水電站自動監控系統分析研究

王學軍 惠 杰 田金平

（1.鳳翔縣水產工作站 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

水電站常規的自動控制系統，運行人員必須進行操作，對機組進行調節，對設備進行巡視檢查，在中控室進行監盤，在整點時對電站設備的運行狀態及運行參數進行記錄。常規控制系統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電站安全可靠運行，就需要在電廠內利用Internet網或工業控制網絡將各臺機組本地控制單元、勵磁調節器、調速器等連接起來，利用光纜等現代通訊技術將相距很遠的梯級電站計算機系統相連接，在調度中心集中監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控系統進行分析研究。

2 系統的核心LCU

LCU布置在機旁，其監控對象為水輪發電機組及其輔助設備，它向電廠級發送采集的各種數據和事件信息，并接受電廠級的命令對設備進行監控，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模塊采集到的數據，并對這些數據進行處理，以前常規回路實現的邏輯控制全部由LCU主模件中的CPU運算實現，同時它還負責與外界的通訊，將數據上送到主站，并接受主站下發的控制命令執行操作。

3 基于分布式的架構系統

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控布局，即LCU可脫離主站獨立運行。它強調以控制對象在現場分散布置為基礎，設置有主控計算機。分布即站級和現地監控層的功能可以分布進行。采用分層分布式結構、現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。分布式監控系統以功能的分散為主要特征，根據水電廠監控系統的功能設立多套相應的設備，獨立完成各自的功能。

系統的具體架構組成為：調度中心和電站級計算機網絡采用100Mbps快速Internet網，物理結構為星型結構，網絡協議采用TCP/IP。在調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光纖收發器模塊，連接單模光纖，將其連接成一個網絡。在機組控制現場，采用PLC設備所支持的工控網絡。

4 系統的主要組成模塊

系統通過計算機系統的人機接口，完成實時的監視、控制調節和參數設置。監控系統實時監視電廠各類設備的運行狀態和參數，根據采集的數據，系統通過更新顯示器畫面的數據實時顯示機組的運行狀態、設備的操作動態過程，當運行狀態發生變更或參數超越設定限值等時，監控系統立即報警，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，該系統主要包含如下模塊：

勵磁子系統：對電廠勵磁實行自動監控。

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

運行子系統：為水輪發電機組及其輔助設備的工況監視，可采集水輪機各種非電量參數，如：溫度參數、壓力參數（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。

微機調速子系統：對水輪機進行自動監控。

閘門子系統：系統可遙測多個閘門的開度，以及根據調度端命令自動啟閉各扇閘門。

以上系統可實現了的具體功能如下：

水情采集：實時采集庫區、流域內的降雨量、水位、流量、庫容。

顯示功能：水位雨量關系曲線；群閘開度模擬圖，動態閘門開度坐標圖；電廠動態電氣主接線圖；電廠動態供電系統圖；電廠動態油、水、汽系統圖；動態日、月負荷曲線圖；動態入庫流量、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；狀態量主要為開關（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；根據設定值，達到預警數據自動報警；定時打印各種報表。

5 系統軟件分析與設計

5.1 系統軟件

UNIX是一個強大的多用戶、多任務操作系統，支持多種處理器架構，按照操作系統的分類，屬于分時操作系統。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的主流。

5.2 系統通信

通訊軟件的研制基于TCP/IP網絡接口和標準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。電力系統各進程間提供了網絡透明的通訊服務。為全分布系統的全部資源，數據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點的管理工作，即系統冗余。

5.3 數據庫

數據庫開發基于UNIX標準庫，在研制上自己定義并開發了適用于水電廠監控系統應用的數據庫語言。用戶可用這種語言為系統的各結點定義數據庫，并規定數據在適當時間或事件發生時應完成的操作。數據庫加載程序對用戶編寫的數據庫語言程序進行語法檢查，并按要求建立數據庫；數據庫管理程序借助通訊軟件為整個系統提供數據庫的服務；數據庫運行程序對數據中的算術，邏輯運算進行操作，并對實時數據進行刷新如圖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，以及方便可靠地對其運行狀態進行控制和調節，SIEMENS MP370觸摸屏作為LCU的人機界面，能夠實時的將機組的運行狀態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，水系統、風系統、壓油裝置、勵磁裝置、頂蓋推力、調速器等)的狀態模擬圖；通過各個畫面，能夠實時的監視各類設備的運行狀態和參數，并能對運行參數設定值進行設置。

6 關于元器件的選擇

在元器件選擇上，要滿足計算機監控系統對其接口的要求，信號規范，宜選用既有模擬量輸出又有開關量輸出的元件，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。現地控制單元選用技術成熟、運行可靠的可編程控制器(PLC)和工控機，完成順序控制，數據采集及處理，充分利用PLC所支持的工業控制網絡，統一規劃選擇有關自動裝置。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，監測元件由于環境條件復雜，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當以狀態監控為主時，相對誤差小于5%；②目的是為了控制調節或試驗檢測的器件，相對誤差小于0.5%；③被測設備有超行程的狀態情況下，監測元件也存在超行程的本領。

7 總結

水電站自動監控系統是一個系統而復雜的綜合體，涉及到機械、電子、通信等方面專業知識的綜合應用，特別是當前的無線自動監控系統對通信的要求更高。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