水电站计算机监控系统可靠性设计.docx
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水电站计算机监控系统可靠性设计
水电站计算机监控系统可靠性设计
0、前言
随着计算机技术、自动化技术的快速发展，水电站采用计算机系统实现综合自动化日益广泛。
电站的安全可靠生产对计算机监控系统提出了严格要求，一旦发生故障，系统必须具有故障自动检测和安全保护等功能，另外，还应通过各种手段尽可能地缩短修复时间。
因此，为实现水电站计算机监控系统的安全、可靠运行，其可靠性设计工作相当重要。
系统级
在系统的整体设计时包括了水电站计算机监控系统的可靠性设计，合理的系统结构是保证系统可靠的前提。
根据中小型电站的实际情况，水电站计算机监控系统应遵循工业控制标准，采用分层分布式结构和模块化设计来保证系统的可靠性。
水电站计算机监控系统采取分层分布式（DCS）结构，如图1所示，由上位工控机主站（IPC）和下位机测量控制系统（LCU）两个层次组成，上位机与下位机之间通过智能通讯设备进行数据交换。
在功能上系统可划分为多个独立的单元（LCU），每个单元功能单一，可靠性高。
由于系统上位机与各下位机均有独自的CPU，它们均可独立运行，下位机各单元之间也可独立工作，互不干扰。
当某一设备出现故障时，不会使系统全面崩溃。
这种结构上的分散意味着控制的分散、供电的分散及干扰的分散，因此能从根本上分散影响可靠性的外部因素，从而保证系统能达到很高的可靠性。
另外，DCS结构还可以使数据就地处理，减少通讯开销，增加了数据的安全性。
（2）冗余配置
水电站计算机监控系统采取冗余技术来保证系统的可靠性。
DCS结构对系统单元的冗余配置不但容易实现，而且可以突出重点，减少不必要的冗余。
比如机组、主变保护就采用带双CPU的冗余保护系统；机组的负荷调节控制采取上位机自动调节、下位机拨码自动调节和手动调节等多重冗余，在计算机监控系统本身出现故障时，可以通过调速器和励磁系统的手动冗余功能实现正常发电，有效地保证系统的可靠、持续运行。
（3）独立的供电系统
在系统设计上，水电站计算机监控系统采用独立的供电系统，即采用在线式的不间断电源（UPS）供电。
由于UPS内部的稳压和逆变隔离作用，不但减少电网及其它电站设备对控制系统的影响，同时使监控系统在电路上形成独立回路，可以保证一点接地，降低了不等电位干扰。
2、系统硬件
水电站计算机监控系统的DCS结构从可靠性逻辑角度来看，是系统设备单元通过串联、并联、冗余等方式构成的，因此必须提高设备单元的可靠性。
影响系统单元的可靠性有许多外部因素，如环境温度、湿度、灰尘、电源波动、电磁干扰、电气冲击、机械振动、水汽腐蚀等等；同时元件老化、电路开路、短路等内部因素也对系统可靠性有很大影响。
因此，采取了如下措施。
（1）选择高品质设备
采用高质量的产品，如采用IS09001质量标准体系的设备，以保证设备的高品质和高可靠性。
比如，系统上位机采用工业控制计算机，下位机的PLC可采用日本OMRON产品，智能电参数仪可采用加拿大的3720ACM，从而保证了系统设备的可信度和可靠
（2）隔离技术
为克服外围系统对监控系统设备的影响，在电站监控系统中，比较多地采用隔离技术，如常见的输入输出采用中间继电器。
系统还采用了光电隔离技术，如在电度表脉冲输出回路，采用光电耦合隔离，同时抬高输出信号电压，使回路具备更高的抗干扰性能。
（3）吸收电路
水电站控制系统需要大量的开关量，采用中间继电器输入输出。
由于继电器是电感性元件，继电器的分合会造成很大的电磁干扰，因此，可在继电器两端采用RCD吸收回路，或简单地采用二极管钳位电路（如图2所示）。
当开关K闭合时，线圈L流过电流为iL=Vcc/R；当开关K由闭合至断开时，若无二极管D，电流iL不能形成续流回路，线圈储藏的电能会转化为高压电势，即B点电压很低，或UAB极高，不仅会损坏开关，而且将产生很强的电磁干扰，通过电源回路串入其它控制设备。
加入二极管D则起到iL的续流作用，开关K两端的电压被钳位在Vcc，B点电压基本保持在零电位（续流时B点电压为二极管的正向导通压降约-0.7V），有效地抑制了iL产生的负压对电源的干扰，降低了电磁开关分合对其它输入输出信号的影响。
图2二极管续流吸收回路
（4）采用电流环输入
由于系统的模拟量测量距离较远，如上下游水位、蜗壳压力等，信号传输的距离损耗就不能忽视。
如果采用电压输入，线路损耗较大，并且容易受感应电压的干扰。
系统采用4～20mA的电流环输入，就能克服以上弊端，而且传输距离可以大大加长。
（5）重要传输线采取屏蔽电缆、辫子线
电厂是电磁干扰十分严重的场所，在I/O口，尽量提高信号的电位，但计算机通讯线路一般采用5V的弱信号。
为使信号传输可靠，应采用屏蔽电缆或辫子线，并且在布置上尽量与强电信号分开，尽量避免平行相邻走线。
一方面使各自信号可靠传输，另一方面减少互相干扰。
（6）防雷措施
水电站分布在山区，雷击严重，系统在计算机通讯接口上应加抑制二极管等防雷措施，保证系统的安全性和可靠性。
3、系统软件
系统软件的可靠性设计具有两重含义，一方面，它具有普通软件系统的共有的可靠性问题；另一方面，控制软件又与硬件结构有关。
因此，系统采取了如下可靠性设计。
（1）采用组态软件形式
由软件设计的经验表明，软件故障的绝大多数由程序代码错误而非数据错误引起的。
因此，采取模块化软件设计，形成固定的、可靠的软件模块，再根据现场的不同需要，设置相应的数据文件生成相应软件的方法，即组态软件。
这样可以最大限度地排除软件错误，克服人为因素，实现模块化、标准化，从而大大提高了软件的可靠性。
（2）容错设计
在监控软件中加入自动出错处理，过滤操作员的错误输入，自动恢复系统级错误，保证软件系统的持续运行。
通过设置错误陷阱，自动捕捉错误，可以自动报告和排错提示，极大地提高了可靠性和纠错能力。
（3）软件滤波
