【正文】 現(xiàn)的控制功能也越來越復雜。為了實現(xiàn)水電站的優(yōu)化運行以期達到整個系統(tǒng)的經濟運行 ,需要進行的計算更為復雜。 與此同時 ,計算機科學發(fā)展異常迅猛 ,技術日新月異 ,其性能日趨完善 ,而價格日益下降 ,這為計算機監(jiān)控取代常規(guī)的布線邏輯型自動裝置提供了良好的物質基礎。它經歷了一段從低級到高級 ,從順序控制到閉環(huán)調節(jié)控制 ,從局部控制到全廠控制 ,從電能生產領域擴展到水情測報、水工建筑物的監(jiān)控 。出現(xiàn)了一批用微機構成的調速器、勵磁調節(jié)器、同期裝置和繼電保護裝置等。巨大的模擬顯示屏正在逐漸被計算機顯示器所代替 。 運行人員的操作已從過去的扭把手、 按開關轉為計算機鍵盤和鼠標操作 。運行人員的勞動強度大大減輕 ,人數(shù)也大大減少 ,甚至出現(xiàn)了“無人值班”的水電站。 2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀 從 20世紀 70年代起 ,計算機監(jiān)控在國外一些水電站上取得了實質性的進展 ,出現(xiàn)了用計算機控制的水電 。 后來 ,隨著計算機性 能改善和價格下降 ,出現(xiàn)了采用多臺計算機實現(xiàn)閉環(huán)調節(jié)控制的水電站 ?，F(xiàn)在 ,新投入的水電站大都采用由多臺計算機構成的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。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先的。 德國的西門子公司 。各公司都推出自己的系列產品 ,在世界各地得到了廣泛應用。早在 70年代末 ,原水電部就組織了南京自動化研究所 (現(xiàn)改為電力自動化研究院 )、長江流域規(guī)劃辦公室(現(xiàn)改為長江水利委員會 )和華中工學院 (現(xiàn)改為華中科技大學 )研究葛洲壩水電站采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)問題 。天津電氣傳動設計研究所 (簡稱天傳所 )也開始了永定河梯級水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的研制工作。 與此同時 ,我國也引進了一些國外研制的監(jiān)控系統(tǒng) 。 采用西門子公司產品的有魯布格水電站、廣州抽水蓄能電廠 C 二期。 采用貝利公司產品的有十三陵抽水蓄能電廠和天荒坪抽水蓄能電廠 ， 采用法國 cEGELEC 公司產品的有廣州抽水蓄能電廠 (一期 )、高壩洲水電站 、 采用依林公司產品的有小浪 底水電站。己投運的幾十個計算機監(jiān)控系統(tǒng)中絕大多數(shù)是由國內單位研制的。許多新技術 ,如分層分布處理、分布式數(shù)據(jù)庫、開放系統(tǒng)、網絡、多媒體、專家系統(tǒng)等 ,都得到了相應的應用。 根據(jù)近年來的實踐 ,新建的大中型水電站已基本采用計算機監(jiān)控系統(tǒng) ,不采用的己是少數(shù)。 、計算機為輔的監(jiān)控方式 早期由于計算機價格比較昂貴 ,而且人們對它的可靠性不夠信任 ,因此 ,計算機只起監(jiān)視、記錄打印、經濟運行計算、運行指導等作用 ,水電站的直接控制功能仍由常規(guī)控制裝置來完成 采用此方式時 ,對計算機可靠性的要求不是很高 ,即使計算機局部發(fā)生故障 ,水電站的正常運行仍能維持 ,只是性能方面有所降低。當時采用這種控制方式的理由是 ,根據(jù)巴西和巴拉圭的國情 ,認為采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)的經驗還不夠成熟 ,缺乏相應的技術力量 ,故而先采用能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視記錄等功能的計算機系統(tǒng) ,而水電站的控制仍由常規(guī)設備來完成。后來 ,依泰普水電站已將它更新為具有復雜控制功能的、比較完善的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。