水電站計算機監控系統的遠程診斷及維護策略分析

馮冀秦

摘 要：計算機監測系統是水電站自動化管控目標實現的技術支撐點，以通信網絡技術、自動控制理論技術、數據庫技術和安全防護技術為核心，具備數據采集及處理、安全監視及事件報警、控制與調節、網絡通信等功能，能夠實現水電站機組運行狀態的實時動態監測，進行設備運行故障的遠程診斷及維護。為了保證系統功能的實現，應該完善上位機、現地控制單元、網絡通信系統及安全防護系統的配置及設計，確保各個系統能夠發揮應有的功效，實現水電站的無人值班目標。

關鍵詞：水電站；計算機監控系統；系統配置；遠程診斷；維護

中圖分類號：TV736 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）18-0029-02

水利水電工程指通過壩、堤、溢洪道、水閘、渠道、魚道等不同類型水工建筑物的修建，達到調配和控制自然界水資源目的的工程項目，而且還能利用水的動力發電，既節能又環保[1]。我國是農業大國，對于水利水電工程的重視度較高，現階段其建設體系已經較為完善，在各個工程中基本都配置了水力發電站，讓工程的效益得以優化。我國水電站大多規模不大，廣泛分布在中西部邊遠地區，且水電站的技術力量相對薄弱，其掌控力度比較低。隨著中小水電站的蓬勃發展，加強水電站自動化運營，成為現階段水電站發展的新目標，而要想實現這一目標，就應該加大對于水電站計算機監控系統的研究及推廣力度。這一系統具備遠程診斷和維護的功能，能夠有效監測水電站設備的運行，實現水電站無人值班的目標，同時確保水電站運行的穩定性和安全性，為客戶提供優質供電服務。

1 水電站計算機監控系統概述

1.1 計算機監控系統結構類型

計算機監控系統歷經數十年的發展，其系統結構不斷完善，具體發展歷程為：（1）集中式監控系統。結構簡單，性價比高，一臺計算機即可負責設備運行監視、數據采集、運行狀態調整、數據統計分析等工作，一般應用于機組臺數少且主接線簡單的小型水電站，水電站運行受計算機狀態影響較大；（2）分散式監控系統。結構相對復雜，按照水電站功能區域劃分為多個計算機子系統，每個子系統都包含專門用于數據采集、事件記錄、機組順控等的計算機，其中一臺計算機故障對于系統整體影響較小，只會影響到相對應的功能，穩定性高；（3）分層分布式監控系統。結構復雜，有廠站控制層、現地控制層兩個部分，系統內部不存在層次控制關系，可靠性強[2]。

1.2 計算機監控系統功能需求

在水電站自動化建設過程中，計算機監控系統發揮著重要作用，按照水電站遠程監控的需求，該系統需具備以下幾項功能：（1）數據采集及處理。系統需采集溫度量、模擬量、開關量、脈沖量等數據，通過數據對比分析了解設備運行狀態，在進行遠程調控；（2）安全監視及事件報警。系統采集的數據及圖像均可發布在顯示器上，值班人員可監視水電站機組運行圖，獲取實時運行信息，如有異常系統會自動警示，明晰故障性質；（3）控制與調節。在上位機畫面上，系統可直接對水電站設備進行點對點調控，并控制整個生產流程，進行故障遠程診斷和維護；（4）通信功能。在分層分布式監控系統中，廠站控制層、現地控制層需通過數字化通訊技術實現數據交換，傳輸數據并傳達調控指令。

1.3 計算機監控系統關鍵技術

計算機監控系統是一個智能化控制系統，集以下多種先進科技于一體：（1）通信網絡技術。可實現系統各個節點之間的信息交換，實現設備間的互聯，使用過程中，常應用modbus、canbus、profibus等工業通信協議；（2）自動控制理論技術。這一技術是設備智能化、精準化控制的基礎，能夠讓整個生產流程按照既定規律和程序運行，目前水電站常用的自動控制理論技術為PLC技術；（3）數據庫技術。這是整個系統的核心技術，系統對于設備的運行監控就是通過數據的采集、分析、處理等功能實現的；（4）安全防護技術。為了確保系統運行的安全性，避免電力系統受到網絡攻擊，應遵循“安全分區，網絡專用”的管理原則，合理應用數據加密技術，完善安全防護設備配置[3]。

2 水電站計算機監控系統整體方案設計

2.1 上位機配置及方案設計

在整個計算機監控系統中，需根據《水力發電廠計算機監控系統設計規范》的要求，配置合適數量的裝置[4]。具體包括：（1）SCADA服務器。負責現場設備運行信息的實時采集、傳輸、分析，具備模擬量、開關量等異常信息警示功能；（2）歷史數據服務器。負責水電站歷史數據的存儲及管理，一般需配置兩臺，互為備用；（3）生產信息服務器。負責水電站生產信息的統計及歷史數據的生成，可供外部系統訪問；（4）站內通信服務器。可將水電站計算機監控系統與機組狀態監測系統、火災報警系統、電能量采集系統等連接起來，實現數據通信，而且會在不同安全分區的系統數據交互時，設置防火墻等，實現邏輯隔離；（5）操作員工作站。能夠讓值班人員對水電站設備運行狀態進行監測，發生故障時會發出警報，并進行機組調控；（6）工程師工作站。負責系統升級、維護、開發、模擬設備運行及故障狀態的功能；（7）ON-CALL及語音報警服務器。水電站發生事故時，服務器會按照事故等級，以收集短信、電話報警等方式向工作人員發出警示。

