【正文】 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(gòu)成的調(diào)速器、勵磁調(diào)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(guān)轉(zhuǎn)為計算機鍵盤和鼠標(biāo)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。1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 從 20 世紀(jì) 70 年代起,計算機監(jiān)控在國外一些水電站上取得了實質(zhì)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(diào)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(gòu)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(lǐng)先的。德國的西門子公司。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。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(xué)院(現(xiàn)改為華中科技大學(xué))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(shè)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)單位研制的。許多新技術(shù),如分層分布處理、分布式數(shù)據(jù)庫、開放系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、多媒體、專家系統(tǒng)等,都得到了相應(yīng)的應(yīng)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(jīng)濟運行計算、運行指導(dǎo)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(dāng)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(jīng)驗還不夠成熟,缺乏相應(yīng)的技術(shù)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(shè)備來完成。后來,依泰普水電站已將它更新為具有復(fù)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(jīng)濟運行指導(dǎo)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(chǎn)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(shè)置兩套完整的控制系統(tǒng),一套是以常規(guī)控制裝置構(gòu)成的系統(tǒng),一套是以計算機構(gòu)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(shè)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(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) 。（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。(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(chǔ)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(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,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(nèi)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(shù)的進一步發(fā)展和水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)運行經(jīng)驗的累積,出現(xiàn)了以計算機為唯一監(jiān)控設(shè)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(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(jì) 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?5MW 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(jīng)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(yù)期目的。此外,5武漢華工電氣自動化有限責(zé)任公司,南京自動化設(shè)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(chǎn)品。具體是將水能轉(zhuǎn)化為勢能，推動渦輪機轉(zhuǎn)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(jīng)過發(fā)電用水輪機，利用水的勢能驅(qū)動水輪機帶動發(fā)電機來產(chǎn)生電。水電站的生產(chǎn)過程具體可以概括為四個部分,如圖 所示：圖 水電生產(chǎn)過程（1）集中能量。修建相應(yīng)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(zhuǎn)，從而產(chǎn)生機械能，產(chǎn)生能量的大小與流量和水頭有關(guān)。水輪機旋轉(zhuǎn)時帶動同軸的發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。（4）輸送電能。在這個環(huán)節(jié)中沒有能量的轉(zhuǎn)換，只是改變電能的參數(shù) [3]。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。這些都是能夠使水力機組通常在電力系統(tǒng)中擔(dān)負調(diào)峰、調(diào)頻的任務(wù)，這就使機組的符合經(jīng)常變化，而且機組會經(jīng)常啟停，與水輪機 發(fā)電機 線路水能 機械能 電能 用戶7之相關(guān)的控制系統(tǒng)則要求快速、準(zhǔn)確。 水電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)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(chǎn)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(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)該有容錯的設(shè)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(chǔ)。在給定的條件之下，計算機監(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(shè)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(fù)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(chǔ)問題，比如說采用分散結(jié)構(gòu)的計算機控制系統(tǒng)；增強系統(tǒng)的容錯率和診斷修復(fù)能力；采用高可靠性的器部件；運用高可靠性的技術(shù)，這些都是比較有效的措施。 （2）實時響應(yīng)性計算機系統(tǒng)完成生產(chǎn)過程中所指定的任務(wù)時，必須具有一定的及時性，這就是實時響應(yīng)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(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。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(yīng)不同水電站的開發(fā)應(yīng)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(shè)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(shè)備和對象不同隨之表現(xiàn)出不同，所以系統(tǒng)應(yīng)具備實現(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，全力做到簡單實用。用戶也需要在系統(tǒng)選型時高度重視，且關(guān)注應(yīng)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(shè)計任務(wù) 監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 計算機監(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。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(jié)構(gòu)主要是由一臺計算機來承擔(dān)整個水電站的所有監(jiān)控任務(wù)，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)10 以上也是通常會采用的計算機系統(tǒng)配置。其具體是強調(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。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(diào)性兼顧，先進性和繼承性兼顧，還比較靈活可靠，適應(yīng)性也很好，擴展范圍廣，人機界面友好。所以當(dāng)時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(shè)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(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)中的個資源運行之間沒有主從關(guān)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(chǎn)的過程也比較的單一，設(shè)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。12（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(zhuǎn)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(shè)備驅(qū)動層水電站廠房中現(xiàn)場的機械、電器設(shè)備（水泵、閥門、開關(guān)等）和現(xiàn)場的驅(qū)動設(shè)備（電機、電磁閥、電磁驅(qū)動機構(gòu)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(qū)動。其中，傳感器的功能是將被測量的水力參數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，信號調(diào)理裝置將輸出的電信號進行放大、隔離、濾波等預(yù)處理，而數(shù)據(jù)采集卡將模擬信號轉(zhuǎn)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(yīng)用軟件而構(gòu)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(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 信號電纜少，采用虛擬旋鈕，操作簡單 信號電纜開關(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(guān)鍵技術(shù)是軟件，升級維護方便 關(guān)鍵是硬件，由專業(yè)廠家升級 儀器間資源可重復(fù)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(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15 虛擬儀器由硬件和軟件兩部分組成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖 41 所示。 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的采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。虛擬儀器軟件由 3 部分構(gòu)成。 ② 儀器驅(qū)動程序 儀器驅(qū)動程序的實質(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，每個儀器模塊都有自己對應(yīng)的儀器驅(qū)動程序，儀器生產(chǎn)廠家在提供儀器模塊的同時也會提供儀器驅(qū)動程序文件和 DLL 文件。 圖形化編程語言：如 LabVIEW，HPVEE 等。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，是構(gòu)建虛擬儀器