桃林口水電站計算機監控系統的構建

文｜四川省成都市西華大學 董笑波

桃林口水電站計算機監控系統按照 “無人值班（少人值守）”原則設計，采用天津水利電力機電研究所最高端的SDJV4.0版計算機監控系統平臺。既可實現電站集中控制，又能實現上級調度中心遠方遙控、遙調、遙信、遙測。桃林口水電站自動化控制系統采用全計算機控制的分層分布開放式系統結構。系統由主控層及電站現地控制層組成。系統整體安全可靠、實用經濟、技術先進，易于維護，有較強的升級換代能力。

桃林口水電站自動化控制系統采用全計算機控制的分層分布開放式系統結構。系統由主控層及電站現地控制層組成。系統整體安全可靠、實用經濟、技術先進，易于維護，有較強的升級換代能力。

電站計算機監控系統采用開放式分層分布系統，網絡結構采用以太網結構。廠站級主控層及現地控制層之間采用快速交換式以太網絡，構成高可靠的網絡結構。通訊介質采用100Mbps工業以太網交換機和屏蔽雙絞線，系統具有較高的傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力。

電站主干網采用1套工業以太網交換機。該交換機分別通過各自的100Mbps端口連接主控層主機/操作員工作站、打印機等設備，對于現地控制層通信，該交換機分別通過100Mbps端口及屏蔽雙絞線連接現地控制層的PLC系統以太網通訊模塊。主控層與現地控制層之間呈星形分布，星形網具有點對點傳輸、網絡速度快、可靠性高、現場網絡屏蔽線敷設施工簡單等優點，機組之間相互干擾少?？焖俳粨Q式以太網絡具有很高的可靠性，可以滿足水電站控制對自動化系統實時性、可靠性及可維護性的要求。

廠站級主控層設備包括2套主機/操作員工作站,1套工程師工作站，1套通信工作站，1套網絡交換機等網絡設備，1臺打印機。

現地控制層包括三套現地控制單元(LCU)，其中，2套機組LCU、1套開關站及公用LCU。

(1)主機/操作員工作站為二套。采用DELL商用計算機，CPU 為英特爾?酷睿雙核處理器；每套配置內存為2GB、硬盤為500GB SATA硬盤。

每套工作站配置1套22寸彩色液晶顯示器，具有顯示、交互作圖、多窗口、圖形縮放等功能。帶鍵盤、鼠標、多媒體語音報警系統。具有多媒體語音輔助事故報警功能，當事故或故障發生時，立即實現語音報警。

2套操作員工作站為雙機冗余結構，為主備用工作方式。2套工作站可同時工作, 同時接受各種實時數據，更新數據庫，數據庫內容時刻保持一致。兩臺工作站以互為熱備用方式工作,互相監視，一臺完成監視控制任務，另一臺則進行正常監視。當監控工作站故障時，監視工作站自動升為監控站。

電站廠站層的2套操作員工作站設在電站中控室內, 供運行值班人員使用。完成對全電站系統的運行監視和閉環控制、隨時接受遠方控制中心的調度命令，發布操作控制命令、設定與變更工作方式打印設備

1.22 網絡設備

電站主干網采用1套以太網交換機等網絡設備，現地控制單元采用直接連接以太網的可編程控制器，主控級同現地控制單元構成快速以太網網絡。主干網以太網交換機安裝在計算機室內的網絡柜內。本方案配置交換機完全可以滿足電站控制系統主控層、現地層和未來應用的需要。

1.23 現地層設備及其描述

全系統共設有3套現地控制單元(LCU)，包括2套機組LCU、1套開關站及公用LCU。

LCU完成對監控對象的數據采集及數據預處理，負責向網絡傳送數據信息，并自動服從中控室上位機的命令和管理。同時各LCU也具有控制、調節操作和監視功能，現地控制層LCU包括以下設備：

(1) LCU現地人機接口單元

每臺LCU均配有一臺10.4寸工業液晶觸摸屏，作為現地人機聯系接口，可顯示開停機流程、數據庫一覽表等畫面。平時可關機運行。與工控機相比，由于液晶觸摸屏沒有硬盤等運動部件，系統軟件全部固化，抗干擾能力強，其可靠性遠高于工控機。現地PLC采用觸摸屏為人機聯系手段已成為水電站監控的發展趨勢。

