水电站计算机监控系统的结构和工作原理.
水电站计算机监控系统网络结构分析
１ 概 述
近年来 ， 随着水 电站计算机监控技术的成熟与
普及 ， 算机监 控技 术在 中、 型水 电站 中得 到广 泛 计 小 的运 用 。从 ２０ 以来 ， 山地 区新建 的水 电站基 ００年 文 本都 采用 了计 算 机 监 控 系 统 ， 在计 算 机 监 控 系统 但 网络 结构 上 ， 分 电站存 在一 些细微 不足 ， 部 却关 系 到
约 和协 调关 系 。水 电站 的控 制对 象主要 是水 轮发 电 机组、 开关 站 、 用设 备 、 门等 。按 控 制对 象 设 置 公 闸
图 ２为采 用 一体 化 工 控 机 上 以太 网方 式 ， 全 为 开放、 分层 、 分布 式结 构 ，Ｌ 、 Ｐ Ｃ 采样 装 置 、 温度 巡 检 、
３ 文山州 地 区部分 水 电站计 算机 监控 系统
网络情况
励磁、 调速器等设备通过一体化工作站与上位机系 统通信。这种结构主要考虑的是在上位主机故障时 现 地工 控机仍 可独 立 运行 。 即所 有现 地单元 均 可 以 各 自独立 运行 。每 个单 元都 是 由工控 机 和可编程 控
单独的控制， 称作现地控制单元 。电厂控制层也设
计算 机 ， 负责一 些 全 厂 性 功 能 。电 厂控 制 层 本 身 也 可 以是一 个 功 能 分 散 的 系 统 ， 多 台 计 算 机 组 成 。 有
２ ２ ３ Ｐ Ｃ直接 连接 以 太 网结 构 ２ ． ． Ｌ
统要求由软件实现冗余设 备的检测与故 障诊断， 实 现冗 余部 件 的无扰 动 切 换 ， 保 系统 中某一 部 件 的 确 故 障或 退 出都 不影 响系 统 的正 常运 行 。该 方案 系统
功 能极 为丰 富 ， 可靠 性极 高 ， 用 于对 监控 系统要 求 适 极 高 的大 、 中型水 电站监 控 系统 。
水电站计算机监控系统的基本技术
,第二篇水电站计算机监控系统的基本技术任务一、水电站计算机监控系统的工作原理子任务一、电站主控层的计算机监控原理电站主控层（主要由上位机组成），介于电网层与现地控制层之间，是操作员监控运行过程的主要窗口，负责对控制过程的“控、监、传”。
其“控”，就是将“人”的操作信息送入控制系统，实现运行状态的转换，其“监”，就是对系统的数据库进行管理，进而实现信息处理和送达，其“传”，就是在电网层与现地控制层之间实现信息的传递。
在水电站主控层安装有水电站计算机监控系统的历史数据库、实时数据库、历史数据库管理系统、实时数据库管理系统、上位机软件系统和人机接口界面等。
现地控制单元层的数据首先采集进入实时数据库，一方面，上位机软件根据设定的时间，通过实时数据库管理系统定时访问实时数据库的数据，并定时刷新人机接口界面，这样便于操作运行人员了解整个电站的运行情况；另一方面，实时数据库的数据定时存储入历史数据库，历史数据库可以由历史数据库管理系统进行管理，操作运行人员可以一次通过人机接口界面、上位机软件和历史数据库管理平台对历史数据进行管理、修改和查询等操作。
此外，实时数据库可以通过上位机中的远程通讯软件与电网层进行数据交换。
主控层原理见（图2-1）。
图2-1 电站主控层的工作原理简图子任务二、现地控制单元层计算机监控原理水电站计算机监控系统的现地控制单元主要包括机组现地控制单元和开关站及公用设备现地控制单元。
其中，机组现地控制单元主要在现场对机组运行实现监视和控制。
它需要直接与水电站的生产过程接口，对发电机生产过程进行监控，运行中要实现数据采集、处理和设备运行监视，同时通过局域网与监控系统其他设备进行通信，以及完成自诊断等。
