王學軍 惠 杰 田金平

（1.鳳翔縣水產(chǎn)工作站 陜西 鳳翔 721400；2.鳳翔縣橫水河灌溉管理處 陜西 鳳翔 721400）

1 引言

水電站常規(guī)的自動控制系統(tǒng)，運行人員必須進行操作，對機組進行調(diào)節(jié)，對設備進行巡視檢查，在中控室進行監(jiān)盤，在整點時對電站設備的運行狀態(tài)及運行參數(shù)進行記錄。常規(guī)控制系統(tǒng)不能把運行人員從重復的機械操作中解脫出來。為了更加有效地保障發(fā)電站安全可靠運行，就需要在電廠內(nèi)利用Internet網(wǎng)或工業(yè)控制網(wǎng)絡將各臺機組本地控制單元、勵磁調(diào)節(jié)器、調(diào)速器等連接起來，利用光纜等現(xiàn)代通訊技術(shù)將相距很遠的梯級電站計算機系統(tǒng)相連接，在調(diào)度中心集中監(jiān)控各水電廠及各臺機組的運行。本文主要對某小型水電站的監(jiān)控系統(tǒng)進行分析研究。

2 系統(tǒng)的核心LCU

LCU布置在機旁，其監(jiān)控對象為水輪發(fā)電機組及其輔助設備，它向電廠級發(fā)送采集的各種數(shù)據(jù)和事件信息，并接受電廠級的命令對設備進行監(jiān)控，同時又能脫離電廠級獨立工作。LCU主模件是LCU的心臟，它通過總線獲取I/O模塊采集到的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行處理，以前常規(guī)回路實現(xiàn)的邏輯控制全部由LCU主模件中的CPU運算實現(xiàn)，同時它還負責與外界的通訊，將數(shù)據(jù)上送到主站，并接受主站下發(fā)的控制命令執(zhí)行操作。

3 基于分布式的架構(gòu)系統(tǒng)

由于水電廠自動控制設備涉及面廣，設備分布遍及整個水電廠房，再考慮到機組LCU裝置在可靠性上的不斷進步，這里采用分布式的模式來布置水電廠的整體監(jiān)控布局，即LCU可脫離主站獨立運行。它強調(diào)以控制對象在現(xiàn)場分散布置為基礎，設置有主控計算機。分布即站級和現(xiàn)地監(jiān)控層的功能可以分布進行。采用分層分布式結(jié)構(gòu)、現(xiàn)地單元控制層能脫離上位機獨立工作，具有自治性、模塊性、并行性三大特性。分布式監(jiān)控系統(tǒng)以功能的分散為主要特征，根據(jù)水電廠監(jiān)控系統(tǒng)的功能設立多套相應的設備，獨立完成各自的功能。

系統(tǒng)的具體架構(gòu)組成為：調(diào)度中心和電站級計算機網(wǎng)絡采用100Mbps快速Internet網(wǎng)，物理結(jié)構(gòu)為星型結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡協(xié)議采用TCP/IP。在調(diào)度中心和電站各配置一臺交換機，利用5類雙絞線連接各臺主計算機。在每臺交換機上配置一臺NBASE光纖收發(fā)器模塊，連接單模光纖，將其連接成一個網(wǎng)絡。在機組控制現(xiàn)場，采用PLC設備所支持的工控網(wǎng)絡。

4 系統(tǒng)的主要組成模塊

系統(tǒng)通過計算機系統(tǒng)的人機接口，完成實時的監(jiān)視、控制調(diào)節(jié)和參數(shù)設置。監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)視電廠各類設備的運行狀態(tài)和參數(shù)，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過更新顯示器畫面的數(shù)據(jù)實時顯示機組的運行狀態(tài)、設備的操作動態(tài)過程，當運行狀態(tài)發(fā)生變更或參數(shù)超越設定限值等時，監(jiān)控系統(tǒng)立即報警，并推出相應事故、故障顯示畫面，供運行人員分析參考。為了達到這個目的，該系統(tǒng)主要包含如下模塊：

勵磁子系統(tǒng)：對電廠勵磁實行自動監(jiān)控。

水文子系統(tǒng)：利用超短波無線通道，遙測水電廠庫區(qū)內(nèi)的各水文站降雨量、水位變化，庫容、流量等，為水電廠提供水情資料。

運行子系統(tǒng)：為水輪發(fā)電機組及其輔助設備的工況監(jiān)視，可采集水輪機各種非電量參數(shù)，如：溫度參數(shù)、壓力參數(shù)（包括氣壓、水壓、油壓）、水輪機大軸擺度，水輪機頂蓋水位與集水井水位。

微機調(diào)速子系統(tǒng)：對水輪機進行自動監(jiān)控。

閘門子系統(tǒng)：系統(tǒng)可遙測多個閘門的開度，以及根據(jù)調(diào)度端命令自動啟閉各扇閘門。

以上系統(tǒng)可實現(xiàn)了的具體功能如下：

水情采集：實時采集庫區(qū)、流域內(nèi)的降雨量、水位、流量、庫容。

顯示功能：水位雨量關(guān)系曲線；群閘開度模擬圖，動態(tài)閘門開度坐標圖；電廠動態(tài)電氣主接線圖；電廠動態(tài)供電系統(tǒng)圖；電廠動態(tài)油、水、汽系統(tǒng)圖；動態(tài)日、月負荷曲線圖；動態(tài)入庫流量、引用流量、泄洪量旬月曲線圖；各水文站水位、流量關(guān)系曲線。

