水电站电脑监控系统的设计思路及过程论文
桃源水电站位于湖南省桃源县城沅水流域，是沅水干流河段的第14个梯级电站，也是沅水干流最末 1 个梯级电站。电站正常蓄水位39.5m,无调节能力，为河床径流式水电站。电站装机容量180MW,装设9台单机容量20MW的灯泡贯流式水轮发电机组。电站按无人值班（少人值守） 的目标设计。
1 设计要求
桃源水电站机组台数多，工况复杂，除满足常规监控功能外，如何提高系统安全可靠性，也是系统设计首要考虑的因素。根据以上特点和要求，结合目前监控系统技术的发展状况，本工程计算机监控系统在设计实施时充分考虑了以下要素：1） 按照“无人值班（少人值守）”的原则设计和配置，预留远程监控接口。2） 采用全开放、分布式系统结构，采用双光纤冗余以太网。3） 重要的单元采取冗余容错设计，避免某一设备故障影响整体监控功能。4） 采用成熟的、可靠的、标准化的硬件、软件、网络结构系统。5） 系统应具有响应速度快，可靠性高，并有先进、经济、便于扩展等特点。6） 与各级调度部门进行通信，满足调度的多平面通讯要求及四遥功能。7） 与电量采集系统、保护系统、水情等设备通信。
2 硬件设计
桃源水电站计算机监控系统硬件主要由上位机系统和现地控制单元组成，其中上位机系统由计算机服务器（工作站）、网络设备、时钟同步系统、UPS系统等组成。计算机服务器 （工作站） 是上位机系统的核心设备，按功能主要包括系统工作站、远动通信工作站、操作员工作站、厂内通讯工作站和工程师站及厂站终端等。现地控制单元系统主要由11套 LCU子系统组成，包括 9台机组 LCU、1套公用 LCU、1套开关站LCU.
2.1 上位机系统
上位机系统所有设备的选型均采用当前主流的设备配置，根据职能不同进行独立的配置，并对核心功能的设备进行冗余配置，进一步提高系统的容错性能及稳定性。
1） 系统工作站。系统工作站采用主从冗余模式设计，系统工作站作为上位机最核心的设备，负责AGC和AVC计算和处理、实时数据的采集、管理，事故故障信号的分析，同时兼有历史服务器功能。系统工作站放置于计算机房服务器柜内，一方面解决了服务器运行噪声对运行人员带来的环境影响，另一方面减少人为操作导致系统出问题的可能性。
2） 操作员工作站。操作员站采用冗余模式设计，由运行人员完成全厂设备的监视和控制功能。操作员站各配置了3台高分辨率的宽屏显示器，大大减少了单显示器或双显示器模式下因信息不能完全显示而造成的反复切换屏幕的麻烦和隐性运行风险，工作站统一布置在中控室。
3） 远动通信工作站。调度通讯工作站采用冗余设计，由两台工业级无硬盘工作站组成，无盘工作站采用固态硬盘设计，具有数据存储快、实时性可靠性较高等特点[2],两台工作站直接接入电站控制层以太网，以实现省调、地调信号的直采直送，并接受省调下达的AVC指令。
4） 厂内通信工作站。厂内通信工作站采用独立设计，配置了8个RS485串行接口和网络交换机，满足厂站内其它系统的通讯功能，包括机组状态监测系统、电能量管理系统、MIS系统等之间的`数据通信、继电保护信息管理系统等。
5） 报警工作站。报警工作站由配置了音响及1套GSM短信息发送装置，负责语音/电话报警、手机短信报警，工作站能随时召唤在厂内巡视、工作及电站相关检修的人员，短信发送方式包括：可选择群发也可选择按对象、按时段、按管理级别不同，有选择性的自动发送。
6） 时钟系统设计及其特点。系统配置一套冗余主机的卫星同步时钟系统，可同时接收GPS、北斗卫星发送的信号，并提供多种对时方式和多种通信规约，保证能实现全厂二次设备时间的一致性。现场9套机组各LCU距离较远，为每台LCU配置1套二级时钟装置用于信号扩展。
7） UPS系统。系统按照UPS总容量为总负荷的150%的原则来选型。配置两套独立的10KVA的大容量UPS系统，工作用UPS出现输出电源故障时能迅速切换到备用UPS供电并报警；UPS电源系统设置独立的馈电柜，每个馈线回路设置独立的电源开关。
2.2 下位机设计
现地控制单元 （LCU） 作为监控系统的核心设备，在上位机故障情况下应能独立实现监视与控制，因此安全可靠性是一个重点考虑的环节，在设计过程中对主控PLC、电源回路、机组紧急停机回路、同期回路、重要的交流采集回路等环节进行了冗余配置，确保LCU的安全性和可靠性，减少了电站的运行风险。
2.2.1主控单元PLC作为LCU中的主控单元，关系着整个LCU的性能，为满足对主控单元运算速度、容量、外部通讯等要求，PLC采用南瑞水电公司MB80系列双CPU、双网络的冗余构架PLC.全部I/O接口模块均采用标准化模块，支持带电插拔。
