桃林口水电站计算机监控系统的构建

文｜四川省成都市西华大学 董笑波

桃林口水电站计算机监控系统按照 “无人值班（少人值守）”原则设计，采用天津水利电力机电研究所最高端的SDJV4.0版计算机监控系统平台。既可实现电站集中控制，又能实现上级调度中心远方遥控、遥调、遥信、遥测。桃林口水电站自动化控制系统采用全计算机控制的分层分布开放式系统结构。系统由主控层及电站现地控制层组成。系统整体安全可靠、实用经济、技术先进，易于维护，有较强的升级换代能力。

桃林口水电站自动化控制系统采用全计算机控制的分层分布开放式系统结构。系统由主控层及电站现地控制层组成。系统整体安全可靠、实用经济、技术先进，易于维护，有较强的升级换代能力。

电站计算机监控系统采用开放式分层分布系统，网络结构采用以太网结构。厂站级主控层及现地控制层之间采用快速交换式以太网络，构成高可靠的网络结构。通讯介质采用100Mbps工业以太网交换机和屏蔽双绞线，系统具有较高的传输速率和良好的抗电磁干扰能力。

电站主干网采用1套工业以太网交换机。该交换机分别通过各自的100Mbps端口连接主控层主机/操作员工作站、打印机等设备，对于现地控制层通信，该交换机分别通过100Mbps端口及屏蔽双绞线连接现地控制层的PLC系统以太网通讯模块。主控层与现地控制层之间呈星形分布，星形网具有点对点传输、网络速度快、可靠性高、现场网络屏蔽线敷设施工简单等优点，机组之间相互干扰少。快速交换式以太网络具有很高的可靠性，可以满足水电站控制对自动化系统实时性、可靠性及可维护性的要求。

厂站级主控层设备包括2套主机/操作员工作站,1套工程师工作站，1套通信工作站，1套网络交换机等网络设备，1台打印机。

现地控制层包括三套现地控制单元(LCU)，其中，2套机组LCU、1套开关站及公用LCU。

(1)主机/操作员工作站为二套。采用DELL商用计算机，CPU 为英特尔®酷睿双核处理器；每套配置内存为2GB、硬盘为500GB SATA硬盘。

每套工作站配置1套22寸彩色液晶显示器，具有显示、交互作图、多窗口、图形缩放等功能。带键盘、鼠标、多媒体语音报警系统。具有多媒体语音辅助事故报警功能，当事故或故障发生时，立即实现语音报警。

2套操作员工作站为双机冗余结构，为主备用工作方式。2套工作站可同时工作, 同时接受各种实时数据，更新数据库，数据库内容时刻保持一致。两台工作站以互为热备用方式工作,互相监视，一台完成监视控制任务，另一台则进行正常监视。当监控工作站故障时，监视工作站自动升为监控站。

电站厂站层的2套操作员工作站设在电站中控室内, 供运行值班人员使用。完成对全电站系统的运行监视和闭环控制、随时接受远方控制中心的调度命令，发布操作控制命令、设定与变更工作方式打印设备

1.22 网络设备

电站主干网采用1套以太网交换机等网络设备，现地控制单元采用直接连接以太网的可编程控制器，主控级同现地控制单元构成快速以太网网络。主干网以太网交换机安装在计算机室内的网络柜内。本方案配置交换机完全可以满足电站控制系统主控层、现地层和未来应用的需要。

1.23 现地层设备及其描述

全系统共设有3套现地控制单元(LCU)，包括2套机组LCU、1套开关站及公用LCU。

LCU完成对监控对象的数据采集及数据预处理，负责向网络传送数据信息，并自动服从中控室上位机的命令和管理。同时各LCU也具有控制、调节操作和监视功能，现地控制层LCU包括以下设备：

(1) LCU现地人机接口单元

每台LCU均配有一台10.4寸工业液晶触摸屏，作为现地人机联系接口，可显示开停机流程、数据库一览表等画面。平时可关机运行。与工控机相比，由于液晶触摸屏没有硬盘等运动部件，系统软件全部固化，抗干扰能力强，其可靠性远高于工控机。现地PLC采用触摸屏为人机联系手段已成为水电站监控的发展趋势。

