計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在水電站低壓水輪發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用

　　我國小水電資源極其豐富，本文結(jié)合小型水電站的實際特點從特點、結(jié)構(gòu)及配置、功能、通訊等介紹一種適合低壓機(jī)組的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較高的實用價值和可靠性，不僅可帶動整個水電廠生產(chǎn)管理的改革，還可以促進(jìn)電廠的技術(shù)進(jìn)步。

　　《計算機(jī)應(yīng)用》(月刊)創(chuàng)刊于1981年，由中國科學(xué)院成都計算機(jī)應(yīng)用研究所主辦。該刊把介紹計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)作為重點，以推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步為宗旨，把促進(jìn)計算機(jī)開發(fā)應(yīng)用創(chuàng)新作為目標(biāo)。多年來，雜志以中國計算機(jī)學(xué)會為依托，受到國內(nèi)計算機(jī)各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注。

　　據(jù)不完全統(tǒng)計，可開發(fā)量約為1.3億kW，居世界首位，開發(fā)前景廣闊.由于小型水電站裝機(jī)容量小，一般不是電力系統(tǒng)的主調(diào)頻調(diào)峰電廠或機(jī)組，要實現(xiàn)的功能較簡單，相對而言系統(tǒng)也較簡單.近年來開發(fā)比例較大的低壓機(jī)組水電站在系統(tǒng)方面更是比較落后。基于這種狀況，結(jié)合小型水電站的實際特點介紹一種適合低壓機(jī)組的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可帶動整個水電廠生產(chǎn)管理的改革，促進(jìn)電廠的技術(shù)進(jìn)步。

　　針對小型水電站低壓(一般指交流含0.4kV以下)水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)備和運行特點，采用以計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為主、配置簡易手動操作盤的模式，即在計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可用手動操作按鈕、常規(guī)繼電器構(gòu)成的簡易自動化開停機(jī)回路，進(jìn)行開停機(jī)、增減負(fù)荷及無調(diào)節(jié)的操作，增加了系統(tǒng)的可靠性.目前這種配置模式已被許多小型水電站所采用。

　　1系統(tǒng)特點

　　系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境、用戶接口環(huán)境和系統(tǒng)互連環(huán)境均符合IEEE和ISO的開放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn).取消了自動調(diào)速器，選用新型設(shè)備操作器(比如TC型水輪機(jī)操作器、無刷勵磁調(diào)節(jié)器等);根據(jù)水電站特點，系統(tǒng)采用組屏安裝，將二次測量、控制、保護(hù)設(shè)備與一次電器設(shè)備同組一屏，做到一機(jī)一屏，整個系統(tǒng)層次清晰、結(jié)構(gòu)靈活、實用性強(qiáng)、性能價格比高.另外其擴(kuò)展性強(qiáng)，整個系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接，各單元根據(jù)需要可靈活配置系統(tǒng)的軟硬件均采用模塊化設(shè)計，組態(tài)靈活，維修方便，各裝置相對獨立，某一裝置故障不影響其他置運行，所有的輸入輸出均帶隔離、軟硬件數(shù)字濾波、防觸點抖動等措施.上位機(jī)和現(xiàn)地控制單元(LCU)軟件還帶有完備的防誤操作、自診斷、自恢復(fù)程序，包括輸出口的雙重閉鎖，并具有多種防雷和抗干擾的措施.系統(tǒng)采用智能儀表完成機(jī)組的電氣參數(shù)采集及保護(hù)，主站采用Windows多任務(wù)操作系統(tǒng)，人機(jī)交互界面友好，全中文顯示，可詳細(xì)顯示測控保護(hù)信息，可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、實時數(shù)據(jù)顯示、信道及系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、本地遙控操作，使用方便，易于掌握;系統(tǒng)功能齊全，包括數(shù)據(jù)采集、控制、微機(jī)遠(yuǎn)動等。

　　2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置

　　系統(tǒng)采用屏式結(jié)構(gòu)，以通訊為核心，以總線形式把各功能單元聯(lián)成一個完整系統(tǒng).設(shè)置調(diào)試窗口，可備有便攜式后臺機(jī)、GPS時鐘及與交直流屏、智能儀表的通訊接口、微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng).自動化系統(tǒng)裝置的電源由交流220V主供，直流220V備用，裝置本身具有交、直流電源自動切換功能。另配置3~5kWUPS一套整個系統(tǒng)接地，接地系統(tǒng)應(yīng)與整個水電站接地裝置連接成一體。

　　由于系統(tǒng)是在計算機(jī)監(jiān)控的同時配置手動操作控制，因而其一般配置包括：由一臺計算機(jī)，輔以打印機(jī)、大屏幕顯示器(CRT)、不間斷電源(UPS)、衛(wèi)星同步對時裝置(GPS)組成的主站級、現(xiàn)地控制單元級(LCU)和通訊服務(wù)器。其中LCU主要包括機(jī)組LCU、公用設(shè)備LCU和變電站LCU。現(xiàn)地控制單元的結(jié)構(gòu)采用工控機(jī)(IPC)+可編程控制器(PLC)+自動化手動操作裝置的形式。通常采用的自動化手動操作裝置包括：微機(jī)操作器、微機(jī)同期裝置、溫度巡測裝置、微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)裝置與微機(jī)測速裝置。這些自動化手動裝置可以獨立運行，也可與機(jī)組現(xiàn)地控制單元IPC通信、接收指令、反饋信息。而PLC主要擔(dān)負(fù)機(jī)組順序操作、數(shù)據(jù)采集等功能;IPC主要擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)處理、控制操作、歷史事件記錄、報警、人機(jī)聯(lián)系、與廠級計算機(jī)通信以及與自動化設(shè)備聯(lián)系的功能。公用LCU主要完成輔助設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測以及控制操作。變電站LCU主要對設(shè)備、斷路器通斷進(jìn)行操作和電氣設(shè)備保護(hù)。

