【正文】 數(shù)據(jù)傳輸率，能保證儀器間的同步和精確定時(shí)，被認(rèn)為是虛擬儀器理想的硬件平臺(tái)。虛擬儀器具有如下特點(diǎn)： 1 強(qiáng)大的信號(hào)處理能力 通過適當(dāng)?shù)挠布Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、放大、隔離、濾波以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換，虛擬儀器可以利用計(jì)算機(jī)的大量實(shí)用軟件工具對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種分析計(jì)算、處理和數(shù)字化、圖形化顯示，也可以將信號(hào)通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換后控制執(zhí)行器件的執(zhí)行動(dòng)作。NI 公司的 LabVIEW 和 HP 的 VEE 等具有圖形化的常用模塊，智能化的數(shù)據(jù)連線，逼真的儀器面板元件，豐富多彩、簡便易用的函數(shù)庫和工具包，編程效率高，通用性強(qiáng)，是構(gòu)建虛擬儀器的理想工具。 圖形化編程語言：如 LabVIEW，HPVEE 等。 ② 儀器驅(qū)動(dòng)程序 儀器驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)質(zhì)是為用戶提供用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集，它是連接頂層應(yīng)用軟件和底層 I/O 軟件的紐帶與橋梁，每個(gè)儀器模塊都有自己對(duì)應(yīng)的儀器驅(qū)動(dòng)程序，儀器生產(chǎn)廠家在提供儀器模塊的同時(shí)也會(huì)提供儀器驅(qū)動(dòng)程序文件和 DLL 文件。虛擬儀器軟件由 3 部分構(gòu)成。 ② I/O 接口設(shè)備 I/O 接口設(shè)備即采集調(diào)理部件，包括 PC 總線的數(shù)據(jù)采集卡、VXI 總線儀器模塊、GPIB 總線儀器、LXI 總線儀器模塊、PXI 總線儀器模塊、現(xiàn)場總線儀器模塊和串口總線儀器模塊等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器，主要完成被測輸入信號(hào)的采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。其硬件結(jié)構(gòu)如圖 41 所示。 表 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器性能對(duì)比表（下頁） 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 功能由用戶定義 功能由廠家定義 與網(wǎng)絡(luò)及其他外圍設(shè)備連接方便 與其他設(shè)備連接受限 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 信號(hào)電纜少，采用虛擬旋鈕，操作簡單 信號(hào)電纜開關(guān)多，操作復(fù)雜 系統(tǒng)開放、靈活、可構(gòu)成多種儀器 系統(tǒng)封閉，功能固定，擴(kuò)展性低 系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間短 系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間長 數(shù)據(jù)可編輯、存儲(chǔ)、打印 數(shù)據(jù)無法改變 關(guān)鍵技術(shù)是軟件，升級(jí)維護(hù)方便 關(guān)鍵是硬件，由專業(yè)廠家升級(jí) 儀器間資源可重復(fù)利用，整體價(jià)格便宜 儀器間無法通用，整體價(jià)格較昂貴 開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用低 開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用高 軟件技術(shù)更新快（周期為 1～2 年） 技術(shù)更新慢（周期為 5～10 年） 虛擬儀器的構(gòu)成 虛擬儀器由硬件和軟件兩部分組成。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的對(duì)比 相比于傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器具有四大優(yōu)勢：性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少、完美的集成功能。任何形式的虛擬儀器系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到臺(tái)式 PC、工作站或筆記本電腦等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，再加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。 虛擬儀器是指，在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，用途由用戶自己定義、測試功能由測試軟件實(shí)現(xiàn)的、具有虛擬面板的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。（4）現(xiàn)場設(shè)備驅(qū)動(dòng)層水電站廠房中現(xiàn)場的機(jī)械、電器設(shè)備（水泵、閥門、開關(guān)等）和現(xiàn)場的驅(qū)動(dòng)設(shè)備（電機(jī)、電磁閥、電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等）都是由這一層來進(jìn)行放大控制，而不是通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)直接驅(qū)動(dòng)。（2）機(jī)組控制層機(jī)組控制層通過現(xiàn)在單元的 I/O 裝置等自動(dòng)化的裝備來對(duì)發(fā)電機(jī)組的啟停、工況的轉(zhuǎn)換等進(jìn)行直接的控制，并且將運(yùn)行信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理。