- 相关推荐
浅析水电站计算机监控系统网络结构分析
摘要：介绍和分析几种适用于中、小型水电站计算机监控系统网络结构的特点与适用性，并对文山州部分水电站目前计算机监控系统网络结构存在的问题提出建议。
关键词：水电站;计算机监控;结构;建议
1、概述
近年来，随着水电站计算机监控技术的成熟与普及，计算机监控技术在中、小型水电站中得到广泛的运用。从2000年以来，文山地区新建的水电站基本都采用了计算机监控系统，但在计算机监控系统网络结构上，部分电站存在一些细微不足，却关系到监控系统的稳定和安全。
2、水电站计算机监控系统网络结构
2.1 集中式监控系统集中式监控网络结构是基于现场总线联接的实时通讯网络，如图1所示。因其一般只设一台计算机对全厂进行集中监控，故称集中式监控系统。这种系统的特点是不设采用计算机的现地控制级设备，所有监控功能在一台主机上运行。因而只要计算机一出故障，整个控制、监测系统就瘫痪，只能改为手动运行，可靠性低。其次，所有信息都在主机上处理，监控性能也受限制。但这种系统简单、造价低、投资少，只适用于对监控要求不高的小型水电站综合自动化系统。
2.2 分层分布式监控系统分层控制方式是将整个控制系统按控制的性质、复杂的程度和组织结构分成不同的层，由各层来完成分配给他们的监控功能，各层之间有一定的制约和协调关系。水电站的控制对象主要是水轮发电机组、开关站、公用设备、闸门等。按控制对象设置单独的控制，称作现地控制单元。电厂控制层也设计算机，负责一些全厂性功能。电厂控制层本身也可以是一个功能分散的系统，有多台计算机组成。
当某个控制单元发生故障，只影响到该部分设备，而不会影响到整个电厂的运行。由于分层分布式监控系统的以上优点，近年来新建设的水电站监控系统几乎都采用这种方式。
随着水电站计算机监控技术的发展，在分层分布式监控系统中，常用的网络结构有以下几种：
2.2.1 一体化工控机分层结构图2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、采样装置、温度巡检、励磁、调速器等设备通过一体化工作站与上位机系统通信。这种结构主要考虑的是在上位主机故障时现地工控机仍可独立运行。即所有现地单元均可以各自独立运行。每个单元都是由工控机和可编程控制器(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、可靠性高，但是投资略高。
2.2.2 P 直接连接以太网结构1图3为采用PLC直接连接以太网的全开放、分层、分布式网络结构。采样装置、励磁、调速器等设备与通讯管理装置与PLC连接，通过PLC与上位机系统通信。现地采用与PLC通信的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的中、小型水电站自动化结构。
2.2.3 PLC直接连接以太网结构2图4为采用PLC与通讯管理装置都直接连接以太网的结构。设备数量及功能方式与前种结构都相同，但区别只在于在现地控制单元通讯管理装置与PLC通讯的同时，通讯管理装置也直接接入以太网，实现双通信网络。该结构较之前几种方式，通信上更可靠。例如运行中PLC死机，只影响到对设备的操作控制，但在上级监控层仍然能监视到与通信管理装置连接的设备运行参数。较之前几种结构，就是多增加了通信光纤及相关设备，投资也相应增多。
2.2.4 冗余组网结构该结构的硬件要求采用多层次的冗余措施，如通讯服务器、网络交换机、网络通道、UPS、现地总线、机箱电源、机柜电源等，都实现冗余配置，并对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，确保系统中某一部件的故障或退出都不影响系统的正常运行。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大、中型水电站监控系统。
