水電站計算機監控系統改造技術探討

王英

摘 要：介紹了水電站計算機監控系統的現狀、特點及發展趨勢，重點探討老電廠監控系統升級改造的方案選擇、技術重點、體系結構、工程實施中所應注意的主要問題。

關鍵詞：計算機監控系統；升級改造；無人值班

在技術發展的推動下，近些年來，將更高的要求拋向了水電廠的計算機系統，隨著變化速度的不斷加快，尤其是就在電網中具有關鍵地位的梯級流域水電廠以及大中型水電廠的計算機監控系統給出了更加嚴格的要求。此外，一些偏遠區的水電站由于技術支撐、現代通信技術的應用以及管理水平的不斷提升，也開始大力執行和推廣了“無人值班”的做法。為了實現該目標，將全新的水電廠計算機監控系統多個改造、設計思路探究出來是非常必要的。

1 設計改造計算機監控系統的方法

針對計算機監控系統在我國水電廠中多年的發展歷史能夠看出：有著一定的復雜性存在于水電廠的綜合自動化工程中，要同廠情結合，做到辦事多，花錢少。以實用為出發點，對新、尖、高不過分去追求，由于計算機等自動化裝置更新周期不長，對性能價格比是需要認真考慮。對實用功能在方案設計中也要進行考慮，將可靠、安全的接入擴展需求作為系統結構所重點考慮的內容。

在設計監控系統時，一定要從元件自動化、自動化輔助設備水平、水調水情信息、遠方控制及梯級模式、電站機電設備狀態監測、各級調度系統的通信、機組現地控制的最優結構、電能計量系統、廠級計算機監控系統等方面入手，而不可以拘泥于監控系統一個環節中。

在未來水電廠計算機監控系統的發展中，具備遠方控制調節必將是一個重要的方面，將越來越多的可能性拋向中小型水電站。確保無人值班在水電廠中能夠有效的被實現，對于電廠內的控制調節操作，一定要通過計算機監控系統代替操作人員來完成。因此，就需要具備優越的通道，確保能夠有效的收發和執行控制命令，要確保能夠安全的完成遠方操作，進而確保能夠正常的啟動以下操作，或是對順控流程能夠繼續執行，要利用相應約定的形式，確保上級調度能夠清晰的了解電廠機組情況，并且，在此前提下將遠方的控制命令發布出來。

計算機監控系統的實施，尤其是在改造升級計算機監控系統的時候，要特別關注前期的預備工作，條件成熟，計劃周全，就可以馬上實施，保證工期見效快，工期段。在設計新建電廠時，應該對那些成熟的監控系統思路和較高起點的方案進行優先選擇，防治重復多次改造。運行維護時管理一定要嚴格，對員工的技能不斷強化，將一個素質精良的員工隊伍打造出來，才可以確保自動化設備的穩定安全運行。

經過多年的努力，國內計算機監控系統也在不斷的走向成熟，經過在水電廠中不斷的推廣無人值班的理念，系統變的更加成熟，并且，開始比肩國外的計算機監控系統。以硬件的角度出發進行分析，不管進口監控系統還是國產監控系統，都是將世界上一些著名計算廠家的產品當作上位機硬件，以軟件的角度出發進行分析，都是用Windows、UNIX為操作系統進行主站建設。編程語言是C語言，軟件功能和數據庫都有各自的優點。

選用國產計算機監控系統具有以下優點：一是合同執行對使用方有利，可以局部增加合同中沒有的功能。二是調試維護方便。三是投運幾年后擴展功能。四是修改程序方便。上述優點對于進口計算機監控系統來說，就是缺點了。

對國產計算機監控系統進行使用有著這樣的優越性：首先，執行合同有利于使用方，將合同中不存在的功能在局部能夠完成提升；其次，維護調試更加便利；再次，投運拓展性能更加優質。就進口計算機監控系統而言，就是不足之處。

