水电站计算机监控系统的远程诊断及维护策略分析

冯冀秦

摘 要：计算机监测系统是水电站自动化管控目标实现的技术支撑点，以通信网络技术、自动控制理论技术、数据库技术和安全防护技术为核心，具备数据采集及处理、安全监视及事件报警、控制与调节、网络通信等功能，能够实现水电站机组运行状态的实时动态监测，进行设备运行故障的远程诊断及维护。为了保证系统功能的实现，应该完善上位机、现地控制单元、网络通信系统及安全防护系统的配置及设计，确保各个系统能够发挥应有的功效，实现水电站的无人值班目标。

关键词：水电站；计算机监控系统；系统配置；远程诊断；维护

中图分类号：TV736 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）18-0029-02

水利水电工程指通过坝、堤、溢洪道、水闸、渠道、鱼道等不同类型水工建筑物的修建，达到调配和控制自然界水资源目的的工程项目，而且还能利用水的动力发电，既节能又环保[1]。我国是农业大国，对于水利水电工程的重视度较高，现阶段其建设体系已经较为完善，在各个工程中基本都配置了水力发电站，让工程的效益得以优化。我国水电站大多规模不大，广泛分布在中西部边远地区，且水电站的技术力量相对薄弱，其掌控力度比较低。随着中小水电站的蓬勃发展，加强水电站自动化运营，成为现阶段水电站发展的新目标，而要想实现这一目标，就应该加大对于水电站计算机监控系统的研究及推广力度。这一系统具备远程诊断和维护的功能，能够有效监测水电站设备的运行，实现水电站无人值班的目标，同时确保水电站运行的稳定性和安全性，为客户提供优质供电服务。

1 水电站计算机监控系统概述

1.1 计算机监控系统结构类型

计算机监控系统历经数十年的发展，其系统结构不断完善，具体发展历程为：（1）集中式监控系统。结构简单，性价比高，一台计算机即可负责设备运行监视、数据采集、运行状态调整、数据统计分析等工作，一般应用于机组台数少且主接线简单的小型水电站，水电站运行受计算机状态影响较大；（2）分散式监控系统。结构相对复杂，按照水电站功能区域划分为多个计算机子系统，每个子系统都包含专门用于数据采集、事件记录、机组顺控等的计算机，其中一臺计算机故障对于系统整体影响较小，只会影响到相对应的功能，稳定性高；（3）分层分布式监控系统。结构复杂，有厂站控制层、现地控制层两个部分，系统内部不存在层次控制关系，可靠性强[2]。

1.2 计算机监控系统功能需求

在水电站自动化建设过程中，计算机监控系统发挥着重要作用，按照水电站远程监控的需求，该系统需具备以下几项功能：（1）数据采集及处理。系统需采集温度量、模拟量、开关量、脉冲量等数据，通过数据对比分析了解设备运行状态，在进行远程调控；（2）安全监视及事件报警。系统采集的数据及图像均可发布在显示器上，值班人员可监视水电站机组运行图，获取实时运行信息，如有异常系统会自动警示，明晰故障性质；（3）控制与调节。在上位机画面上，系统可直接对水电站设备进行点对点调控，并控制整个生产流程，进行故障远程诊断和维护；（4）通信功能。在分层分布式监控系统中，厂站控制层、现地控制层需通过数字化通讯技术实现数据交换，传输数据并传达调控指令。

1.3 计算机监控系统关键技术

计算机监控系统是一个智能化控制系统，集以下多种先进科技于一体：（1）通信网络技术。可实现系统各个节点之间的信息交换，实现设备间的互联，使用过程中，常应用modbus、canbus、profibus等工业通信协议；（2）自动控制理论技术。这一技术是设备智能化、精准化控制的基础，能够让整个生产流程按照既定规律和程序运行，目前水电站常用的自动控制理论技术为PLC技术；（3）数据库技术。这是整个系统的核心技术，系统对于设备的运行监控就是通过数据的采集、分析、处理等功能实现的；（4）安全防护技术。为了确保系统运行的安全性，避免电力系统受到网络攻击，应遵循“安全分区，网络专用”的管理原则，合理应用数据加密技术，完善安全防护设备配置[3]。

2 水电站计算机监控系统整体方案设计

2.1 上位机配置及方案设计

在整个计算机监控系统中，需根据《水力发电厂计算机监控系统设计规范》的要求，配置合适数量的装置[4]。具体包括：（1）SCADA服务器。负责现场设备运行信息的实时采集、传输、分析，具备模拟量、开关量等异常信息警示功能；（2）历史数据服务器。负责水电站历史数据的存储及管理，一般需配置两台，互为备用；（3）生产信息服务器。负责水电站生产信息的统计及历史数据的生成，可供外部系统访问；（4）站内通信服务器。可将水电站计算机监控系统与机组状态监测系统、火灾报警系统、电能量采集系统等连接起来，实现数据通信，而且会在不同安全分区的系统数据交互时，设置防火墙等，实现逻辑隔离；（5）操作员工作站。能够让值班人员对水电站设备运行状态进行监测，发生故障时会发出警报，并进行机组调控；（6）工程师工作站。负责系统升级、维护、开发、模拟设备运行及故障状态的功能；（7）ON-CALL及语音报警服务器。水电站发生事故时，服务器会按照事故等级，以收集短信、电话报警等方式向工作人员发出警示。

