常运行,另一套可以停下来检修维护。该配置的优点是可靠性高,运行维护方便,缺点是投资大,现场信号设计施工复杂。在实际工程中应用不多。

(b) 不完全冗余结构 水电控制系统工程的现场经验表明,监控系统的I/O 模块故障率比较低,即使万一I/O 模块故障,其影响面也较小,远不如CPU 、电源、网络及总线等模块的影响大。因此在系统设计中,采用不完全冗余结构,对控制系统可靠性影响大并且容易出现故障的CPU 、电源、网络及总线等模块进行冗余配置,其它设备如I/O 模块采用单配置,可节省大量昂贵的I/O 模块。这种培植方式不仅完全满足水电厂“无人值班”运行控制方式的需要,而且可大大地简化现场的信号设计。目前,大型水电厂的现地控制单元系统基本采用这种配置结构,如三峡右岸、龙滩、五强溪、公伯峡等电站。

2.2 软件系统

2.2.1 操作系统

(1) Unix 操作系统

Unix 操作系统是一种强大的多任务、多用户操作系统。早在上世纪六十年代未,AT&T Bell 实验室的研究人员为了满足研究环境的需要,结合多路存取计算机系统研究项目的诸多特点,开发出了Unix 操作系统。至今,Unix 本身固有的可移植性使它能够用于任何类型的计算机:微机、工作站、小型机、多处理机和大型机等。

Unix

是常使用命令运行、极具灵活性的操作系统,目前的产品主要有

(a) 全双冗余结构 (b) 不完全冗余结构

IBM-AIX、SUN-Solaris、HP-UNIX等。Unix操作系统通常被分成三个主要部分:内核(Kernel)、Shell和文件系统。

内核是Unix操作系统的核心,直接控制着计算机的各种资源,能有效地管理硬件设备、内存空间和进程等,使得用户程序不受错综复杂的硬件事件细节的影响。

Shell是Unix内核与用户之间的接口,是Unix的命令解释器。目前常见的Shell有Bourne Shell(sh)、Korn Shell(ksh)、C Shell(csh)等。

文件系统是指对存储在存储设备(如硬盘)中的文件所进行的组织管理,通常是按照目录层次的方式进行组织。每个目录可以包括多个子目录以及文件,系统以 / 为根目录。常见的目录有 /etc (常用于存放系统配置及管理文件)、/dev (常用于存放外围设备文件)、/usr (常用于存放与用户相关的文件)等。

目前,UNIX作为操作系统的开放标准,不仅具有良好的开放性、实时性和稳定性,很少受到病毒的侵扰,而且具有以下特点:(1)多线进程控制,(2)内存影射文件,(3)逻辑卷管理,(4)共享程序库,(5)NFS网络文件服务系统,(6)虚拟内存管理,实时支持功能,(7)多种多任务调度模式:Timesharing分时多任务调度,FIFO先进先出实时多任务调度,Round-Robin实时多任务调度,(8)40级分时优先级,64级实时优先级,(9)强化I/O管理,(10)高可靠性,(11)C2级安全保密性。

(2)Windows操作系统

Windows操作系统是图形界面操作系统的代表,由美国微软公司推出。它以窗口为基本操作背景,只需用鼠标点击窗口中的图标、按钮和菜单项等就可以方便地完成所需要的操作。自1995年一个划时代的Windows操作系统——Windows95诞生以来,微软公司不断推陈出新,先后又发布了Windows NT4.0、Windows98、Windows2000和Windows XP等操作系统。目前微型计算机上安装的主要是Windows98、Window2000和Windows XP等较新的系统。这些系统都提供强大的网络连接能力,全图形界面,易于操作,并提供了大量功能完善的管理工具,成为了微型计算机配置的主流系统。

(3)操作系统的选择

Unix和Windows是目前常用的两种操作系统,两者的特点及应用情况对比如下:

根据上述情况,Unix系统一般多用于大型水电站控制系统的关键设备,如服务器、操作员站、工程师站、通讯服务器等,Windows多用于厂内通讯服务器、语音报警服务器、打印服务器、报表工作站等。由于Windows系统的计算机设备价格低廉,小型水电厂监控系统的设备一般全部选用Windows系统。