3 文山州地区部分水电站计算机监控系统网络情况
2000年投运的东方红原三级、五级电站在文山州地区率先采用计算机监控系统，并成功使用以后，2000年以后建设的电站都采用了计算机监控。
东方红原五级电站的计算机监控系统结构选用的是一体化工控机分层结构。除以太网光纤交换机因老化原因导致监控系统电厂控制层一台上位主机短期故障外，长期以来运行情况良好。在光纤交换机故障期间，另一台上位主机及各现地控制层都能正常工作。这充分体现了一体化工控机分层结构在上层监控设备故障情况下，影响不到现地层监控设备的优点。
东方红原二级电站在受灾恢复后，其计算机监控系统采用的是本文介绍的“PLC直接连接以太网结构1。该结构在现地单元没有工控机，投资也相对较省。长期运行情况良好，但特点就是现地层功能简单。在现地对设备的监测、控制通过触摸屏实现人机交流，但也就只有这两样功能。诸如信号类、数据越限报警、其他设备(例如励磁、调速器等)通信量等等在现地控制单元就无法读取。
基本上不管采用的是哪一种网络结构，目前文山州几个水电站的计算机监控系统运行情况都基本良好，系统监控功能都基本实现。所以以上两种常用结构在本地区都有广泛运用。谷拉电站、威龙电站采用的是一体化工控机分层结构，那么果河六级电站采用的是PIJ2直接连接以太网结构1。
4、实践运用分析
通常对计算机监控系统要求着重的是产品选型、功能软件等方面，其网络结构在中、小水电站中认为不是很重要。其实不然，化学有术语“物质的结构决定物质的性质”，在计算机监控系统中，也可以说“系统的结构决定功能和可靠性”。
集中式监控系统和冗余组网结构，前者是很不可靠，后者极度可靠但投资也很高。下面对几种常用计算机监控系统结构的可靠性和功能分布做简单分析。
4.1 一体化工控机分层结构一体化工控机分层结构中不难看出，现地单元的所有设备通信都是通过现地工控机集中后接人以太网提供给其他终端的，一旦该机故障，不论厂级控制层(中控室)或现地控制单元(机组屏)对该单元的所有监测、控制及相关的功能就都不能实现，可视为该单元瘫痪。作为一台计算机，在现场受灰尘、温度、湿度、振动等影响，其故障率相对较高，并且该设备维修时间较长，还涉及到计算机硬件、操作系统、监控软件、数据、计算机设置等方面都有可能影响到该机的长期可靠工作。例如文山某电站投运后不久，机组现地控制单元的一体化工控机硬盘就出现坏道，导致该计算机故障。
另外，交流采样装置和PLC都是分别与工控机通信，PLC不能直接读取发电机电气参数，对机组的控制流程存在影响。因为PLC运行稳定可靠，一般机组的顺控流程都是做在PIE里，但此结构PLC不能直接读取采样数据，故该网络结构的机组流程在开机并网后，不能实现自动带基负荷;在现地手动启动顺控停机按钮时，也不能实现机组自动减负荷，其动作是从直接解列机组开始。
4.2 PIE直接连接以太网结构PIE直接连接以太网结构不管采用单网还是双网结构，其整个网络的可靠性都提高了，同时也完善了部分功能，目前应用较为广泛。但如果现地人机设备选用的是触摸屏，存在的缺点就是现场监测量少，无信号报警等，对值班员在现地的操作带来很大不便。简单的说，就是人在现地通过触摸屏能得到的数据较少，在现地操作过程中，不能有效地对机组的自动控制进行监视。
5、建议改造方案(以谷拉电站为例)
通过以上对中、小型水电站计算机监控系统网络结构的应用情况，如因网络结构出现故障或故障率高的、或较为重要的电站，建议改造为PLC直接连接以太网结构。谷拉电站装机容量为2×20 MW，电站计算机监控系统结构采用的是一体化工控机分层结构，现地控制层配置有3个单元，即1号机组LCU、2号组LCU、公用I.EU。每个现地控制单元配置有1台一体化工控机，电厂以太网通过1台24口交换机实现连接，结构形式与图2相同。