2.2 现地控制单元配置及方案设计

在水电站生产现场，按照功能区域会在现场设置现地控制单元（LCU），对设备运行状态进行监控，按照监控对象的不同，该设施可分为机组LCU、开关站LCU、公用设备LCU、闸门LCU[5]。现代控制单元具备数据擦剂功能，可采集设备运行信息存储于数据库中，其中模拟量数据进行隔离、滤波、工程单位变化及越限检查后产生警报上送至主控级，按照顺序自动记录事件，每组LCU均配置有一个液晶触摸屏，可实时显示机组运行参数及状态信息，操作人员登录后可通过显示屏远程操控设备。而且，系统接收到的信息可同步到厂站控制层计算机监控系统中，随后接收并执行厂站控制层的调控指令，及时反馈执行结果。为了确保系统运行的平稳性，现地控制单元具有开关操作联锁功能，可在软件操控下防止误拉合断路器、防止带电合接地道闸、防治接地刀合闸状态时送点。

在機组LCU运行过程中，为了保证系统能够实现对于水电机组的迅速调控，需合理选择可编程控制器（PLC）。在LCU的PLC选型中，需考虑到下面几个要素：（1）响应速度。为了保证信息监测与控制的即时性，系统应具备足够快的响应速度，在故障发生即可进行远程诊断，并迅速记录事件的先后顺序，响应并执行操作人员的命令；（2）可靠性。LCU的MTBF需>1600h，并采取增加冗余度、加强抗电气干扰设计及设置自诊断的方式提升可靠性；（3）安全性。设备应设备各种闭锁，以防止失误操作，通信要求需通过检测、纠错等措施。

2.3 计算机监控系统网络配置及方案设计

计算机监控系统具备实施监测水电站机组运行状态，并进行远程调控的功能，能够进行设备故障的远程诊断及维护[6]。上述功能的实现，与系统中通信网络配置相关，而且，为了保证数据传输的安全性、高效性和稳定性，通信系统会安装防火墙等安全防护装置。在分层分布式网络结构中，各计算机互联，可采取路由器或网关等方式接入网络通信设备，而且在进行生产控制大区与外部网的纵向连接时，需按照国家标准配置专用纵向加密认证装置，再配置路由器、交换机等设备。为了方便水电站管理人员更好地监管现场设备运行数据，需在计算机监控系统与站内电能量系统、继电保护系统、故障录波装置系统、水情自动化测报系统、状态监测系统、消防报警系统之间建立通信，并且借助机组可编程控制器，通过光纤以太网、modbus协议配置对下通信网络。

2.4 计算机监控系统安全防护设计

广域网的构建，方便了系统内部数据的传输及与外界的信息交互，但同时也将系统暴露在外界，有遭受病毒攻击、黑客攻击及数据窃密的风险，为了保障信息传输安全，应遵循”安全分区，网络专用，横向隔离，纵向认证“的原则，加强水电站计算机监控系统的安全防护设计[7]。在设计过程中，会会跟电力系统不同区域的安全防护需求，将之划分为四个安全工作区：（1）安全区Ⅰ，包括具有实施监控功能的系统，比如说SCADA服务器、继电保护系统、安全自动控制系统等；（2）安全区Ⅱ，不直接控制单与电力生产控制联系密切的区域，包括电能量计量系统、故障录波装置系统、水调自动化系统等；（3）安全区Ⅲ，包括报表系统、web系统、生产管理系统等；（4）安全区Ⅳ。与因特网等外部网络相连接的系统，比如说办公管理信息系统。其中，安全Ⅰ区、安全Ⅱ区之间应该设置硬件防火墙，而安全Ⅰ/Ⅱ区与安全Ⅲ/Ⅳ区之间设置物理隔离装置，比如说电力专用正、反向隔离装置。

3 结语

泱泱中华历史悠久，地大物博，众所周知，我国国土面积占世界第二，且地域地貌奇特，水资源分布不均的问题普遍存在，且近年来，自然灾害频发，气候变化无常，干旱和洪水成为极为普遍的事情，对各地的生态建设和农业发展造成了极其恶劣的影响[8]。在合适的河流隘口建设水利水电工程，能够将上述自然灾害的危害程度降低，促进水资源的合理配置，解决干旱地带水资源短缺的问题，并借此普及水力发电模式。而且随着水电站的发展，其管理系统逐步优化，现阶段，计算机监控系统由于功能的优越性，已经在三峡水电站、葛洲坝水电站、宁波白溪水库电站、安徽严家水电站、湖南玉龙岩电站、龙游小溪滩电站等工程项目中得到了应用，取得了喜人的成果，由此可见，该系统在水电站中具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]冯雁敏，李明，黄琢.某250MW抽水蓄能机组计算机监控系统控制流程及优化[J].水电能源科学，2018，36（02）：171-175.

[2]刘晓红.基于Socket技术的高校实验室计算机监控管理系统设计与实现[J].信息与电脑（理论版），2018，（02）：66-68.

[3]齐建，程成，徐楠楠.涉密计算机信息系统网络安全监控技术研究与应用[J].网络安全技术与应用，2017，（11）：9-10.

[4]张卫君，张显兵，邱洋.200MWp光伏电站计算机监控系统的设计与应用[J].水电站机电技术，2017，40（07）：29-32.

[5]曾建成.大功率广播发射台计算机实时监控系统的抗干扰及取样技术[J].传播力研究，2017，01（07）：175.

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[7]孟繁欣，张蕾，赵海涛，独健鸿，黄琢.丰满电站三期工程独立运行计算机监控系统智能化研究[J].大电机技术，2016，（05）：61-64.

[8]徐怀宇.基于计算机网络的三峡梯级自动化及梯调监控系统开发设计[J].自动化与仪器仪表，2016，（08）：102-103.