由于Windows系统平台下的应用软件迅猛发展,如IE、Excel等,给用户提供了极大的便利,进一步推动了Windows系统的应用范围不断扩大,大有Windows 一统天下的趋势,但Unix系统在高端、高可靠性、关键应用领域仍然起主导作用。

2.3硬件

2.3.1主站级设备

(1)主机与数据库服务器

大型监控系统一般设主机与数据库服务器,完成对整个系统的数据采集处理与管理、高级应用功能如AGC/AVC。由于主机与数据服务器的重要性,主机与数据服务器应采用冗余热备配置。正常时,一台为主机,完成监视控制任务,另一台则为备用,可进行正常监视。当主站故障或退出时,备用站可自动或手动升为主站,完成监控任务。

当电站比较重要,历史数据较多时,也可配置共享磁盘阵列,构成Cluster 结构,提高数据存储与服务的可靠性。

(2)操作员站

操作员站可根据需要配置一至多台。多台工作站之间可以配置成主备冗余方式,也可配置成全冗余方式,即每台工作站可同时具有控制权。每台工作站均可完成监控系统的全部人机联系功能。主要完成对整个电站的运行监视和闭环控制,发布操作命令,各图表曲线显示,事故、故障信号的分析处理等功能。一般选用高档图形工作站,配置有一至三个大屏幕显示器。

(3)工程师站

工程师站主要用于应用程序开发,如图形、报表、数据库、控制流程等方面的编辑和修改,系统的维护与诊断,如系统初始化、系统管理、检索历史记录、

系统故障诊断、程序下载、远程诊断等工作,实时系统维护,如系统运行参数修改、数据备份,在离线时进行用于修改定值,增加和修改画面,并可进行系统维护、软件开发工作及等。一般选用与操作员站同等配置的图形工作站。

(4)培训仿真站

培训仿真站的硬件配置一般与操作员站相同,具有运行监视功能,可进行模拟操作,但通往现场的控制输出均被屏蔽,主要用于运行人员培训。

完善的培训仿真站应配置有现场仿真软件,运行培训人员的模拟操作可以由仿真软件模拟现场设备进行反馈,达到逼真的模拟效果。

(5)语音报警站

语音报警站主要负责语音报警、电话查询、事故自动寻呼(ON-CALL)以及报警信息手机短信发送等。

(6)报表系统

自动完成报表数据的生成,报表管理,报表查询等功能。

(7)厂内通讯站

完成水电厂智能设备或系统的通讯,如机组状态监测系统、保护及录波系统、消防系统等。可根据通讯设备的数量、负荷大小进行配置。一般选择微机服务器较多。特别重要的通讯节点可配置成双机系统。

(8)调度网关站

调度通讯网关站主要负责与上级电力调度的通讯功能。重要电站的网关站应双机热备冗余配置,可选择64位UNIX服务器。通道也应采用不同物理路径、不同设备进行备用。对外通道目前采用串行通讯及以太网通讯方式的较多。

(9)WEB信息发布站

WEB信息发布站是通过Internet和浏览技术,实现监控系统实时信息的对外发布,是Internet对监控系统软件技术的巨大促进。

根据信息量的大小,可由一台服务器完成WEB信息发布的功能,也可由若

干台服务器协调配合完成。

通过WEB信息发布系统,运行管理人员可在任意地点通过计算机联网访问监控系统的WEB服务器,浏览查询现场设备及系统的运行情况。通过系统授权,维护人员可对监控系统进行必要的远程维护。

WEB与监控系统之间必须配置安全隔离设备。

(10)时钟

监控系统一般设高精度的GPS时钟同步系统一套,定时校对监控系统内各计算机设备的实时时钟,使监控系统内部的各计算机系统及智能设备的时钟同步一致,满足事件记录对时间精度的要求。