電廠控制層屬于廠級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，機(jī)組層以下的都是現(xiàn)地層或者現(xiàn)地單元。 水電廠是處于在龐大的電力系統(tǒng)中的基層工作，這是電力系統(tǒng)的分層控制。由于分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)比較突出，它已取代了其他類型的監(jiān)控系統(tǒng)。綜上所述：以上所有的水電監(jiān)控系統(tǒng)而言，中小型的水電站在電力系統(tǒng)中的地位相對(duì)12較低，作用相對(duì)比較弱，而且生產(chǎn)的過程也比較的單一，設(shè)備層次比較低。但是該系統(tǒng)要求的操作系統(tǒng)非常高級(jí)，要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的控制和管理，然后按部就班的完成所需要的任務(wù)，所以這種系統(tǒng)也就有了非常統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，而且系統(tǒng)中的個(gè)資源運(yùn)行之間沒有主從關(guān)系，不存在層次控制。分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于它具有多個(gè)分布的資源，即計(jì)算機(jī)硬件、外部的設(shè)備、程序和數(shù)據(jù)庫。所以當(dāng)時(shí)的人們把硬件和相應(yīng)的軟件都使之在大量重復(fù)的大規(guī)模的集成電路芯片中分布出來，來構(gòu)成一個(gè)新興的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。分散式控制系統(tǒng)的熱點(diǎn)是控制比較分散但是管理比較集中，而且功能比較全面，計(jì)算機(jī)的算法很多樣，可以做到自治性和協(xié)調(diào)性兼顧，先進(jìn)性和繼承性兼顧，還比較靈活可靠，適應(yīng)性也很好，擴(kuò)展范圍廣，人機(jī)界面友好。其具體是強(qiáng)調(diào)了水電站生產(chǎn)設(shè)備的地理位置和控制系統(tǒng)的功能所具有的的“分散”性。集中式監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程如下（1）單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（2）雙計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（3）雙主計(jì)算機(jī)帶雙前置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)11（4）以數(shù)據(jù)庫為核心的多計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 以上也是通常會(huì)采用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置。一、集中式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 這種模式的監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要是由一臺(tái)計(jì)算機(jī)來承擔(dān)整個(gè)水電站的所有監(jiān)控任務(wù)，比較依賴于一臺(tái)計(jì)算機(jī)，可靠性比較差。 監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)任務(wù) 監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式的劃分主要是根據(jù)其控制方式或者布局來加以區(qū)別的。所處的環(huán)境溫度較高，這些都對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)附加了另外的要求。用戶也需要在系統(tǒng)選型時(shí)高度重視，且關(guān)注應(yīng)用軟件的開發(fā)和完善。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求會(huì)根據(jù)電廠設(shè)備和對(duì)象不同隨之表現(xiàn)出不同，所以系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)現(xiàn)其基本功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以滿足基本功能要求為前提，全力做到簡單實(shí)用。10這都是需要計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)必須具有完善的人機(jī)接口和人機(jī)界面。所以，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也需要能夠做到在改變少量的軟、硬件之后可以適應(yīng)不同水電站的開發(fā)應(yīng)用，做到一個(gè)成熟計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，為用戶或者設(shè)計(jì)者省去較多的麻煩，節(jié)約資金開發(fā)，縮短頭暈的周期。除此之外，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)還要具備與過程設(shè)備連接的良好借口，可以適應(yīng)構(gòu)成使用硬件系統(tǒng)的需要。在發(fā)生事故之后，要求對(duì)時(shí)間的幾率分辨率達(dá)到 5ms 以下。這樣才能更好的保證系統(tǒng)的優(yōu)良實(shí)時(shí)性。 （2）實(shí)時(shí)響應(yīng)性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成生產(chǎn)過程中所指定的任務(wù)時(shí)，必須具有一定的及時(shí)性，這就是實(shí)時(shí)響應(yīng)性，即實(shí)時(shí)性。