系统输入输出端进行接点信号的防抖动处理，对模拟量的数字滤波，常见的有平均法、加权法。
（4）逻辑闭锁，限值闭锁
闭锁是防止误操作、过操作的十分有效的方法。
如控制调节输出采取水轮机导叶开度闭锁和有功、无功值上下限闭锁，以保证系统的安全可靠运行。
在控制输出、修改重要参数等处，软件采取操作口令、操作对象号及操作确认等多重闭锁，以防止误操作。
（5）优先级设置
监控系统设计时对实时性要求很高，为确保系统的及时响应与重要事件的可靠处理，将软件功能模块设置优先级别，如打印工作放在后台运行，定时存储数据采用时间中断。
除了模块级别的优先级别设置外，对优先级别较高的数据通讯又采取了加权循环扫描通讯法。
即在单位时间内，重要的信息分配更多次数的通讯，比如执行控制、状态量采样的PLC通讯，其通讯权级就比模块显示屏的刷新通讯要高。
另一方面，通讯速率越低，通讯的误码率越低。
因此，根据设备对实时性的不同要求（或设备通讯的不同优先级别），采取不同的通讯速率，如温度量的采样通讯速率可设置慢一些，而PLC、ACM等测量、控制单元采样的通讯速率快一些，使系统能快速捕捉信号的变化。
在满足实时性的同时，采取合适的通讯速率来保证数据通讯的可靠性要求。
（6）设备运行状态的自动检测
系统软件能根据设备对上位机通讯命令的不同反应（包括无反应），实时检测设备运行的状态。
一旦设备通讯不正常，系统能直观地报告发生的故障，并自动初始化通讯链接，力图恢复正常，以确保系统安全持续运行。
另一方面，各个智能设备单元软件带自检功能，能自动检测设备的运行情况，并通过通讯口报告设备自检情况，从而保证了系统的安全运行。
（7）数据保护处理
针对系统突然停机、冷热启动或时间改动对数据库造成的破坏、遗失等情况，应采取实时数据备份、安全性检查等保护措施。
一旦系统重新运行，系统首先自动读取保护信息，修补数据库，以便系统可靠运行。
什么是GPS
全球定位系统（GPS）是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。
其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。
经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。
全球定位系统由三部分构成：
（1）地面控制部分，由主控站（负责管理、协调整个地面控制系统的工作）、地面天线（在主控站的控制下，向卫星注入寻电文）、监测站（数据自动收集中心）和通讯辅助系统（数据传输）组成；
（2）空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个道平面上；（3）用户装置部分，主要由GPS接收机和卫星天线组成。
全球定位系统的主要特点：
（1）全天候；
（2）全球覆盖；（3）三维定速定时高精度；（4）快速省时高效率：
（5）应用广泛多功能。
全球定位系统的主要用途：
（1）陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；
（2）海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；（3）航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。
GPS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。
经过20余年的实践证明，GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。
GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。
GPS原理
24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。
由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。
考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。
事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。
由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。
为提高定位精度，普遍采用差分GPS（DGPS）技术，建立基准站（差分台）进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。
接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。
实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。
GPS前景
由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。
随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布2000年至2006期间，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米，这将进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激GPS市场的增长。
据有关专家预测，在美国，单单是汽车GPS导航系统，2000年后的市场将达到30亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。
可见，GPS技术市场的应用前景非常可观。
全球定位系统由三部分构成：
