水電站計算機監控系統實訓平臺的建設和研究

金永琪

（浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231）

水電站計算機監控系統實訓平臺的建設和研究

金永琪

（浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231）

摘要：針對我院發電廠及電力系統課程和專業發展的要求，為了滿足學生培養的硬件要求，開展了該實訓室的建設。本實訓室的建設采用了胖客戶端的設計，結合分層分布式網絡設計，采用最新的現地控制技術、上位機組態編程技術，實現了平臺的完成和建設。結果表明，該平臺提高了學生的實訓技能，提高了就業率。

關鍵詞：水電站；計算機監控；實訓平臺；系統

1引言

機電類專業是綜合運用計算機學、電氣學、電工學、電機學、動力學的基本理論和知識，對電廠及變電站電氣設備和動力設備等進行監控、優化、調度和管理的一門實踐性很強的學科。隨著我國水電站及變電站電氣綜合自動化全面建設和發展的戰略目標的實施，水電站及變電站電氣綜合自動化建設步伐將加快，人們對綜合自動化要求不斷提高，社會急需大批高素質的機電類專業人才。因此，培養機電類專業人才，將滿足社會和市場對機電類專業人才的需求，并對水電站及變電站綜合自動化的建設起到促進作用。因此，機電類專業具有良好的發展前景，建設水電站計算機監控實驗平臺正是適應機電類專業發展所需。

依據機電類專業計劃，急需加強水電站計算機監控實驗平臺的建設。根據《水電站計算機監控》、《電力系統自動裝置原理》、《電網監控及自動化》、《電力系統自動化》、《電氣設備》、《電力系統繼電保護》、《電力系統分析》等課程實驗教學的要求，以下從硬件基礎、軟件基礎、教學基礎三個方面來探討建設水電站計算機監控系統實驗平臺已經具備的良好條件。

2總體設計

經過多方考察和調研，目前一些水利和電力院校已建的計算機監控實驗室照抄水電站計算機監控的實際模式，很不實用。因為水電站計算機監控的實際模式是面向水電站而建設的，而不是面向教學。在水電站計算機監控的實際模式中，現有的水電站計算機監控系統的結構主要有2種：分層分布式監控系統和集中式監控系統[1]。分層分布式監控系統分為電站主控層和現地控制單元層（LCU），現地控制單元層具有工業控制微機或PLC，電站主控層由各功能的工作站組成，整個系統用局域網（LAN）進行聯接。集中式監控系統無現地控制單元，由1臺計算機承擔人機接口和遠動功能。如某電站有2臺機組，無論采用分層分布式監控系統還是采用集中式監控系統，其建成的計算機監控實驗平臺，只能用來參觀，而沒有足夠的客戶端計算機供學生上機操作。水電站計算機監控的實際模式是按照“少人值班”、“無人值守”等原則設計的，采用的“瘦”客戶端設計理念，與教學中需要滿足盡量多的學生作實驗的理念背道而馳的。為此，我們機電系經過深入的研究，決定采用一種新的面向教學的水電站計算機監控實驗平臺構架，這里我們稱之為“肥”客戶端解決方案。“肥”客戶端解決方案充分考慮了教學、科研、培訓以及考試等需求，是一個采用現有的技術完全能夠實現的綜合計算機監控實驗平臺，其網絡拓撲結構圖如下頁圖1所示。從圖1可以看出，各模擬發電廠及開關站，母線及線路電量由各發電廠控制器及三相電量智能監測儀采集并傳送至主站，實現遙測功能；各開關，斷路器狀態通過PLC采集后，傳送至主站，實現遙信功能；PLC接受并執行主站發送的命令，完成對斷路器的分合閘操作，實現遙控功能；各發電機廠控制器（微機調速器和微機勵磁器）接受并執行主站發送的調度命令，調整發電機的有功和無功出力，實現遙調功能。

服務器主站采用高性能工控機，上位機軟件采用現在電力系統流行的組態軟件，主站與各電站的控制器，智能監測儀，PLC之間通過485總線相連，通信協議采用開放的Modbus協議[2]。