2 設計改造水電廠計算機監控系統的原則

分析監控系統的需求，設計改造水電廠計算機監控系統時，應該從兩個界面、四個層次和三個接口出發進行分析。

兩個界面：廠站級豐富人機界面、現地控制單元的簡單操作型人機界面。

四個層次：現場裝置控制層、計算機廠級設備層、調度和梯級層、自動化元件層。

三個接口：廠級計算機安全隔離信息交換接口、梯級或調度控制的信息交換接口、現地控制單元的現場總線與通信接口模式。

2.1 先進的系統結構

現場控制層結構和現場控制網的生產量均能提供生產需求，機組LCU在運行之后的一段時間里和其他先進國家的技術水平不分上下，現場監控設備有很高的實用性，維護起來也非常方便，具有可靠的安全性，其使用標準也符合電力系統的規定。并且，現地控制單元的設計合理，隨時可以完善更新，以跟得上現代化的信息時代的發展。

2.2 監控網絡可靠

機組LCU網絡傳輸介質應采用先進技術方法，如機組LCU在產生意外故障之后，利用雙網冗余可以快捷并準確地恢復工能，并把故障發到操作員工作站、應用程序工作，及時有效時恢復丟失的數據。

2.3 設備故障風險分散

機組LCU的部分功能出面故障之后，轉換成現地控制，可以單獨運行系統的自動監視控制，讓其他的功能照常運行。同時操作者可以在設備運行時對產生故障部分的設備進行維修，保證系統的正常運行。

2.4 減少誤操作風險

如一些復雜的系統可以把一些判斷功能加入到流程中，并那些不正規的操作關閉，而且，規定在實施操作前進行明確。接入機組的LUC重要信息可依靠單端口進行，并且完成牢固連接和屏蔽處理，此外，在數據中劃分這些點時，進行單獨的管理，流程中要以這類測點作為信任對象。

2.5 設置常規水機保護回路

增強系統控制的穩定性，由繼電器、輸入信號及邏輯信號組成，同時和現地所控制單元PLC的控制流程的回路相互獨立，以此實現雙重保護。當監控系統故障退出運行時，電站發生事故，機組通過常規水機保護回路進行事故停機。

2.6 供電系統供電可靠性

對系統電源冗余的連接配置進行控制和監測，將UPS電源安裝在監控系統上位機的主要設備中，逆變電源時直流和交流電源兩種供電方，逆變器供電的交流400V電源電力公司不同的總線訪問，從直流母線和總線分別訪問。

2.7 監控系統和補充通信設備及外部系統

支持多個接口設備和組代碼補充通信設備及外部系統，可以減少電纜敷設的數量，優化系統結構。

2.8 人機界面功能

電廠運營商利用操作站、監控終端、接口設備和模擬屏。語音電話報警裝置、工業電視裝置、報表管理機電廠設備和觸屏裝置等，維護移動站、工程師工作站，有效的進行管理和維護。

3 執行對策

以滿足新一代監控系統的需求和當前技術發展，配置更完美和實用的新系統，系統設計和合理選擇監控系統的一些重要指標，如系統安全：對系統每個功能進行檢查，發現錯誤及時報警和取消訂單。當錯誤操作時可以自動或手動、報警。對任何自動或手動操作來存儲記錄和及時指導。集成：設備系統和功能模塊相對獨立。一個設備或功能模塊故障不影響其他設備或功能模塊的功能。開放性：系統采用開放的技術和標準。在硬件方面，可以保證系統在現有的設備中來增加功能，或在系統中添加新設備。在軟件方面，容易擴展和升級系統軟件和應用軟件。系統支持軟件二次開發，可根據工程的實際情況及用戶要求進行修改。系統所提供的軟件是成熟的工業軟件。

硬件應選擇適合于工業控制、配有多任務實時操作系統的機型，還應考慮系統內機型盡可能一致；選用成熟、可靠的工業產品設備，設備應具有較好的可擴性和較高的性價比，不要一味追求高檔次，造成不必要的浪費。

將開放式分布冗余結構應用到系統中，以集中控制、分散監視為主，應用軟件應采用模塊化結構，便于擴充，同時具有自診斷、自恢復程序，保證機組能夠可靠安全運行。在控制現場層時，對雙CPU雙網結構和智能可編程控制器進行使用，對實時數據網絡監控系統直接進行訪問。單位將人機操作界面提供出來，對現場獨立運行。相關部門將種種復制檢測信息訪問、現場數據網絡提供了出來。在整個監控系統中，現場控制單元可謂是基礎。因此，需要將可操作性優越、維護性強、冗余可靠的操作系統打造出來。