2.2 現地控制單元配置及方案設計

在水電站生產現場，按照功能區域會在現場設置現地控制單元（LCU），對設備運行狀態進行監控，按照監控對象的不同，該設施可分為機組LCU、開關站LCU、公用設備LCU、閘門LCU[5]。現代控制單元具備數據擦劑功能，可采集設備運行信息存儲于數據庫中，其中模擬量數據進行隔離、濾波、工程單位變化及越限檢查后產生警報上送至主控級，按照順序自動記錄事件，每組LCU均配置有一個液晶觸摸屏，可實時顯示機組運行參數及狀態信息，操作人員登錄后可通過顯示屏遠程操控設備。而且，系統接收到的信息可同步到廠站控制層計算機監控系統中，隨后接收并執行廠站控制層的調控指令，及時反饋執行結果。為了確保系統運行的平穩性，現地控制單元具有開關操作聯鎖功能，可在軟件操控下防止誤拉合斷路器、防止帶電合接地道閘、防治接地刀合閘狀態時送點。

在機組LCU運行過程中，為了保證系統能夠實現對于水電機組的迅速調控，需合理選擇可編程控制器（PLC）。在LCU的PLC選型中，需考慮到下面幾個要素：（1）響應速度。為了保證信息監測與控制的即時性，系統應具備足夠快的響應速度，在故障發生即可進行遠程診斷，并迅速記錄事件的先后順序，響應并執行操作人員的命令；（2）可靠性。LCU的MTBF需>1600h，并采取增加冗余度、加強抗電氣干擾設計及設置自診斷的方式提升可靠性；（3）安全性。設備應設備各種閉鎖，以防止失誤操作，通信要求需通過檢測、糾錯等措施。

2.3 計算機監控系統網絡配置及方案設計

計算機監控系統具備實施監測水電站機組運行狀態，并進行遠程調控的功能，能夠進行設備故障的遠程診斷及維護[6]。上述功能的實現，與系統中通信網絡配置相關，而且，為了保證數據傳輸的安全性、高效性和穩定性，通信系統會安裝防火墻等安全防護裝置。在分層分布式網絡結構中，各計算機互聯，可采取路由器或網關等方式接入網絡通信設備，而且在進行生產控制大區與外部網的縱向連接時，需按照國家標準配置專用縱向加密認證裝置，再配置路由器、交換機等設備。為了方便水電站管理人員更好地監管現場設備運行數據，需在計算機監控系統與站內電能量系統、繼電保護系統、故障錄波裝置系統、水情自動化測報系統、狀態監測系統、消防報警系統之間建立通信，并且借助機組可編程控制器，通過光纖以太網、modbus協議配置對下通信網絡。

2.4 計算機監控系統安全防護設計

廣域網的構建，方便了系統內部數據的傳輸及與外界的信息交互，但同時也將系統暴露在外界，有遭受病毒攻擊、黑客攻擊及數據竊密的風險，為了保障信息傳輸安全，應遵循”安全分區，網絡專用，橫向隔離，縱向認證“的原則，加強水電站計算機監控系統的安全防護設計[7]。在設計過程中，會會跟電力系統不同區域的安全防護需求，將之劃分為四個安全工作區：（1）安全區Ⅰ，包括具有實施監控功能的系統，比如說SCADA服務器、繼電保護系統、安全自動控制系統等；（2）安全區Ⅱ，不直接控制單與電力生產控制聯系密切的區域，包括電能量計量系統、故障錄波裝置系統、水調自動化系統等；（3）安全區Ⅲ，包括報表系統、web系統、生產管理系統等；（4）安全區Ⅳ。與因特網等外部網絡相連接的系統，比如說辦公管理信息系統。其中，安全Ⅰ區、安全Ⅱ區之間應該設置硬件防火墻，而安全Ⅰ/Ⅱ區與安全Ⅲ/Ⅳ區之間設置物理隔離裝置，比如說電力專用正、反向隔離裝置。

3 結語

泱泱中華歷史悠久，地大物博，眾所周知，我國國土面積占世界第二，且地域地貌奇特，水資源分布不均的問題普遍存在，且近年來，自然災害頻發，氣候變化無常，干旱和洪水成為極為普遍的事情，對各地的生態建設和農業發展造成了極其惡劣的影響[8]。在合適的河流隘口建設水利水電工程，能夠將上述自然災害的危害程度降低，促進水資源的合理配置，解決干旱地帶水資源短缺的問題，并借此普及水力發電模式。而且隨著水電站的發展，其管理系統逐步優化，現階段，計算機監控系統由于功能的優越性，已經在三峽水電站、葛洲壩水電站、寧波白溪水庫電站、安徽嚴家水電站、湖南玉龍巖電站、龍游小溪灘電站等工程項目中得到了應用，取得了喜人的成果，由此可見，該系統在水電站中具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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