浅谈中小型水电站计算机监控系统网络结构设计
日期：2008-10-22 23:30:01 来源：中国自动化网
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摘要：介绍几种适用于中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。仅供狼友参考。还有什么好的方案可共同探讨。
关键词：中小型水电站 计算机监控系统网络结构 设计
为了适应电力工业发展的需要，进一步提高设备安全运行及自动水平，改变我国电厂运行管理用人多，效率低的落后局面，水电站值班方式的改革势在必行，使水电站运行管理达到无人值班（少人值守）的水平。
水电站计算机监控系统设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。
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。下面浅谈几种中小型水电站计算机监控系统网络结构设计方案。
图1 集散式综合自动化网络结构图
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，如图1所示。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
该网络结构基于以太网联接的实时通讯网络，如图2、3、4所示。
1、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、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、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，保护、励磁调速器、辅机等设备通过PLC与上位机系统通信，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、图4为采用PLC直接连接以太网的全开放、分层、分布式网络结构，与图3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。
图2 一体化工控机组网方式
图3 PLC 组网方式一
图4 PLC 组网方式二
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，可以采用图5所示的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、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系统。
图5 冗余组网方式
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网络结构如图3所示，具体配置如下：
● 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。
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关键词：中小型水电站 计算机监控系统网络结构 设计
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为了适应电力工业发展的需要，进一步提高设备安全运行及自动水平，改变我国电厂运行管理用人多，效率低的落后局面，水电站值班方式的改革势在必行，使水电站运行管理达到无人值班（少人值守）的水平。
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水电站计算机监控系统设计应掌握以下几个设计原则：
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● 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；
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● 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；
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● 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;
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● 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；
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● 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；
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● 实时性好，抗干扰能力强；
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● 友好的人机接口功能，操作方便。
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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。
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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。
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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。
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图1 集散式综合自动化网络结构图
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一、集散式组网结构
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该网络结构是基于RS485/Modbus等现场总线联接的实时通讯网络，如图1所示。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。
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二、分层分布式组网结构
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该网络结构基于以太网联接的实时通讯网络，如图2、3、4所示。
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1、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、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。
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2、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，保护、励磁调速器、辅机等设备通过PLC与上位机系统通信，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。
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3、图4为采用PLC直接连接以太网的全开放、分层、分布式网络结构，与图3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。
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图2 一体化工控机组网方式
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图3 PLC 组网方式一
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图4 PLC 组网方式二
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三、冗余组网方式
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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，可以采用图5所示的基于以太网联接的冗余组网方式。
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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、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系统。
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图5 冗余组网方式
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四、典型配置的网络结构
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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。
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水电站综合自动化系统一般典型配置网络结构如图3所示，具体配置如下：
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● 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；
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● 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；
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● 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；
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● 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。
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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。
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