(2) 現地PLC硬件配置及描述

每個LCU配有數據采集控制單元PLC，完成系統的數據采集、電站主輔設備的控制及設備的調節與控制(包括順控)。進行全站閉環控制與調節，保證全站發電運行可靠。控制器不僅實時性指標要高，還應有相當高的可靠性。

(3) 智能通信控制器及其描述

本項目中LCU所配的智能通信控制器為MOXA公司的UC-7410-LX智能通信控制器，該裝置為RISC-based智能通訊服務器，具有2個10/100M以太網口和8個RS485或RS232通信口，完成LCU與各現地設備，如交流采樣裝置、微機勵磁調節裝置、微機調速裝置、微機保護裝置等其它設備的通信。

(4) 同期裝置的選用

1.3 系統軟件配置

計算機監控系統中各結點計算機均采用具有良好實時性、開放性、可擴充性和高可靠性等技術性能指標的中文WINDOWS 2000和WINDOWS XP操作系統。

為實現本計算機自動監控功能，本系統配有下列SDJ系統應用軟件。

SDJ系統軟件流程如圖1所示。

＞＞圖1 SDJ v4.0系統軟件流程圖

＞＞圖2

SDJ系統還提供下列工具軟件。工具軟件工作原理如圖2所示。

電站監控系統核心技術應用很多，對一些通用技術本文不做介紹，下面著重論述數據庫技術應用。

監控系統數據庫包括SDJ、 RTDB實時數據庫和歷史數據管理系統。

系統實時數據庫為網絡型全分布式數據庫，采用Client/Server結構，網絡透明，用戶不需關心所要存取的數據存放于網絡的哪個設備上。所有數據共享都通過網絡通訊來實現。系統數據庫服務器保留完整的系統實時數據和歷史數據庫，其它各節點一般只保留與本節點功能有關的實時數據庫。

實時數據庫主要存放LCU采集送上來的所有實時數據，它是監控系統數據庫中最主要的數據庫，其采用按LCU單元存儲的結構。對實時數據庫的操作有：按點名或邏輯名修改、存取一個記錄，設置記錄的某些特征值和狀態，讀記錄狀態等。

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2.1 實時數據庫結構

數據庫的結構定義包括電站監控和管理所需要的全部數據項。實時數據庫采用分層式結構，共分為三層：

(1) 組: 包括組名、組格式、LCU的類型、I/O量的最大個數量等；

(2) 記錄: 按照組，定義了每個組所包含的各種類型的定義文本文件；

(3) 項：在某種類型的定義文本文件中，對各個I/O點及其它數據進行詳細性質

(4) 定義: 包括點名稱、點屬性、點分類等。

2.2 實時數據庫管理

所有實時數據和相關參數存儲在一個全局性的實時數據庫(RTDB)中。RTDB中的數據包括從各個LCU采集的實時數據、從外部系統獲得的實時和準實時數據、基于RTDB數據點的計算數據、及人工輸入數據等。系統運行狀況的參數也存儲在RTDB中。實時數據庫是監控系統各個模塊單元的中心接口，這些單元包括數據采集和處理功能、用戶界面功能、應用功能。RTDB也是這些應用軟件間的公用數據接口。數據庫支持漢語和英語兩種語言。

本系統實時數據庫數據庫設計為分布式數據庫，系統提供專用進程對各個站點上的數據庫進行管理，以使在所有設備上的所有數據保持一致。數據的存儲地點對存取功能是透明的。

2.3 歷史數據庫(文件方式)概要

采用歷史數據文件的方式，即歷史數據庫是由若干歷史文件組成，其中每個文件存貯若干數據。包括：報警畫面(主接線)狀態信息及重要參數越限前后變化過程數據、事故現場軟拷貝歷史數據文件等。操作包括：事故發生后，將有關的數據及圖表記錄、存貯起來，并將若干個這樣的記錄組成一個歷史文件存起來；事后可調用歷史文件及記錄顯示(再現歷史數據及圖表)；對若干個歷史文件進行目錄管理，并進行一些增、刪、轉存等操作。另外，歷史數據的處理包括對各種實時采集的數據進行各種計算，統計并形成相應的報表。

