水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程診斷及維護(hù)策略分析

馮冀秦

摘 要：計算機監(jiān)測系統(tǒng)是水電站自動化管控目標(biāo)實現(xiàn)的技術(shù)支撐點，以通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制理論技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和安全防護(hù)技術(shù)為核心，具備數(shù)據(jù)采集及處理、安全監(jiān)視及事件報警、控制與調(diào)節(jié)、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)水電站機組運行狀態(tài)的實時動態(tài)監(jiān)測，進(jìn)行設(shè)備運行故障的遠(yuǎn)程診斷及維護(hù)。為了保證系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，應(yīng)該完善上位機、現(xiàn)地控制單元、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)及安全防護(hù)系統(tǒng)的配置及設(shè)計，確保各個系統(tǒng)能夠發(fā)揮應(yīng)有的功效，實現(xiàn)水電站的無人值班目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：水電站；計算機監(jiān)控系統(tǒng)；系統(tǒng)配置；遠(yuǎn)程診斷；維護(hù)

中圖分類號：TV736 文獻(xiàn)標(biāo)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(dá)到調(diào)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(fā)電，既節(jié)能又環(huán)保[1]。我國是農(nóng)業(yè)大國，對于水利水電工程的重視度較高，現(xiàn)階段其建設(shè)體系已經(jīng)較為完善，在各個工程中基本都配置了水力發(fā)電站，讓工程的效益得以優(yōu)化。我國水電站大多規(guī)模不大，廣泛分布在中西部邊遠(yuǎn)地區(qū)，且水電站的技術(shù)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(fā)展，加強水電站自動化運營，成為現(xiàn)階段水電站發(fā)展的新目標(biāo)，而要想實現(xiàn)這一目標(biāo)，就應(yīng)該加大對于水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的研究及推廣力度。這一系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)的功能，能夠有效監(jiān)測水電站設(shè)備的運行，實現(xiàn)水電站無人值班的目標(biāo)，同時確保水電站運行的穩(wěn)定性和安全性，為客戶提供優(yōu)質(zhì)供電服務(wù)。

1 水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)概述

1.1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型

計算機監(jiān)控系統(tǒng)歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷完善，具體發(fā)展歷程為：（1）集中式監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)簡單，性價比高，一臺計算機即可負(fù)責(zé)設(shè)備運行監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、運行狀態(tài)調(diào)整、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等工作，一般應(yīng)用于機組臺數(shù)少且主接線簡單的小型水電站，水電站運行受計算機狀態(tài)影響較大；（2）分散式監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，按照水電站功能區(qū)域劃分為多個計算機子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)都包含專門用于數(shù)據(jù)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(tǒng)整體影響較小，只會影響到相對應(yīng)的功能，穩(wěn)定性高；（3）分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有廠站控制層、現(xiàn)地控制層兩個部分，系統(tǒng)內(nèi)部不存在層次控制關(guān)系，可靠性強[2]。

1.2 計算機監(jiān)控系統(tǒng)功能需求

在水電站自動化建設(shè)過程中，計算機監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用，按照水電站遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求，該系統(tǒng)需具備以下幾項功能：（1）數(shù)據(jù)采集及處理。系統(tǒng)需采集溫度量、模擬量、開關(guān)量、脈沖量等數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)對比分析了解設(shè)備運行狀態(tài)，在進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控；（2）安全監(jiān)視及事件報警。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)及圖像均可發(fā)布在顯示器上，值班人員可監(jiān)視水電站機組運行圖，獲取實時運行信息，如有異常系統(tǒng)會自動警示，明晰故障性質(zhì)；（3）控制與調(diào)節(jié)。在上位機畫面上，系統(tǒng)可直接對水電站設(shè)備進(jìn)行點對點調(diào)控，并控制整個生產(chǎn)流程，進(jìn)行故障遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)；（4）通信功能。在分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)中，廠站控制層、現(xiàn)地控制層需通過數(shù)字化通訊技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，傳輸數(shù)據(jù)并傳達(dá)調(diào)控指令。