同时，它要协调功能层设备如调速器、励磁装置、同期装置、备自投装置等与现地控制单元的的联动以完成调速、调压、调频以及事故处理等快速控制的任务。
在上位机系统出现故障或退出运行时，现地LCU应能够正常运行和实现对水轮发电机组发电的基本控制。
水电厂计算机监控系统
一、水电站监控系统的体系结构1、系统整体结构简介2、系统特点3、典型网络结构1、系统整体结构简介水电厂计算机监控系统目前均按对象设计，采用分层分布、开放式网络系统结构，具有典型的三层结构：主控层、通信层、现地层。
如下图所示主控层通信层线地层①主控层主控层又称上位机管理层或站控层，采用以太网等通信结构，根据需要可设置操作员站、工程师站、数据服务器、通信工作站、打印机、卫星时钟等，形成电气系统的监控、管理中心。
主控层按设备划分为计算机设备（工作站），通讯网络接口设备、打印设备，不见断电源设备，卫星同步对时设备，中文语音报警设备等。
计算机设备（工作站）数目随电厂情况而定，都选用高档工控机,实现站内监视，控制操作。
网络打印机可选用激光、喷墨或针式打印机。
通信工作站上还可配置马赛克返回屏控制软件，实时刷新返回屏信号及数据。
主控层采用开放的Windows2003 Professional（专业版）或server（服务器）操作系统,数据库采用分布式数据库结构,根据节点的不同功能配置相应的数据库,应用软件采用模块化、对象化、结构化设计，具有一定的完整性和独立性,软件另有维护诊断工具,可对人机界面进行维护以满足不同用户对显示画面、打印图表的不同格式的要求。
②通信层通信层又称通信管理层或通信网络层，采用通信管理机、交换机等实现规约转换和装置通信。
由于现场保护测控装置等智能设备数量多，一般机组、主变、线路、厂用电、公用子系统和其他智能设备可分别组网，保证了系统的实时性和稳定性。
各子系统可分别设置通信管理机，根据需要可为双机冗余设计。
各通信管理机接于上位机层以太网，同时可以经以太网/CAN/RS-485/232 通信口直接与相应机组LCU的电气控制器PLC相联，实现数据交换。
通讯网络结构采用以太网、CAN、RS-485总线，可配置成双网冗余结构方式，网络介质可为同轴电缆线，屏蔽双绞线，光纤等。
③现地层现地层又称现地控制单元，现地控制单元(LCU)具备保护、测量及控制等所有功能,并遵循保护相对独立和动作可靠性的原则,现地控制单元不依赖于通讯网络和上位机管理层,能独立完成监控和保护的功能,符合部分标准要求。
水电站计算机监控系统
8
水电厂监控系统的功能
1、数据采集和处理 2、设备的操作监视和控制 3、设备运行安全监视 4、自动发电控制AGC
5、自动电压控制AVC
6、运行日志及报表
9
7、事件统计 8、数据通讯 9、人机界面 10、自诊断和远方诊断 11、多媒体功能
12、仿真培训
13、事故的自动处理
数据采集和处理 计算机监控系统对运行设备需要进行经常巡回检查，检查是否正常 （是否越限），并对计算机监控数据库不断更新，按被测量的性质不 同可分为：模拟量、开关（数字）量、脉冲量等。
功能处理分布化
应用软件的可移植性 不同系统间的相互操作性
36
开放式分层分布式
监控系统各个节点分布着与该节点功能相关的数据库，各个节点 间可进行所需信息的交换而不依耐厂级计算机系统，即在厂级计算机 未投入运行或故障的情况下，工作人员也能通过现地控制单元对设备 进行操作或提取采取的数据，整个系统都遵循行业统一的接口标准接 入。
开放式
分层分布开放式
32
计算机监控系统结构
分层分布式按权限划分：
梯级调度层
厂站监控层（上位机）
机组操作层（下位机或LCU）
辅助设备控制层
33
分层分布式
