水电站计算机监控系统实训平台的建设和研究

金永琪

（浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231）

水电站计算机监控系统实训平台的建设和研究

金永琪

（浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231）

摘要：针对我院发电厂及电力系统课程和专业发展的要求，为了满足学生培养的硬件要求，开展了该实训室的建设。本实训室的建设采用了胖客户端的设计，结合分层分布式网络设计，采用最新的现地控制技术、上位机组态编程技术，实现了平台的完成和建设。结果表明，该平台提高了学生的实训技能，提高了就业率。

关键词：水电站；计算机监控；实训平台；系统

1引言

机电类专业是综合运用计算机学、电气学、电工学、电机学、动力学的基本理论和知识，对电厂及变电站电气设备和动力设备等进行监控、优化、调度和管理的一门实践性很强的学科。随着我国水电站及变电站电气综合自动化全面建设和发展的战略目标的实施，水电站及变电站电气综合自动化建设步伐将加快，人们对综合自动化要求不断提高，社会急需大批高素质的机电类专业人才。因此，培养机电类专业人才，将满足社会和市场对机电类专业人才的需求，并对水电站及变电站综合自动化的建设起到促进作用。因此，机电类专业具有良好的发展前景，建设水电站计算机监控实验平台正是适应机电类专业发展所需。

依据机电类专业计划，急需加强水电站计算机监控实验平台的建设。根据《水电站计算机监控》、《电力系统自动装置原理》、《电网监控及自动化》、《电力系统自动化》、《电气设备》、《电力系统继电保护》、《电力系统分析》等课程实验教学的要求，以下从硬件基础、软件基础、教学基础三个方面来探讨建设水电站计算机监控系统实验平台已经具备的良好条件。

2总体设计

经过多方考察和调研，目前一些水利和电力院校已建的计算机监控实验室照抄水电站计算机监控的实际模式，很不实用。因为水电站计算机监控的实际模式是面向水电站而建设的，而不是面向教学。在水电站计算机监控的实际模式中，现有的水电站计算机监控系统的结构主要有2种：分层分布式监控系统和集中式监控系统[1]。分层分布式监控系统分为电站主控层和现地控制单元层（LCU），现地控制单元层具有工业控制微机或PLC，电站主控层由各功能的工作站组成，整个系统用局域网（LAN）进行联接。集中式监控系统无现地控制单元，由1台计算机承担人机接口和远动功能。如某电站有2台机组，无论采用分层分布式监控系统还是采用集中式监控系统，其建成的计算机监控实验平台，只能用来参观，而没有足够的客户端计算机供学生上机操作。水电站计算机监控的实际模式是按照“少人值班”、“无人值守”等原则设计的，采用的“瘦”客户端设计理念，与教学中需要满足尽量多的学生作实验的理念背道而驰的。为此，我们机电系经过深入的研究，决定采用一种新的面向教学的水电站计算机监控实验平台构架，这里我们称之为“肥”客户端解决方案。“肥”客户端解决方案充分考虑了教学、科研、培训以及考试等需求，是一个采用现有的技术完全能够实现的综合计算机监控实验平台，其网络拓扑结构图如下页图1所示。从图1可以看出，各模拟发电厂及开关站，母线及线路电量由各发电厂控制器及三相电量智能监测仪采集并传送至主站，实现遥测功能；各开关，断路器状态通过PLC采集后，传送至主站，实现遥信功能；PLC接受并执行主站发送的命令，完成对断路器的分合闸操作，实现遥控功能；各发电机厂控制器（微机调速器和微机励磁器）接受并执行主站发送的调度命令，调整发电机的有功和无功出力，实现遥调功能。

服务器主站采用高性能工控机，上位机软件采用现在电力系统流行的组态软件，主站与各电站的控制器，智能监测仪，PLC之间通过485总线相连，通信协议采用开放的Modbus协议[2]。

教师机和学生机通过交换机和服务器主站相连接。教师机和学生机均可通过网关连入互联网。

该方案成功解决了教学、科研、培训以及考工等功能需求，投资少，见效快，彻底打破了国内一些院校，投资高，实际利用效率低，学生只能参观不能动手操作的构架模式。同时跳出了按照实际电站模式进行构架的设计误区。

本实训中心按照小水电典型电气主接线设置,采用2台发电机、1台主变，发电机电压侧采用单母线接线，并利用现有高压开关室，各部分的实际电压都采用400 V。发电机实际容量为5 kW，模拟为5 MW即比实际放大1 000倍；变压器实际容量为12.5 kVA,模拟为12.5MVA即比实际放大1 000倍。

图1“肥”客户端计算机监控实验平台网络拓扑结构图

现场设备系统图2如示。

如图2，本教学系统的硬件设备包括了普通电厂的真实硬件设备，包括一次设备和二次设备。发电机组、电动机（模拟水轮机）、主变压器、断路器和模拟负载屏组成了本仿真教学系统的一次设备，用来产生和分配仿真水电站的电能；变压器模拟屏、发电机模拟屏励磁系统、调速器系统、直流系统和全套监控系统组成了二次设备，用来对一次设备的工况进行测量。另设中央控制室（并设立投影仪1台）、学生客户端电脑（24台）监控操作平台室等等。共4大区域。

