国内某中型水电站监控系统设计分析
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【摘 要】随着经济的发展，电力需求不断增大。水电作为清洁能源，对它的开发、利用程度也在不断深化，面向对象的水电站监控系统技术借机得到了迅猛发展。水电厂控制设备种类繁多，控制过程复杂，运行环境差，对发电机组控制的实时性和可靠性要求高。同时，现场采集和处理的数据信息量大，对自动化程度的要求又比较高。所以在总的监控系统设计上，设计方案必须合理而有效。本文借助国内某中型电站为案例，对其监控系统设计做了详细阐述和分析。
1 工程概况
本文中所涉及的国内某中型水电站（以下简称H电站）处于L江流域，为低水头径流式日调节水电站。H电站以发电、航运为主，兼顾灌溉、旅游和养殖。电站正常蓄水位为77.5米，总库容为30亿立方米，正常蓄水位库容为5.7亿立方米。电站安装6台单机容量为3.834万千瓦灯泡式轮发电机组，多年平均发电量为9亿千瓦时。
2 监控系统结构概述
H电站计算机监控系统采用南京南瑞集团公司（以下简称南瑞）基于Windows操作平台的全分布开放系统结构的EC2000监控系统软件。考虑到H电站在当地电网中的地位及未来发展要求，电站按照“无人值班”（少人值守）标准设计。H电站监控系统按照全厂综合自动化以计算机监控为主、常规控制为辅的指导思想进行总体设计和系统配置，结构上采用全开放、分布式、分层式、模块化冗余结构模式。使计算机应用技术在该水电站达到一个新的水平。
H电站计算机监控系统分为厂站控制层和现地控制层两级系统。网络结构采用双星型以太网拓扑结构。其中厂站层的监控系统设备包括：主机兼操作员站（2台）、工程师站（1台）、通讯工作站（2台）、GPS装置、打印机、相关的网络设备及网络安全设备等。现地控制层的监控设备包括：机组LCU（6套）、开关站LCU（l套）、公用LCU（l套）、闸门LCU（18套）和船闸LCU（1套）等。
3 监控系统功能及结构设计
H电站计算机监控系统分为厂站控制层和现地控制层两级，具有多个分布的资源和统一的操作系统，能快速、准确且有效的监控被控对象。厂站控制层位于中控室，可以根据梯调制定的发电计划来控制和调节整个电厂的运行，主要负责数据的实时采集和处理，对全厂的被控设备进行控制和调节，自动电压控制和自动发电控制，设备运行的维护和管理，人机接口的操作，系统诊断和通信，软件开发等功能。现地控制层位于设备运行现场，与生产设备直接相连，可以控制机组的油、气、水等系统的数据采集和设备驱动，通过微机调速器、微机励磁装置、微机同期装置和温度巡检装置等独立完成系统某一项特定功能的实现，并根据运行的实际状况进行机组状态和有功/无功的调节，主要负责采集处理数据，实时控制和调节，事件顺序检测，系统通信和自诊断等功能。
3.1监控方式
H电站采用以计算机为基础的监控方式，即CBSC监控方式（Computer-Based Supervisory Control）。这种监控方式中，计算机承担了主要的监控任务，基本取代了常规的自动化监控设备。通过加入冗余设计和抗干扰设计，提高了系统可靠性，自动化程度更高，这也是如今新建水电厂监控系统的主要选择。
3.2监控系统结构
H电站采用开放的分层分布式系统结构。其中，厂站控制层的主控计算机负责对整个水电厂的运行状况进行监视和处理，现地控制层直接与生产设备相连，采用分散控制的方式，每台机组均配有一套现地控制单元，负责现场数据的采集和处理，执行主控机的命令等功能。一套现地控制单元的故障仅仅影响其所对应的机组，其它机组并不会受到影响，大大提高了系统的可靠性，且由于功能的分散，也相应提高了整个系统的监控能力。
3.3 控制调节方式