特点
1 、凡是不涉及全系统性质的监控功能安排在较低层实现，以加速控制 过程的实现，提高相应能力，减轻控制中心负担，减少大量的信号传 输，提高系统可靠性；
1、系统控制权的设置和切换； 2、机组及重要设备的状态设置； 3、测点和设备的投运； 4、参数整定值和限值的修改； 5、电厂运行方式的设置和切换； 6、调用各种画面； 7、各种报表和打印； 8、操作票显示和在线修改； 9、机组的启、停和工况转换操作； 10、断路器和隔离开关的开端、关合工作；
水电站计算机监控系统
水电站计算机监控系统1-引言1-1 目的本文档旨在详细介绍水电站计算机监控系统的设计和功能，以便于了解该系统的工作原理和操作流程。
1-2 背景水电站是利用水流能产生电能的设施。
为了提高水电站的安全性和运营效率，引入计算机监控系统是必要的。
该系统能够实时监测水电站的各项参数，并提供报警、记录和控制等功能。
2-系统概述2-1 系统架构该水电站计算机监控系统采用分布式架构，由若干个子系统组成。
主要分为数据采集子系统、数据处理子系统、数据存储子系统和用户界面子系统。
2-2 系统功能2-2-1 数据采集数据采集子系统负责实时采集水电站的各项参数数据，包括水位、水压、流量等。
采集设备包括传感器、数据采集仪和信号转换器等。
2-2-2 数据处理数据处理子系统负责对采集到的数据进行处理和分析。
它能够识别异常数据并提供报警功能。
数据处理算法包括数据滤波、统计分析等。
2-2-3 数据存储数据存储子系统负责将处理后的数据存储到数据库中。
它能够实现历史数据的查询和分析。
数据库采用关系型数据库。
2-2-4 用户界面用户界面子系统提供了一个直观、友好的界面，用于展示监控数据和操作系统功能。
用户可以通过该界面实时监测水电站运行状况，并进行系统配置和操作。
3-系统详细设计3-1 数据采集子系统设计3-1-1 传感器选型和布置根据水电站的具体情况，选择合适的传感器，并进行布置。
要保证传感器的准确度和可靠性。
3-1-2 采集设备选型和配置选择适合的数据采集仪和信号转换器，并根据实际需求进行配置。
3-2 数据处理子系统设计3-2-1 异常数据检测算法设计设计一套有效的算法，用于检测和识别异常数据，并触发报警。
3-2-2 数据滤波算法设计设计一套滤波算法，对采集到的数据进行平滑处理，提高数据的稳定性和准确性。
3-3 数据存储子系统设计3-3-1 数据库设计设计数据库表结构，存储监控数据和其他相关信息。
3-3-2 数据库管理和维护制定数据库管理和维护计划，保证数据库的稳定运行和数据的完整性。
水电站计算机监控系统介绍
监控系统功能概述
监控系统电站级功能
数据采集与处理
电站级计算机能自动采集整个电站内各现地控制单元的各类实时数据， 包括模拟量、开关量、数码量、电度量和事件顺序记录（SOE）等， 包括模拟量、开关量、数码量、电度量和事件顺序记录（SOE）等， 进行数据有效性校核，存入数据库，用于显示器屏幕画面更新、控制 调节、记录检索、操作指导及事故分析。事故报警信号优先传递，并 登录事故发生的时间。在任何时候均可由操作员或应用程序发命令采 集任何一个现地控制单元级的过程输入信息。
控制与调节方式
计算机监控系统具有多种调控方式，以满足电厂运行需要。
省中调远方控制