一期工程是一個實時監(jiān)測系統(tǒng) ,實現(xiàn)數(shù) 據(jù)的采集和處理 !提供機組經濟運行指導和全廠運行狀態(tài)的監(jiān)視記錄 ,計算機不直接作用于生產過程的控制。 這種控制方式的缺點是 ,功能和性能都比較低 ,并對整個水電站自動化水平的提高有一定的限制 ,目前新建水電站已很少采用。 國外也有不少這樣的例子。 此時 ,水電站要設置兩套完整的控制系統(tǒng) ,一套是以常規(guī)控制裝置構成的系統(tǒng) ,一套是以計算機構成的系統(tǒng) ,相互之間基本上是獨立的 。 采用這種方式的原因是 : (1)有些用戶 ,特別是大型水電站 ,對計算機系統(tǒng)的可靠性仍有較大的顧慮 ,總覺得計算機系統(tǒng)沒有常規(guī)系統(tǒng)可靠 ,心理上有障礙 ,要設一套常規(guī)系統(tǒng)作后備。 （ 3）計算機系統(tǒng)檢修時 ,常規(guī)系統(tǒng)可以投入運行 ,不影響水電站的正常運行。 這一點對已運行水電站的改造是有現(xiàn) 實意義的。國內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)。（ 2）由于兩套系統(tǒng)并存 ,相互之間要切換 ,二次接線復雜 ,可靠性反而有所降低。 (ComputerBaseds Supervisory Control 簡稱 CBSC) 隨著計算機系統(tǒng)的可靠性進一步提高和價格的進一步下降 ,出現(xiàn)了以計算機為基礎的監(jiān)控系統(tǒng)。因此 ,對計算機系統(tǒng)的可靠性要求就比較高 ,這可以采用冗余技術來解決 ,保證系統(tǒng)某一單元或局部環(huán)節(jié)發(fā)生故障時 ,整個系統(tǒng)和電廠運行還能繼續(xù)進行。 國外采用這種方式的典型例子是美國的大古力水電站 (615MW)。國內采用這種方式的典型例子是漫灣水電站 (1250MW)。 隨著計算機技術的進一步發(fā)展和水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)運行經驗的累積 ,出現(xiàn)了以計算機為唯一監(jiān)控設備的全計算機控制方式 ,實際上它是 CBSC 方式的延伸。中控室還保留模擬顯示屏 ,但其信息取自計算機系統(tǒng) ,不考慮在機組控制單元 (計算機型的 )發(fā)生故障時進行機旁的自動操作。 采用這種方式的典型例子是我國隔河巖水電站 (12OOMW),采用 CAE 公司的產品 這種方式投資比較大 ,但它有良好的應用前景 ,將成為未來的水電站計算機控制方式的主流。 針對小型水電站的特點而專門進行的一項研究是在 20世紀 90年代中期進行的 ,是由國電自動化研究院與石景山發(fā)電總廠合作在下葦?shù)樗娬救萘烤?15MW的 5 號和 6 號機上進行的發(fā)電綜合控制裝置 (GCU)的研究試驗。經一段時間的試運行 ,甩 100%負荷試驗 ,從高井到下葦?shù)?5 號機的遠方控制等情況來看 ,該套裝置運行正常 ,達到預期目的。此外 , 6 武漢華工電氣自動化有限責任公司 ,南京自動化設備廠和許昌繼電器集團有限公司等科研、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 等多種產品。具體是將水能轉化為勢能，推動渦輪機轉動來帶動發(fā)電 機組發(fā)電，以攔河壩將水蓄于高處，然后控制水流使之經過發(fā)電用水輪機，利用水的勢能驅動水輪機帶動發(fā)電機來產生電。 水電站的生產過程具體可以概括為四個部分 ,如圖 所示： 圖 水電生產過程 （ 1） 集中能量。修建相應的水工建筑物可以匯聚水量、集中水頭，從而達到集中能量的目的。將集中的水能通過引水管道和蝸殼輸送到水輪機，使水輪機旋轉，從而產生機械能，產生能量的大小與流量和水頭有關。水輪機旋轉時帶動同軸的發(fā)電機旋轉，將機械能轉換為電能。 （ 4） 輸送電能。在這個環(huán)節(jié)中沒有能量的轉換，只是改變電能的參數(shù) [3]。與火電廠的生產過程相比，水電廠的生產過程要簡單的多。