(2) 现地PLC硬件配置及描述

每个LCU配有数据采集控制单元PLC，完成系统的数据采集、电站主辅设备的控制及设备的调节与控制(包括顺控)。进行全站闭环控制与调节，保证全站发电运行可靠。控制器不仅实时性指标要高，还应有相当高的可靠性。

(3) 智能通信控制器及其描述

本项目中LCU所配的智能通信控制器为MOXA公司的UC-7410-LX智能通信控制器，该装置为RISC-based智能通讯服务器，具有2个10/100M以太网口和8个RS485或RS232通信口，完成LCU与各现地设备，如交流采样装置、微机励磁调节装置、微机调速装置、微机保护装置等其它设备的通信。

(4) 同期装置的选用

1.3 系统软件配置

计算机监控系统中各结点计算机均采用具有良好实时性、开放性、可扩充性和高可靠性等技术性能指标的中文WINDOWS 2000和WINDOWS XP操作系统。

为实现本计算机自动监控功能，本系统配有下列SDJ系统应用软件。

SDJ系统软件流程如图1所示。

＞＞图1 SDJ v4.0系统软件流程图

＞＞图2

SDJ系统还提供下列工具软件。工具软件工作原理如图2所示。

电站监控系统核心技术应用很多，对一些通用技术本文不做介绍，下面着重论述数据库技术应用。

监控系统数据库包括SDJ、 RTDB实时数据库和历史数据管理系统。

系统实时数据库为网络型全分布式数据库，采用Client/Server结构，网络透明，用户不需关心所要存取的数据存放于网络的哪个设备上。所有数据共享都通过网络通讯来实现。系统数据库服务器保留完整的系统实时数据和历史数据库，其它各节点一般只保留与本节点功能有关的实时数据库。

实时数据库主要存放LCU采集送上来的所有实时数据，它是监控系统数据库中最主要的数据库，其采用按LCU单元存储的结构。对实时数据库的操作有：按点名或逻辑名修改、存取一个记录，设置记录的某些特征值和状态，读记录状态等。

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2.1 实时数据库结构

数据库的结构定义包括电站监控和管理所需要的全部数据项。实时数据库采用分层式结构，共分为三层：

(1) 组: 包括组名、组格式、LCU的类型、I/O量的最大个数量等；

(2) 记录: 按照组，定义了每个组所包含的各种类型的定义文本文件；

(3) 项：在某种类型的定义文本文件中，对各个I/O点及其它数据进行详细性质

(4) 定义: 包括点名称、点属性、点分类等。

2.2 实时数据库管理

所有实时数据和相关参数存储在一个全局性的实时数据库(RTDB)中。RTDB中的数据包括从各个LCU采集的实时数据、从外部系统获得的实时和准实时数据、基于RTDB数据点的计算数据、及人工输入数据等。系统运行状况的参数也存储在RTDB中。实时数据库是监控系统各个模块单元的中心接口，这些单元包括数据采集和处理功能、用户界面功能、应用功能。RTDB也是这些应用软件间的公用数据接口。数据库支持汉语和英语两种语言。

本系统实时数据库数据库设计为分布式数据库，系统提供专用进程对各个站点上的数据库进行管理，以使在所有设备上的所有数据保持一致。数据的存储地点对存取功能是透明的。

2.3 历史数据库(文件方式)概要

采用历史数据文件的方式，即历史数据库是由若干历史文件组成，其中每个文件存贮若干数据。包括：报警画面(主接线)状态信息及重要参数越限前后变化过程数据、事故现场软拷贝历史数据文件等。操作包括：事故发生后，将有关的数据及图表记录、存贮起来，并将若干个这样的记录组成一个历史文件存起来；事后可调用历史文件及记录显示(再现历史数据及图表)；对若干个历史文件进行目录管理，并进行一些增、删、转存等操作。另外，历史数据的处理包括对各种实时采集的数据进行各种计算，统计并形成相应的报表。

