水电站自动化监控标准系统.docx
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水电站自动化监控标准系统
水电站自动化监控系统
系统介绍
概况:
为了适应电网发展、技术进步的需要，满足设备更新、改造要求,开发水电厂计算机监控系统以实现全厂和开关站主要设备的安全监控、经济运行和实时管理等功能，不但将使全厂的综合自动化水平大大提高，而且能改善劳动条件，取得显著的经济效益。
监控系统设计原则:
1．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，使计算机在水电厂的应用达到一个新的水平。
2．对于梯级电站，在梯级电站计算机监控系统之间进行通讯；从安全性和经济性的角度实现部分梯级调度的功能。
3．系统应高度可靠、高度冗余，不但其本身的局部故障不会影响现场设备的正常运行，而且系统的MTBF等各项指标均达到部颁"水电站计算机监控系统设备技术要求"的规定。
4．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。
5、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。
6.实时性好，抗干扰能力强。
7．人机接口功能强，操作方便。
系统结构及配置说明
1.系统结构
1.1分布式开放系统
（1）主计算机——管理全厂的自动化运行控制。
即全厂经济运行（EDC）、自动发电控制（AGC）、自动电压控制（AVC）、历史数据保存、运行报表打印、与外系统的通讯等。
（2）值班员工作站——作为运行人员与计算机系统的人机接口，完成实时的监视与控制。
（3）当地控制单元LCU——实现对当地生产对象的监控。
每个LCU单元，完成LCU的运行管理和控制，并同主服务器进通讯，实现开放式全分布系统的数据库分布，并实现LCU上网。
（4）所有上述计算机都按IEEE802.3Ethernet标准联成网络，网络介质则采用同轴电缆（或光纤电缆）。
（5）所有上述计算机都采用开放系统的操作系统UNIX，图形系统符合X-Window标准,网络协议为TCP／IP。
（6）厂级计算机通过网络终端服务器串行通讯接口与打印机以及外系统通讯。
（7）时钟同步。
采用电视时钟系统与厂级计算机及各LCU进行时钟同步。
1.2系统特点
（1）采用局域网的分布式开放系统结构，LCU的CPU、厂级主计算机、中控室操作值班员工作站均使用UNIX操作系统，网络软件为TCP／IP，工作站图形系统符合X-Window标准。
上述各计算机都直接接入网络，可获得高速通讯和共享资源的能力。
如来自LCU的实时信息直接在工作站CRT上显示，控制命令直接由工作站下达给各LCU，都不需要经厂级计算机转发。
（2）网络上接入的每一设备都具有自己特定的功能。
实现功能的分布，既提供了某一设备故障只影响局部功能的优点，又利于今后功能的扩充。
（3）厂级计算机和操作员工作站采用国际上先进的工作站，该系列工作站是目前国际上最高性能的计算机之一。
LCU的CPU采用符合工业标准的微机，性能优越。
（4）系统先进。
冗余化的设计和开放式系统结构，使系统可靠实用、便于扩充，整个系统性能价格比高。
（5）系统高度冗余、可靠。
a.计算机为双机热备用。
b.中控室操作值班员工作站可互为备用。
1.3关于开放系统
开放环境使用的原因，是因为近年来计算机系统更新换代速度很快，价格不变的情况下，计算机性能和速度成倍提高。
硬件设备的质量也已各有所长，没有一家公司的硬件可以独自称雄。
用户会发现在前几年还是非常先进的设备，现在已到了淘汰的时候。
换言之，现在选的机器会不会过几年又要淘汰。
而淘汰意味着，过去的设备元器件、备件将难以买到，对计算机上的巨大应用投资会丢失，在监控系统上多年积累的使用经验将会丢失。
系统全部硬件/软件的状况不复存在。