這些都是能夠使水力機組通常在電力系統(tǒng)中擔負調峰、調頻的任務，這就使機組的符合經常變化，而且機組會經常啟停，與之相關的控水能 水輪機 機械能 發(fā)電機 電能 線路 用戶 8 制系統(tǒng)則要求快速、準確。 水電站監(jiān)控系統(tǒng)的設計要求 中小型水電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)的目的主要是實現(xiàn)水電站自動化、高效率的電力生產過程，簡單來說，一個成熟的計算機 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、成熟的標準硬件、軟件和網絡結構；而且應該有容錯的設計。除了這些，水電站的計算機控制系統(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)電機組運行時需要保證其安全性，所以監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性成為了實現(xiàn)安全運行的基 礎。 在給定的條件之下，計算機監(jiān)控系統(tǒng)和設備能夠持續(xù)保持正確安全的工作能力或者所期待的功能可持續(xù)的時間的長短（平均故障間隔時間）可以用來衡量計算機系統(tǒng)及設備的可靠性。 綜上所述，計算機監(jiān)控系統(tǒng)的有效利用率可以表述如下 計算機系統(tǒng)的有 效利用率 =平均故障時間 /（平均故障間隔時間 +平均故障修復時間） 如何提高和保證計算機監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性也成為了基礎問題，比如說采用分散結構的計算機控制系統(tǒng)；增強系統(tǒng)的容錯率和診斷修復能力；采用高可靠性的器部件；運用高可靠性的技術，這些都是比較有效的措施。 （ 2）實時響應性 計算機系統(tǒng)完成生產過程中所指定的任務時，必須具有一定 的及時性，這就是實時響應性，即實時性。這樣才能更好的保證系統(tǒng)的優(yōu)良實時性。在發(fā)生事故之后，要求對時間的幾率分辨率達到 5ms 以下。除此之外，計算機監(jiān)控系統(tǒng)還要具備與過程設備連接的良好借口，可以適應構成使用硬件系統(tǒng)的需要。所以，計算機系統(tǒng)也需要能夠做到在改變少量的軟、 硬件之后可以適應不同水電站的開發(fā)應用，做到一個成熟計算機監(jiān)控系統(tǒng)的要求，為用戶或者設計者省去較多的麻煩，節(jié)約資金開發(fā)，縮短頭暈的周期。這都是需要計算機監(jiān)控系統(tǒng)必須具有完善的人機接口和人機界面。 計算機監(jiān)控系統(tǒng)的要求會根據(jù)電廠設 備和對象不同隨之表現(xiàn)出不同，所以系 10 統(tǒng)應具備實現(xiàn)其基本功能，系統(tǒng)結構以滿足基本功能要求為前提，全力做到簡單實用。用戶也需要在系統(tǒng)選型時高度重視，且關注應用軟件的開發(fā)和完善。所處的環(huán)境溫度較高，這些都對計算機系統(tǒng)附加了另外的要求。 監(jiān)控系統(tǒng)的主要設計任務 監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結構設計 計算機監(jiān)控系統(tǒng)結構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。 一、集中式計算 機監(jiān)控系統(tǒng) 這種模式的監(jiān)控系統(tǒng)的結構主要是由一臺計算機來承擔整個水電站的所有監(jiān)控任務，比較依賴于一臺計算機，可靠性比較差。集中式監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程如下 （ 1） 單計算機系統(tǒng) （ 2） 雙計算機系統(tǒng) （ 3） 雙主計算機帶雙前置計算機系統(tǒng) （ 4） 以數(shù)據(jù)庫為核心的多計算機系統(tǒng) 以上也是通常會采用的計算機系統(tǒng)配置。其具體是強調了水電站生產設備的地理位置和控制系統(tǒng)的功能所具有的的“分散”性。 