水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)研究

(華北水利水電大學(xué) 電力學(xué)院，河南 鄭州 450045)

0 引言

目前，大中型水電站中，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)非常普遍，并且發(fā)展也極為迅速。但是，多數(shù)小型水電站或已投入運(yùn)行的老電站都采用較為常規(guī)的自動(dòng)控制設(shè)備，只有極少數(shù)的新建以及近期改造的中小型電站，或用計(jì)算機(jī)自身功能去控制單元改造常規(guī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，或在常規(guī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再加上計(jì)算機(jī)自身功能來控制單元，又或者在常規(guī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)[1]。為了提高中小型水電站的管理運(yùn)行水平，提高電能質(zhì)量，實(shí)施經(jīng)濟(jì)運(yùn)行并減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，應(yīng)盡早研究并幵發(fā)出性能優(yōu)良、工作可靠、功能完善、使用方便、價(jià)格適宜的中小型水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，以適應(yīng)中小型水電站的發(fā)展要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對梯級水電站的遠(yuǎn)程集中控制[2]。

1 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀

當(dāng)前，國外水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控領(lǐng)域，有兩種主要的模式：

1)集成型，它是一種比較開放的通用模式，它以可編程控制器(PLC)為核心，通過同期裝置、勵(lì)磁裝置、保護(hù)裝置、調(diào)速器裝置等設(shè)備的參數(shù)上傳，實(shí)現(xiàn)水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)視和控制。它的優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)并且結(jié)構(gòu)靈活，缺點(diǎn)是組成系統(tǒng)的設(shè)備過于繁多，功能也較為分散。但是，在發(fā)達(dá)國家，這種模式的自動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)被普遍采用，并且技術(shù)也比較成熟。

2)專用型，在國外，這種模式在近些年才開始進(jìn)行研究，它是一種新的技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡單，功能比較集中。缺點(diǎn)是：①裝置本身成本較低，但如果加上進(jìn)口關(guān)稅和外商較高利潤的話，設(shè)備的售價(jià)仍然會很高。②它的有些功能現(xiàn)在還并不能完全達(dá)到中國小水電市場對于計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的要求。

國內(nèi)水電站監(jiān)控系統(tǒng)大多采用上述第一種集成型模式，但是，因?yàn)楝F(xiàn)在還暫時(shí)沒有形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)約，所以一些中小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜程度與大型電站有一樣的特點(diǎn)，這就給這些中小型電站的運(yùn)行、維護(hù)增加了很大難度。這樣的模式投資巨大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)也極不方便。運(yùn)行人員不但要監(jiān)視重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，還要注意一些輔助設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊上傳，實(shí)際上，這些中小型電站根本沒必要注重這么多繁雜的信息量。結(jié)合目前國內(nèi)中小水電站的實(shí)際情況，專用型計(jì)算機(jī)監(jiān)控模式已經(jīng)開始了自行研發(fā)。

2 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用

水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)承擔(dān)著水電站中多種多樣的任務(wù)，根據(jù)形式不同、規(guī)模不同和投資不同的水電站，其任務(wù)也有所不同，但主要任務(wù)仍然是由以下幾方面組成。

2.1 發(fā)電過程自動(dòng)控制

水電站水輪機(jī)的開停、發(fā)電機(jī)調(diào)相狀態(tài)的轉(zhuǎn)換以及并列運(yùn)行，機(jī)組無功功率和有功功率的調(diào)節(jié)，導(dǎo)葉開度的調(diào)節(jié)以及進(jìn)水閘門的開啟和關(guān)閉，水電站輔助設(shè)備的自動(dòng)控制等內(nèi)容，機(jī)組都可以自動(dòng)執(zhí)行由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)所發(fā)出的有關(guān)命令[3-4]。

2.2 安全監(jiān)視

水電站的安全監(jiān)視主要包括：水庫防洪監(jiān)測、大壩安全監(jiān)測和運(yùn)行設(shè)備的監(jiān)視等。

2.3 自動(dòng)處理事故

水電站的事故經(jīng)常是不可預(yù)估、突然出現(xiàn)的，并且時(shí)間短促，電站運(yùn)行人員難以對事故的性質(zhì)及時(shí)作出準(zhǔn)確并有效的分析判斷。在沒有計(jì)算機(jī)控制時(shí)，對于已經(jīng)發(fā)生的事故的判斷和處理，很大程度上取決于運(yùn)行人員多年以來積累的經(jīng)驗(yàn)。相反，如果設(shè)置了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)便能夠?qū)λ娬镜脑O(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)視，對水電站正在運(yùn)行的設(shè)備的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和存儲，只要電站發(fā)生事故，計(jì)算機(jī)便可以對事故進(jìn)行分析處理，然后執(zhí)行之前已經(jīng)設(shè)定好的有關(guān)事故的處理程序，使事故得到及時(shí)處理，同時(shí)計(jì)算機(jī)還可以記錄此次事故的性質(zhì)以及事故發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)。

