H9000水电站计算机监控系统.docx
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H9000水电站计算机监控系统
H9000系列水电站计算机监控系统
发布时间：
2011-01-24
引言
H9000系统是面向水利水电工程监控与自动化应用而研制开发的全新的分布开放计算机控制系统，它结合了当代国内外最新计算机硬件产品、软件产品、网络技术、实时工业控制产品与未来发展趋势，集中体现了北京中水科水电科技开发有限公司（中国水利水电科学院自动化所）在水利水电自动化领域近30年的研制开发经验，系统具有良好的可靠性、可变性、可扩充性和可移植性，支持异型机互联。
H9000系统V1.0版自1994年6月起大规模开发，于1996年完成了包括湖南凤滩及浙江湖南镇扩机在内的首批系统，其中湖南镇扩机工程计算机监控系统经一年的试运行稳定后，在国内首次实现了电站的关门运行，引起国电公司领导的高度重视。
1996年底完成向WindowNT平台移植，标志着水科院自动化所拥有可在UNIX和WindowNT两个操作系统平台运行的完全兼容的H9000系列分布开放系统。
H9000系统的推出，受到广大水电用户的欢迎和好评，已被广泛地应用于260多个各类大中小型水利水电自动化工程，如黄河上游梯级集控、东北白山梯级及白山蓄能、青海龙羊峡、公伯峡、湖南五强溪、东江梯级、凤滩及扩机、碗米坡、三板溪、洪江、浙江乌溪江梯级、贵州东风、乌江渡及扩机、陕西安康、四川美姑河流域、北京密云等大中型水电站，已经有200多套完整系统三年以上的成功运行经验。
1997年实施的东北白山梯级电站的“无人值班”（少人值守）计算机监控系统工程规模宏大，性能指标卓越，在国内水电站计算机监控系统首次成功地采用了超长距离的高速以太网通讯，实现了巨型机组的现地“无人值班”（少人值守）和远方监控。
该项目已于1999年3月29日至31日顺利通过技术鉴定，受到东北电管局及国家电力公司鉴定小组有关专家、领导及白山电厂有关人员的高度评价，其结论是系统总体国内领先，国际先进。
H9000系统还为白山、龙羊峡、紧水滩、乌溪江、东风及东江等六大水电厂先后顺利通过国电公司“无人值班”（少人值守）验收及创“一流水电厂”奠定了坚实的基础。
1996年，浙江乌溪江扩建电站采用H9000系统，成为我国首个关门运行的水电站。
2004年投运的黄河上游梯级电站集控系统实现了与公伯峡电站首台机组发电同步投运，已实现了龙羊峡、李家峡、公伯峡、苏只、盐锅峡、八盘峡等电站的接入和监视，实现了苏只电站的远方实时监控运行。
1998年至2005年，我们先后签订了5个监控系统出口合同，出口监控系统6套，其中埃塞俄比亚的TisAbay二级电站、马其顿科佳电站分别与2001年和2004年已全部建成发电。
2001年中国水利水电科学研究院自动化所与国外公司合作，联合中标三峡左岸电站计算机监控系统和三峡梯级调度中心自动化系统两大水电自动化工程，全面介入了三峡电站的自动化建设，并承担了多项重大功能的开发任务。
通过三峡工程的国际合作，使我们有机会及时地跟踪国际技术发展，进一步丰富和完善了H9000系统的功能和设计，保持H9000系统在国内的领先地位。
2005年6月21日，中国长江三峡工程开发总公司与北京中水科水电科技开发有限公司在湖北宜昌举行了隆重的长江三峡右岸电站计算机监控系统开发合同签字仪式，三峡右岸电站监控系统全部采用中水科技自主研发的H9000系统。
结合三峡右岸电站监控系统工程，我们对H9000系统进一步充实改进和完善，使H9000系统顺利升级到功能和性能更强大的H9000V4.0系统。
H9000V4.0系统主要针对巨型机组特大型电站应用进行开发，V4.0版与过去较大改进之处是进一步完善和优化了数据采集与处理、图形界面、报警处理、人机联系、报表管理、WEB信息发布、历史数据管理等功能，以满足巨型机组特大型电站对控制系统性能及功能的要求，不仅具有卓越的系统可靠性和可维护性，而且使系统更加开放、友好。