这就对计算机信息系统的研究开发者提出了以下课题：
（1）对用户来说如何保护其在开发大型系统中积累的资源和投资。
即如何提供不同计算机的互操作性。
（2）如何保证用户在更新其计算机设备的同时，应用软件依然可用。
即如何解决不同产品间的可移植性。
（3）如何提供给用户一个网络环境，让其使用最适合自己的不同厂商的硬件设备。
即提高系统对计算机设备的可集成性。
因此，IEEE（国际电子及电机工程协会）负责制订可移植操作系统接口（POSIX）标准的P1003工作组，把开放系统定义为：
“按照开放的接口、服务和支持格式规范而实现的系统，使应用软件能以最少修改，实现在不同系统中的移植；并能同本地的或远程系统中的应用实现互操作；能以方便用户迁移的方式实现用户的交互。
”
1.4分布式
我们推荐的全分布式方式，是指系统上的每个节点都可安装与本节点应用相关的数据库以及有关的控制和执行程序。
对系统而言，节点功能、资源相对独立而又便于为其它节点共享，同时了便于分期投运，并且为今后扩充提供了较大的方便。
完全满足分布式的三个特征即自治性、模块性、并行性。
上一代监控系统常用的分层分布模式，一般都有一个主计算机（或称得上位机），系统的全部数据集中在主计算机中，数据库不分布，自治性不好。
这样的缺点是一旦上位机出现故障，系统数据库全部丢失，系统功能如监视、控制功能也只有丢失，这样只有冗余，即使冗余工作正常也不能满足系统分期投运和今后扩充的要求。
所谓全分布是指数据库、控制功能分布。
图形工作站不依赖于任何一台机器，可直接读写LCU数据库或厂级控制数据库，直接实现全系统监视和控制。
网络上的任一部分不工作，不影响系统其它部分。
1.5成熟性
全分布开放系统是目前国际上应用于水电厂计算机监控系统中最先进的系统。
2.1设备配置
系统设备的详细配置由系统概算决定，选用当前先进、可靠的名牌机型。
2.1.1中央处理机：
中央处理系统两套；每套推荐配置：
选用高性能的工作站或服务器，（视应用环境可采用高性能的工控机）。
控制台终端为19″以上高分辨率彩色CRT。
2.1.2操作工作站：
中控室操作值班员图形工作站两套；每套推荐配置：
选用高性能的图形工作站。
控制台终端为21″高分辨率彩色CRT。
2.1.3LCU：
LCU（本地控制单元）分两部分，一部分是机组用LCU，即每台机组配置一套LCU；另一部分是公用LCU，总共配置一套公用LCU。
LCU的具体配置如下：
（1）同期控制：
机组LCU带有一套单对象的双微机自动准同期装置。
开关站LCU带有一套多对象的双微机自动准同期装置。
（2）处理机：
LCU的CPU部分，采用工业控制微机。
用以管理各自LCU的Ｉ/Ｏ装置、实现开放式全分布系统的数据库分布，并组织LCU上网。
（3）I/O容量：
每套LCU均可支持以下I/O量：
中断开关量输入（包括脉冲量）、非中断开关量输入、
模拟量输入、开关量输出。
2.1.4机组控制装置（PLC）：
选用进口可编程控制器作为主设备（可支持采用各种主流PLC设备），并配有机柜、电源、风机、插箱以及必要的当地操作面板等设备。
机组顺序控制的机柜与机组LCU的CPU进行通讯，机组顺序控制装置可以独立使用。
每套PLC可支持以下I/O量：
开关量输入/输出（包括面板及通讯使用的点数）、模拟量输入，并可实现与LCU之间的开关量上/下行通讯及模拟量上/下行通讯。
2.1.5网络支持：
主处理机、操作站、LCU之间，采用以太网来进行通讯以实现数据传输及控制管理，通讯线（网线）采用五类双绞线为传输介质。
网络环境的具体配置如下：
（1）网卡（如果采用双网结构，则每个节点需配两块网卡）：
要求配置的节点有：
中央处理机、操作员工作站、各LCU的控制机；
（2）网线；
（3）网络交换机；（双网结构需两台）
（4）网络服务器；（视应用需要而定）
2.1.6时钟同步系统：
设置一套卫星时钟系统，作为系统的时钟标准，并对全系统进行时钟同步。