　　以2臺機(jī)組為例，配置的小型水電站低壓機(jī)組的控制系統(tǒng)，如圖1所示。

　　3系統(tǒng)功能

　　根據(jù)小型水電站低壓水輪發(fā)電機(jī)組計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的特點，把系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為主站層、現(xiàn)地控制單元層和網(wǎng)絡(luò)通訊部分3部分。主控層負(fù)責(zé)全站集中監(jiān)控的任務(wù)，主要功能就是完成對全廠主設(shè)備的實時監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)、運行記錄及與上級調(diào)度的通信管理;現(xiàn)地控制單元層負(fù)責(zé)機(jī)組、升壓站及公用設(shè)備等監(jiān)控任務(wù)，主要功能是按照主站層的指令，完成對水電站的設(shè)備實施具體的操作，也可在主站級或網(wǎng)絡(luò)無法正常工作的情況下，在現(xiàn)地獨立完成對設(shè)備的操作。這些操作可以是自動的也可以是手動的，以保證整個電廠的安全順利運行;通信分為內(nèi)部通信和外部通信。內(nèi)部通信為主站級工作站、服務(wù)器及現(xiàn)地級LCU、操作器、勵磁裝置、保護(hù)及自動裝置等相互之間的通信。外部通信為水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與上級調(diào)度、水情測報系統(tǒng)、電廠管理系統(tǒng)等的通信。現(xiàn)地控制單元(LCU)通過網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線將采集到的數(shù)據(jù)上傳至主控層，主控層將機(jī)組控制命令下傳至現(xiàn)地控制單元，LCU融采集、控制于一體，同時根據(jù)需要可將保護(hù)信息、轉(zhuǎn)速信號、溫度、勵磁信息上傳至主控層。

　　系統(tǒng)能實時、準(zhǔn)確、有效地完成對本站被控對象的安全監(jiān)控，具備的功能有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、安全運行監(jiān)視功能及事故報警、事故追憶、數(shù)據(jù)計算、報表生成與打印、機(jī)組順序控制，實現(xiàn)機(jī)組啟、停，斷路器、隔離開關(guān)的合閘、分閘等操作;機(jī)組有功、無功調(diào)節(jié);自動發(fā)電控制(AGC)、自動電壓控制(AVC);設(shè)備運行統(tǒng)計記錄及生產(chǎn)管理功能;語音報警，時鐘同。主控站設(shè)有分同步信號接口，可以接受各設(shè)備的分同步信號，能與上級調(diào)度、保護(hù)通訊，實現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊功能。

　　4系統(tǒng)通訊

　　監(jiān)控系統(tǒng)通信設(shè)計要求通信速度滿足電廠安全、經(jīng)濟(jì)運行的需要，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大并有足夠高的可靠性。由圖1可知，該系統(tǒng)的通信主要包括監(jiān)控系統(tǒng)與上級調(diào)度中心的外部通信和監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)部通信。內(nèi)部通信主要指主控站上位機(jī)與現(xiàn)地單元下位機(jī)的通信、工控機(jī)IPC與可編程控制器PLC之間的通信、各個機(jī)組單元PLC之間的通信以及PLC與其他的智能化設(shè)備之間的通信。

　　4.1監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)度中心的通信

　　采用工業(yè)以太網(wǎng)中的“RTU運動方式”，即在水電站側(cè)設(shè)置電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的RTU(RemoteTerminalUnit)，系統(tǒng)可實現(xiàn)與調(diào)度系統(tǒng)的實時信息交換，接受調(diào)度中心的命令，實現(xiàn)水電站的遙測、遙信、遙控、遙調(diào)及數(shù)據(jù)文件傳送：它是一種串口通信方式，支持CDT等常用規(guī)約，對其他規(guī)約可開發(fā)通信程序連接。

　　4.2上位機(jī)與下位機(jī)的通信

　　普通的PC計算機(jī)作為上位機(jī)，IPC+PLC作為下位機(jī)，上位機(jī)實現(xiàn)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面，下位機(jī)直接對機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控，二者通過RS-485總線進(jìn)行通信，分別配以RS-485總線轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。上位機(jī)采用巡檢的方式依次對下位進(jìn)行檢測，根據(jù)需要對下位機(jī)進(jìn)行控制，實現(xiàn)上位機(jī)對下位機(jī)的監(jiān)控功能。

　　4.3IPC與PLC的通信

　　IPC與PLC之間通過RS-485進(jìn)行通信，通信雙方設(shè)置的通信參數(shù)應(yīng)完全相同，并根據(jù)通信協(xié)議和通信規(guī)約中的規(guī)定編寫通信程序。

　　4.4PLC與智能化設(shè)備的通信

　　在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)地控制單元的PLC、智能交流儀表、智能參數(shù)測量儀、溫度巡檢儀等設(shè)備均具有RS-485接口，而水電站的一些附屬設(shè)備如TC型水輪機(jī)操作器、無刷勵磁調(diào)節(jié)器等也都帶有串行通信接口，這種可用于多站點的RS-485接口可以方便地使PLC與各個智能設(shè)備進(jìn)行可靠的通信。

　　5 結(jié)語

　　該系統(tǒng)設(shè)計時以計算機(jī)監(jiān)控為主，簡化的常規(guī)設(shè)備作為后備，當(dāng)微機(jī)系統(tǒng)因故退出時，能保證機(jī)組正常運行。對于小型水電站，減少了大量的投資。該系統(tǒng)對農(nóng)村小型水電站發(fā)展有很大的推進(jìn)作用。