【正文】 ,需要實現(xiàn)的控制功能也越來越復(fù)雜。為了實現(xiàn)水電站的優(yōu)化運(yùn)行以期達(dá)到整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 ,需要進(jìn)行的計算更為復(fù)雜。 與此同時 ,計算機(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 ,而價格日益下降 ,這為計算機(jī)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(zhì)基礎(chǔ)。它經(jīng)歷了一段從低級到高級 ,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、水工建筑物的監(jiān)控 。出現(xiàn)了一批用微機(jī)構(gòu)成的調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器、同期裝置和繼電保護(hù)裝置等。巨大的模擬顯示屏正在逐漸被計算機(jī)顯示器所代替 。 運(yùn)行人員的操作已從過去的扭把手、 按開關(guān)轉(zhuǎn)為計算機(jī)鍵盤和鼠標(biāo)操作 。運(yùn)行人員的勞動強(qiáng)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(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 從 20世紀(jì) 70年代起 ,計算機(jī)監(jiān)控在國外一些水電站上取得了實質(zhì)性的進(jìn)展 ,出現(xiàn)了用計算機(jī)控制的水電 。 后來 ,隨著計算機(jī)性 能改善和價格下降 ,出現(xiàn)了采用多臺計算機(jī)實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)控制的水電站 。現(xiàn)在 ,新投入的水電站大都采用由多臺計算機(jī)構(gòu)成的計算機(jī)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(jī)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研制工作。 與此同時 ,我國也引進(jìn)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(yùn)的幾十個計算機(jī)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng) ,不采用的己是少數(shù)。 、計算機(jī)為輔的監(jiān)控方式 早期由于計算機(jī)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(jī)只起監(jiān)視、記錄打印、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行計算、運(yùn)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(jī)可靠性的要求不是很高 ,即使計算機(jī)局部發(fā)生故障 ,水電站的正常運(yùn)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(rèn)為采用計算機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指導(dǎo)和全廠運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視記錄 ,計算機(jī)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(jī)構(gòu)成的系統(tǒng) ,相互之間基本上是獨(dú)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(jī)系統(tǒng)的可靠性仍有較大的顧慮 ,總覺得計算機(jī)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(jī)系統(tǒng)檢修時 ,常規(guī)系統(tǒng)可以投入運(yùn)行 ,不影響水電站的正常運(yùn)行。 這一點對已運(yùn)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(jī)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步提高和價格的進(jìn)一步下降 ,出現(xiàn)了以計算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)。因此 ,對計算機(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 ,整個系統(tǒng)和電廠運(yùn)行還能繼續(xù)進(jìn)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(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗的累積 ,出現(xiàn)了以計算機(jī)為唯一監(jiān)控設(shè)備的全計算機(jī)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(jī)系統(tǒng) ,不考慮在機(jī)組控制單元 (計算機(jī)型的 )發(fā)生故障時進(jìn)行機(jī)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(jī)控制方式的主流。 針對小型水電站的特點而專門進(jìn)行的一項研究是在 20世紀(jì) 90年代中期進(jìn)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(jī)上進(jìn)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(yùn)行 ,甩 100%負(fù)荷試驗 ,從高井到下葦?shù)?5 號機(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。此外 , 6 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(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。具體是將水能轉(zhuǎn)化為勢能，推動渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動來帶動發(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)動水輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)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(dá)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(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)。水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)時帶動同軸的發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將機(jī)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(jī)組通常在電力系統(tǒng)中擔(dān)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)組會經(jīng)常啟停，與之相關(guān)的控水能 水輪機(jī) 機(jī)械能 發(fā)電機(jī) 電能 線路 用戶 8 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(jī)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(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)該有容錯的設(shè)計。除了這些，水電站的計算機(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(yùn)行的基 礎(chǔ)。 在給定的條件之下，計算機(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)的時間的長短（平均故障間隔時間）可以用來衡量計算機(jī)系統(tǒng)及設(shè)備的可靠性。 綜上所述，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的有效利用率可以表述如下 計算機(jī)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(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)的計算機(jī)控制系統(tǒng)；增強(qiáng)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(yùn)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(jī)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(dá)到 5ms 以下。除此之外，計算機(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。所以，計算機(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，做到一個成熟計算機(jī)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(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。 計算機(jī)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 10 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(jī)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(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。 一、集中式計算 機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 這種模式的監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要是由一臺計算機(jī)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(jī)，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(jī)系統(tǒng) （ 2） 雙計算機(jī)系統(tǒng) （ 3） 雙主計算機(jī)帶雙前置計算機(jī)系統(tǒng) （ 4） 以數(shù)據(jù)庫為核心的多計算機(jī)系統(tǒng) 以上也是通常會采用的計算機(jī)系統(tǒng)配置。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。 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(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。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(jī)系統(tǒng)。 分布式計算機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點在于它具有多個分布的資源，即計算機(jī)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(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)中的個資源運(yùn)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(jī)系統(tǒng)，機(jī)組層以下的都是現(xiàn)地層或者現(xiàn)地單元。 （ 2） 機(jī)組控制層 機(jī)組控制層通過現(xiàn)在單元的 I/O 裝置等自動化的裝備來對發(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。 （ 4） 現(xiàn)場設(shè)備驅(qū)動層 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)動設(shè)備 （電機(jī)、電磁閥、電磁驅(qū)動機(jī)構(gòu)等）都是由這一層來進(jìn)行放大控制，而不是通過計算機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(kuò)展性強(qiáng)、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(kuò)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(hù)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(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～