图2现场设备系统图

（1）发电机发电和变电区域

设立模拟三相同步发电机组共2套，三相5 kW同步发电机由7.5 kW电动机(直流电机或变频调速电机)带动。设立三相变压器1台，变比为1:1，实际容量为12.5 kVA。

①设立发电机模拟系统屏2块。按主接线配置装相应电压、电流互感器，装有若干电抗器和接触器，可模拟各种短路故障，故障点见电气主接线，并把相关电参数进行放大,如功率模拟比为1000，电压模拟比为15.75，电流模拟比为63.49，通过互感器送到微机测控和保护屏。

②设立变压器模拟系统屏1块。按主接线配置装相应电压、电流互感器，装有若干电抗器和接触器，可模拟各种短路故障,并把相关电参数进行放大，如功率模拟比为1 000，低压侧电压模拟比为15.75，电流模拟比为63.49；高压侧电压模拟比为96.25，电流模拟比为10.39，通过互感器送到微机测控和保护屏。

③设立发电机非电量模拟系统屏1块（2台发电机公用），主要模拟油、气、水系统及发电机各部分温度的模拟，通过开关量或通过调节电阻传输到发电机现地控制单元。并可设立各种仿真故障，传输到现地控制单元。

④设立变压器和发电厂公用部分模拟系统屏1块,主要模拟变压器非电量（瓦斯保护、温度保护、风机等）、集水井水位、空压机压力、水库水位、系统电压等参数。并可设立各种仿真故障，传输到相应控制单元。

⑤模拟负载屏1块,负载可以从0到10 kW之间进行分级调节，并可调节阻抗角。

（2）高压开关室

利用现有的设备，挑选4台高压开关作为发电机、变压器的断路器，供控制和操作用；挑选4台高压开关作发电机、变压器的隔离开关使用，高压开关通过电缆直接和发电机、变压器、系统模拟屏及输电线路相连。

（3）中央控制室

①设立发电机微机测控与保护屏2块，按目前水电厂最先进要求配置相应的设备,如微机控制和保护、电参数测量仪、温度巡监仪、手动准同期装置、自动准同期装置（采用LTQ-20A型动准同期装置）。

②主变微机测控与保护1套。

③发电机励磁系统屏2块。

④发电机调速屏2块。

⑤直流系统屏2块。

⑥上位机系统一套。

⑦设立投影仪，可同步显示上位机视频参数、教师控制机内容及学生客户机内容。

（4）学生客户端电脑室

设置24台电脑,供学生进行微机监控操作实训。

3系统任务

本水电站监控仿真教学系统的全套设备涵盖了一个典型水电站的主要环节的各个部分。与真实水电站的唯一不同在于，本系统中调速器系统的任务是仿真真实的水轮机调节对象，用来配合电动机来模拟显示的水轮机调节。

利用发电机非电量模拟屏也可以模拟一般电厂的全厂设备状态，包括各种设备的运行状态、温度信息、压力信息等等。

本系统还包括了全套软件模拟环境，可以实现教师机软件模拟电厂运行的各种状态，通过相应的控制系统及软件与上位机相连，通过教师主控工作站控制学生电脑和上位机相连。系统能够让教师设置软故障点供学生排除故障，并且能够自动生成解决方案。对于学生的相应操作，系统能够根据已有的解决方案来判断是否正确。

根据系统任务，在本次仿真系统当中，决策系统主要在监控系统中实现。

4监控系统方案设计

本次工程的监控系统使用分层分布式监控系统。

分层分布式监控系统的由上往下可分为电站主控层、通信网络层和现地控制单元层（LCU）3个层次，电站主控层由工作站、操作台等设备组成；通信网络层由各种通信设备和通信接口组成；现地控制单元层由PLC、现地工业控制微机（简称现地工控机）以及现地智能化设备等组成。电站主控层和现地控制单元层由通信网络层进行联接而构成完整的水电站计算机分层分布式监控系统。

4.1硬件设计

监控系统的网络结构如图3：

图3监控系统网络结构图

由图3可知，2台机组的现地控制单元和开关站现地控制单元主要执行机组和开关站的数据采集及上位机控制命令下发功能。其功能，比如机组顺序操作和其他设备如调速器、励磁系统、直流系统、保护装置等等的数据采集由现地控制单元设备中的PLC来实现。