省中调计算机监控系统运行值班人员可通过其控制键盘或由能量管理系统，按预定要 求或由实时运算结果通过电力数据网发出命令，直接控制到每台机组和主要开关，实 现单机控制。也可以根据AGC算法给定全厂总负荷向电站主站级计算机给出全站的有 现单机控制。也可以根据AGC算法给定全厂总负荷向电站主站级计算机给出全站的有 功功率和无功功率给定值，通过电站主计算机按最优发电运算(EDC)确定开机台数及 功功率和无功功率给定值，通过电站主计算机按最优发电运算(EDC)确定开机台数及 机组间的负荷分配，实现成组控制。当设备位置状态发生变化且未被调度端确认时， 遥控、遥调命令予以闭锁。同时电站通过电力系统数据网向省中调上送电站主设备运 行状态及主要运行参数。
硬件配置说明
工程师工作站 机型：采用美国HP公司XW4300型工作站 机型：采用美国HP公司XW4300型工作站 硬件配置： CPU： CPU：Pentium4 2.8GHz 内存：1024MB 内存：1024MB 硬盘：80GB× 硬盘：80GB×2 软驱：3.5英寸1.44MB 软驱：3.5英寸1.44MB 光驱：Combo 光驱：Combo 2串/1并 /1并 双头显卡（支持双显） 10/100/1000M以太网接口 10/100/1000M以太网接口 标准键盘和鼠标 1台 美国ViewSonic 21”彩色TFT显示器 美国ViewSonic 21”彩色TFT显示器 1套
水电站计算机监控系统
4）远方通信缺陷
由于变电站均采用无人值班模式，因此保证与远方的通信 畅通，确保信息的正常传输就显得尤为重要。
远方通信缺陷主要由以下两方面组成：其一是远动工作站 自身的设备问题。由于大部分监控系统的远动工作站采用 工控机等设备，因此也存在和后台系统相类似的情况，由 硬件故障造成的信息传输中断屡见不鲜。
此类缺陷严格来讲不属于监控系统自身的问题，处理时涉 及一、二次设备，消缺难度较大，特别是开关柜的小车行 程开关质量等问题结合停电处理等，缺陷延续时间长；在 某些情况下可能会导致信号接点频繁动作，造成监控系统 连续频繁报警，严重影响运行人员的正常监视，必须立即 处理。
3）网络设备缺陷
从统计数据看，目前网络通信设备的故障数量尚不大，但 其一旦发生故障则影响较大，涉及面也广，通常会造成多 个装置通信异常或全站数据采集的中断，后果非常严重， 因此必须立即处理。分析网络设备的故障原因，通常由产 品质量不良引起，尤其是各类交换机、集线器等网络通信 设备的电源问题表现尤为突出。
3．减少通用计算机类设备的使用由于通用计算机类设备 (或者工控机类)使用硬盘及风扇等固有特性，注定了其易 发生缺陷的属性。因此，为了彻底解决上述问题，减少使 用通用计算机类设备是必由之路
4．定期更换设备计算机类设备受电子元器件寿命及运行 环境等条件的限制，其使用周期一般不超过5年。因此， 必须考虑此类设备的定期更换工作，确保各设备始终处于 良好状态。
（二）重视计算机监控系统的软件版本管理工作针对计算 机监控系统的软件类缺陷，目前可能更多地需要依靠相关 生产厂家来改进完善。通常软件类缺陷一般不容易发现， 往往需要经过一段时间运行后或在某种特殊情况下才有可 能发生。软件问题往往需要通过升级处理，势必造成同一 系统不同软件版本现象的出现。因此，加强监控系统相关 软件版本的管理工作就显得尤为重要。
龙溪水电站计算机监控系统的构建
龙 溪水 电站位 于浙 江省 天 台县境 内 ，电站 装机 容量 ２×８Ｏ０Ｗ，水 轮 发 电 机 组 为 混 流 立 轴 式 。 ０ｋ 电站 的主接 线采用 两 机一变 扩 大单 元接 线方 式 ，设 １Ｏ Ｖ、３ ｋ １ｋ ５ Ｖ两个 间 隔 。 龙溪水 电站 自投 用 以来一 直采 用 常规 的 自动 化 控 制模式 ，为保证 电站 安全 、可靠 、稳定 运行 ，在
工作 。
韩 雪晶 ，男，主要从 事发 电机励磁控 制研 究工作 。 商建峰 ，男 ，主要从事发 电机励 磁控制研 究工作 。
・
５ ・ ７
维普资讯