工廠級計算機監控系統硬件設備選擇大中型水電站小型計算機工作或高端工廠級代表主機操作，雙網絡結構考慮足夠的帶寬網絡維護，千兆網絡接口，實際應用中需要的相關協議等。在實踐中，重點應集中在監控系統的安全性和可靠性的可擴展的訪問模式。

根據《電網與電廠計算機監控系統及調度數據網絡安全防護規定》，遵循《全國電力二次系統安全防護總體方案》的技術要求，即針對安全區Ⅰ（實時控制區）、安全區Ⅱ（非控制生產區）、安全區Ⅲ（生產管理區）和安全區Ⅳ（管理信息區）的系統執行如下的隔離要求：

根據相關固定發現，遵循有關的技術要求，針對四個不同的安全區，完成以下隔離施工：

首先，在安全區1、2中，采用相當設備或者硬件防火墻完成邏輯隔離，在安全區之間的隔離設備中禁止從Telnet、Rlogin、E-mail穿過。

其次，采用一定的設備對安全區3、4進行隔離控制，在安全區之間的隔離設備中禁止從Rlogin、Telnet等設備穿過。

再次，將安全區一、二、四直接連接到一起。

最后，采用專用安全隔離裝置對安全一、二、三之間進行物理隔離。用正反兩種專用安全隔離裝置，將正向安全隔離裝置安裝在安全區2、3中，完成信息傳輸。

按照水電廠每個應用系統使用者、場所、業務系統之間的聯系、功能、實時性等，在四個安全區中對其進行控制，在安全區1中設置計算機監控系統，在上述原則下，采取正確的方式將其監控系統連接起來。

計算機監控系統處于安全區Ⅰ，其它需與監控系統通信的系統必須遵循上述原則選擇可行連接的方式。

計算機監控系統改造應于電廠其他控制、保護、二次接線系統中，形成一個完整的系統，開關量輸入宜以無源觸點方式直接送入監控系統，盡量不采用中間繼電器接點擴展的方式，開關量輸入應經光電耦合隔離等軟硬件措施防止干擾、接點抖動等現象。溫度量則采用熱電偶或熱電阻輸入，模擬量取自變送器，最好以4-20mA電流方式送入，此方式的抗干擾能力強。模擬輸入電纜應該用于絞屏蔽聚合屏蔽線，屏蔽層應在計算機端接地，使兩者的結合信號線路應該相同。開關輸入宜采用多芯電纜屏蔽電纜。計算機監控系統電纜在一層電纜架另建，除了通信電纜，不得混合與其他電纜敷設防止干擾。

轉換過程主要分為兩個階段，第一階段的改革主要內容為上位機部分和原位現場LCU，重建的第一階段完成后改變設備一次性投資，由新電腦系統負責監控、管理和其他高級應用功能，并負責與上級調度部門信息數據傳輸和命令執行，未改造的機組LCU在第一期設備改造完成后，通過必要的規約轉換設備一并接入新的上位機系統；第二期改造主要內容為剩余LCU，剩余的各機組LCU分批改造后，取消規約轉換環節，依次直接接入新的計算機監控系統。

4 結束語

根據電站監控系統的設計原則轉換，在傳統監控系統的前提下，對新的監控系統進行使用采集周期不長，高分辨率、快速響應、事件大的特征，遠程診斷、維護調度通信信道帶寬高、系統安全需求、仿真培訓，確保電站可以穩定安全的運行，便于維護和操作人員的操作，將電站維修成本能夠有效的降低下來，從而提高電站的經濟效益。文章從電廠維護人員的角度出發，結合電廠改造的實際情況，希望和同行進行交流，望對正在改造以及即將改造的電廠有所幫助。

參考文獻

[1]謝云敏，宋海輝.水電站計算機監控技術（第二版）[M].中國水利水電出版社，2014.

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