綜上所述，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的有效利用率可以表述如下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的有效利用率=平均故障時(shí)間/（平均故障間隔時(shí)間+平均故障修復(fù)時(shí)間）如何提高和保證計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性也成為了基礎(chǔ)問題，比如說采用分散結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；增強(qiáng)系統(tǒng)的容錯(cuò)率和診斷修復(fù)能力；采用高可靠9性的器部件；運(yùn)用高可靠性的技術(shù)，這些都是比較有效的措施。在給定的條件之下，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)備能夠持續(xù)保持正確安全的工作能力或者所期待的功能可持續(xù)的時(shí)間的長短（平均故障間隔時(shí)間）可以用來衡量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及設(shè)備的可靠性。除了這些，水電站的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)還需要滿足以下的要求： （1）可靠性及有效利用率發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)需要保證其安全性，所以監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性成為了實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。 水電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 中小型水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的目的主要是實(shí)現(xiàn)水電站自動(dòng)化、高效率的電力生產(chǎn)過程，簡單來說，一個(gè)成熟的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)需要做到按照“無人值班、少人值班”的原則；PLC 應(yīng)是完整的市局采集和現(xiàn)地控制單元，能夠自我診斷和安全監(jiān)視；要采用可靠、成熟的標(biāo)準(zhǔn)硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；而且應(yīng)該有容錯(cuò)的設(shè)計(jì)。這些都是能夠使水力機(jī)組通常在電力系統(tǒng)中擔(dān)水輪機(jī) 發(fā)電機(jī) 線路水能 機(jī)械能 電能 用戶8負(fù)調(diào)峰、調(diào)頻的任務(wù)，這就使機(jī)組的符合經(jīng)常變化，而且機(jī)組會(huì)經(jīng)常啟停，與之相關(guān)的控制系統(tǒng)則要求快速、準(zhǔn)確。與火電廠的生產(chǎn)過程相比，水電廠的生產(chǎn)過程要簡單的多。在這個(gè)環(huán)節(jié)中沒有能量的轉(zhuǎn)換，只是改變電能的參數(shù) [3]。（4）輸送電能。水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)同軸的發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。將集中的水能通過引水管道和蝸殼輸送到水輪機(jī)，使水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生機(jī)械能，產(chǎn)生能量的大小與流量和水頭有關(guān)。修建相應(yīng)的水工建筑物可以匯聚水量、集中水頭，從而達(dá)到集中能量的目的。水電站的生產(chǎn)過程具體可以概括為四個(gè)部分,如圖 所示：圖 水電生產(chǎn)過程（1）集中能量。具體是將水能轉(zhuǎn)化為勢能，推動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，以攔河壩將水蓄于高處，然后控制水流使之經(jīng)過發(fā)電用水輪機(jī)，利用水的勢能驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生電。此外,武漢華工電氣自動(dòng)化有限責(zé)任公司!南京自動(dòng)化設(shè)備廠和許昌繼電器集團(tuán)有限公司等科研、制造單位也做了不少工作,在我國已形成了 SDJK!DZWX!SSJ 一3000、CSCS 系列、SD200 和 SJK 一 3000 等多種產(chǎn)品。經(jīng)一段時(shí)間的試運(yùn)行,甩 100%負(fù)荷試驗(yàn),從高井到下葦?shù)? 號(hào)機(jī)的遠(yuǎn)方控制等情況來看,該套裝置運(yùn)行正常,達(dá)到預(yù)期目的。 針對(duì)小型水電站的特點(diǎn)而專門進(jìn)行的一項(xiàng)研究是在 20 世紀(jì) 90 年代中期進(jìn)行的,是由國電自動(dòng)化研究院與石景山發(fā)電總廠合作在下葦?shù)樗娬救萘烤鶠?5Mw 的 5 號(hào)和 6 號(hào)機(jī)上進(jìn)行的發(fā)電綜合控制裝置(GcU)的研究試驗(yàn)。 采用這種方式的典型例子是我國隔河巖水電站(12OOMW),采用 CAE 公司的產(chǎn)品這種方式投資比較大,但它有良好的應(yīng)用前景,將成為未來的水電站計(jì)算機(jī)控制方式的主流。中控室還保留模擬顯示屏,但其信息取自計(jì)算機(jī)系統(tǒng),不考慮在機(jī)組控制單元(計(jì)算機(jī)型的)發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行機(jī)旁的自動(dòng)操作。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的累積,出現(xiàn)了以計(jì)算機(jī)為唯一監(jiān)控設(shè)備的全計(jì)算機(jī)控制方式,實(shí)際上它是 CBSC 方式的延伸。國內(nèi)采用這種方式的典型例子是漫灣水電站(1250Mw)。 國外采用這種方式的典型例子是美國的大古力水電站(615oMw)。因此,對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性要求就比較高,這可以采用冗余技術(shù)來解決,保證系統(tǒng)某一單元或局部環(huán)節(jié)發(fā)生故障時(shí),整個(gè)系統(tǒng)和電廠運(yùn)行還能繼續(xù)進(jìn)行。