历史数据服务器主要承担数据处理、控制操作、历史事件记录、与其他主控层计算机通信的功能。学生机、教师机的数据来源和操作下发都通过历史数据库来实现中转和命令存储。

知识库服务器是专门针对决策系统而设计的，其中包含了本次仿真教学所用的水电站事件处理专家库。

学生机主要运行上位机监控软件。

教师机不仅包括上位机监控软件，还包括了操作记录查询、学生机操作权限设定、水电站软件仿真、决策系统实现等功能。

4.2软件设计

监控系统的软件包括了上位机监控软件、全厂数据库、水电站仿真平台、水电站决策系统4个部分，如图4所示。

图4监控系统软件

（1）全厂数据库

全厂数据库的主要任务包括：水电站一次、二次设备工况数据采集；历史数据记录；操作记录；为其他应用平台，比如上位机监控软件、水电站仿真软件和水电站决策系统等提供数据支持。

系统数据库采用FireBird数据库。Firebird是一个全功能的，强大高效的，轻量级，免维护的数据库。一个Firebird数据库服务器能够管理多个独立的数据库，每一个数据库同时可支持多个客户端连结。同时，它也是一个开源的，强大的，可以自由使用的数据库。设计的历史数据库具有主备冗余功能。其内容包括：实时数据库、暂存数据库、画面及报表格式数据库、历史数据库、计算数据库、预置数据库、汉字库、图形符号库等，这些数据库，构成了监控系统数据资源中心。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。报表格式数据库存放用户的各种打印报表格式。历史数据库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、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。计算数据库用于存放由各种计算功能得到的数据。预置数据库用于存放预置的参数限值，参数约定及显示、打印定时等约定。图形符号库用于存放系统及用户画面中常用的图形符号。

（2）上位机监控软件

上位机监控软件包括图形生成和图形实时运行2个部分。图形生成部分提供了内容丰富的对象图形库（主要对象有：发电机、变压器、线路、断路器、辅助设备等），基本图元库（管线、阀门、AVC图像等），特殊图符库（趋势曲线、动态潮流、工业仪表等），支持JPG,GIF,AVI等格式的图像。图形编辑工具提供的全矢量化图形编辑功能让使用者可轻松地完成：随意改变对象图符的形状、移动、缩放、组合、镜象、旋转；图符的成组、分解、粘贴、复制；画面生成支持按对象进行图库一体化的动态连接，包括动态数字、动态字符串、动态颜色、动态闪烁、动态大小、动态移动、动态图符等图符显示属性。

（3）水电站软件仿真平台

教师机上安装有1套水电站软件仿真平台。在一次设备和二次设备没有运行的情况下，仿真平台可以模拟各种现场的开关量、模拟量数据。其模拟数据可以通过全厂数据库直接下发给现地单元的PLC，实现PLC的模拟运行。同时定义的数据也通过全厂数据库提供给上位机监控界面。使用本软件仿真平台可以安全的模拟各种现场环境，包括一些极端条件下的故障、事故等工况。

（4）水电站决策系统

水电站决策系统存储了事故及故障处理、机组启停确定原则、自动发电控制、自动电压控制、电厂经济运行、高级功率调节等功能模块。同时IApp提供开放系统接口以便用户今后扩展自己的高级应用功能模块。其设计目的在于给参与仿真教学的教师和学生提供各种工况下的策略依据和参考，并且对各种应对操作来进行正确性评估。

5结束语

本项目与同类项目相比，在以下几个方面具有较强的优势。

（1）确保机电类专业基础课程和专业方向课程的

正常开出。若没有水电站计算机监控实验平台，将无法保证《电力系统自动装置原理》、《电网监控及自动化》、《电力系统自动化》、《电气设备》、《电力系统继电保护》、《电力系统分析》、《水电站计算机监控技术》等课程的教学质量，将无法很好的完成人才培养的目标，尤其在我校升院后更难完成教学任务和目标。

（2）本实验室建设项目投资相对较少，成本不高。由于我校迁到新校区后已规划有水电站计算机监控实验用房，项目建设主要投资用于仪器的购置。按预算，本实验室投资在80万元左右。

（3）受益面广。不但可以满足学生的实验，而且可以满足教师进行电力系统综合自动化方面的教学、科研课题及项目的实验和研究。

项目建成后，将确保电厂及变电站电气运行专业实验课程的开设和学生的毕业论文的设计，同时也确保科研课题及项目的实验和研究工作的开展。

本实验室服务的对象主要有：机电类专业的全体学生；计算机及应用等其他专业的学生，以及学校升院后参加电厂及变电站电气运行专业选修课程的学生；机电系参加教学、科研项目研究的教师；培训人员；考工人员。除了满足正常的教学需要以外，本实验室将满足本专业老师的科研需求和升院后学生的毕业论文设计工作。水电站计算机监控实验平台项目的建设，除了可以满足本系各专业的学生上课以外，可以供其他机电系、外部培训和考工使用。

参考文献：

[1]徐金寿，张仁贡.水电站计算机监控技术与应用[M].杭州：浙江科学技术出版社，2007.

[2]方辉钦.现代水电厂计算机监控技术与试验[M].北京:中国电力出版社,2003.

中图分类号：TP311

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）10-0026-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.10.010

收稿日期：2015-05-25

作者简介：金永琪（1965-），男，副教授，研究方向：水电站机电技术。