H9000V4.0系统不仅做到了UNIX和WINDOWSNT两个版本用户外部界面完全相同，具有相同的性能与功能，而且软件代码也兼容，进一步提高了系统的兼容性和可维护性。
目前，三峡右岸电站计算机监控系统已于2007年5月与右岸首台机组发电同步投入运行。
2008年10月全部12台机组投运完毕。
2010年又完成瀑布沟、积石峡等大型水电站计算机监控系统投运。
三峡左岸工程的国际合作和三峡右岸的独立实施，使我们积累了不可多得的巨型机组水电站监控系统的设计、开发和现场安装调试经验，为今后承担其它巨型电站的监控系统奠定了坚实基础。
在广大用户的大力支持下，通过我们的不断努力，H9000系统已经比较成熟、完善，现场投运均非常顺利成功。
通用化标准化设计开发的H9000系统，不仅适用于水电站、蓄能电站、抽水泵站、水电站群、梯级水电站的集中监控，也适用于引水调水工程、泵站、闸门、升船机、船闸、风电场、辅机控制及其他领域集中控制的计算机监控系统。
H9000系统的成功开发与现场运行，证明了中水科技是国内为数无几的全部依靠自己的力量开发的分布开放计算机监控系统、拥有百分之百自主软件版权并获得成功的厂家。
H9000已经成为水利水电自动化领域的国内外知名品牌。
我们将一如既往，不断努力奋进，为广大水利水电用户提供更先进的技术、更优质的产品、更满意的服务。
1.系统总体结构
H9000系列计算机监控系统是一个面向水利水电应用的分布开放控制系统，采用面向网络的分布式结构，具有良好的扩充性，可根据用户的需要，灵活配置，例如可配置成地简单的单机单网系统，或配置为多机多网冗余系统配置，也可配置成多厂的复合网络系统。
考虑到电站监控系统与梯级集控中心系统的兼容问题，H9000V4.0系统在信息地址编码设计中考虑了电站级的地址编码。
H9000系统的分层结构示意图
在具体的系统设计和功能配置方面，H9000系统一般分为电站控制层和现地控制层两层。
对于梯级水电站的远方集控系统，则可再设一个梯级集控层。
有关梯级调度控制层的配置及功能请参见有关H9000-CAS的资料。
电站控制层结构
根据系统可靠性或功能要求，电站控制层可配置一至两台数据库服务器，完成系统的应用计算与历史数据库管理工作，一至多台人机联系工作站，实现生产过程的监视与控制，实现对电站的自动管理。
系统设有若干台通讯服务器，负责本系统同其它系统的通讯，如网调、省调、水情测报系统、以及电厂内部的其他智能数据采集功能装置等。
电站控制层还可选配事故语音报警装置，可同电话系统、传呼系统联网，作为水电站“无人值班”（少人值守）自动化系统的必备选件。
另外，还可设置工程师工作站，培训仿真工作站，厂长终端等。
对于特大型电站，一般设置独立的历史数据库服务器，配有共享磁盘阵列，以及独立的数据采集服务器、应用服务器、通讯服务器等，采用双冗余配置。
当机组台数较多时，可适当多配置一台或若干台操作员工作站。
根据用户要求，本系统还可配制大屏幕投影系统、大屏幕电子显示屏或模拟屏。
电站的辅机控制系统相对独立，可与监控系统通讯形成有机联系的系统。
H9000V4.0系统典型结构
梯级集控层结构
梯级集控层的系统结构及硬件配置与电站控制层差异不大，一般差别仅在于硬件的性能指标应更高一些，如数据库服务器，设备的数量更多一些，如操作员站，在功能方面的重点是流域的发电计划与经济运行EDC、梯级AGC。
另外，一般流域机构的发电经营由梯级集控中心归口负责，因此硬件可配置电力市场报价终端。
无主设计的概念
H9000系统的总体设计技术采用了无主设计的概念，即系统中各计算机节点的应用软件配置基本相同，如数据库管理站、操作员站或工程师站，相同的软件配置根据不同的功能授权实现不同的功能。
当任何一个计算机节点出现故障时，可通过功能授权调整功能的分配。
如正常运行时，工程师站不具备现场设备的操作控制权，但经过权限的调整，可以进行控制操作。
因此，当一个系统具有多台计算机节点时，全部计算机同时出现故障的概率可以忽略不计。
目前由于计算机的硬件资源相对丰富，很多原先需要性能很高的设备完成的工作一般计算机也均能完成，因此，H9000系统现地控制单元的计算机基本上也可以完成主控级的人机联系任务，使系统的可控性进一步提高。
现地控制单元结构
现地控制单元层采用按单元分布的原则，一般每台发电机变压器组各设一个LCU，开关站设一个LCU，厂用电及全厂公用设备共设一个LCU，闸门控制设一套LCU。
若有模拟屏，则应设一个模拟屏驱动LCU。
根据机组装机容量的大小，机组现地有人值班与否，对LCU的可靠性要求也不同。
为提高LCU的可靠性，一般可采用结构冗余的方式。
可在影响LCU可靠性的每一个环节采取改进措施，如CPU、I/O机箱电源、通讯模块、I/O模块、机柜电源等，可进行双冗余配置。
根据目前应用经验，一般采用较多的冗余措施有双CPU配置，I/O机箱配置冗余电源，机柜采用交直流电源供电，双通讯模块或接口等。
对于特大型机组，为了减轻PLC主CPU的负担，机组测温系统可单独设置CPU，与主CPU采用现地总线通讯连接。
网络结构
H9000系统内部各节点采用开放的以太网联接。
根据电站规模、现场条件、对可靠性要求等情况，可采用单网或多网冗余、星型或环型光纤以太网的网络结构。
H9000系统支持工业标准局域网和广域网，如IEEE802.3以太网、快速以太网、X.25广域网、SDH，以及符合国际标准的各种现地工业总线，如MB+网、ProfiBus、DH+等。
与核心数据服务器的连接、主站之间连接可采用1000MB的高速网络接口。
通道可采用光纤、同轴电缆、双绞线或微波等。
对于十分偏僻遥远地区水电站，可以采用通讯卫星。
时钟系统结构
H9000系统内部采用统一实时时钟，使系统内LCU装置的CPU时钟偏差满足系统的要求，并与国际标准时间保持一定的精度。
对于巨型水电厂，由于智能设备多，相互之间距离远，可采用主钟和二级钟配置模式，即系统设一套主钟，每台LCU设置一套二级钟，负责与该LCU有关的智能设备的对时。
为了提高时钟系统的可靠性，主时钟可配置为双CPU。
BBS-3型卫星时钟系统
2.系统设备与软件选型
开放性是H9000系统设计中硬件、软件选型的重要因素。
H9000系统根据用户的需要，采用经过ISO9000质量标准认证的国际著名厂商生产的、性能价格比高的硬件产品。
H9000系统的设备选型原则是：
在保证系统可靠性、性能、质量、开放的同时，尽量减少设备的种类，以便增强系统内设备之间的兼容性、替换性，减少备品备件的数量，方便用户熟悉、掌握。
计算机设备
H9000系统电站控制层采用的计算机硬件可包括：
·各类符合开放系统标准的RISC服务器与工作站，如SUN公司的Sparc工作站、HP公司的64位Itanium工作站、Alpha工作站以及IBM公司的工作站等。
·各类PC工作站。
可编程控制器
现地控制单元采用高可靠性和较好开放性的可编程控制器为核心构成。
目前H9000系统支持：
·Schneider公司的UnityQuantum/Premium系列PLCI/O模板
·Siemens公司的S3/S7系列PLCI/O模板
·AB公司的ControlLogixPLC/SLC500PLC数据采集系统
·GE公司的GEPAC/90-70/GE90-30/VersaMAX系列PLCI/O模板
·BITCVX200/VX300系列PLCI/O模板
·ABB公司的AC450/400/160/70系列集散控制系统及PLCI/O模板
·OMROM公司的CH200/CH2000系列PLCI/O模板
·Koyo公司的SU-6PLC、SU-5PLC
其它设备包括各类进口原装的工业控制微机、一体化工控机、触摸屏、交流采样、转速继电器等。