教師機和學生機通過交換機和服務器主站相連接。教師機和學生機均可通過網關連入互聯網。

該方案成功解決了教學、科研、培訓以及考工等功能需求，投資少，見效快，徹底打破了國內一些院校，投資高，實際利用效率低，學生只能參觀不能動手操作的構架模式。同時跳出了按照實際電站模式進行構架的設計誤區。

本實訓中心按照小水電典型電氣主接線設置,采用2臺發電機、1臺主變，發電機電壓側采用單母線接線，并利用現有高壓開關室，各部分的實際電壓都采用400 V。發電機實際容量為5 kW，模擬為5 MW即比實際放大1 000倍；變壓器實際容量為12.5 kVA,模擬為12.5MVA即比實際放大1 000倍。

圖1“肥”客戶端計算機監控實驗平臺網絡拓撲結構圖

現場設備系統圖2如示。

如圖2，本教學系統的硬件設備包括了普通電廠的真實硬件設備，包括一次設備和二次設備。發電機組、電動機（模擬水輪機）、主變壓器、斷路器和模擬負載屏組成了本仿真教學系統的一次設備，用來產生和分配仿真水電站的電能；變壓器模擬屏、發電機模擬屏勵磁系統、調速器系統、直流系統和全套監控系統組成了二次設備，用來對一次設備的工況進行測量。另設中央控制室（并設立投影儀1臺）、學生客戶端電腦（24臺）監控操作平臺室等等。共4大區域。

圖2現場設備系統圖

（1）發電機發電和變電區域

設立模擬三相同步發電機組共2套，三相5 kW同步發電機由7.5 kW電動機(直流電機或變頻調速電機)帶動。設立三相變壓器1臺，變比為1:1，實際容量為12.5 kVA。

①設立發電機模擬系統屏2塊。按主接線配置裝相應電壓、電流互感器，裝有若干電抗器和接觸器，可模擬各種短路故障，故障點見電氣主接線，并把相關電參數進行放大,如功率模擬比為1000，電壓模擬比為15.75，電流模擬比為63.49，通過互感器送到微機測控和保護屏。

②設立變壓器模擬系統屏1塊。按主接線配置裝相應電壓、電流互感器，裝有若干電抗器和接觸器，可模擬各種短路故障,并把相關電參數進行放大，如功率模擬比為1 000，低壓側電壓模擬比為15.75，電流模擬比為63.49；高壓側電壓模擬比為96.25，電流模擬比為10.39，通過互感器送到微機測控和保護屏。

③設立發電機非電量模擬系統屏1塊（2臺發電機公用），主要模擬油、氣、水系統及發電機各部分溫度的模擬，通過開關量或通過調節電阻傳輸到發電機現地控制單元。并可設立各種仿真故障，傳輸到現地控制單元。

④設立變壓器和發電廠公用部分模擬系統屏1塊,主要模擬變壓器非電量（瓦斯保護、溫度保護、風機等）、集水井水位、空壓機壓力、水庫水位、系統電壓等參數。并可設立各種仿真故障，傳輸到相應控制單元。

⑤模擬負載屏1塊,負載可以從0到10 kW之間進行分級調節，并可調節阻抗角。

（2）高壓開關室

利用現有的設備，挑選4臺高壓開關作為發電機、變壓器的斷路器，供控制和操作用；挑選4臺高壓開關作發電機、變壓器的隔離開關使用，高壓開關通過電纜直接和發電機、變壓器、系統模擬屏及輸電線路相連。

（3）中央控制室

①設立發電機微機測控與保護屏2塊，按目前水電廠最先進要求配置相應的設備,如微機控制和保護、電參數測量儀、溫度巡監儀、手動準同期裝置、自動準同期裝置（采用LTQ-20A型動準同期裝置）。