分散式控制系統(tǒng)的熱點是控制比較分散但是管理比較集中，而且功能比較全面，計算機的算法很多樣，可以做到自治性和協(xié)調性兼顧，先進性和繼承性兼顧，還比較靈活可靠，適應性也很好，擴展范圍廣，人機界面友好。所以當時的人們把硬件和相應的軟件都使之在大量重復的大規(guī)模的集成電路芯片中分布出來，來構成一個新興的計算機系統(tǒng)。 分布式計算機系統(tǒng)的優(yōu)點在于它具有多個分布的資源，即計算機硬件、外部的設備、程序和數(shù)據(jù)庫。但是該系統(tǒng)要求的操作系統(tǒng)非常高級，要對整個系統(tǒng)進行統(tǒng)一的控制和管理 ，然后按部就班的完成所需要的任務，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)中的個資源運行之間沒有主從關系，不存在層次控制。 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)中的地位相對較低，作用相對比較弱，而且生產的過程也比較的單一，設備層次比較低。由于分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點比較突出，它已取代了其他類型的監(jiān)控系統(tǒng)。 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。電廠控制層 屬于廠級計算機系統(tǒng)，機組層以下的都是現(xiàn)地層或者現(xiàn)地單元。 （ 2） 機組控制層 機組控制層通過現(xiàn)在單元的 I/O裝置等自動化的裝備來對發(fā)電機組的啟停、工況的轉換等進行直接的控制，并且將運行信息數(shù)據(jù)進行采集處理。 （ 4） 現(xiàn)場設備驅動層 水電站廠房中現(xiàn)場的機械、電器設備（水泵、閥門、開關等）和現(xiàn)場的驅動設備 （電機、電磁閥、電磁驅動機構等）都是由這一層來進行放大控制，而不是通過計算機監(jiān)控系統(tǒng)直接驅動。其中，傳感器的功能是將被測量的水力參數(shù)轉化為相應的電信號，信號調理裝置將輸出的電信號進行放大、隔離、濾波等預處理，而數(shù)據(jù)采集卡將模擬信號轉化為數(shù)字信號，送入計算機處理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理、顯示、存儲等操作。 虛擬儀器是指，在以通用計算機為核心的硬件平臺上 ，用途由用戶自己定義、 測試功能由測試軟件實現(xiàn)的、具有虛擬面板的一種計算機儀器系統(tǒng)。任何形式的虛擬儀器系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到臺式 PC、工作站或筆記本電腦等各種計算機平臺上，再加上應用軟件而構成的。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的對比 相比于傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器具有四大優(yōu)勢：性能高、擴展性強、開發(fā)時間少、 完美的集成功能。 表 31 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器性能對比表 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 功能由用戶定義 功能由廠家定義 與網絡及其他外圍設備連接方便 與其他設備連接受限 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 信號電纜少，采用虛擬旋鈕，操作簡單 信號電纜開關多，操作復雜 系統(tǒng)開放、靈活、可構成多種儀器 系統(tǒng)封閉，功能固定，擴展性低 系統(tǒng)開發(fā)時間短 系統(tǒng)開發(fā)時間長 數(shù)據(jù)可編輯、存儲、打印 數(shù)據(jù)無法改變 關鍵技術是軟件，升級維護方便 關鍵是硬件，由專業(yè)廠家升級 儀器間資源可重復利用，整體價格便宜 儀器間無法通用 ，整體價格較昂貴 開發(fā)與維護費用低 開發(fā)與維護費用高 軟件技術更新快（周期為 1～ 2 年） 技術更新慢（周期為 5～ 10