计算 机应 用 和遥测 的功 能 ，预 留遥控 和遥调 的 功能接 口 ，电站 达到 “ 少人 值班 ” ；远 期 ，打 通 调 度 中 心 至 水 电站 的通讯 通 道 ，由水 电站厂 内计 算机 监控 方式 过渡 到
维普资讯
小水电 ２０ 年第 ４ （ ０６ 期 总第 １ 期） ３ ０
计算 机 应 用
龙 溪 水 电站 计 算 机 监 控 系 统 的构 建
毛建 生 郭
【 摘
ห้องสมุดไป่ตู้
张 仁贡 （ 江 同济职 业技 术 学 院 浙
浙 江杭 州 ３００ ） １０３
捷 （ 江华 电科技 有 限公 司 浙 江杭 州 ３００ ） 浙 １０４
［ ］ Ｍ ｄｅｎＭ ｄｕ ｒ ｏｏ Ｒ ｆ ｅｃ ｕ ｅ１９ ． ２ ｏｉ ｏｂｓＰｏ ｃｌ ｅ ｒｎｅＧ ｉ ９６ ｏ ｔ ｅ ｄ
［］ 张志 良．单片机原理与 控制技 术 ［ ］ 北 京 ：机械 ３ Ｍ ．
工业 出版社 ，２０ ． ０１
■
郭 嘉 （９０ ，男，主要从事发 电机励磁控制研究 １８ 一）
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微机交流参数 采集 微机同期 剪断销信号器 温度巡检装置 手动同期装置 变送器 双供电源 线路保护装置 2#机组LCU屏 变压器保护装置
微机同期 手动同期装置 微机交流参数 采集 变送器 双供电源
1#机组LCU屏
公用LCU屏
分 层 分 布 式 监 控 系 统 结 构 图
GPS同步时钟
通讯工作站 电网层
现 地 控 制 单 元 层
1#机组 LCU屏(B柜)
1#机组 LCU屏(A柜)
2#机组 LCU屏(B柜)
2#机组 LCU屏(A柜)
公用 LCU屏(B柜)
公用 LCU屏(A柜) 变压器保护装置 线路保护装置
1#机组调速器装置 1#机组励磁装置与微机测速装置 1#机组微机保护装置
2#机组调速器装置 2#机组励磁装置与微机测速装置 2#机组微机保护装置
电站层
2
LCU层 3
现地控制单元层包括机组现地控 制单元、升压站现地控制单元和公 用设备现地控制单元。它对电站层 负责。完成水电站各种设备的监测 、控制、调节和保护。它为电站层 发送数据并接收来自电站层的控制 命令。
远程调度中心
以太网 GPS
电站主控层
现地控制单元
电 网 层
各层介绍
电站主控层
现地控制单元层
集中式
电网层 1
电网层指远程调度中心，完成 遥测、遥信、遥调和遥控等任务。 接收各电站的监测数据、对监测数 据进行优化分析，对各电站发出控 制命令等。 电站层即电站主控层，指电站 中控室的微机监控中心，包括监控 服务器、监控工作站和控制显示屏 等。它完成整个电站的监控任务， 为电网层负责。接收现地控制单元 层（LCU）的监测数据，向现地控 制单元层发送控制命令等。
电网调度中心
防火墙
电 站 层 结 构 简 图
操作员工作站 通讯工作站 培训工作站
中央控制中心
通讯/打印服务器
以太网
现地控制单元层（LCU）的主要组成部分
1 2
PLC：可以对电站开关量或模拟量的采集与控制；
智能电参数测量仪：可代替交直流电量变送器；
3 温度巡检仪：用于测量轴瓦、定子铁芯、风冷等的温度 4 微机准同期装置：完成发电机自动同期并网； 5 微机调速器：调节水轮发电机组在各种工况下运行。 6 微机保护装置：完成机组、升压站及公用设备的保护。
电网层的主要组成部分
1 2 电网监控中心：完成对整个电网的调度、监测和控制； 远方诊断系统：完成远程故障诊断和报警功能；
3 水情测报系统：完成河流和水库的水情测报；
4 无线通信系统：完成无线通信的设置、管理和维护。
5 防火墙：对电网监控中心服务器进行保护。