时钟装计算机房，直接与中央处理机进行通讯，再由中央处理机对各LCU进行时钟同步。
（也可让各节点直接与GPS进行时钟同步，推荐采用前者）
2.1.7网络打印服务器：
采用一台网络终端服务器，用于连接打印机及与外系统的备份。
2.1.8其它设备
（1）中央处理机配有磁带机，用于主处理机及工作站的系统安装以及系统的备份。
（2）打印两台，一台用于中控室，一台用于机房。
（3）音响报警系统，一套。
2.1.9UPS（选件）：
（1）各LCU均带有交直流双供电源，可替代常规的UPS不间断电源；
（2）中央处理机与工作站配有不间断电源，可维持30分钟的备用供电；
2.1.10与外系统的通讯接口：
网络终端服务器留有与外系统的异步串行接口RS-232C，可用于连接实现：
（1）长监视终端；
（2）大坝安全监测系统；
（3）中调；
（4）管理网；
（5）为实现联合调度，与梯级电站监控系统进行通讯；
系统技术指标
1对系统的一般技术要求：
1.1环境条件：
（1）周围环境温度和湿度：
a.环境温度：
机房（有空调）：
夏季23±2℃；
冬季20±2℃；
每小时温度变化率<5℃/小时；
现场：
0--40℃，每小时温度变化率<5℃/小时；
b.相对湿度：
机房（有空调）：
45%-65%；
现场：
20%-90%（无凝结）；
（2）尘埃：
根据不同安装场地考虑防尘措施，采用密闭机柜和带过滤器的通风孔。
a.机房（有空调）：
尘埃粒度>0.5μ,个数<3500粒/升；
b.现场：
尘埃粒度>0.5μ,个数<18000粒/升；
（3）海拔高度：
不大于2000米
（4）振动和冲击：
监控系统设备在振动频率2---100Hz，振幅峰-峰值在0.5mm以下，加速度不超过0.5倍重力加速度的条件下长期运行。
（5）噪声限制：
在主计算机室和中控室里，由本系统的设备所引起的噪声小于60分贝。
（6）安装接线：
接线及电缆、电线和配线接线板或接线箱的安装位置方便用户接线,每块线板（箱）有一定的备用接线端子，接线板（箱）内的端子接线可靠，防止振动时松动，端子排带保护盖。
配线排列整齐、绑扎牢固、固定结实。
所有的配线均有标志，其标志符合国家标准。
（7）电磁干扰和电磁相容性：
电磁干扰极限：
在离设备1米处不超过1伏/米（30--50MHz电磁波）。
电磁相容性：
本系统设备应在下述规定的辐射环境中正常工作，当安装环境的辐射超过了设备允许的电磁相容极限时，则应改善安装环境以满足电磁相容性要求。
a.无线电干扰（RI）：
30--500MHz
1级：
30--500MHz电磁波，1伏/米；
2级：
30--500MHz电磁波，3伏/米；
3级：
30--500MHz电磁波，10伏/米；
b.抗静电干扰（ESD）：
150PF--150Ω
1级：
2KV；
2级：
4KV；
3级：
8KV；
c.抗工频磁场干扰：
主机：
800A/M；
显示器80A/M；
2.RTU装置的电气性能：
2.1一般电气特性：
系统所有电源设备、数据和控制接口、通讯接口设备、人机接口设备等应满足如下一般电气性能要求。
（1）绝缘电阻：
交流回路外部端子对地10MΩ以上，不接地直流回路对地应不小于1MΩ
（2）绝缘强度：
500伏以下、60伏以上端子与外壳间应能承受交流2000伏电压1分钟；60伏以下端子与外壳间应能承受交流500电压1分钟；机柜内框架和机柜外壳间应能承受交流1000伏电压1分钟。
2.2主要抗干扰措施：
（1）采用输入信号端配技术，实现不同信号电平的匹配、输入信号的最低门槛电平、干扰滤波及抑制过电压的浪涌干扰。
（2）用光电或电磁隔离，使监控系统与生产设备及通讯设备互相隔离。
（3）采用硬件滤波，抑制短暂脉冲干扰，防止出现误信号。
（4）采用软件数字滤波，保证采集的量值和信号的正确性。
3.I/O接口：
3.1开关量输入：
（1）每一路开关量输入口有LED状态显示；
