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1、第 1 页 共 5 页小型水电站计算机监控系统结构设计摘要：针对近年来小水电的迅猛发展及小型水电站对“无人值守”的运行需求，介绍几种适用于小型水电站计算机监控系统网络结构设计方案。根据水电站的具体情况选择性价比优越的综合自动化系统方案。简单、有效的计算机监控系统结构不仅能大大的降低投资成本，还能最大限度的保证安全、优质、经济运行。关键词： 小型水电站计算机监控系统网络结构设计一、前言我国电力装机从 1882 年的 16 马力(11.76kW )经过 67 年发展，到 1949 年达到 185万 kW;而从 1949 年到 2002 年的 3.53亿 kW。 50 多年持续以年均 10%以上的速
2、度发展，在世界电力发展历史上都是罕见的。特别是改革开放的1978 年以来，中国的小水电发展的规模之大、持续时间之长，更是举世无双。从1979 年的全国装机 6300 万 kW，发展到 2002 年的 35300 万 kW, 23年中新增装机 29000万 kW， 平均每年新增 1260 万 kW，特别是近 10 年，即 19992009 年，自国家允许非国有经济参与水电开发后，发展更为突出。全国水电又以四川发展为代表，四川于2009 在华中电网中首个实现无拉闸限电的省份。二、我国小水电发展概况近 20 多年来，特别是在近 10 年多时间里， 中国小水电得到全面的快速发展。我国连续跃过法国、英国
3、、加拿大、德国、俄国、日本，从1996 年开始就稳居世界第二，基本上扭转了长期困扰我国经济发展和人民生活需要的电力严重短缺局面。电力行业以实现电力供需基本平衡略有裕量的成就，欢别20 世纪，喜迎 21 世纪;而且在小水电发展的水平上也有了全面的提高。特别在电力结构上， 不断调整优化， 技术装备水平不断提高，使中国小水电进人了大机组、大电厂、大电网、 超高压、自动化、信息化，水电、火电、核电、新能源发电全面发展的新时期。电网建设极大加强，电力调度水平不断提高，西电东送、南北互供、全国联网的格局已基本形成。科技水平得到提高，电力环境保护得以加强， 使中国小水电的科技水平与世界先进水平日渐接近。环境
4、排放控制、 生态保护日益加强， 使电力发展的经济效益、 社会效益与环境效益渐趋统一。电力管理水平和服务水平不断得到提高， 电力发展的战略规划管理、 生产运行管理、 电力市场营销名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 第 2 页 共 5 页管理以及电力企业信息管理水平、优质服务水平等普遍得到提高。 进一步扩大了对外开放，积极实施国际化战略，在利用外资、引进设备、引进技术、实施走出去战略都取得了巨大的成就。 此外还不断提高了
5、电力职工队伍素质，积极扩大了多种经营， 不断深化电力企业改革，推动企业重组改造，加强了法制建设，走上了法制化管理的轨道，以及不断加强电力企业的精神文明建设和企业文化建设。中国的电力发展稳步向前，也同样保持着较高的速度，2004 年我国新增电力装机容量 5100 万千瓦，位居世界第一。2005 年我国新增电力装机容量更是达到6600 万千瓦。预计在 2006 年，将新增发电装机7500 万千瓦。我国的电力装机容量将达到5.8 亿千瓦；电力对中国经济的敏感程度非常强，在经济持续增长的年份， 中国各行业消费电力的数量会以较大的数量增加， 这从一定程度上反映了中国经济对中国电力的需求是不断增加的。而增
6、加的速度则反过来可以说明中国电力的规模也在相应的扩大；中国电力发展作为中国经济发展的先行产业，在相当长的一段时期内还将保持一个发展的状态。近期内，还将保持很高的增长速度。 “十一五”前两年我国电力增速预计在9-10，后三年预计为 7-8%，平均增长速度约为 8%，电力弹性系数为 1 左右。按此测算，到 2010年电量需求预计 36000 亿千瓦时，年均新增电量2260 亿千瓦时，相应发电装机规模需增加到 7.8 亿千瓦， “十一五”需新增发电装机2.8 亿千瓦。总之这 20 年，特别是最近 10 年，是中国小水电发展历史上成就巨大的10 年，是电力体制发生根本性变革的10 年，是中国小水电走向