(ComputerBaseds Supervisory Control 簡稱 CBSC)隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步提高和價(jià)格的進(jìn)一步下降,出現(xiàn)了以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)。（2）由于兩套系統(tǒng)并存,相互之間要切換,二次接線復(fù)雜 ,可靠性反而有所降低。國內(nèi)采用這種控制方式的典型例子是葛洲壩大江電廠(1750MW)和龍羊峽水電站(1280MW) 。（4）如果水電站己有常規(guī)系統(tǒng),加設(shè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以減少干擾,不影響電廠的正常運(yùn)行這一點(diǎn)對(duì)已運(yùn)行水電站的改造是有現(xiàn)實(shí)意義的。（2）原來的水電站運(yùn)行值班人員習(xí)慣于常規(guī)設(shè)備的操作,不熟悉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作,需要一段適應(yīng)過程。 對(duì)已運(yùn)行的水電站,尤其是在中小型水電站,在常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,加一點(diǎn)專用功能的全廠自動(dòng)化裝置,如自動(dòng)巡回檢測和數(shù)據(jù)采集裝置,按水流或負(fù)荷調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行裝置等,也可取得很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,投資也不大,對(duì)運(yùn)行管理水平要求不太高,這種 CASC 方式還是可以采用的 國外也有不少這樣的例子。這在當(dāng)時(shí)是適合的,后來也被更 新為能實(shí)現(xiàn)控制功能的比較完善的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。 國內(nèi)采用這種控制方式的典型例子是富春江水電站綜合自動(dòng)化的一期工程4(80 年代上半期) 。這樣,可以為將來可實(shí)現(xiàn)控制功能的系統(tǒng)作準(zhǔn)備,同時(shí)可以減少前期的投資。采用這種控制方式的典型例子是依泰普水電站運(yùn)行的初期(80 年代上半期)。 水電站控制方式的演變 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,水電站監(jiān)控的方式也隨之改變,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中的作用及其與常規(guī)設(shè)備的關(guān)系也發(fā)生了變化,其演變過程大致如下。電力自動(dòng)化研究院和水科院自動(dòng)化研究所還推出了自己的系列產(chǎn)品,不僅在國內(nèi)電站得到廣泛的應(yīng)用,甚至還出口到國外。技術(shù)水平也有了很大的提高,達(dá)到了國外 90 年代的水平。 十多年來,國內(nèi)的研制單位也取得了很大的成就。采用法國 cEGELEC 公司產(chǎn)品的有廣州抽水蓄能電廠(一期)、高壩洲水電站。采用 ABB 公司產(chǎn)品的有潘家口、天生橋二級(jí)、溪口、寶興河梯級(jí)和二灘等水電站。采用西門子公司產(chǎn)品的有魯布格水電站、廣州抽水蓄能電廠 C 二期。這些監(jiān)控系統(tǒng)于 80 年代中期先后投入運(yùn)行。早在 70 年代末,原水電部就組織了南京自動(dòng)化研究所(現(xiàn)改為電力自動(dòng)化研究院)、長江流域規(guī)劃辦公室(現(xiàn)改為長江水利委員會(huì))和華中工學(xué)院(現(xiàn)改為華中科技大學(xué))研究葛洲壩水電站采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)問題隨后,中國水利水電科學(xué)院研究院(簡稱水科院)自動(dòng)化研究所開始了富春江水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研制工作。各公司都推出自己的系列產(chǎn)品,在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。就國家來說,美國,法國,日本和加拿大等國在這方面是比較領(lǐng)先的?，F(xiàn)在,新投入的水電站大都采用由多臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控已成了水電站主流。運(yùn)行人員的工作性質(zhì)也發(fā)生了質(zhì)的變化,從過去的日常監(jiān)控和頻繁操作轉(zhuǎn)變?yōu)檠惨?經(jīng)常的監(jiān)測和控制調(diào)節(jié)工作都由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)去完成。常規(guī)操作盤基本上已被計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的值班員控制臺(tái)所取代。多媒體技術(shù)應(yīng)用使電廠中控室的設(shè)計(jì)發(fā)生了巨大的變化。它經(jīng)歷了一段從低級(jí)到高級(jí),從順序控制到閉環(huán)調(diào)節(jié)控制,從局部控制到全廠控制,從電能生產(chǎn)領(lǐng)域擴(kuò)展到水情測報(bào)、水工建筑物的監(jiān)控!航運(yùn)管理控制等各個(gè)方面,從監(jiān)控到實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,從個(gè)別電廠監(jiān)控到整個(gè)梯級(jí)和流域監(jiān)控的發(fā)展過程。 與此同時(shí),計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展異常迅猛,技術(shù)日新月異,其性能日趨完善,而價(jià)格日益下降,這為計(jì)算機(jī)監(jiān)控取代常規(guī)的布線邏輯型自動(dòng)裝置提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)水電站的優(yōu)化運(yùn)行以期達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,需要進(jìn)行的計(jì)算更為復(fù)雜。為了實(shí)