6 以太网络：完成电网监控中心与外部的通信。
培训工作站
操作工作站2
电 站 主 控 层
PLC 工业控制机 剪断销信号器 微机同期 温度巡检装置 手动同期装置 变送器 双供电源 微机交流参数 采集
PLC 工业控制机 剪断销信号器 温度巡检装置 手动同期装置 变送器 双供电源 微机交流参数 采集 微机同期
PLC 工业控制机 手动同期装置 微机同期 变送器 双供电源 微机交流参数 采集
水情测报系统 电 网 层 结 构 简 图
远方诊断系统
无线通信系统 电网监控中心
防火墙
电站层
电站主控层的组成
1 2 中央控制中心：对整个电站的监测、控制和管理； 操作员工作站 ：对整个数据进行管理 、计算和处理；
3 工程师工作站 ：对电站操作人员进行系统培训和学习； 4 通讯工作站 ：发送和接收远动所需的各种信息量 ； 5 人机接口 ：在线图形显示、生产安全监控和操作 ； 6 交直流双供电源 ：为监控系统提供不间断电源保障。
自 动 化 装 置
操作工作站
打印机 显示器 多媒体 打印机
培训工作站
显示器 远动 多媒体
模 通讯工作站 语音报警 拟 显示器 刻录机 返 打印机 回 屏 光驱 光纤转发器 键盘 软驱 工控机
键盘
光驱
键盘
两种结构的比较
分层 分布式
总装机容量大于2000ｋＷ的小型水电站多采用分层分布式监控系统 ； 电站主控层和现地控制单元层（LCU） 电站主控层一般由多个功能工作站、网络设备、语音报警设备、模 拟返回屏、卫星同步时钟（GPS）以及防雷保护设备等组成 ； 现地控制单元层一般由工控机、PLC、现场总线、微机调速器、温度 巡检、微机保护装置、微机同期装置、智能电参数测量仪以及其他 智能设备组成。 现地控制单元层与电站主控层可以相互通讯，也可以独立运行； 各层中某一单元的设备故障不会影响其他单元的正常工作；因此可 靠性和安全性比较高；但投资比集中式多。 集中式监控系统在总装机容量小于2000ｋＷ的小型水电站应用较多 ； 采用一台工业控制机实现整个电站的测量、控制、保护、调节和远动 等功能 ； 系统的结构简单，无需网络的投入，造价便宜 一旦计算机出现故障，整个电站的运行将受到重大影响，甚至影响到 整个电网的安全，因此安全性和可靠性不高。
水电站计算机监控系统的结构与工作原理
层 次 结 构
监控系统总体层次构架； 监控系统各层结构剖析；
工 作 原 理
水电站计算机监控系统原理介绍； 现地控制单元Hale Waihona Puke 作原理；集中式结构分类
分层分布式结构
集中式监控系统结构图
远动通讯
中央控制主机 控制台
微机交流参数 采集 微机同期 剪断销信号器 温度巡检装置 手动同期装置 变送器 双供电源 1#机组调速器装置 1#机组励磁与测速装置 1#机组微机保护装置 2#机组调速器装置 2#机组励磁与测速装置 2#机组微机保护装置
微机保护
以太网
同期并网
一体化工控机机柜
温度巡检 现地控制柜：把完成现地 控制的各种设备按功能的 不同进行分类集成，形成 各种现地控制柜，便于安 装和维护。
智能电参数测量
PLC
PLC
以太网
一体化工控机
开关量
模拟量
辅助系统
RS－232/485
电站主控层工作原理
数据库管理系统
工作原理
监控系统软件
现地控制单元层
电网层
上行信文
电站主控层
监测 电站层数据库 下行信文 控制
现地控制层
电网层数据库
监控数据
中央控制主机 控制台 远动通讯
1＃机组自动化装置
2＃机组自动化装置
升压站及公用设备自动化装置
GPS同步时钟
通讯工作站 电网层
培训工作站
操作工作站1
操作工作站2
PLC 现地工控机
PLC 现地工控机
PLC 现地工控机