水电站自动监控系统分析研究

2010-04-26王学军田金平

陕西水利 2010年3期

王学军惠杰田金平

（1.凤翔县水产工作站陕西凤翔 721400；2.凤翔县横水河灌溉管理处陕西凤翔 721400）

1 引言

水电站常规的自动控制系统，运行人员必须进行操作，对机组进行调节，对设备进行巡视检查，在中控室进行监盘，在整点时对电站设备的运行状态及运行参数进行记录。常规控制系统不能把运行人员从重复的机械操作中解脱出来。为了更加有效地保障发电站安全可靠运行，就需要在电厂内利用Internet网或工业控制网络将各台机组本地控制单元、励磁调节器、调速器等连接起来，利用光缆等现代通讯技术将相距很远的梯级电站计算机系统相连接，在调度中心集中监控各水电厂及各台机组的运行。本文主要对某小型水电站的监控系统进行分析研究。

2 系统的核心LCU

LCU布置在机旁，其监控对象为水轮发电机组及其辅助设备，它向电厂级发送采集的各种数据和事件信息，并接受电厂级的命令对设备进行监控，同时又能脱离电厂级独立工作。LCU主模件是LCU的心脏，它通过总线获取I/O模块采集到的数据，并对这些数据进行处理，以前常规回路实现的逻辑控制全部由LCU主模件中的CPU运算实现，同时它还负责与外界的通讯，将数据上送到主站，并接受主站下发的控制命令执行操作。

3 基于分布式的架构系统

由于水电厂自动控制设备涉及面广，设备分布遍及整个水电厂房，再考虑到机组LCU装置在可靠性上的不断进步，这里采用分布式的模式来布置水电厂的整体监控布局，即LCU可脱离主站独立运行。它强调以控制对象在现场分散布置为基础，设置有主控计算机。分布即站级和现地监控层的功能可以分布进行。采用分层分布式结构、现地单元控制层能脱离上位机独立工作，具有自治性、模块性、并行性三大特性。分布式监控系统以功能的分散为主要特征，根据水电厂监控系统的功能设立多套相应的设备，独立完成各自的功能。

系统的具体架构组成为：调度中心和电站级计算机网络采用100Mbps快速Internet网，物理结构为星型结构，网络协议采用TCP/IP。在调度中心和电站各配置一台交换机，利用5类双绞线连接各台主计算机。在每台交换机上配置一台NBASE光纤收发器模块，连接单模光纤，将其连接成一个网络。在机组控制现场，采用PLC设备所支持的工控网络。

4 系统的主要组成模块

系统通过计算机系统的人机接口，完成实时的监视、控制调节和参数设置。监控系统实时监视电厂各类设备的运行状态和参数，根据采集的数据，系统通过更新显示器画面的数据实时显示机组的运行状态、设备的操作动态过程，当运行状态发生变更或参数超越设定限值等时，监控系统立即报警，并推出相应事故、故障显示画面，供运行人员分析参考。为了达到这个目的，该系统主要包含如下模块：

励磁子系统：对电厂励磁实行自动监控。

水文子系统：利用超短波无线通道，遥测水电厂库区内的各水文站降雨量、水位变化，库容、流量等，为水电厂提供水情资料。

运行子系统：为水轮发电机组及其辅助设备的工况监视，可采集水轮机各种非电量参数，如：温度参数、压力参数（包括气压、水压、油压）、水轮机大轴摆度，水轮机顶盖水位与集水井水位。

微机调速子系统：对水轮机进行自动监控。

闸门子系统：系统可遥测多个闸门的开度，以及根据调度端命令自动启闭各扇闸门。

以上系统可实现了的具体功能如下：

水情采集：实时采集库区、流域内的降雨量、水位、流量、库容。

显示功能：水位雨量关系曲线；群闸开度模拟图，动态闸门开度坐标图；电厂动态电气主接线图；电厂动态供电系统图；电厂动态油、水、汽系统图；动态日、月负荷曲线图；动态入库流量、引用流量、泄洪量旬月曲线图；各水文站水位、流量关系曲线。

电量采集：模拟量包括有功功率、无功功率、电流、电压、频率、湿度、顶盖水位、前池水位、尾水水位、落差、压力、时间等；状态量主要为开关（断路器）。

分析处理：自动查询负荷—水头—流量表；开度—水头—流量表；根据设定值，达到预警数据自动报警；定时打印各种报表。

5 系统软件分析与设计

5.1 系统软件

UNIX是一个强大的多用户、多任务操作系统，支持多种处理器架构，按照操作系统的分类，属于分时操作系统。Unix因为其安全可靠、高效强大的特点在服务器领域得到了广泛的应用。直到GNU/Linux流行开始前，Unix也是科学计算、大型机、超级计算机等所用操作系统的主流。

5.2 系统通信

通讯软件的研制基于TCP/IP网络接口和标准UNIX IPC接口。它采用Client（客户）/Server(服务器)模式，其工作方式如图1所示。电力系统各进程间提供了网络透明的通讯服务。为全分布系统的全部资源，数据共享提供了必需的条件和有效的保证。同时通讯软件中还有冗余双结点的管理工作，即系统冗余。

5.3 数据库

数据库开发基于UNIX标准库，在研制上自己定义并开发了适用于水电厂监控系统应用的数据库语言。用户可用这种语言为系统的各结点定义数据库，并规定数据在适当时间或事件发生时应完成的操作。数据库加载程序对用户编写的数据库语言程序进行语法检查，并按要求建立数据库；数据库管理程序借助通讯软件为整个系统提供数据库的服务；数据库运行程序对数据中的算术，逻辑运算进行操作，并对实时数据进行刷新如图2所示。

5.4 人机交互

设计人机界面的目的是为值班操作人员能快速、准确、可靠地提供机组的实时运行状态，以及方便可靠地对其运行状态进行控制和调节，SIEMENS MP370触摸屏作为LCU的人机界面，能够实时的将机组的运行状态反馈给值班操作人员，并对主要设备进行有效控制。因此，它的功能为画面能够反映机组电气接线图、机组及辅助设备(包括油系统，水系统、风系统、压油装置、励磁装置、顶盖推力、调速器等)的状态模拟图；通过各个画面，能够实时的监视各类设备的运行状态和参数，并能对运行参数设定值进行设置。

6 关于元器件的选择

在元器件选择上，要满足计算机监控系统对其接口的要求，信号规范，宜选用既有模拟量输出又有开关量输出的元件，将二种输出均接入LCU，可用于对元件本身进行检测，并提高可靠性。现地控制单元选用技术成熟、运行可靠的可编程控制器(PLC)和工控机，完成顺序控制，数据采集及处理，充分利用PLC所支持的工业控制网络，统一规划选择有关自动装置。基础自动化元器件尽可能齐全，按将来无人值班的现场实际选用抗干扰性能强、防潮、防锈蚀性好的元件。对集水井，水轮机顶盖等部位冗余配置水位信号器。例如，监测元件由于环境条件复杂，选型时应符合以下原则：①在潮湿部分的器件，必须选择防水型以及密封型；②有些部分温度振幅很大(例如闸门)，这就需要选取耐高、低温器件；③传输距离大，以及露天安装情况下，需要选择防电磁干扰、防雷的设施。

其次，精度选择也有一些条件：①当以状态监控为主时，相对误差小于5%；②目的是为了控制调节或试验检测的器件，相对误差小于0.5%；③被测设备有超行程的状态情况下，监测元件也存在超行程的本领。