7、世界前沿的10年。可以预见并坚信，中国小水电再用20 年时间，在中国共产党第十六届代表大会提出“全面建设小康社会，开创中国特色社会主义事业新局面”的伟大旗帜指引下， 中国的小水电必将有更大规模的发展， 技术管理水平有更大的提高，为全面建设小康社会， 为中华民族的伟大复兴，为电力的可持续发展做出更大的贡献。三、小型电站计算机监控系统的设计随着水电厂“无人值班” （少人值守）和状态检修工作的不断深入开展，对水电厂的生产运行和管理提出了更高的要求；以“厂网分开、竞价上网”为基础的电力体制的改革也对水电厂自动化技术提出了新的要求。计算机技术、 信息技术、 网络技术的飞速发展， 给水电厂自动化系统无论在
8、结构上还是在功能上，都提供了一个广阔的发展舞台。水电厂自动化也必须适应新的形势需要，发展成为一个集计算机、控制、通信、网络、电力电子为一体的综合系统， 具备完备的硬件结构， 开放的软件平台和强大的应用系统。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 第 3 页 共 5 页不仅可以完成对单个电厂， 还要进一步实现对梯级、 流域、甚至跨流域的水电厂群的经济运行和安全监控。现就水电厂自动化系统方面作几点探讨。水电站计算机监控系统设
9、计应掌握以下几个设计原则： 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，使计算机在水电站的应用达到一个新的水平； 对于梯级电站，在梯级电站计算机监控系统之间进行通讯，应从安全性和经济性的角度实现部分梯级调度的能力；系统高度可靠、高度冗余，其本身的局部故障不会影响现场设备的正常运行; 系统配置和设备选型应符合计算机发展迅速的特点，充分利用计算机领域的先进技术；全分布开放式系统， 既便于功能和硬件的扩充， 又能充分保护用户的投资。 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；实时性好，抗干扰能力强；友好的人机接口功能，操作方便
10、。目前大多数设计院和计算机监控生产厂家，对水电站综合自动化系统都是按分层分布开放式无人值班（少人值守）的运行方式设计，整个系统在物理上分为两层：电站主控层和现地控制层。电站控制层即上位机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、远动和优化控制。其主要设备配置各种工作站、通信网络设备、打印设备、 UPS 、GPS对时设备、电话语音报警、模拟返回屏、操作控制台等。现地控制层由一系列水电站综合自动化装置组成，包括机组现地控制单元、 开关站及公用现地控制单元、微机保护测控单元、辅机控制单元等。用户可根据水电站的实际情况，进行经济技术比较，选用性能价格比优越的方案。下面浅谈几
11、种小型水电站计算机监控系统网络结构设计方案。（一）集散式组网结构该网络结构是基于RS485 /Modbus 等现场总线联接的实时通讯网络。其特点就是所有监控功能在一台主机上运行，简单、可靠、造价低、投资少。适用于对监控系统要求不高的小型水电站综合自动化系统。（二）分层分布式组网结构名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 第 4 页 共 5 页该网络结构是基于以太网联接的实时通讯网络，根据连接方式不的同又主要分为以下三类。