建议在每个现地控制单元增设1台通讯管理装置及1个光纤通道(公用LCU可以不用光纤数据)。
原来的光纤通道不变，继续实现一体化工控机与以太网的连接，新增的光纤通道用来实现PLC与以太网的连接。通讯管理装置完成与交流采样装置、温度巡检装置、励磁系统、调速器等设备的通信，数据通过PLC及一体化工控机同时上送至以太网。
改造后监控系统结构如图5所示，其系统结构年8月开始，合同要求第一台机组发电2006年6月30日，合同工期34个月，经过工程建管部及各参建单位的努力第一台机组于2006年3月底顺利投产发电，为各方带来良好的经济效益。通过对项目目标控制方法的不断探索和实践，在工程管理和控制方面形成了一些较有特点、较为成功的做法。
1)通过合理规划、精心设计、采用工程先进技术、采取科学优化等举措，控制工程的投资，节约建设成本。从工程前期设计到工程现场施工，昆明勘测设计院坚持以设计为重点进行项目的投资控制，组织专家、设总跟踪工程进度，了解现场实际情况，与建管部共同研究施工方案的科学实施办法，设计不足的地方采取补救措施，避免盲目施工，依据工程实际发生情况，提出优化方案并进行科学论证，既避免了重复返工造成的投资浪费，又优化了工程合理布局，有效的减少建设成本。
2)通过严格、严密的工程招标是控制投资的又一方式。组织经验丰富的专家、主要设计人员审核工程招标文件，严格审查参与投标的单位，在公平、公正、公开竞争的良好环境，以最合理的合同价获得最好的施工队伍和可靠施工技术方案以及产品过硬的设备供货商，使工程投资目标得以良好实现。
3)采用合同管理方式建立独立的工程质量监理。工程质量是工程总承包首要目标，其关系到社会公众利益、生命和财产的安全。建管部以制度化作为抓好工程质量的根本保证，建立层层负责的质量责任制，形成全过程、全方位的质量保证体系。工程监理合同中规定：工程监理单位必须同时与施工单位各自独立地进行全部工程的质量检测，包括必须使用独立的检测仪器和工具;独立地实施质量检测;获取独立的检测数据和资料;提交独立的检测报告等。这样在每一个分项工程上，建管部同时得到分别来自监理单位和施工单位的各自独立的两套质量检测与评估报告，可以切实掌握工程质量的真实情况，确保工程获得合格的施工质量。
4)建立工程总承包建设管理中建管部、参建施工单位之间的一切行为均以合同作为惟一依据的原则，合同运用于项目管理的各个方面，以合同、经济手段管理和实施工程施工。各方履行各自合同职责，这样大大减少工程施工过程中各参建单位之间的扯皮现象，工程进度和工程投资得以较好的得到控制。
5)在工程质量、进度、投资得到有效控制的同时，在建管部上级领导的支持下，以重要进度节点提前实现作为目标，采取适当的经济刺激措施，提高参建单位的工作积极性和工作效率，可以将工程工期大大缩短。在现在的水电工程建设市场运作中，这种手段的采用往往会取得工程上事半功倍的效果，既为业主带来经济效益，也能为项目总承包者带来好的社会效益。
6)市场经济环境下的水电工程总承包运作，需要一定知识经验的市场分析人才，从市场角度掌握工程建设材料的价格变动，适当运用市场经济分析，采购存放一定数量的建设材料，运作得当，也能为工程创造不菲的经济利益。
大盈江三级水电站工程总承包建设组织模式、工程招标和合同管理制度化、规范化管理的方法在工程实施中取得了良好的效果和成绩，在以后的项目总承包建设中还需要进行深入的研究和探索，将总承包建设管理模式加以完善，更能适应未来规范化的市场经济大环境。
【浅析水电站计算机监控系统网络结构分析】相关文章：
计算机安全监控系统的关键技术探讨05-10
谈计算机网络远程监控系统的应用06-12
广播电视系统智能监控05-23
毕业论文：红外防盗监控系统08-08
股票技术分析系统的研究与实现05-08
浅析高职院校学生心理障碍及原因分析08-27
浅析高校计算机基础教育06-12
浅析文化传播主流媒体变革的原因分析与启示08-25