電量采集：模擬量包括有功功率、無功功率、電流、電壓、頻率、濕度、頂蓋水位、前池水位、尾水水位、落差、壓力、時間等；狀態(tài)量主要為開關(guān)（斷路器）。

分析處理：自動查詢負荷—水頭—流量表；開度—水頭—流量表；根據(jù)設定值，達到預警數(shù)據(jù)自動報警；定時打印各種報表。

5 系統(tǒng)軟件分析與設計

5.1 系統(tǒng)軟件

UNIX是一個強大的多用戶、多任務操作系統(tǒng)，支持多種處理器架構(gòu)，按照操作系統(tǒng)的分類，屬于分時操作系統(tǒng)。Unix因為其安全可靠、高效強大的特點在服務器領域得到了廣泛的應用。直到GNU/Linux流行開始前，Unix也是科學計算、大型機、超級計算機等所用操作系統(tǒng)的主流。

5.2 系統(tǒng)通信

通訊軟件的研制基于TCP/IP網(wǎng)絡接口和標準UNIX IPC接口。它采用Client（客戶）/Server(服務器)模式，其工作方式如圖1所示。電力系統(tǒng)各進程間提供了網(wǎng)絡透明的通訊服務。為全分布系統(tǒng)的全部資源，數(shù)據(jù)共享提供了必需的條件和有效的保證。同時通訊軟件中還有冗余雙結(jié)點的管理工作，即系統(tǒng)冗余。

5.3 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫開發(fā)基于UNIX標準庫，在研制上自己定義并開發(fā)了適用于水電廠監(jiān)控系統(tǒng)應用的數(shù)據(jù)庫語言。用戶可用這種語言為系統(tǒng)的各結(jié)點定義數(shù)據(jù)庫，并規(guī)定數(shù)據(jù)在適當時間或事件發(fā)生時應完成的操作。數(shù)據(jù)庫加載程序?qū)τ脩艟帉懙臄?shù)據(jù)庫語言程序進行語法檢查，并按要求建立數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)庫管理程序借助通訊軟件為整個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫的服務；數(shù)據(jù)庫運行程序?qū)?shù)據(jù)中的算術(shù)，邏輯運算進行操作，并對實時數(shù)據(jù)進行刷新如圖2所示。

5.4 人機交互

設計人機界面的目的是為值班操作人員能快速、準確、可靠地提供機組的實時運行狀態(tài)，以及方便可靠地對其運行狀態(tài)進行控制和調(diào)節(jié)，SIEMENS MP370觸摸屏作為LCU的人機界面，能夠?qū)崟r的將機組的運行狀態(tài)反饋給值班操作人員，并對主要設備進行有效控制。因此，它的功能為畫面能夠反映機組電氣接線圖、機組及輔助設備(包括油系統(tǒng)，水系統(tǒng)、風系統(tǒng)、壓油裝置、勵磁裝置、頂蓋推力、調(diào)速器等)的狀態(tài)模擬圖；通過各個畫面，能夠?qū)崟r的監(jiān)視各類設備的運行狀態(tài)和參數(shù)，并能對運行參數(shù)設定值進行設置。

6 關(guān)于元器件的選擇

在元器件選擇上，要滿足計算機監(jiān)控系統(tǒng)對其接口的要求，信號規(guī)范，宜選用既有模擬量輸出又有開關(guān)量輸出的元件，將二種輸出均接入LCU，可用于對元件本身進行檢測，并提高可靠性?，F(xiàn)地控制單元選用技術(shù)成熟、運行可靠的可編程控制器(PLC)和工控機，完成順序控制，數(shù)據(jù)采集及處理，充分利用PLC所支持的工業(yè)控制網(wǎng)絡，統(tǒng)一規(guī)劃選擇有關(guān)自動裝置。基礎自動化元器件盡可能齊全，按將來無人值班的現(xiàn)場實際選用抗干擾性能強、防潮、防銹蝕性好的元件。對集水井，水輪機頂蓋等部位冗余配置水位信號器。例如，監(jiān)測元件由于環(huán)境條件復雜，選型時應符合以下原則：①在潮濕部分的器件，必須選擇防水型以及密封型；②有些部分溫度振幅很大(例如閘門)，這就需要選取耐高、低溫器件；③傳輸距離大，以及露天安裝情況下，需要選擇防電磁干擾、防雷的設施。

其次，精度選擇也有一些條件：①當以狀態(tài)監(jiān)控為主時，相對誤差小于5%；②目的是為了控制調(diào)節(jié)或試驗檢測的器件，相對誤差小于0.5%；③被測設備有超行程的狀態(tài)情況下，監(jiān)測元件也存在超行程的本領。

7 總結(jié)

水電站自動監(jiān)控系統(tǒng)是一個系統(tǒng)而復雜的綜合體，涉及到機械、電子、通信等方面專業(yè)知識的綜合應用，特別是當前的無線自動監(jiān)控系統(tǒng)對通信的要求更高。本文的設計是針對某小型水電站來講的，在實際應用中可以根據(jù)自身的特點加以變化，才能更好地適用于更為特殊的情況。陜西水利