2.4 最優(yōu)發(fā)電控制

水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對于水電站的控制，最直接的目的就是對水電站進(jìn)行最優(yōu)的發(fā)電控制，根據(jù)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)對水電站有功功率的需求，通過調(diào)節(jié)水電站水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度，并改變水輪機(jī)輸入的水量，保證水輪發(fā)電機(jī)組的最優(yōu)配合以及機(jī)組負(fù)荷的最優(yōu)分配，達(dá)到水電站電壓質(zhì)量及無功功率合理分配的目的。

3 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3.1 設(shè)計(jì)原則

在對水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要應(yīng)考慮如下原則[5]。

1)系統(tǒng)功能的完善性：無人值班、少人值守是水電站的設(shè)計(jì)原則，監(jiān)控系統(tǒng)也應(yīng)以此為原則，這樣，整個(gè)系統(tǒng)的功能才算完善。

2)可靠性：采用標(biāo)準(zhǔn)的、可靠的硬件，并能提供長期穩(wěn)定的技術(shù)服務(wù)。

3)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性：實(shí)時(shí)性反映在系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間上，可以滿足不同用戶的需求。

4)系統(tǒng)的可變性：水電站監(jiān)控系統(tǒng)的廠站層和現(xiàn)地層設(shè)備的軟件結(jié)構(gòu)和硬件配置設(shè)施可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)改變，并實(shí)時(shí)地對現(xiàn)地單元的設(shè)備地址、通訊接口地址等進(jìn)行重新再分配，并作出相應(yīng)改變。

5)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和開放性：系統(tǒng)中的各節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)，均應(yīng)滿足開放性要求，以便于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展以及硬件的升級。另外，系統(tǒng)的軟件應(yīng)該具有開放的功能，并符合國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約數(shù)據(jù)所要求的固定格式，這樣才能夠與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)上的交接。

6)系統(tǒng)的安全性：系統(tǒng)應(yīng)該滿足網(wǎng)絡(luò)安全和操作控制安全。值班人員在操作控制時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢驗(yàn)操作人員的權(quán)限，并在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的控制命令下達(dá)之前，自動(dòng)彈出確認(rèn)框，只有操作人員再次確認(rèn)命令是否正確之后才可以啟動(dòng)系統(tǒng)的操作控制。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1)集中式監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)中只有一臺計(jì)算機(jī)，這一臺計(jì)算機(jī)進(jìn)行一切計(jì)算處理，并接受所有的信息，進(jìn)而發(fā)出所有操作、指派所有控制命令，這種不分層的特點(diǎn)會導(dǎo)致：只要計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，整個(gè)控制系統(tǒng)就會癱瘓，只能手動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，性能降低很大。

2)功能分散式監(jiān)控系統(tǒng)。此時(shí)，系統(tǒng)中有多臺計(jì)算機(jī)，分別完成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能，各臺計(jì)算機(jī)只負(fù)責(zé)完成規(guī)定的任務(wù)。將功能進(jìn)行分散，當(dāng)系統(tǒng)中某一臺計(jì)算機(jī)出故障時(shí)，只影響某一功能，其他功能依然可實(shí)施，可靠性大大提高。

3)分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)。分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)也就是按照控制對象進(jìn)行分散，是最新的系統(tǒng)。按監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能劃分為兩個(gè)層次：上層稱為上位機(jī)，由工控機(jī)擔(dān)當(dāng)，下層稱為現(xiàn)地控制單元，由可編程控制器和工控機(jī)擔(dān)當(dāng)，如果系統(tǒng)中某個(gè)機(jī)組控制單元發(fā)生故障，則只影響這一臺機(jī)組，不影響整個(gè)水電站的運(yùn)行[6]。

4 結(jié)語

更為先進(jìn)的應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)該是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)屬于一個(gè)系統(tǒng)，需要各個(gè)部分的有機(jī)結(jié)合以及綜合考慮，另外還需要把計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)等充分利用起來才能設(shè)計(jì)出功能完善且滿足水電站實(shí)際需求的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。