12、1、第一种为采用一体化工控机上以太网方式，为全开放、 分层、分布式结构， PLC 、保护、励磁、调速器、辅机等设备通过一体化工作站与上位机系统通信。这种设计一般在现地设备的配置上， 考虑在工控机故障时仍可独立运行。即所有现地单元均可以各自独立运行。每个单元都是由工业控制微机和可编程控制器(PLC) 及各个专用功能装置或设备构成，并可以设计成具有各自独立的现地操作、监控功能。该系统功能丰富、人机界面友好、可靠性更高，性价比高，但是投资较高，适用于中型水电站综合自动化系统。2、第二种为采用 PLC+ 人机界面直接连接以太网的全开放、分层、分布式网络结构，保护、励磁调速器、辅机等设备通过PLC与上位
13、机系统通信，采用工业级触摸屏作为人机界面，系统可靠性极高、性价比高，设备直接上网便于网络控制和管理，系统响应速度大大提高。适用于通信协议较少， 对监控系统要求较高在中型水电站综合自动化系统。3、第三种为采用PLC直接连接以太网的全开放、分层、分布式网络结构，与上一种比较，该方案中保护、励磁、调速器、直流系统等装置通过通讯管理机与上位机系统通信，减轻 PLC通信负担。该设计方案考虑到各PLC生产厂家在直接上网哪个 （以太网）上并不是支持所有产品， 而且价格较高， 因此我们可以考虑另外一种现地设备上网配置方案，就是通过多串口通讯转换装置（通讯管理机）将PLC和其他现场总线设备接入以太网络系统。我们
14、可以在每一个LCU设置一台通讯转换装置， 也可以全厂集中设备一台通讯转换装置。该方案的特点是成本较低、性能可靠、系统响应速度快。适用于通信协议复杂，协议数较多而 PLC通信接口数较少， 对监控系统要求较高的中型水电站综合自动化系统。（三）冗余组网方式水电站实现“无人值班” （少人值守）后，由于现场值班人员减少，每值班往往只有两人，当现场设备出现故障时， 维护人员一般要等待较长时间才能抵到现场，因此对于监控系统可靠性要求极高在中型水电站，可以采用基于以太网联接的冗余组网方式。该组网方式的硬件要求可根据要求采用多层次的冗余措施，如数据服务器、 操作员工作站、通讯服务器、网络交换机、网络通道、UPS
15、 、现地总线、机箱电源、机柜电源等，都可以实现冗余配置，并可对PLC扩充双 CPU 、双电源、 I/O 模块热插拔等功能，系统要求由软件实现冗余设备的检测与故障诊断，实现冗余部件的无扰动切换， 确保系名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 第 5 页 共 5 页统中某一部件的故障不影响系统的正常运行。故障部件稍后可由维护人员及时处理。该方案系统功能极为丰富， 可靠性极高， 适用于对监控系统要求极高的中大型水电站综合自动化
16、系统。（四）典型配置的网络结构水电站综合自动化系统网络结构十分灵活，可根据各自水电站的具体的情况进行设计，在进行系统网络结构设计时应考虑水电站在电力系统中的重要性、水电站的运行管理方式、水电站建设资金状况、 水电站周围帝力环境的影响、水电站与其他系统的关系等因素。水电站综合自动化系统一般典型配置如下：两台操作员工作站：实现生产过程的监视与控制，实现对电站的自动管理；一台或多台通讯工作站：负责本系统同其他系统的通讯，如网调、省调、MIS系统、水情测报系统、 大坝监测系统、 工业电视监控系统以及电厂计算机监控系统等的通讯；现地 LCU 按单元分布，每台机组设置一个LCU ， 开关站及公用系统共用一
17、个LCU ，辅机系统设置一个LCU 。LCU的具体配置需更具对控制系统可靠性的要求进行配置，并可采取适当的提高可靠性的措施，中大型机组 LCU可采用必要的冗余措施， 确保控制装置的可靠性；系统还可以设置语音报警报警装置、工程师工作站、 培训仿真工作站、 厂长终端以及大屏幕投影仪或大屏幕电子显示屏等。对于某些小型水电站， 由于被控制对象的规模较小，所需实现功能也比较简单， 另外投资额也较低，因此计算机监控系统的设备尽可能地采用简化配置方式名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -