淺析水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)網絡結構分析
摘要：介紹和分析幾種適用于中、小型水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)網絡結構的特點與適用性，并對文山州部分水電站目前計算機監(jiān)控系統(tǒng)網絡結構存在的問題提出建議。
關鍵詞：水電站;計算機監(jiān)控;結構;建議
1、概述
近年來，隨著水電站計算機監(jiān)控技術的成熟與普及，計算機監(jiān)控技術在中、小型水電站中得到廣泛的運用。從2000年以來，文山地區(qū)新建的水電站基本都采用了計算機監(jiān)控系統(tǒng)，但在計算機監(jiān)控系統(tǒng)網絡結構上，部分電站存在一些細微不足，卻關系到監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。
2、水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)網絡結構
2.1 集中式監(jiān)控系統(tǒng)集中式監(jiān)控網絡結構是基于現(xiàn)場總線聯(lián)接的實時通訊網絡，如圖1所示。因其一般只設一臺計算機對全廠進行集中監(jiān)控，故稱集中式監(jiān)控系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的特點是不設采用計算機的現(xiàn)地控制級設備，所有監(jiān)控功能在一臺主機上運行。因而只要計算機一出故障，整個控制、監(jiān)測系統(tǒng)就癱瘓，只能改為手動運行，可靠性低。其次，所有信息都在主機上處理，監(jiān)控性能也受限制。但這種系統(tǒng)簡單、造價低、投資少，只適用于對監(jiān)控要求不高的小型水電站綜合自動化系統(tǒng)。
2.2 分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)分層控制方式是將整個控制系統(tǒng)按控制的性質、復雜的程度和組織結構分成不同的層，由各層來完成分配給他們的監(jiān)控功能，各層之間有一定的制約和協(xié)調關系。水電站的控制對象主要是水輪發(fā)電機組、開關站、公用設備、閘門等。按控制對象設置單獨的控制，稱作現(xiàn)地控制單元。電廠控制層也設計算機，負責一些全廠性功能。電廠控制層本身也可以是一個功能分散的系統(tǒng)，有多臺計算機組成。
當某個控制單元發(fā)生故障，只影響到該部分設備，而不會影響到整個電廠的運行。由于分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)的以上優(yōu)點，近年來新建設的水電站監(jiān)控系統(tǒng)幾乎都采用這種方式。
隨著水電站計算機監(jiān)控技術的發(fā)展，在分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)中，常用的網絡結構有以下幾種：
2.2.1 一體化工控機分層結構圖2為采用一體化工控機上以太網方式，為全開放、分層、分布式結構，PLC、采樣裝置、溫度巡檢、勵磁、調速器等設備通過一體化工作站與上位機系統(tǒng)通信。這種結構主要考慮的是在上位主機故障時現(xiàn)地工控機仍可獨立運行。即所有現(xiàn)地單元均可以各自獨立運行。每個單元都是由工控機和可編程控制器(PLC)及各個專用功能裝置或設備構成，并可以設計成具有各自獨立的現(xiàn)地操作、監(jiān)控功能。該系統(tǒng)功能豐富、人機界面友好、可靠性高，但是投資略高。
2.2.2 P 直接連接以太網結構1圖3為采用PLC直接連接以太網的全開放、分層、分布式網絡結構。采樣裝置、勵磁、調速器等設備與通訊管理裝置與PLC連接，通過PLC與上位機系統(tǒng)通信。現(xiàn)地采用與PLC通信的工業(yè)級觸摸屏作為人機界面，系統(tǒng)可靠性極高、性價比高，設備直接上網，便于網絡控制和管理，系統(tǒng)響應速度大大提高。適用于通信協(xié)議較少，對監(jiān)控系統(tǒng)要求較高的中、小型水電站自動化結構。
2.2.3 PLC直接連接以太網結構2圖4為采用PLC與通訊管理裝置都直接連接以太網的結構。設備數(shù)量及功能方式與前種結構都相同，但區(qū)別只在于在現(xiàn)地控制單元通訊管理裝置與PLC通訊的同時，通訊管理裝置也直接接入以太網，實現(xiàn)雙通信網絡。該結構較之前幾種方式，通信上更可靠。例如運行中PLC死機，只影響到對設備的操作控制，但在上級監(jiān)控層仍然能監(jiān)視到與通信管理裝置連接的設備運行參數(shù)。較之前幾種結構，就是多增加了通信光纖及相關設備，投資也相應增多。
2.2.4 冗余組網結構該結構的硬件要求采用多層次的冗余措施，如通訊服務器、網絡交換機、網絡通道、UPS、現(xiàn)地總線、機箱電源、機柜電源等，都實現(xiàn)冗余配置，并對PLC擴充雙CPU、雙電源、I/O模塊熱插拔等功能，系統(tǒng)要求由軟件實現(xiàn)冗余設備的檢測與故障診斷，實現(xiàn)冗余部件的無擾動切換，確保系統(tǒng)中某一部件的故障或退出都不影響系統(tǒng)的正常運行。該方案系統(tǒng)功能極為豐富，可靠性極高，適用于對監(jiān)控系統(tǒng)要求極高的大、中型水電站監(jiān)控系統(tǒng)。
