基于以太網技術的中小水電站監控系統建設

葉貴光

摘 要：近年來，隨著科技的進步，水利水電工程“扶搖直上九萬里”。在水電站的發展過程中，實現“無人值守，少人值守”，促進電力工程的智能化，是現階段技術人員重點攻關的對象，尤其是中小水電站計算機監控系統的建設，更是我國水利水電行業的重要建設目標。在工業發達的國家，水電站的自動化控制系統已經趨于完善，但是我國在這方面的建設仍然任重而道遠。文章對基于以太網技術的中小水電站監控系統進行了深入研究和分析，以期為促進中小型水電站的現代化作出貢獻。

關鍵詞：以太網；中小型水電站；監控系統；無人值班

中圖分類號：TV663.8 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）29-0080-02

1 研究背景

隨著我國電力設施的不斷完善，生產和生活用電基本得到滿足，但是“電荒”現象依然沒有完全杜絕，電力行業發展的腳步從未停止過。

現階段，隨著我國生態文明建設的開展，符合環境保護要求、具有可再生能源性質的水電行業更加需要抓住發展的機遇，尤其是在我國水電資源極為豐富的地區，發展中小型水電站，將資源優勢轉化為經濟優勢勢在必行。而隨著科技的進步，新建水電站的監控系統也采用基于以太網的現代化模式，促進了我國水電行業的發展。

2 基于以太網技術的中小水電站監控系統建設

2.1 系統關鍵技術

在以太網技術支持下，水電站監控系統的關鍵技術主要有以下幾方面。

首先，具有完全開放性的分層分布式網絡系統結構是關鍵技術之一，在這種網絡系統結構下，不同的PLC可以憑借以太網模塊接入以太網，由PLC與各種智能設備相連接，數據的分布式采集結構、功能的完全分布結構就此完成。

其次，系統的關鍵技術應該還包括水輪發電機組不同工況的定義和監視。

第三，控制操作權限的閉鎖保護誠然也是監控系統建設的關鍵之一。

此外，對機組負荷突變檢測和仿人工智能功率調節技術、無擾動切換開閉環運行方式等也都是中小水電站監控系統建設的關鍵技術。

2.2 系統功能

系統能夠對水電站實現安全監控，具有顯著的迅速性、準確性和高效性。在計算機監控系統下，分為電站控制層和現地控制層。

電站控制層具有數據采集、數據處理、實時控制、實時調節、安全監視、屏幕顯示、事故處理、運行維護管理、數據通信和軟件開發等功能；現地控制層具有與電站控制層相同的幾項功能，如數據采集、處理、安全監控、實時控制調節、數據通信等，還具有故障保護和事件順序檢測等功能。

2.3 系統特點

基于以太網的中小水電站監控系統的特點主要體現在以下幾個方面。

①采用具有完全開放意義的分層分布式系統結構，主機與不同工作站之間的操作系統均為具有開放性質Windows操作系統，網絡協議統一為TCP/IP。操作以圖形化方式進行。

②不同的設備功能有所差異，實現功能分布，即使某一設備發生故障，系統的整體功能也不會受到影響。

③系統的可靠性符合當下無人值守的要求。

④數據通信協議和規約形式豐富，既能滿足本系統的要求，同時也能夠滿足遠程調度、MIS、水情預測、大壩監測等系統的通訊要求。

⑤用軟件代替冗余設備，硬件切換裝置被取消，系統硬件故障率得到有效控制。

2.4 系統網絡結構

從物理層面劃分，整個監控系統可以被看作是電站控制層和現地控制層的結合。電站控制層和現地控制層之間以100MB快速以太網的形式進行連接，而電站控制層不同設備之間的連接也是采用這種方式，使得整個監控系統的可靠性、實時性和靈活性都有所保障。電站控制層的主要作用有兩個，其一，用于監控系統的組態和維護；其二，用于監控、操作、優化控制水電站的運行，優化信息管理。而現地控制層主要包括一系列的水電站自動化裝置，機組現地控制單元、微機保護測控單元、公用設備現地控制單元、開關站現地控制單元、輔助控制單元、機組調速器、勵磁裝置等都屬于現地控制層的重要組成部分。

3 基于以太網技術的中小水電站監控系統性能指標

3.1 電站控制層性能

中小水電站監控系統的控制層性能主要從數據采集和人機接口響應時間以及可靠性來判斷。關于數據采集，從任一現地控制單元數據采集變化的混合信息數據到達數據庫的時間應該不超過2 s，從全部現地控制單元采集可能出現最終負擔信息數據到數據庫內的時間應該不超過3 s。

關于人機接口響應時間，對于調用新畫面、控制命令的響應時間以及動態數據和實時數據庫的更新時間都應該控制在1s以內。對于聯合控制有功功率的執行時間，應該確保其周期不超過10 s。對于SOE分辨率，以低于2 ms為最佳。關于可靠性，MTBF（故障間隔的平均時間）應該不低于3萬h，MTTR（故障維修的平均時間）應該控制在0.5 h以內，并確保系統的利用率在99.99%以上。

3.2 現地控制單元性能

①關于數據采集時間，具體的性能指標應該包括開關量、電氣量、非電氣量、溫度量和脈沖量。為了保證系統性能的穩定發揮，開關量、電氣量和非電量的數據采集時間應該以低于1 s為佳，溫度量的采集應該控制在2 s以內，脈沖量以連續、無延遲為標準。

②關于控制響應時間，為了保證系統運行具有可靠性和高效性，回答和接受控制命令的響應時間也應該保持在1 s以內。

③關于I/O接口，具體的性能指標如下：

第一，關于開關量輸入，每一路都應該有特定的LED狀態顯示，輸入接口的信號類型以空接點為準，彈跳時間控制在2～30 ms之間。

第二，關于模擬量輸入，采用交流量信號輸入的方式，信號范圍PT為100 V，CT為5 A/1 A。輸入溫度量時，應該與現場三線電阻溫度探頭連接，測溫電阻Pt100、Cu50。非電量信號范圍以4～20 mA、0～5 V為佳。模擬量轉換分辨率以14位為標準。

第三，關于脈沖量輸入，具體的參數標準也不是隨意確定的，脈沖寬度應該不低于100 ms，負載能力最低限度為10 mA，超過10 mA對于系統性能的發揮更加有利，輸入電平為24 VDC。

第四，關于開關量輸出，輸出信號采用繼電器輸出、LED狀態顯示的方式。開關量輸出接口的參數標準也有既定的標準：輸出形式為空接點；交流接點容量為220 V AC，5 A；直流接點接通容量為220 V DC，3 A；直流接點斷開容量為20 VA。

4 結 語

現階段，以太網在工業控制領域中的應用十分普遍。隨著電力行業的發展，電力行業的現代化、智能化、信息化趨勢更加明顯，特別是無人值班管理模式的推廣，為電站設備的監控系統帶來了挑戰。電站工作人員迫切希望建立起無人值班環境下的完善的監控系統，通過視頻圖像的形式解決電站的安全防衛問題。以以太網為基礎，建立中小水電站的計算機監控系統，為水電站自動化監控的實現奠定了堅實的基礎，同時，由于基于以太網的計算機監控系統具有良好的可靠性、高效性和可移植性，必然成為今后中小水電站自動化發展的主流。

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