②主變微機測控與保護1套。

③發電機勵磁系統屏2塊。

④發電機調速屏2塊。

⑤直流系統屏2塊。

⑥上位機系統一套。

⑦設立投影儀，可同步顯示上位機視頻參數、教師控制機內容及學生客戶機內容。

（4）學生客戶端電腦室

設置24臺電腦,供學生進行微機監控操作實訓。

3系統任務

本水電站監控仿真教學系統的全套設備涵蓋了一個典型水電站的主要環節的各個部分。與真實水電站的唯一不同在于，本系統中調速器系統的任務是仿真真實的水輪機調節對象，用來配合電動機來模擬顯示的水輪機調節。

利用發電機非電量模擬屏也可以模擬一般電廠的全廠設備狀態，包括各種設備的運行狀態、溫度信息、壓力信息等等。

本系統還包括了全套軟件模擬環境，可以實現教師機軟件模擬電廠運行的各種狀態，通過相應的控制系統及軟件與上位機相連，通過教師主控工作站控制學生電腦和上位機相連。系統能夠讓教師設置軟故障點供學生排除故障，并且能夠自動生成解決方案。對于學生的相應操作，系統能夠根據已有的解決方案來判斷是否正確。

根據系統任務，在本次仿真系統當中，決策系統主要在監控系統中實現。

4監控系統方案設計

本次工程的監控系統使用分層分布式監控系統。

分層分布式監控系統的由上往下可分為電站主控層、通信網絡層和現地控制單元層（LCU）3個層次，電站主控層由工作站、操作臺等設備組成；通信網絡層由各種通信設備和通信接口組成；現地控制單元層由PLC、現地工業控制微機（簡稱現地工控機）以及現地智能化設備等組成。電站主控層和現地控制單元層由通信網絡層進行聯接而構成完整的水電站計算機分層分布式監控系統。

4.1硬件設計

監控系統的網絡結構如圖3：

圖3監控系統網絡結構圖

由圖3可知，2臺機組的現地控制單元和開關站現地控制單元主要執行機組和開關站的數據采集及上位機控制命令下發功能。其功能，比如機組順序操作和其他設備如調速器、勵磁系統、直流系統、保護裝置等等的數據采集由現地控制單元設備中的PLC來實現。

歷史數據服務器主要承擔數據處理、控制操作、歷史事件記錄、與其他主控層計算機通信的功能。學生機、教師機的數據來源和操作下發都通過歷史數據庫來實現中轉和命令存儲。

知識庫服務器是專門針對決策系統而設計的，其中包含了本次仿真教學所用的水電站事件處理專家庫。

學生機主要運行上位機監控軟件。

教師機不僅包括上位機監控軟件，還包括了操作記錄查詢、學生機操作權限設定、水電站軟件仿真、決策系統實現等功能。

4.2軟件設計

監控系統的軟件包括了上位機監控軟件、全廠數據庫、水電站仿真平臺、水電站決策系統4個部分，如圖4所示。

圖4監控系統軟件

（1）全廠數據庫

全廠數據庫的主要任務包括：水電站一次、二次設備工況數據采集；歷史數據記錄；操作記錄；為其他應用平臺，比如上位機監控軟件、水電站仿真軟件和水電站決策系統等提供數據支持。

系統數據庫采用FireBird數據庫。Firebird是一個全功能的，強大高效的，輕量級，免維護的數據庫。一個Firebird數據庫服務器能夠管理多個獨立的數據庫，每一個數據庫同時可支持多個客戶端連結。同時，它也是一個開源的，強大的，可以自由使用的數據庫。設計的歷史數據庫具有主備冗余功能。其內容包括：實時數據庫、暫存數據庫、畫面及報表格式數據庫、歷史數據庫、計算數據庫、預置數據庫、漢字庫、圖形符號庫等，這些數據庫，構成了監控系統數據資源中心。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。報表格式數據庫存放用戶的各種打印報表格式。歷史數據庫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、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。計算數據庫用于存放由各種計算功能得到的數據。預置數據庫用于存放預置的參數限值，參數約定及顯示、打印定時等約定。圖形符號庫用于存放系統及用戶畫面中常用的圖形符號。