电站监控系统经过精心构建和核心技术的应用，最终实现了以下主要功能。

3.1 数据采集和处理

系统对电站系统主要设备的运行状态和运行参数自动定时进行采集，并作必要的预处理、计算，存于实时数据库，供计算机系统实现并用于画面显示、更新，控制调节，记录检索，统计报表，操作、管理指导和事故分析等。厂站级主控制层管理现地控制单元层设备的工作，记录整个电站系统的运行信息并作综合计算，并把经过处理的数据存入SDJ系统数据库中，以完成电站系统的远方监视和调度控制等功能。

电站现场各种数据的采集基本由各自的现地LCU来完成，现场数据包括：模拟量、数字量、数字脉冲量、一般开关量和中断开关量。

(1)电气模拟量的采集和处理

电气模拟量指电压、电流及功率等电气信号量，系统周期采集。处理包括有效性、合理性判断，输入线路误差补偿，标度变换，信号接点抖动消除、刻度计算等加工、越复限比较及格式化等，具有断线检测功能，信号抗干扰，数字滤波，梯度计算，越限报警及相关时间记录功能。

(2)非电气模拟量的采集和处理

非电气模拟量主要指温度、压力、流量、水位、摆度和振动等信号量，周期采集。测温点直接接入PLC的RTD模块或者接入温度巡检装置。

(3) 数字量的采集与处理

普通型状态量包括各类故障信号、断路器及隔离开关的位置信号、电站设备运行状态信号等。

周期采集，输入硬件光电隔离，信号处理包括光电隔离、接点防抖动处理、硬件及软件滤波、基准时间补偿、数据有效性合理性判断、发事故报警信号和进行事件记录，能指出故障设备名称、内容和时间，同时伴有报警音响，最后经格式化处理后存入实时数据库。

(4)脉冲量的采集与处理

脉冲量主要指有功和无功电能量。脉冲量的输入为有源电脉冲，

周期采集(现地PLC实时记数)，各路脉冲计数累加，处理包括光电隔离、接点防抖处理，有效性、合理性判断，软件抗干扰滤波，标度变换、格式化，并在上位机分时累加形成各类表格供打印、显示使用。脉冲量可以通过人机联系手段，由操作人员进行初始值设置和累加值修改。可按分时累计的要求进行峰荷、谷荷、腰荷的电量累计、显示与打印。在规定的时间间隔内可对脉冲量累计值进行冻结、读取、解冻。

(5)交流量的采集与处理

根据需要，部分三相交流电量可不用变送器，而由交流采样装置直接从PT、CT采集。分析计算后用通讯方式送至LCU。

3.2 综合计算

监控系统可根据实时采集到的数据进行周期、定时或召唤计算分析，形成各种计算数据库与历史数据库，帮助运行人员对电厂设备的运行进行全面监视与综合管理。

3.3 运行安全监视和事件报警

运行安全监视和事件报警包含以下内容：

(1)故障报警记录

计算机系统周期扫测故障讯号量，当发现故障时，立即响应并处理，记录故障发生的时间，动作设备器件名称、内容等，时间以时、分、秒记录，立即显示、打印故障报警语句，并顺序存入主站数据库记录区，形成全天故障记录。对重要设备的操作及事故可在LCU盘上液晶屏显示。

(2)参数越限故障报警记录

监控系统对运行设备参数设定有四种限值：上上限，上限，下限，下下限。当超越其设定限值时，立即进行报警(一次性)，当越限值恢复正常时，进行复限提示(一次性)。参数越复限时，记录越复限发生的时间，参数名称、限值、越限参数的实时值等内容。时间以时、分、秒记录。立即显示、打印越复限报警提示语句，并顺序存入主站数据库记录区，形成全天参数越复限记录。

(3)电气主设备操作记录

对于电站设备，包括机组开、停，断路器的投、切，隔离开关，接地刀闸的合、切等操作，FMK投、切，厂变高低压开关、联络开关、刀闸的投、切等操作，在进行非事故状态判断后，按先后动作顺序进行记录。