（1）地面控制部分，由主控站（负责管理、协调整个地面控制系统的工作）、地面天线（在主控站的控制下，向卫星注入寻电文）、监测站（数据自动收集中心）和通讯辅助系统（数据传输）组成；
（2）空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个道平面上；（3）用户装置部分，主要由GPS接收机和卫星天线组成。
全球定位系统的主要特点：
（1）全天候；
（2）全球覆盖；（3）三维定速定时高精度；（4）快速省时高效率：
（5）应用广泛多功能。
全球定位系统的主要用途：
（1）陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；
（2）海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；（3）航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。
GPS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。
经过20余年的实践证明，GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。
GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。
GPS原理
24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。
由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。
考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。
事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。
由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。
为提高定位精度，普遍采用差分GPS（DGPS）技术，建立基准站（差分台）进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。
接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。
实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。
GPS前景
由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。
随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布2000年至2006期间，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米，这将进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激GPS市场的增长。
据有关专家预测，在美国，单单是汽车GPS导航系统，2000年后的市场将达到30亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。
可见，GPS技术市场的应用前景非常可观。
GPS的定位原理
GPS的定位是利用卫星基本三角定位原理，GPS接收装置以测量无线电信号的传输时间来量测距离，以距离来判定卫星在太空中的位置，这是一种高轨道与精密定位的观测方式。
假设卫星在11,000英哩高处，测量我们的距离，首先以11,000英哩为半径，以此卫星为圆心画一圆，而我们位置正处于球面上。
再假设第二颗卫星距离我们12,000英哩，而我们正处于这二颗球所交集的圆周上。
现在我们再以第三颗卫星做精密定位，假设高度13,000英哩，我们即可进一步缩小范围到二点位置上，但其中一点为非我们所在的位置极有可能在太空中的某一点，因此，我们舍弃这一点参考点，选择另一点为位置参考点。
如果要获得更精确的定位，则必定要再测量第四个颗卫星，从基本物理的观念上来说，以讯号传输的时间乘以速度即是我们与卫星的距离，我们将此测得的距离称为虚拟距离，在GPS的测量上，我们测的是无线信号，速度几乎达18万6千英哩/Sec的光速，而时间却短的惊人，甚至只要0.06秒，时间的测量需要二个不同的时表，一个时表装置于卫星上以记录无线电信号传送的时间，另一个时表则装置在接收器上，用以记录无线电信号接收的时间，虽然卫星传送信号至接收器的时间极短，但时间上并不同步，假设卫星与接收器同时发出声音给我们，我们会听到二种不同的声音，这是因为卫星从11,000英哩远的地方传来，所以会有延迟的时间，因此，我们可以延迟接收器的时间，从此延迟的时间╳速度，就是接收器到卫星的距离，此即为GPS的基本定位原理。
在一般状况下，卫星传送伪乱码（PsendoRandomCode.）信号，伪乱码是GPS最基本的部份，其实它是最复杂的，它是一串0与1的脉冲讯号，由于他是如此复杂，以致于看起来像杂乱的讯号一般，这也就是我们称为伪乱码的原因。
为什么要将编码设计如此复杂呢?
让我们为您说明如下:
复杂的格式能让我们确定接收器所得的讯号并不会碰巧与一些不相干的讯号同步，也就是说这种复杂的讯号格式不可能与存在于大自然中的杂散讯号相同，每个卫星都有其独一无二的伪乱码（PRC），此种编码方式才不致与其它讯号相混淆，事实上，PRC也给了美国国防部（DoD）控制此系统的方法，而为什么将PRC设计的如此复杂还有一个重要的原因，就是为了使GPS变得更经济，这种码利用信息论放大GPS讯号，而不需要如同电视天线般的大碟天线来接收卫星讯号，您可能好奇为什么电视天线不也如此设计，来舍弃这种大碟天线呢?