（2）输入接口参数：
输入方式：
空接点
接点弹跳：
2--30ms
3.2模拟量输入：
（1）关键模拟量输入在显示面板上有显示；（视设备型号定）
（2）输入接口参数：
信号范围：
电气量及非电气量：
电流：
DC4--20mA
电压：
DC0--±5V
温度量：
热电阻
模拟量转换分辩率：
11位+符号位；
转换精度：
不大于±0.5%；
共模电压：
200VDC或AC50HZ；
3.3脉冲量输入：
（1）脉冲宽度>100ms;负载能力>10mA；
（2）输入电平：
无源接点或12VDC/24VDC电平。
3.4数字量输入：
输入电平：
无源接点或12VDC/24VDC电平。
3.5开关量输出：
（1）开关量输出信号采用继电器输出。
（2）每一开关量输出设有LED状态显示。
（3）开关量输出接口参数：
输出形式：
空接点
接点容量：
阻性：
50Hz，220VAC，5A；220VDC，0.3A感性负载：
30W。
4.电源：
4.1主控级计算机：
主控级计算机（包括主机、各工作站以及对外通信服务站等）配有UPS。
（1）交流电源消失，备用蓄电池应能维持负载0.5小时以上。
（2）输入电压：
AC220V±20%；
（3）输入电源频率：
50Hz±5%；
（4）输出电压：
220V±2%；
（5）输出电压波形：
工频正弦波，50Hz±1%；
（6）波形失真：
<3%；
（7）噪声：
<50dB；
（8）高频辐射：
无干扰影响；
（9）切换时间：
不超过4ms；
4.2LCU采用在线式1KVA不间断供电输入AC220V±10%
5.接地：
5.1计算机监控系统主控级接地可以使用电站公用接地系统，不设单独的接地网，其接地电阻不大于0.5Ω.
5.2监控系统中各LCU及在主厂房中控室的终端接地只能使用电站公用接地网接地，接地电阻不大于0.5Ω。
5.3设备外壳接地，交流电源中性接地、直流工作地和电缆屏蔽层接地在同一屏柜中将采用一个公共接地端子
系统的功能说明
1计算机监控系统的任务与功能：
1.1数据采集与处理：
这部分功能包括对实时数据的采集、进行必要的数据预处理并以一定的格式存入实时数据库。
通常按照信号性质的不同把它们分为模拟量、开关量及脉冲数字量，其采集及处理方法也各不相同。
1.1.1模拟量的采集与处理：
这一类实时量包括电气模拟量、非电气模拟量及温度量，对它们的采集范围、处理方式以及各量的变化规律各不相同，所要求的采集周期也各不相同。
电气模拟量系指电压、电流以及功率等电气信号量。
这些信号都是模拟型的，从变送器输出的信号通常为0--5或4--20mA直流电压信号，采用双绞屏蔽电缆传输。
由于其它常规设备对这些信号也有需求，因此要求信号能被两处以上的地方所共用，信号之间有隔离。
其处理包括预防回路断线及断线检测功能、信号抗干扰、数字滤波、误差补偿、数据有效性合理性判断、标度换算、越复限判断及越限报警，最后经格式化处理后形成实时数据并存入实时数据库。
一般非电模拟量主要指压力、流量、水位、油位等信号量以及摆度、振动及脉冲量。
通常，这类信号变送器的输出为4--20mA直流信号，对它们的采集与处理除信号接收方式及采集周期不同外，其它处理与电气模拟量的处理相同。
温度量也属于非电模拟量，由于其采集的信号是测温电阻，且其变化速度一般也比较缓慢，因引将其单列出来。
对温度的采集与处理除信号采集方式及采集周期外，其它处理要求与电气模拟量相同。
1.1.2开关量的采集：
开关量按其采集方式及信号重要程度的不同将其分为中断型开关和非中断型开关量两种。
中断型开关量信号指事故信号、断路器分合及重要继电保护的动作信号。
计算机监控系统应能以中断方式迅速响应这些信号并做出一系列必要的反应及自动操作。
中断型开关量信号输入为无源接点输入，中断方式接收，对信号的处理包括光电隔离、接点防抖动处理、硬件及软件滤波、基准时间补偿、数据有效性合理性判断、启动相关量处理功能（如启动事故顺序记录、发事故报警音响、画面自动推出以及自动停机等），最后经格式化处理后存入实时数据库。