（2）上位機監控軟件

上位機監控軟件包括圖形生成和圖形實時運行2個部分。圖形生成部分提供了內容豐富的對象圖形庫（主要對象有：發電機、變壓器、線路、斷路器、輔助設備等），基本圖元庫（管線、閥門、AVC圖像等），特殊圖符庫（趨勢曲線、動態潮流、工業儀表等），支持JPG,GIF,AVI等格式的圖像。圖形編輯工具提供的全矢量化圖形編輯功能讓使用者可輕松地完成：隨意改變對象圖符的形狀、移動、縮放、組合、鏡象、旋轉；圖符的成組、分解、粘貼、復制；畫面生成支持按對象進行圖庫一體化的動態連接，包括動態數字、動態字符串、動態顏色、動態閃爍、動態大小、動態移動、動態圖符等圖符顯示屬性。

（3）水電站軟件仿真平臺

教師機上安裝有1套水電站軟件仿真平臺。在一次設備和二次設備沒有運行的情況下，仿真平臺可以模擬各種現場的開關量、模擬量數據。其模擬數據可以通過全廠數據庫直接下發給現地單元的PLC，實現PLC的模擬運行。同時定義的數據也通過全廠數據庫提供給上位機監控界面。使用本軟件仿真平臺可以安全的模擬各種現場環境，包括一些極端條件下的故障、事故等工況。

（4）水電站決策系統

水電站決策系統存儲了事故及故障處理、機組啟停確定原則、自動發電控制、自動電壓控制、電廠經濟運行、高級功率調節等功能模塊。同時IApp提供開放系統接口以便用戶今后擴展自己的高級應用功能模塊。其設計目的在于給參與仿真教學的教師和學生提供各種工況下的策略依據和參考，并且對各種應對操作來進行正確性評估。

5結束語

本項目與同類項目相比，在以下幾個方面具有較強的優勢。

（1）確保機電類專業基礎課程和專業方向課程的

正常開出。若沒有水電站計算機監控實驗平臺，將無法保證《電力系統自動裝置原理》、《電網監控及自動化》、《電力系統自動化》、《電氣設備》、《電力系統繼電保護》、《電力系統分析》、《水電站計算機監控技術》等課程的教學質量，將無法很好的完成人才培養的目標，尤其在我校升院后更難完成教學任務和目標。

（2）本實驗室建設項目投資相對較少，成本不高。由于我校遷到新校區后已規劃有水電站計算機監控實驗用房，項目建設主要投資用于儀器的購置。按預算，本實驗室投資在80萬元左右。

（3）受益面廣。不但可以滿足學生的實驗，而且可以滿足教師進行電力系統綜合自動化方面的教學、科研課題及項目的實驗和研究。

項目建成后，將確保電廠及變電站電氣運行專業實驗課程的開設和學生的畢業論文的設計，同時也確保科研課題及項目的實驗和研究工作的開展。

本實驗室服務的對象主要有：機電類專業的全體學生；計算機及應用等其他專業的學生，以及學校升院后參加電廠及變電站電氣運行專業選修課程的學生；機電系參加教學、科研項目研究的教師；培訓人員；考工人員。除了滿足正常的教學需要以外，本實驗室將滿足本專業老師的科研需求和升院后學生的畢業論文設計工作。水電站計算機監控實驗平臺項目的建設，除了可以滿足本系各專業的學生上課以外，可以供其他機電系、外部培訓和考工使用。

參考文獻：

[1]徐金壽，張仁貢.水電站計算機監控技術與應用[M].杭州：浙江科學技術出版社，2007.

[2]方輝欽.現代水電廠計算機監控技術與試驗[M].北京:中國電力出版社,2003.

中圖分類號：TP311

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）10-0026-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.10.010

收稿日期：2015-05-25

作者簡介：金永琪（1965-），男，副教授，研究方向：水電站機電技術。