H电站控制方式分为三种：现地控制方式、厂站控制方式和梯调控制方式。其中，在现地控制单元设有“现地/远方”的切换开关。当开关处于“现地”控制的位置时，现地控制单元只接受现地级的人机界面、操作开关和按钮等发出的控制和调节的命令，厂站级和调度级只能采集和监视运行的数据和信息，而不能直接对现地设备进行控制。
在厂站级设有“电站控制/梯调控制”的切换开关，当现地控制单元的切换开关位于“远方”控制的位置，且厂站级的切换开关位于“电站控制”时，厂站级的人机界面可控制现地单元的设备，梯调级仅能负责监视和采集数据信息；当现地控制单元的切换开关位于“远方”控制的位置，且厂站级的切换开关位于“梯调控制”时，梯调级的人机界面才能远程控制现地控制设备。因此，该控制系统的控制调节方式的优先级依次为：现地级、厂站级和调度级。
3.4 上位机系统
H电站上位机系统采用南瑞EC2000监控软件。该系统主要用于综合自动化的组态、维护、水电站运行的监视、操作、信息管理、远动、网络通信和优化控制。主机兼操作员站是上位机系统的核心，它的功能包括对整个电站的综合计算、事故故障信号分析、运行数据存盘、历史数据保存及保证数据的连续等。运行人员也可以通过它对电站内的各系统运行设备进行实时监视和控制。工程师站采用与操作员站相同的微机，可模拟主控制台的各种监控操作，供运行人员培训用。通讯工作站可以用与直流系统、五防屏、继电保护装置及集控中心进行远程通讯。
3.5 现地控制层
现地控制层位于设备运行现场，与生产设备直接相连，实时采集现地的事件量、开入量、模拟量、温度量等。通过串口通讯驱动与调速器系统、励磁系统、保护系统、辅机系统和温度巡检装置等相连，完成数据交换。对所采集到的各类数据运行分析运算，根据运算结果，准确判断机组状况，对机组有功/无功的调节和开停机等控制，并完成与厂站层系统的数据交换，执行从人机接口处下发的控制指令。
4 监控系统结构及功能特点
4.1 H电厂现地控制单元通过综合的一体化的系统来实现其监控的功能，各单元的设备间相互独立，在局部设备发生故障时，不影响其它单元监控功能的实现。系统的安全性和维护的便捷性得到了保证。
4.2 整个监控系统的电源、CPU、主机和以太网等关键节点采用冗余技术. 系统采用信号的隔离，滤波和信号屏蔽等措施，提高抗干扰的性能。针对现场的复杂运行环境，采用防雷击、防震、防潮等一系列的安全措施，确保了整个系统运行的可靠性和稳定性。
4.3 分布式数据库及软件模块化、结构化的设计，使系统更能适应功能的增加和规模的扩充。系统软件的可扩展和可移植性强，支持用户的二次开发。整个系统具有良好的向下兼容性、对外开放性和向上拓展性，把运行、生产、管理有机的结合在一起，提高了电站的智能化。
4.4 H电站计算机监控系统采用开放式分层分布系统、全分布数据库、星型网络结构。整个系统通过百兆/千兆快速光纤以太网实现网络互联，系统各部分均由二层通信网络构成，层次清晰，运行稳定，容量大，速度快，实时性强、开放性好，易于扩充及维护，通过不同的软/硬件体系结构与功能结合，一起完成全厂众多复杂的实时监控功能。
5 结束语
H电站多年的实际运行证明，其监控系统设计是稳定、安全和可靠的。系统还具有一定的前瞻性，预留的对外接口已经成功实现与新建集控中心链接，准确高效的完成了数据交换。进一步提高了电站的自动化水平，减轻了电站工作人员的劳动强度，收到了良好的经济效益和社会效益。
参考文献：
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[2]刁东海，吴正义，澜沧江流域梯级电站集控中心监控系统的实现.水电厂自动化，2008，29（4）：50-54
[3]杨非，李东风.梯级电站集控中心监控系统设计方案.水电厂自动化，2010，31（3）：1-5，9.
作者简介：
钟智（1976-）男.本科，从事水电厂计算机监控系统设计工作。
姜凯（1983-）男.本科，从事水电厂计算机监控系统设计工作。