非中断型开关量信号是指除中断型开关量信号以外的那部分开关量信号。
包括各类故障信号、断路器及隔离开关的位置信号、机组设备运行状态信号、手动自动方式选择的位置信号等。
计算机监控系统对这些信号的采集方式为定期扫查，信号输入为无源接点输入，对信号的处理包括光电隔离、接点防抖动处理、硬件及软件滤波、基准时间补偿、数据有效性合理性判断、发故障报警音响，最后经格式化处理后存入实时数据库。
1.1.3脉冲量、数字量采集
脉冲量主要批有功及无功电度量、机组过水流量，冷却水流量等的累加。
脉冲量的输入为无源接点或有源电脉冲，即时采集。
对脉冲量的采集处理包括接点防抖动处理，数据有效性合理判断、标度变换、检错纠错处理，经格式化处理后存入实数据库。
数字量信号指水位、转速及频率等输入量。
对它们的处理有光电隔离、数字滤波、码制变换、数据有效性合理性判断、标度变换、检错纠错处理，经格式化处理后存入实时数据库。
1.1.4开关量输出：
特指各类操作控制指令。
计算机在输了这些信号前应进行校验，经判断无误后才能送至执行机构，为保证信号的电气独立性及准确性，开关量输出信号也应经光电隔离接点防抖动处理后发出。
1.1.5信号量值及状态设定：
对于电站在建设初期所无法采集到的信号，或某些由于设备原因而造成的信号了错以及在必要时要进行人工设定量值作分析处理的信号量，计算机监控系统应允许运行值班人员和系统操作员对其进行人工设定，并在处理时把它们一其它正常采集到的信号等同对待，在计算机监控系统可以区分它们并给出应标志。
1.1.6统计及计算：
（1）实时功率计算：
根据所测得的实时数据，计算各发电机实时功率之和并显示在画面上。
（2）电量分类累加：
单台发电机，单回送电线路的日、月、年发电及送电有功无功电量累加；
单台主变日、月、年送电有功无功电量累加；
全厂日、月、年总发电量、主变总送电量，厂用总用电量及线路总送电量累加；
单台主变及全厂主变日、月、年总有功损耗、总无功损耗；
全厂日、月、年厂用电率；
在规定的时间间隔内（如当班及分时等）的全厂总发电量和总送电量累加；
上述各累加量可以通过人机联系设备及程序设置初值。
（3）效率计算：
对每台机组和全厂计算实时效率，并计算日、月、年的平均效率；
（4）机组摆度、振动上抬和压力脉动的值峰一峰计算：
对各点脉动值的采样离散值进行峰一峰值计算，求出每一点在转频周期中离散值的最大值和最小值的差值供显示、打印及限值比较用。
（5）温度量特征值计算：
求取同组温度中的最高值及相应测点号；
求取同组温度中的最大温差值；
求取油槽油温与瓦温间的温度值；
求取每组温度值中最高点的温度变化趋势。
（6）数据压缩精简：
对实时数据和历史数据按要求进行筛选整理，去除无用的数据后，才将"压缩"了的数据存入数据库。
1.2电站运行安全监视：
1.2.1全厂运行实时监视：
计算机监控系统可以使运行值班人员、值长、厂长或总工通过CRT对全厂各主设备及辅助设备的运行状态进行实时监控。
由于各级监视人员的职责不同，其监视的内容也各不相同。
监控系统将可以按照预先的设定进行数据的自动分配，同时也可以随时对监视内容的设定进行更改。
所有要进行监视的内容包括当前各设备的运行及停运情况，并对各运行参数进行实时显示，监视的设备包括全厂电气系统、机组水车系统、公用油、水、气系统、闸门系统及直流系统。
1.2.2参数越复报告记录：
全厂监控系统将对某些参数以及计算数据进行范围监视，有的量如温度量等还应进行趋势分析，即进行梯度监视，对这些参数量值及梯度值可预先设定其限制范围，当它们越限及复限时要作相应的处理，这些处理包括越限报警；越复限时的自动显示、记录和打印；对于重要参数及数据还应进行越限后至复限前的数据存储及召唤显示；启动相关量分析功能，作故障原因提示。
1.2.3事故顺序记录：