電站監控系統經過精心構建和核心技術的應用，最終實現了以下主要功能。

3.1 數據采集和處理

系統對電站系統主要設備的運行狀態和運行參數自動定時進行采集，并作必要的預處理、計算，存于實時數據庫，供計算機系統實現并用于畫面顯示、更新，控制調節，記錄檢索，統計報表，操作、管理指導和事故分析等。廠站級主控制層管理現地控制單元層設備的工作，記錄整個電站系統的運行信息并作綜合計算，并把經過處理的數據存入SDJ系統數據庫中，以完成電站系統的遠方監視和調度控制等功能。

電站現場各種數據的采集基本由各自的現地LCU來完成，現場數據包括：模擬量、數字量、數字脈沖量、一般開關量和中斷開關量。

(1)電氣模擬量的采集和處理

電氣模擬量指電壓、電流及功率等電氣信號量，系統周期采集。處理包括有效性、合理性判斷，輸入線路誤差補償，標度變換，信號接點抖動消除、刻度計算等加工、越復限比較及格式化等，具有斷線檢測功能，信號抗干擾，數字濾波，梯度計算，越限報警及相關時間記錄功能。

(2)非電氣模擬量的采集和處理

非電氣模擬量主要指溫度、壓力、流量、水位、擺度和振動等信號量，周期采集。測溫點直接接入PLC的RTD模塊或者接入溫度巡檢裝置。

(3) 數字量的采集與處理

普通型狀態量包括各類故障信號、斷路器及隔離開關的位置信號、電站設備運行狀態信號等。

周期采集，輸入硬件光電隔離，信號處理包括光電隔離、接點防抖動處理、硬件及軟件濾波、基準時間補償、數據有效性合理性判斷、發事故報警信號和進行事件記錄，能指出故障設備名稱、內容和時間，同時伴有報警音響，最后經格式化處理后存入實時數據庫。

(4)脈沖量的采集與處理

脈沖量主要指有功和無功電能量。脈沖量的輸入為有源電脈沖，

周期采集(現地PLC實時記數)，各路脈沖計數累加，處理包括光電隔離、接點防抖處理，有效性、合理性判斷，軟件抗干擾濾波，標度變換、格式化，并在上位機分時累加形成各類表格供打印、顯示使用。脈沖量可以通過人機聯系手段，由操作人員進行初始值設置和累加值修改?？砂捶謺r累計的要求進行峰荷、谷荷、腰荷的電量累計、顯示與打印。在規定的時間間隔內可對脈沖量累計值進行凍結、讀取、解凍。

(5)交流量的采集與處理

根據需要，部分三相交流電量可不用變送器，而由交流采樣裝置直接從PT、CT采集。分析計算后用通訊方式送至LCU。

3.2 綜合計算

監控系統可根據實時采集到的數據進行周期、定時或召喚計算分析，形成各種計算數據庫與歷史數據庫，幫助運行人員對電廠設備的運行進行全面監視與綜合管理。

3.3 運行安全監視和事件報警

運行安全監視和事件報警包含以下內容：

(1)故障報警記錄

計算機系統周期掃測故障訊號量，當發現故障時，立即響應并處理，記錄故障發生的時間，動作設備器件名稱、內容等，時間以時、分、秒記錄，立即顯示、打印故障報警語句，并順序存入主站數據庫記錄區，形成全天故障記錄。對重要設備的操作及事故可在LCU盤上液晶屏顯示。

(2)參數越限故障報警記錄

監控系統對運行設備參數設定有四種限值：上上限，上限，下限，下下限。當超越其設定限值時，立即進行報警(一次性)，當越限值恢復正常時，進行復限提示(一次性)。參數越復限時，記錄越復限發生的時間，參數名稱、限值、越限參數的實時值等內容。時間以時、分、秒記錄。立即顯示、打印越復限報警提示語句，并順序存入主站數據庫記錄區，形成全天參數越復限記錄。

(3)電氣主設備操作記錄

對于電站設備，包括機組開、停，斷路器的投、切，隔離開關，接地刀閘的合、切等操作，FMK投、切，廠變高低壓開關、聯絡開關、刀閘的投、切等操作，在進行非事故狀態判斷后，按先后動作順序進行記錄。

