基于虛擬儀器的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

韓玉仲 焦衛(wèi)強 中國建筑科學研究院宋立軍 中電投工程研究檢測評定中心

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基于虛擬儀器的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

韓玉仲 焦衛(wèi)強 中國建筑科學研究院
宋立軍 中電投工程研究檢測評定中心

【文章摘要】

【關(guān)鍵詞】

水電站；計算機監(jiān)控系統(tǒng)；虛擬儀器

引言

在我國的電力工業(yè)發(fā)展中一直將水力發(fā)電作為一項重要內(nèi)容，這是由于水力資源是一種可再生資源、清潔資源，水力發(fā)電對環(huán)境的污染和影響較少，而且供電質(zhì)量較好。在經(jīng)濟發(fā)展的過程中，水電站應(yīng)該不斷提高供電的質(zhì)量和可靠性，這就需要積極開發(fā)基于虛擬儀器的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

1.虛擬儀器技術(shù)

以計算機數(shù)字化測量測試儀器系統(tǒng)為基礎(chǔ)的虛擬儀器，能夠運用軟件平臺構(gòu)建可視化界面，與真實儀器的界面類似。底層硬件主要由軟件控件進行控制，軟件具有強大的功能，能夠采集和分析處理信號，并實時顯示結(jié)果。虛擬儀器技術(shù)是一種非常先進的技術(shù)，使用軟件來對儀器中的硬件進行替代，對儀器的各項功能進行實現(xiàn)。儀器的功能可以根據(jù)用戶的個性化需要進行定義。用戶只需更新相關(guān)軟件，就可以實現(xiàn)對虛擬儀器的功能擴展和性能改進，這樣一來可以節(jié)約大量的購買新的儀器的資金。與此同時，與計算機技術(shù)的結(jié)合是虛擬儀器技術(shù)的另一個優(yōu)點，傳統(tǒng)儀器的單一功能得到了極大的突破，使儀器的功能更加多樣化，經(jīng)濟效益得到顯著的提高。

對虛擬儀器進行開發(fā)的主要工具是Labview，Labview是一種開放式軟件開發(fā)平臺，主要特點是開發(fā)效率高、直觀性強、簡單實用，其中的Activex、 DDE、 DLL等編程語言接口都具有較強的擴展性，而且其具有通信模型，網(wǎng)絡(luò)通信功能較強［1］。

2.基于虛擬儀器的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

2.1系統(tǒng)功能設(shè)計

基于虛擬儀器的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該具備以下幾個功能：①能夠監(jiān)測水電站的運行參數(shù)，例如機組的無功功率、有功功率、電流、定轉(zhuǎn)子電壓、擺度、振動、溫度、流量、轉(zhuǎn)速、開度等。然后使用圖表和數(shù)值來表示參數(shù)檢測結(jié)果。與此同時還可以存儲和回放測試數(shù)據(jù)，對開關(guān)命令進行調(diào)整。②對檢測所得的實時數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行分析，對于發(fā)現(xiàn)的異常情況進行及時報警，并對其進行相應(yīng)的控制，對整個事件過程進行記錄。③對早期的故障征兆進行及時的捕捉，并以歷史記錄和發(fā)展趨勢為依據(jù)，開展故障分析，進行趨勢預(yù)報和故障診斷。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

可以將水電站內(nèi)需要控制的輸入信號分為開關(guān)量和模擬量兩個部分，信息采集和錄入主要通過計算機內(nèi)的Labview數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠分析和處理相應(yīng)的信號，并對開關(guān)量命令進行控制，使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在相關(guān)的元器件和設(shè)備中輸入數(shù)據(jù)。與此同時以Labview為基礎(chǔ)的結(jié)果輸出與顯示系統(tǒng)，能夠?qū)μ幚斫Y(jié)果進行輸出和顯示。通過人機交互，操作人員能夠獲取數(shù)據(jù)，并對輸入進行控制。Labview開發(fā)數(shù)據(jù)采集軟件模塊和數(shù)據(jù)采集硬件共同組成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，Labview開發(fā)的軟件模塊和結(jié)果輸出與顯示系統(tǒng)共同組成的數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)。信號的輸入和輸出主要依靠硬件，而系統(tǒng)的主體為軟件［2］。