2.2.2电源回路各LCU采用交直流双供电装置，每套电源装置均采用两路电源，分别为交流厂用电和直流厂用电，任何一路电源故障不影响LCU的正常运行。同时为确保 LCU 测量回路的相互独立，在 LCU 设计中将PLC供电电源、开入回路电源、开出继电器回路电源、模拟量回路电源全部独立设计，采用单独的开关电源引出，防止因某一回路故障导致对其他回路造成干扰或影响。
2.2.3水机保护回路机组LCU屏装设了独立于PLC的机组水力机械保护事故停机的常规设备及电气回路，当机组发生水力机械事故或按下事故停机按钮时，一方面应将此事故信号输入计算机监控系统中，启动机组事故停机程序进行事故停机，另一方面应启动常规水机保护，直接作用于跳机组出口断路器、机组调速器关闭导水叶、励磁系统跳灭磁开关。
2.2.4同期回路每台 LCU装设了1套微机自动准同期装置和 1套手动准同期装置，同期装置采用南瑞水电公司SJ-12D型双微机自动准同期，为彻底排除非同期合闸的可能性，防止故障情况下的误动，在自准合闸回路中，增加常规同期闭锁继电器对相角差进行闭锁。
2.2.5交流采集回路发电机机端和220kV线路的交流量采集采用功率变送器和智能交流采样装置同时进行有功无功进行采集，精度等级应不低于0.2级，软件中可实现自动切换，进一步增强核心数据采集的可靠性。为电站交流量的准确监视以及机组功率调节的稳定可靠提供了测量保证。
2.2.6开出回路控制回路设计时，除采用受PLC开出直接驱动外，为防止现场开出模件故障导致继电器误动，在开出回路中设计了“顺控使能”闭锁所有继电器电源，在有流程执行时才将“顺控使能”投入，避免开出模件故障造成的控制误动。同时针对开关站断路器及隔离开关等设备单次仅对操作一个设备的原则，开关站LCU配置了DOP-1型开出保护控制器[3],通过选择可确保同一时刻只能有一个开出动作。LCU根据现场情况，可自由设定上述输出方式。
2.2.7防雷和抗干扰考虑电站的特殊环境，防止系统设备遭雷电侵入的可能，在所有机柜交流、直流电源输入侧设置防雷保护元件，对串行通信口处均设置带隔离的转换器，对GPS的信号输入端加装了防雷保护器。对部分重要的模拟量通道及外电缆较长的信号回路也设置了相应的隔离器。与系统距离较远的通讯多采用了的光纤介质。
3 软件设计
3.1 上位机软件设计桃源水电站监控系统上位机软件采用南瑞水电公司的NC2000计算机监控系统，该系统已在国内多座中大型水电站使用。NC2000系统基于分布式对象计算技术，从系统的规划、设计、软件实现到提供给用户的组态工具、应用界面都使用了面向对象和跨平台的技术。遵循TCP/IP、SQL、ODBC、JDBC、JavaRMI、OPC等国际标准和被广泛使用的软件工具，具有充分的开放性、可扩展性和异构平台适应性。
3.2 LCU软件设计PLC编程软件采用与 MB80PLC配套的MBPRO 编程软件，该软件除支持梯形图等传统编程方式外，还支持可视化的流程图编程，并且不同语言编写的程序之间可互相调用[4].尤其是采用流程图编程，极大的简化的控制流程的编写工作并具有较好的可读性。在PLC软件设计时，重点考虑了以下几项内容：
1） 根据功能采用模块化的设计，将数据处理、控制、人机接口、实时通讯，顺序控制流程等功能模块化；2） 采用流程图进行顺控流程编写；3） 多信箱机制，将PLC数据上送分为实时数据信箱和事件记录信箱，事件信箱的数据采用循环堆栈格式存放，确保所有事件信息的完整可靠不丢失；4） 完善的自诊断检测，除对PLC模件状态进行实时自诊断外，还对双网通信检测功能、RS485通讯口状态，模拟量温度量的通道及测值品质检查，并对故障进行实时报警；5） 尽量优化完善控制逻辑，对开停机流程、事故停机触发源，功率调节的安全性闭锁等认真核对并测试，提高机组可靠性，确保所有的控制调节是在合理可靠的范围内完成。
4 结束语
桃源水电站监控系统在设计时除满足常规控制外，更在稳定性、安全性方面综合考虑，特别突出对上位机、GPS系统、PLC等重点部分的冗余化设计。该系统已在桃源水电站中应用一年多，系统稳定可靠，运行效果较好，为电站的安全生产及设备检修提供了坚强技术保障和重要手段，系统各项指标均达到了设计要求，功能完全满足电厂生产需要。
[参考文献]
[1] 杨树涛，梁明明。小浪底桥沟电站综合自动化系统设计与实现。中国农村水利水电，2012.
[2] 凌洪政。亭子口水电站计算机监控系统设计及设备配置。水力发电，2014.
[3] 戎刚，刘林兴。开出保护技术在雅砻江流域水电厂计算机监控系统中的应用。水电厂自动化，2014.
[4] 张红芳，刘书良。MB 系列智能 PLC 编程软件 MBPRO[J].可编程控制器与工厂自动化，2010.
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