对于大型或特大型水电厂,由于需要对时的设备数量比较多,目前较多采用是一、二级时钟系统的方案,即每个LCU配置一台二级时钟,一级时钟负责主站及二级时钟的同步,不仅可满足目前全厂有关智能设备的对时要求,而且有利于未来对时信号的扩展。一、二级时钟之间采用光纤连接。时钟装置的输出信号类型及接口数量可根据要求灵活配置,一般包括以太网接口、RS232或RS485串行通讯接口以及DCF77编码脉冲接口等。以太网接口一般采用标准的NTP对时规约。

(11)打印设备

打印机主要用于监控系统的各种报表、统计报告、报警信息的打印。

常用的打印机有行式打印机和页式打印机。

行式打印机主要包括针式打印机和喷墨式打印机,一般用于随机报警语句的随机打印。由于点阵式打印机容易发生卡纸等现象,导致网络壅塞,系统死机,目前已很少采用随机打印。

激光打印机主要用于报表打印,打印幅面由B5到A3不等,可根据需要报表需要选用相应的打印机。过去报表往往采用定时打印的方式,导致报表打印较多,报表的保存和查询都比较困难。现报表数据一般采用光盘存储,取消纸质报表打印,报表的检索比较方便,需要时可随时打印纸质报表。

2.3.2现地控制单元

水电厂计算机监控系统位于被控设备附近的控制系统部分,一般按被控设备单元分布,即现地控制单元。

LCU一般由数据采集与控制器、人机联系、电源、同期装置、变送器、仪表以及盘柜等设备构成。主要完成对监控对象的数据采集与预处理,负责与主站的网络数据通讯,接收并执行主站的命令和管理。LCU本身也是一套完整的数据采集与控制装置,当与主站系统脱机时,通过现地的人机联系设备,仍具有对现场设备的控制、调节操作和监视功能。LCU是监控系统中一个非常重要的环节,其可靠性直接影响整个系统控制功能的实现。

(1)控制器

控制器是LCU的核心组成部分,完成数据的采集、处理与控制功能。

目前控制器主要采用各类可编程控制器构成,进一步可分类如下:

(a)按CPU数量分,可分为:单CPU、多CPU冗余型;

(b)按IO分类,可分为:集中式IO系统,分布式IO系统;

(c)按CPU处理方式分类,可分为:单任务循环扫描型,多任务多周期扫

描型等。

另外还有少数的小型水电厂采用基于IPC、PCC (Programmable Computer Controller)作为控制器构成的控制系统,可归类为上述控制器的一种变形。

国际电工委员会(IEC)对PLC的定义是:可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。它采用可编程序的存贮器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。

随着微处理器的出现,VSI、VLSI制造技术和数据通讯技术的迅速发展,PLC

的应用和技术也得到了飞速的发展。

PLC出现于60年代末,一般称为可编程逻辑控制器。在70年代开始采用微处理器作为PLC的CPU,PLC功能大大增强。在软件方面,在原有的逻辑运算、定时、计数等功能的基础上增加了算术运算、数据处理和数据通讯、自诊断等功能。在硬件方面,开发了模拟量模块、远程I/O模块以及各种特殊功能模块。80年代中后期以来,由于微处理器硬件制造技术迅速发展,市场价格大幅度下降,各PLC 生产厂家大量采用更高档次的微处理器。为了进一步提高PLC的处理速度,很多制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片。后来PLC还专门开发了SOE、交流采样等特殊模块,并融入了Ethernet、Web Server等技术,配套软件功能丰富,使用得心应手,PLC的数据采集处理能力、数字运算能力、人机接口和网络通信能力都得到大幅度提高,与部分工业控制设备相结合后,在某些应用上逐渐取代了在过程控制领域长期处于统治地位的DCS系统。由于PLC通用性强,可靠性高,使用方便,编程简单,在工业过程控制中的应用非常广泛。

目前在我国水电厂计算机监控系统一般用PLC构成现地控制单元,使用较多的PLC有:法国施耐德公司的Quantum和Premium系列,德国西门子公司的S5、S7系列,GE公司的GE 90系列,美国Rockwell公司ControlLogix等。可根据电站实际需要,选择在性能、功能等方面能满足电站要求的PLC产品。目前我国很大一部分电站的自动化系统都是采用PLC构成现地控制部分的,通过合理的配置和搭配,它们基本上都能在系统中担负起相应责任,完成相应的功能。