2.3設(shè)計硬件系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)和計算機共同構(gòu)成了硬件系統(tǒng)，主控單元為計算機，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則包括數(shù)據(jù)采集軟件模塊和數(shù)據(jù)采集一點系統(tǒng)。根據(jù)以往的經(jīng)驗，如果使用計算機來構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)，對機器的運行參數(shù)進行測量、分析和運算往往需要配備專門的智能儀器，如果需要變更功能或者改進系統(tǒng)的性能，還需購置昂貴的儀器。以虛擬儀器技術(shù)為基礎(chǔ)計算機監(jiān)控系統(tǒng)能夠使用變送器對機組的運行參數(shù)進行測量，并進行信號調(diào)理，能夠?qū)χ悄軆x器的硬件實現(xiàn)功能進行實現(xiàn)。通過硬件系統(tǒng)的各接口，能夠?qū)⑤o機設(shè)備和自動化元器件的開關(guān)量，以及輔機設(shè)備的模擬量等數(shù)據(jù)采入計算機。該系統(tǒng)的軟件和硬件具有良好的統(tǒng)一性和兼容性，通過數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)的接口，也能夠輸出控制開關(guān)量。

2.4設(shè)計軟件系統(tǒng)

軟件是整個系統(tǒng)的核心，對傳統(tǒng)儀器中的一些硬件功能進行取代，如果由于功能擴展和系統(tǒng)改進的需要，水電站計算機系統(tǒng)需要進行更新，也只需更新相關(guān)軟件。

圖1　軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.4.1軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

使用模塊化結(jié)構(gòu)來設(shè)計軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)共包括，8個功能模塊，分別為輔助系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、故障報警系統(tǒng)、文件管理系統(tǒng)、控制輸入系統(tǒng)、結(jié)果輸出系統(tǒng)、系統(tǒng)設(shè)置系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，見圖1。

2.4.2設(shè)計系統(tǒng)功能

虛擬儀器程序（VΙ）指的是用LabVΙEW編制的程序，其特點為模塊化和層次化，主要包括連接器/圖標、程序框圖，和前面板。人機交互的用戶接口是前面板，其代替了儀器的操作面板，操作面板中的控制窗口、旋鈕、按鈕、開關(guān)等輸入控件在前面板中也同樣存在，能夠進行參數(shù)設(shè)計和開關(guān)控制，并發(fā)揮了顯示面板的作用，能夠?qū)?shù)值、圖表和圖形進行顯示，并輸出信號。人機交互主要是通過前面板來實現(xiàn)的通過圖形編程語言，能夠在后臺編制框圖程序，主要包括連線、圖框、端口和節(jié)點［3］。

基于虛擬儀器的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的功能模塊，包括以下幾個方面：①數(shù)據(jù)采集，將計算機和測試信號連接起來，在計算機中輸入測試信號，可以積極利用Labview的數(shù)據(jù)采集接口函數(shù)來采集信號。對各數(shù)據(jù)通道的信號連接方式、采樣率、增益、量程，都可以進行設(shè)置，并生成數(shù)據(jù)采集程序，滿足水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集要求。②系統(tǒng)設(shè)置，主要包括三級權(quán)限，分別為用戶管理設(shè)置、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與修改、用戶管理，三級權(quán)限管理與密碼相結(jié)合能夠最大限度的保障計算機監(jiān)控系統(tǒng)的安全。③輸出結(jié)果，主要包括打印和屏幕顯示，輸出結(jié)果的形式包括圖形、文本、表格、波形和數(shù)值。④文件管理，主要包括工作日志數(shù)據(jù)管理和測量值數(shù)據(jù)管理。⑤控制輸出，對設(shè)備的控制主要通過輸出控制開關(guān)量來實現(xiàn)，將相應(yīng)的中間繼電器啟動就能夠進行相應(yīng)的設(shè)備動作。⑥故障報警，一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，就要顯示故障信息，啟動指示燈和蜂鳴器的動作。

3.結(jié)語

基于虛擬儀器的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)鹘y(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)進行突破，其具有良好的開放性、統(tǒng)一性、軟硬件兼容性，用戶可以對計算機的軟件、硬件和平臺進行自由的定義和組合，并根據(jù)水電站發(fā)展的實際需要對模塊進行增添、擴展和升級。

【參考文獻】

［1］ 何倩.應(yīng)懷樵:做中國原創(chuàng)的“虛擬儀器”［J］.科學新聞.2011（11）

［2］ 徐軍.虛擬儀器在計量測試中的應(yīng)用［J］.信息系統(tǒng)工程.2013（01）

［3］ 劉璇，賈靜. 2013全國虛擬儀器大賽實體培訓（北京站）成功舉辦［J］.電子測量技術(shù).2013（01）

水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)有利于提高水電站的工作效率，并對水電站運行過程中的潛在問題進行及時的發(fā)現(xiàn)，最大限度的避免事故的發(fā)生。本文簡要介紹了虛擬儀器技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)對水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行了開發(fā)，供相關(guān)人員參考借鑒。