其中的原因便在于速度。
一般而言，GPS卫星传送两种频率的载波L1（Link1）载波的频率为1575.42MHZ，L2（Link2）载波的频率为1227.60MHZ。
这两种载波可修正电离层迟滞效应的误差，在载波上除了状态讯息之外，并调制了2个供定时的伪乱码（PRC）:
1.C/A码（CoarseAcqusitionCode），频率为1.023MHZ，仅在L1载波上作调变，每1023位重复一次，以1MHZ的资料作调度，提供给一般民间使用。
但基于国家安全的考量，美国国防部刻意以无线电讯号干扰卫星上的原子钟，并宣告一些不准确的轨道参数来造成定位误差。
这即是所谓的SA（SelectiveAvailability）效应。
2.P码（PreciseCode），频率为10.23MHZ，每七天重复一次可同时采用L1及L2载波变，主要提供军事用途P码的频率大约是C/A码的10倍不但更为精确，也更不易被干扰，另外美国国防部增加了一种A.S.码（Anti-Spoofing），以将P码加密之后转换成Y码，一般用户无法译码，因此必须加装译码器，才可取得较高精度的观测量，况使用P（Y）码必须经过相关单位的核准，因此，这种伪乱码大部份只提供军方来使用，现在美国也发展展频技术，将可防止各种讯号的干扰。
GPS的精度
GPS所使用的精度可分为标准定位精度（SPS）及精密定位精度（PPS）二种:
1.标准定位精度（StandardPositionSystem，简称SPS）
使用C/A码来定位观测，通常可达100m之内的误差，这是在SA（SelectiveAvailability）开启状态之下，当SA关闭时，此差可降至30m左右，这是由于自然界中存在着许多差的因素,为了提高GPS的精度，我们可利用差分定位（DifferentialGPS）技术来做校正，通常精度可到2m至5m左右，甚至可达到次米级单位的程度。
2.精密定位精度（PrecisPositionSystem，简称PPS）
要达到PPS的精密定位精度，则必须使用P（Y）码才可达到，一般而言，PPS在水平方向通常可达到15m左右的精度,在垂直方向可达25m的精度，但由于P（Y）码取得不易，因此，目前要做精度定位观测，大多数使用者仍以C/A码配合DGPS来使用。
上述我们谈到，影响精度的原因是由于讯号在传送过程中，会受到自然界中各物质媒介的干扰，因此，我们在计算精度时，必须考虑这些干扰因素，接着我再为您做一些自然界中干扰误差的介绍:
1.大气层上的延迟误差
当GPS讯号经过电离层（Ionosphere）上一些带电性的粒子及对流层（Troposphere）上的水汽时，讯号便会产生角度的偏离而产生迟滞的现象。
2.多路径讯号传送误差（MultipathError）
GPS讯号传送并非从卫星上直接到达地面接收器，在到达接收器时，通常会经过各种地面物质的反射，因此会有一种讯号多复位位的叠合误差，这种情形就类似您有时在电视上会看到影像重叠不合的鬼影现象，即是此种误差效应的影响。
3.卫星时表误差（EphemerisError）
即使卫星是非常的精密复杂，它可以计算出一些极微小的讯息信息，如原子钟（Cesium）即是如此一个精准的装置，但是精准并不代表完美，因此仍会有一些微小的误差产生，即使卫星的定位会持续的被监控着，但并不是每一秒都处于被监视的状态之中，这期间一旦有微小的定位误差或卫星星历的误差产生，便会影响到接受器在定位计算时的准确性。
4.几何精度稀释（GeometricDilutionofPrecision，简称GDOP）
几何精度稀释听起来相当的复杂抽象，其实它的原理非常的简单，在上述我们所提到的，一个接收器可以在同一时间得到许多颗卫星定位信息，但在精密定位上，只要四颗卫星讯号即已足够了，一个好的接收器便可判断如何在这些卫星讯号当中去撷取较可靠的讯号来计算，如果接收器所选取的讯号当中，有二颗卫星距离甚近，二颗卫星讯号在角度较小的地方会有一个重叠的区域产生，随着距离愈近，此区域便愈大，影响精度的误差亦愈大。
如果选取的卫星彼此相距有一段距离，则讯号相交之处便较为明确，误差当然就缩减了不少。
DGPS原理
目前GPS系统提供的定位精度是优于10米，而为得到更高的定位精度，我们通常采用差分GPS技术：
将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。
根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。
用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。
差分GPS分为两大类：
伪距差分和载波相位差分。
1．伪距差分原理
这是应用最广的一种差分。
在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的 真实距离。
再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。
这种差分，能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分”。
2．载波相位差分原理
载波相位差分技术又称RTK（RealTimeKinematic）技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。
即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。
载波相位差分可使定位精度达到厘米级。
大量应用于动态需要高精度位置的领域。
近年来，江苏电网一次系统发展迅速，为进一步提高电网安全、经济、优质运行，ems（能量管理系统）应用软件基本功能在省、地调的应用和推广，实现电网调度从经验型向分析型转变，对电网实时信息在数据量、实时性、准确性等方面提出了更高的要求，传统的远动信息传输方式与应用之间的矛盾日益突出。
江苏电力数据网络是在高可靠性的光纤传输通道上建立宽带、高性能、综合多种业务的网
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