1.3 計算機監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

計算機監(jiān)控系統(tǒng)是一個智能化控制系統(tǒng)，集以下多種先進(jìn)科技于一體：（1）通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?？蓪崿F(xiàn)系統(tǒng)各個節(jié)點之間的信息交換，實現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)，使用過程中，常應(yīng)用modbus、canbus、profibus等工業(yè)通信協(xié)議；（2）自動控制理論技術(shù)。這一技術(shù)是設(shè)備智能化、精準(zhǔn)化控制的基礎(chǔ)，能夠讓整個生產(chǎn)流程按照既定規(guī)律和程序運行，目前水電站常用的自動控制理論技術(shù)為PLC技術(shù)；（3）數(shù)據(jù)庫技術(shù)。這是整個系統(tǒng)的核心技術(shù)，系統(tǒng)對于設(shè)備的運行監(jiān)控就是通過數(shù)據(jù)的采集、分析、處理等功能實現(xiàn)的；（4）安全防護(hù)技術(shù)。為了確保系統(tǒng)運行的安全性，避免電力系統(tǒng)受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，應(yīng)遵循“安全分區(qū)，網(wǎng)絡(luò)專用”的管理原則，合理應(yīng)用數(shù)據(jù)加密技術(shù)，完善安全防護(hù)設(shè)備配置[3]。

2 水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)整體方案設(shè)計

2.1 上位機配置及方案設(shè)計

在整個計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，需根據(jù)《水力發(fā)電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》的要求，配置合適數(shù)量的裝置[4]。具體包括：（1）SCADA服務(wù)器。負(fù)責(zé)現(xiàn)場設(shè)備運行信息的實時采集、傳輸、分析，具備模擬量、開關(guān)量等異常信息警示功能；（2）歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器。負(fù)責(zé)水電站歷史數(shù)據(jù)的存儲及管理，一般需配置兩臺，互為備用；（3）生產(chǎn)信息服務(wù)器。負(fù)責(zé)水電站生產(chǎn)信息的統(tǒng)計及歷史數(shù)據(jù)的生成，可供外部系統(tǒng)訪問；（4）站內(nèi)通信服務(wù)器?？蓪⑺娬居嬎銠C監(jiān)控系統(tǒng)與機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、電能量采集系統(tǒng)等連接起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，而且會在不同安全分區(qū)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互時，設(shè)置防火墻等，實現(xiàn)邏輯隔離；（5）操作員工作站。能夠讓值班人員對水電站設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)生故障時會發(fā)出警報，并進(jìn)行機組調(diào)控；（6）工程師工作站。負(fù)責(zé)系統(tǒng)升級、維護(hù)、開發(fā)、模擬設(shè)備運行及故障狀態(tài)的功能；（7）ON-CALL及語音報警服務(wù)器。水電站發(fā)生事故時，服務(wù)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(fā)出警示。

2.2 現(xiàn)地控制單元配置及方案設(shè)計

在水電站生產(chǎn)現(xiàn)場，按照功能區(qū)域會在現(xiàn)場設(shè)置現(xiàn)地控制單元（LCU），對設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，按照監(jiān)控對象的不同，該設(shè)施可分為機組LCU、開關(guān)站LCU、公用設(shè)備LCU、閘門LCU[5]?，F(xiàn)代控制單元具備數(shù)據(jù)擦劑功能，可采集設(shè)備運行信息存儲于數(shù)據(jù)庫中，其中模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離、濾波、工程單位變化及越限檢查后產(chǎn)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(shù)及狀態(tài)信息，操作人員登錄后可通過顯示屏遠(yuǎn)程操控設(shè)備。而且，系統(tǒng)接收到的信息可同步到廠站控制層計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，隨后接收并執(zhí)行廠站控制層的調(diào)控指令，及時反饋執(zhí)行結(jié)果。為了確保系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性，現(xiàn)地控制單元具有開關(guān)操作聯(lián)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(tài)時送點。