当电站发生事故造成断路跳闸、重合闸动作等情况时，计算机监控系统将立即以中断方式响应并自动显示、打印事故名称及时间、记录、显示、和打印相关设备的动作情况；自动推出相关画面；作事故原因分析并提示处理方法。
计算机监控系统能将发生的事故及设备的动作情况按其发生的先后顺序记录下来，且记录的分辩率不超过2毫秒。
1.2.4故障状变显示记录：
计算机监控系统定时扫查各故障状变信号，一旦发生状变将在CRT上即时显示出来，同时记录并打印故障音响名称及其发生时间，音响报警，计算机监控系统对故障状变信号的查询周期不超过两秒。
1.2.5趋势分析判断：
对发电机定子温度、轴承温度、主变压器油温等时行趋势分析，趋势变化速率超过限值时发出报警信号。
1.3电厂运行指导：
1.3.1开、停机过程监视：
当开、停机指令下达后，计算机监控系统能自动显示相应的机组开、停机监视画面。
要求画面能以流程框图的形式实时显示全部开停机过程中每步骤及执行情况，提示在开停机过程受阻时的受阻部位及其原因，进行开环运行指导甚至闭环自动控制操作。
另外，计算机监控系统应能自动识别在不同方式下的开、停机，并做出不同的响应。
在此功能设计时，将与开、停机作有关的某些重要装置和设备的状态以及完成对其操作所用的时间考虑进去，必要时并将其显示在画面上。
1.3.2电站一次设备操作指导：
当电站一次设备要进行倒闸操作时，计算机监控系统将能根据全厂当前的运行状态及隔离开关闭锁条件，判断该设备在当前是否允许操作并给出相应的标志。
如果操作是不允许的，则应提示其闭锁原因并尽可能地提出相应的处理办法。
1.3.3厂用电系统操作指导：
根据当前厂用电的运行状态及有关厂用电运行方式、倒闸操作限制条件的约束，计算机监控系统能判断某个厂用电断路器或刀闸在当前是否允许操作并给出相应的标志。
如果操作允许则应提示操作的先后顺序，如果操作不允许则应提示其原因。
1.3.4故障显示记录：
计算机监控系统除要对各事故进行显示和记录外，还能进行相关性分析，找出并提示事故和故障产生的原因及相应的解决办法。
1.4控制与调节：
1.4.1控制权：
控制权分远方及当地两级，可以进行切换。
远方控制来自上级调度和管理部门，当地控制在电厂内部进行。
控制权由电厂端设置，并以当地控制为优先，通过运行值班人员可以将控制权移交给上级调度和管理部门。
当有事故发生或其它经原因需电厂运行值班人员进行干预时，控制权将能自动切换到电厂端。
另外，设计将保证在进行控制权切换时电厂运行无扰动。
1.4.2控制与调节：
全厂计算机监控系统能根据电厂当前的运行情况和远方及当地的控制命令、自动发电控制（AGC）及自动电压控制（AVC）计算、预定的步骤、对电厂全厂的运行进行控制及调节，控制及调节的内容包括机组的开、停机操作，有功功率、无功功率调节；开关站断路器、接地刀闸的分合操作等。
机组正常的控制操作由可编程控制器PLC实现。
PLC可独立工作并在计算机监控系统的CRT上显示其操作过程。
操作方式有手动及自动两面三刀种，可预置也可以切换。
机组的有功和无功功率调节由微装置实现。
调节器的给定由上位机发出，经自动检测和调整可实现闭环运行。
给定也可以由运行值班人员在中控室或机旁手动发出而实行开不运行。
另外，由上级调度和管理部门发出的指令经计算机调整后也可下达分配到各机组执行。
1.5自动发电控制及经济运行：
1.5.1全厂运行方式设定：
本电站运行以发电为主，并参与电力系统的调频和调峰工作。
正常运行时以调功方式为主，其给定方式有全厂总有功功率给定及全厂日负荷曲线给定两种。
当参与系统调频时，电厂运行将以满足电力系统所需的频率要求为原则。
计算机监控系统将可以区分出上述各种运行方式。
并可通过人机对话的形式对全厂和每台机组的运行方式及运行状态进行预置和切换。
1.5.2自动开、停机：
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