3 文山州地區(qū)部分水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)網絡情況
2000年投運的東方紅原三級、五級電站在文山州地區(qū)率先采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)，并成功使用以后，2000年以后建設的電站都采用了計算機監(jiān)控。
東方紅原五級電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)結構選用的是一體化工控機分層結構。除以太網光纖交換機因老化原因導致監(jiān)控系統(tǒng)電廠控制層一臺上位主機短期故障外，長期以來運行情況良好。在光纖交換機故障期間，另一臺上位主機及各現(xiàn)地控制層都能正常工作。這充分體現(xiàn)了一體化工控機分層結構在上層監(jiān)控設備故障情況下，影響不到現(xiàn)地層監(jiān)控設備的優(yōu)點。
東方紅原二級電站在受災恢復后，其計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用的是本文介紹的“PLC直接連接以太網結構1。該結構在現(xiàn)地單元沒有工控機，投資也相對較省。長期運行情況良好，但特點就是現(xiàn)地層功能簡單。在現(xiàn)地對設備的監(jiān)測、控制通過觸摸屏實現(xiàn)人機交流，但也就只有這兩樣功能。諸如信號類、數(shù)據越限報警、其他設備(例如勵磁、調速器等)通信量等等在現(xiàn)地控制單元就無法讀取。
基本上不管采用的是哪一種網絡結構，目前文山州幾個水電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)運行情況都基本良好，系統(tǒng)監(jiān)控功能都基本實現(xiàn)。所以以上兩種常用結構在本地區(qū)都有廣泛運用。谷拉電站、威龍電站采用的是一體化工控機分層結構，那么果河六級電站采用的是PIJ2直接連接以太網結構1。
4、實踐運用分析
通常對計算機監(jiān)控系統(tǒng)要求著重的是產品選型、功能軟件等方面，其網絡結構在中、小水電站中認為不是很重要。其實不然，化學有術語“物質的結構決定物質的性質”，在計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，也可以說“系統(tǒng)的結構決定功能和可靠性”。
集中式監(jiān)控系統(tǒng)和冗余組網結構，前者是很不可靠，后者極度可靠但投資也很高。下面對幾種常用計算機監(jiān)控系統(tǒng)結構的可靠性和功能分布做簡單分析。
4.1 一體化工控機分層結構一體化工控機分層結構中不難看出，現(xiàn)地單元的所有設備通信都是通過現(xiàn)地工控機集中后接人以太網提供給其他終端的，一旦該機故障，不論廠級控制層(中控室)或現(xiàn)地控制單元(機組屏)對該單元的所有監(jiān)測、控制及相關的功能就都不能實現(xiàn)，可視為該單元癱瘓。作為一臺計算機，在現(xiàn)場受灰塵、溫度、濕度、振動等影響，其故障率相對較高，并且該設備維修時間較長，還涉及到計算機硬件、操作系統(tǒng)、監(jiān)控軟件、數(shù)據、計算機設置等方面都有可能影響到該機的長期可靠工作。例如文山某電站投運后不久，機組現(xiàn)地控制單元的一體化工控機硬盤就出現(xiàn)壞道，導致該計算機故障。
另外，交流采樣裝置和PLC都是分別與工控機通信，PLC不能直接讀取發(fā)電機電氣參數(shù)，對機組的控制流程存在影響。因為PLC運行穩(wěn)定可靠，一般機組的順控流程都是做在PIE里，但此結構PLC不能直接讀取采樣數(shù)據，故該網絡結構的機組流程在開機并網后，不能實現(xiàn)自動帶基負荷;在現(xiàn)地手動啟動順控停機按鈕時，也不能實現(xiàn)機組自動減負荷，其動作是從直接解列機組開始。
4.2 PIE直接連接以太網結構PIE直接連接以太網結構不管采用單網還是雙網結構，其整個網絡的可靠性都提高了，同時也完善了部分功能，目前應用較為廣泛。但如果現(xiàn)地人機設備選用的是觸摸屏，存在的缺點就是現(xiàn)場監(jiān)測量少，無信號報警等，對值班員在現(xiàn)地的操作帶來很大不便。簡單的說，就是人在現(xiàn)地通過觸摸屏能得到的數(shù)據較少，在現(xiàn)地操作過程中，不能有效地對機組的自動控制進行監(jiān)視。
5、建議改造方案(以谷拉電站為例)