在機組LCU運行過程中，為了保證系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對于水電機組的迅速調(diào)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(yīng)速度。為了保證信息監(jiān)測與控制的即時性，系統(tǒng)應(yīng)具備足夠快的響應(yīng)速度，在故障發(fā)生即可進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，并迅速記錄事件的先后順序，響應(yīng)并執(zhí)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(shè)計及設(shè)置自診斷的方式提升可靠性；（3）安全性。設(shè)備應(yīng)設(shè)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(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置及方案設(shè)計

計算機監(jiān)控系統(tǒng)具備實施監(jiān)測水電站機組運行狀態(tài)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控的功能，能夠進(jìn)行設(shè)備故障的遠(yuǎn)程診斷及維護(hù)[6]。上述功能的實現(xiàn)，與系統(tǒng)中通信網(wǎng)絡(luò)配置相關(guān)，而且，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴⒏咝院头€(wěn)定性，通信系統(tǒng)會安裝防火墻等安全防護(hù)裝置。在分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，各計算機互聯(lián)，可采取路由器或網(wǎng)關(guān)等方式接入網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，而且在進(jìn)行生產(chǎn)控制大區(qū)與外部網(wǎng)的縱向連接時，需按照國家標(biāo)準(zhǔn)配置專用縱向加密認(rèn)證裝置，再配置路由器、交換機等設(shè)備。為了方便水電站管理人員更好地監(jiān)管現(xiàn)場設(shè)備運行數(shù)據(jù)，需在計算機監(jiān)控系統(tǒng)與站內(nèi)電能量系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)、故障錄波裝置系統(tǒng)、水情自動化測報系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、消防報警系統(tǒng)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(wǎng)、modbus協(xié)議配置對下通信網(wǎng)絡(luò)。

2.4 計算機監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)設(shè)計

廣域網(wǎng)的構(gòu)建，方便了系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸及與外界的信息交互，但同時也將系統(tǒng)暴露在外界，有遭受病毒攻擊、黑客攻擊及數(shù)據(jù)竊密的風(fēng)險，為了保障信息傳輸安全，應(yīng)遵循”安全分區(qū)，網(wǎng)絡(luò)專用，橫向隔離，縱向認(rèn)證“的原則，加強水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的安全防護(hù)設(shè)計[7]。在設(shè)計過程中，會會跟電力系統(tǒng)不同區(qū)域的安全防護(hù)需求，將之劃分為四個安全工作區(qū)：（1）安全區(qū)Ⅰ，包括具有實施監(jiān)控功能的系統(tǒng)，比如說SCADA服務(wù)器、繼電保護(hù)系統(tǒng)、安全自動控制系統(tǒng)等；（2）安全區(qū)Ⅱ，不直接控制單與電力生產(chǎn)控制聯(lián)系密切的區(qū)域，包括電能量計量系統(tǒng)、故障錄波裝置系統(tǒng)、水調(diào)自動化系統(tǒng)等；（3）安全區(qū)Ⅲ，包括報表系統(tǒng)、web系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等；（4）安全區(qū)Ⅳ。與因特網(wǎng)等外部網(wǎng)絡(luò)相連接的系統(tǒng)，比如說辦公管理信息系統(tǒng)。其中，安全Ⅰ區(qū)、安全Ⅱ區(qū)之間應(yīng)該設(shè)置硬件防火墻，而安全Ⅰ/Ⅱ區(qū)與安全Ⅲ/Ⅳ區(qū)之間設(shè)置物理隔離裝置，比如說電力專用正、反向隔離裝置。

3 結(jié)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(zāi)害頻發(fā)，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(tài)建設(shè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展造成了極其惡劣的影響[8]。在合適的河流隘口建設(shè)水利水電工程，能夠?qū)⑸鲜鲎匀粸?zāi)害的危害程度降低，促進(jìn)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(fā)電模式。而且隨著水電站的發(fā)展，其管理系統(tǒng)逐步優(yōu)化，現(xiàn)階段，計算機監(jiān)控系統(tǒng)由于功能的優(yōu)越性，已經(jīng)在三峽水電站、葛洲壩水電站、寧波白溪水庫電站、安徽嚴(yán)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(yīng)用，取得了喜人的成果，由此可見，該系統(tǒng)在水電站中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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