(4)计算机系统综合信息记录

计算机系统对系统设备投切、软件出错信息、系统诊断信息等计算机系统有关的信息及时自动记录，形成综合信息统计记录。这些综合信息在操作或软件行为自检时会以显示语句的方式提示，同时打印记录。

(5)事故追忆

系统根据设定的事故追忆点及事故追忆采样周期，对追忆量进行前若干秒(30s)追忆，后若干秒(120s)记录，形成事故追忆记录(事故追忆采样周期可设定)。事故发生时，计算机将按顺序将事故报警信息、事故的名称及这些追忆数据保存于磁盘中，形成历史数据。

(6)趋势报警与分析

SDJ系统也具有趋势报警追忆功能。系统实时监视某些重要参数的变化趋势，现设备异常情况的早期发现。当变化率超过限值时，进行趋势越限报警。并可启动有关处理功能，如停机，趋势报警追忆等，形成历史数据。历史数据的存储方法与事故追忆相同。

(7)实时监视

对电站的设备开停，状态等系统的实时运行参数和设备运行状态以召唤方式进行实时监视显示。

(8)过程监视

在操作与调节过程中，监控系统屏幕能够显示操作接线图，被选中的操作对象能闪光、变色，显示命令单，操作提示与操作结果、自动登录操作记录等，供运行人员监视操作过程。

(9)语音报警

运行人员可对系统数据库进行设置、定义发生哪些事故时，监控系统需要进行语音报警，当发生事故时，系统能根据设置情况发出声光、语音报警信息，实现汉语报警功能。

(10)远方诊断功能

监控系统具有远方诊断及远方维护功能。通过远方诊断及维护系统，可以实现远方故障诊断及远方系统维护。

(11)画面拷贝

发生事故、重要故障、某些重要量越、复限时，监控系统能自动将当时的主接线画面或有关画面拷贝并保存，形成历史画面数据，以时间顺序编号。

3.4 人机联系

SDJ系统提供面向对象的全图形人机界面系统。采用最新开放式图形硬件、软件技术，全图形人机界面软件基于X/Window、MS Window，显示直观易懂，操作手段简便、灵活，具有多窗口无级缩放功能，面向目标编程，全鼠标驱动，图形操作，汉字界面，多级下拉式菜单加多级弹出式菜单操作，灵活的用户适配工具功能，用户可以根据自己的习惯制作自己的人机界面。

3.5 控制与调节

系统的控制与调节主要针对计算机监控系统而言，它包含以下内容：

(1)控制调节对象：1、2号机组及辅助设备和线路等。

(2)控制调节方式: 包括上级调度中心远方自动控制方式、厂站级(中控室)集中控制方式、手动指令方式和现地控制单元级现地控制方式。

(3)系统控制权管理 对于上级调度中心、控制层各级的相互的关系及控制权的管理，必须通过控制权的设置，进行闭锁控制。控制权的设置可通过人机联系进行设置。监控系统的控制权管理采取现地优先的原则。优先设置权依次为单元控制级、电站主控级及上级调度中心级。

(4)运行人员指令操作与调节 通过中控室或办公楼控制室的监控系统人机联系设备，运行人员可对电站设备进行控制、调节、工况转换及参数设置等操作。重要的操作指令包括：机组工况转换如开停机、断路器分合、隔离开关分合、有功功率和无功功率调整，断路器、隔离开关分合操作、闸门提降、阀门开关、重要设备投切等。SDJ系统具有独特而完善的防误操作功能，可以确保由计算机系统发出的命令安全可靠。

SDJ系统的人机联系原理及流程如下图3所示：

3.6 生产管理与统计

监控系统可将自动生成的报表数据、报警数据等自动保存，形成生产统计报表历史数据。另外，各种报警记录数据也存放在计算机硬盘上，形成报警记录历史数据。

结语

＞＞图3 系统人机对话流程框图

监控系统经过精心设计和配置后，于2013年4月调试成功并投入运行，从一年多的运行情况来看，系统很好地满足了电站各种监控要求,运行稳定，安全可靠。