另外,国电自动化研究院开发的SJ-600系列智能现地控制器在我国水电厂计算机监控系统中应用也较多。该产品是上世纪九十年代末开发的智能分布式现地控制单元,由主控模件、智能I/O模件、电源模件以及连接各模件与主控模件的现场总线网组成。

(2)同期装置

同期并列操作是电力系统中一项经常而又极其重要的操作,要求同期装置必须非常稳定和绝对可靠,否则将给发电机和电力系统带来极其严重的后果。

目前多采用高档单片机构成。一般采用双重冗余设计及完善的抗干扰措施,使装置具有高可靠性和稳定性,保证在任何情况下不误动作。利用高档单片机运算速度快的特点,将现代控制理论运用于同期预报,调频、调压计算,调节待并机组,以最短时间进入给定同期区域,确保在出现第一个同期点时,实现同期操作。装置应具有电子同步表、操作按钮、通讯接口等。采用数字转角变技术,可省却转角变,简化现场二次设计。支持的单对象或多对象同期,可自动识别线路的合环操作要求,具备检无压同期等功能。

(3)交流采样

根据采集信号的不同,可分直流采样和交流采样两种。

直流采样的采样对象为直流信号,它是把交流电压、电流信号经过各种变送器转化为0~5V的直流电压,再由各种装置和仪表采集。

交流采样是将二次测得的电压、电流经高精度的CT、PT变成计算机可测量的交流小信号,然后再送入计算机进行处理。通过运算,可获得电压、电流、有功功率、功率因数、频率以及高次谐波的有关参数。可根据功能要求,有关参数可LED显示、通讯输出、越限报警等。

由于交流采样能够对被测量的瞬时值进行采样,因而实时性好,相位失真小,用软件代替硬件的功能,使硬件的投资大大减小,克服了直流采样无法采集实时信号,测量精度受变送器的精度和稳定性影响,设备复杂,维护困难等缺点,在电力系统监测与自动化控制系统中应用越来越广泛。

(4)人机联系

LCU的现地人机联系接口一般采用触摸屏或一体化工业控制微机,可显示开停机流程、数据库一览表等画面。由于LCU安装在现场,一般选择抗电磁能力强的液晶显示器。

工业控制微机的功能强大,除可实现一般必要的现地人机联系功能外,还可

实现较强的现地数据处理、数据通讯以及历史数据存储管理等功能。

液晶触摸屏没有硬盘等运动部件,系统软件全部固化,抗干扰能力强,其可靠性远高于工控机。现地LCU采用触摸屏为人机联系手段已成为水电站监控的发展趋势。

现地人机联系设备平时可关机运行,不影响LCU的正常运行。

2.3.3电源系统

电源系统是影响监控系统正常运行的重要环节。

电源系统可有分布式和集中式两种配置方法。分布式是指多台UPS电源供电,一般主控级设备由两台相互备用的电源供电,而每台现地控制单元由单独一台UPS 供电。集中供电方式是指全部监控系统设备由两台相互备用的大容量UPS电源供电。两种方式各有优缺点,分布式的电源装置小,维护方便,价格较低,单个电源的故障不影响其他电源装置的运行,但当系统较大、电源数量较多是,电源的维护工作量较大。集中式供电对电源装置的可靠性要求相对要更高一些,价格也比较昂贵,维护较复杂。

容量在3kVA以上的不间断电源经常配置成双机热备用系统。备用的方式分主备备用方式和并机备用方式。

目前,电力系统采用较多的是交直流供电装置,取代不间断电源,正常运行时利用交流电源供电,当交流电源出现问题时,可以自动切换到由电厂比较可靠的直流电源供电方式。

2.4主站系统功能

2.4.1数据采集

现场数据包括模拟量、非电量、温度量、扫查开入量、中断开入量、数字量、脉冲量、串行口通信量等,一般由LCU采集,少量由通信服务器采集。采样可分定周期和变周期两种。预处理包括有效性、合理性判断,软件滤波,输入线路误差补偿,标度变换,越复限比较以及格式化,报警或变位时间标记等。

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