通過以上對中、小型水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)網絡結構的應用情況，如因網絡結構出現(xiàn)故障或故障率高的、或較為重要的電站，建議改造為PLC直接連接以太網結構。谷拉電站裝機容量為2×20 MW，電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)結構采用的是一體化工控機分層結構，現(xiàn)地控制層配置有3個單元，即1號機組LCU、2號組LCU、公用I.EU。每個現(xiàn)地控制單元配置有1臺一體化工控機，電廠以太網通過1臺24口交換機實現(xiàn)連接，結構形式與圖2相同。
建議在每個現(xiàn)地控制單元增設1臺通訊管理裝置及1個光纖通道(公用LCU可以不用光纖數(shù)據)。
原來的光纖通道不變，繼續(xù)實現(xiàn)一體化工控機與以太網的連接，新增的光纖通道用來實現(xiàn)PLC與以太網的連接。通訊管理裝置完成與交流采樣裝置、溫度巡檢裝置、勵磁系統(tǒng)、調速器等設備的通信，數(shù)據通過PLC及一體化工控機同時上送至以太網。
改造后監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖5所示，其系統(tǒng)結構年8月開始，合同要求第一臺機組發(fā)電2006年6月30日，合同工期34個月，經過工程建管部及各參建單位的努力第一臺機組于2006年3月底順利投產發(fā)電，為各方帶來良好的經濟效益。通過對項目目標控制方法的不斷探索和實踐，在工程管理和控制方面形成了一些較有特點、較為成功的做法。
1)通過合理規(guī)劃、精心設計、采用工程先進技術、采取科學優(yōu)化等舉措，控制工程的投資，節(jié)約建設成本。從工程前期設計到工程現(xiàn)場施工，昆明勘測設計院堅持以設計為重點進行項目的投資控制，組織專家、設總跟蹤工程進度，了解現(xiàn)場實際情況，與建管部共同研究施工方案的科學實施辦法，設計不足的地方采取補救措施，避免盲目施工，依據工程實際發(fā)生情況，提出優(yōu)化方案并進行科學論證，既避免了重復返工造成的投資浪費，又優(yōu)化了工程合理布局，有效的減少建設成本。
2)通過嚴格、嚴密的工程招標是控制投資的又一方式。組織經驗豐富的專家、主要設計人員審核工程招標文件，嚴格審查參與投標的單位，在公平、公正、公開競爭的良好環(huán)境，以最合理的合同價獲得最好的施工隊伍和可靠施工技術方案以及產品過硬的設備供貨商，使工程投資目標得以良好實現(xiàn)。
3)采用合同管理方式建立獨立的工程質量監(jiān)理。工程質量是工程總承包首要目標，其關系到社會公眾利益、生命和財產的安全。建管部以制度化作為抓好工程質量的根本保證，建立層層負責的質量責任制，形成全過程、全方位的質量保證體系。工程監(jiān)理合同中規(guī)定：工程監(jiān)理單位必須同時與施工單位各自獨立地進行全部工程的質量檢測，包括必須使用獨立的檢測儀器和工具;獨立地實施質量檢測;獲取獨立的檢測數(shù)據和資料;提交獨立的檢測報告等。這樣在每一個分項工程上，建管部同時得到分別來自監(jiān)理單位和施工單位的各自獨立的兩套質量檢測與評估報告，可以切實掌握工程質量的真實情況，確保工程獲得合格的施工質量。
4)建立工程總承包建設管理中建管部、參建施工單位之間的一切行為均以合同作為惟一依據的原則，合同運用于項目管理的各個方面，以合同、經濟手段管理和實施工程施工。各方履行各自合同職責，這樣大大減少工程施工過程中各參建單位之間的扯皮現(xiàn)象，工程進度和工程投資得以較好的得到控制。
5)在工程質量、進度、投資得到有效控制的同時，在建管部上級領導的支持下，以重要進度節(jié)點提前實現(xiàn)作為目標，采取適當?shù)慕洕碳ご胧岣邊⒔▎挝坏墓ぷ鞣e極性和工作效率，可以將工程工期大大縮短。在現(xiàn)在的水電工程建設市場運作中，這種手段的采用往往會取得工程上事半功倍的效果，既為業(yè)主帶來經濟效益，也能為項目總承包者帶來好的社會效益。
6)市場經濟環(huán)境下的水電工程總承包運作，需要一定知識經驗的市場分析人才，從市場角度掌握工程建設材料的價格變動，適當運用市場經濟分析，采購存放一定數(shù)量的建設材料，運作得當，也能為工程創(chuàng)造不菲的經濟利益。
大盈江三級水電站工程總承包建設組織模式、工程招標和合同管理制度化、規(guī)范化管理的方法在工程實施中取得了良好的效果和成績，在以后的項目總承包建設中還需要進行深入的研究和探索，將總承包建設管理模式加以完善，更能適應未來規(guī)范化的市場經濟大環(huán)境。
【淺析水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)網絡結構分析】相關文章：
計算機安全監(jiān)控系統(tǒng)技術論文11-08
計算機安全監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵技術探討12-25
鋁電解計算機遠程監(jiān)控系統(tǒng)論文11-11
淺析計算機軟件項目管理中的需求分析12-08
淺析計算機音樂教學系統(tǒng)在高校音樂教學中的應用03-29
淺析基于我國電力電子與電力傳動系統(tǒng)的發(fā)展狀況分析02-22
淺析計算機網絡電話通信系統(tǒng)的電話終端探究12-04
計算機信息管理系統(tǒng)的設計原則方法及原理分析11-14
- 相關推薦