(4)計算機系統綜合信息記錄

計算機系統對系統設備投切、軟件出錯信息、系統診斷信息等計算機系統有關的信息及時自動記錄，形成綜合信息統計記錄。這些綜合信息在操作或軟件行為自檢時會以顯示語句的方式提示，同時打印記錄。

(5)事故追憶

系統根據設定的事故追憶點及事故追憶采樣周期，對追憶量進行前若干秒(30s)追憶，后若干秒(120s)記錄，形成事故追憶記錄(事故追憶采樣周期可設定)。事故發生時，計算機將按順序將事故報警信息、事故的名稱及這些追憶數據保存于磁盤中，形成歷史數據。

(6)趨勢報警與分析

SDJ系統也具有趨勢報警追憶功能。系統實時監視某些重要參數的變化趨勢，現設備異常情況的早期發現。當變化率超過限值時，進行趨勢越限報警。并可啟動有關處理功能，如停機，趨勢報警追憶等，形成歷史數據。歷史數據的存儲方法與事故追憶相同。

(7)實時監視

對電站的設備開停，狀態等系統的實時運行參數和設備運行狀態以召喚方式進行實時監視顯示。

(8)過程監視

在操作與調節過程中，監控系統屏幕能夠顯示操作接線圖，被選中的操作對象能閃光、變色，顯示命令單，操作提示與操作結果、自動登錄操作記錄等，供運行人員監視操作過程。

(9)語音報警

運行人員可對系統數據庫進行設置、定義發生哪些事故時，監控系統需要進行語音報警，當發生事故時，系統能根據設置情況發出聲光、語音報警信息，實現漢語報警功能。

(10)遠方診斷功能

監控系統具有遠方診斷及遠方維護功能。通過遠方診斷及維護系統，可以實現遠方故障診斷及遠方系統維護。

(11)畫面拷貝

發生事故、重要故障、某些重要量越、復限時，監控系統能自動將當時的主接線畫面或有關畫面拷貝并保存，形成歷史畫面數據，以時間順序編號。

3.4 人機聯系

SDJ系統提供面向對象的全圖形人機界面系統。采用最新開放式圖形硬件、軟件技術，全圖形人機界面軟件基于X/Window、MS Window，顯示直觀易懂，操作手段簡便、靈活，具有多窗口無級縮放功能，面向目標編程，全鼠標驅動，圖形操作，漢字界面，多級下拉式菜單加多級彈出式菜單操作，靈活的用戶適配工具功能，用戶可以根據自己的習慣制作自己的人機界面。

3.5 控制與調節

系統的控制與調節主要針對計算機監控系統而言，它包含以下內容：

(1)控制調節對象：1、2號機組及輔助設備和線路等。

(2)控制調節方式: 包括上級調度中心遠方自動控制方式、廠站級(中控室)集中控制方式、手動指令方式和現地控制單元級現地控制方式。

(3)系統控制權管理 對于上級調度中心、控制層各級的相互的關系及控制權的管理，必須通過控制權的設置，進行閉鎖控制。控制權的設置可通過人機聯系進行設置。監控系統的控制權管理采取現地優先的原則。優先設置權依次為單元控制級、電站主控級及上級調度中心級。

(4)運行人員指令操作與調節 通過中控室或辦公樓控制室的監控系統人機聯系設備，運行人員可對電站設備進行控制、調節、工況轉換及參數設置等操作。重要的操作指令包括：機組工況轉換如開停機、斷路器分合、隔離開關分合、有功功率和無功功率調整，斷路器、隔離開關分合操作、閘門提降、閥門開關、重要設備投切等。SDJ系統具有獨特而完善的防誤操作功能，可以確保由計算機系統發出的命令安全可靠。

SDJ系統的人機聯系原理及流程如下圖3所示：

3.6 生產管理與統計

監控系統可將自動生成的報表數據、報警數據等自動保存，形成生產統計報表歷史數據。另外，各種報警記錄數據也存放在計算機硬盤上，形成報警記錄歷史數據。

結語

＞＞圖3 系統人機對話流程框圖

監控系統經過精心設計和配置后，于2013年4月調試成功并投入運行，從一年多的運行情況來看，系統很好地滿足了電站各種監控要求,運行穩定，安全可靠。