网络设备
我们正处在一个快速变化的网络时代，网络技术发展日新月异，新产品层出不穷。
一般H9000系统内部通讯采用网络交换机，对外通讯采用路由器。
根据不同的需要，H9000系统可有许多种选择方案。
网络可选择星网或环网。
网络端口速率可选择10Mbps、100Mbps或1000Mbps。
端口类型包括电口及光口。
制造厂家可选择Hirschmann、CISCO、华为3COM、HP等。
软件环境
H9000系统的软件环境选型可包括：
操作系统：
UNIX（SUNSolaris/HPTru64UNIX），WindowsNT/2000/XP；
图形系统：
GTK,X/Window，Motif,MicrosoftWindowsGUI；
网络系统：
Ethernet（10/100/1000MB），TCP/IP，X.25；
实时数据库：
RTDB（符合SQL），关系数据库（Oracle,SQL或Sybase）（选件）；
编程语言：
ANSIC，C++，.Net，C#，PB等。
3.系统的主要功能
H9000系统是一个完整的高可靠性水电站实时闭环过程控制系统，可满足各种水电厂“无人值班”（少人值守）对计算机监控系统的功能要求，软件模块化结构，配置及扩充方便。
H9000系统功能软件结构示意图
其主要功能包括:
数据采集
现场数据包括模拟量、非电量、温度量、扫查开入量、中断开入量、数字量、脉冲量、串行口通讯量等，基本由LCU采集，少量由通讯服务器采集。
采样分定周期和变周期两种。
预处理包括有效性、合理性判断，软件虑波，输入线路误差补偿，标度变换，越复限比较以及格式化，报警或变位时间标记等，开入量还包括输入硬件防抖滤波和软件抗干扰滤波。
上述功能一般由现地控制层或电站控制层完成，个别情况下也可由梯级控制层完成。
针对巨型机组特大型电站数据量多、实时性要求高的特点，H9000V4.0按数据类型采用多TCP/IP连接并行工作模式以及多子进程、多线程技术，在同一数据扫描周期内完成多重数据传送请求与处理，满足特大型机组海量数据的高实时性数据采集的要求。
综合参数统计、计算与分析
根据实时采集到的数据进行周期、定时或召唤计算分析，形成各种计算数据库与历史数据库，帮助运行人员对有关电厂设备的运行进行全面监视与综合管理，如：
·运行阻抗计算与监视
·机组平均耗水率、平均效率计算
·机组温度分析计算
·电量分项分时累加，峰谷分项累加。
·水量累加计算
·主要动力设备运行统计计算
安全监视与模糊查询
安全监视是监控系统的重要功能之一。
正常运行时，运行人员能通过系统的人机联系手段，对梯级各电站的各类设备运行状况进行监视管理，当发生异常时，能对发生的异常情况进行记录，并发出语音、声光信号报警，根据预定的策略进行处理，并能为运行人员查找原因提供非常方便的手段。
必要时，能将报警信号送入电话系统或传呼系统。
·事件顺序记录
·故障报警记录
·参数越限报警与记录
·电气主设备操作记录
·事故追忆（可在线定义）
·趋势分析（可在线定义）
·画面软拷贝
·画面硬拷贝（选件）
·计算机系统综合信息记录
监控系统提供模糊查询功能，运行维护人员可根据报警信号类型、信号源的设备、电站以及时间段进行分类、筛选、搜索和查询各类报警信号，便于在众多的报警信号中迅速挖掘出与某一电站、某一设备、某一信号在某一时间段内的运行情况。
各模糊查询选项可任意组合。
H9000智能报警与模糊查询系统界面
语音报警、电话自动报警及查询
监控系统可对系统数据库进行设置定义，当发生事故时，监控系统可根据定义声光信号，进行语音报警、电话自动报警、传呼报警或手机短信息报警，实现On-call。
根据需要，可将几个电话、手机或传呼机号码按一定的优先级顺序排列，发生事故时，系统根据定义的顺序依次进行呼叫，自动启动电话、手机短信息或传呼系统进行报警。
系统还提供电话查询功能，On-call人员或其它人员均可通过电话查询有关电站设备的当前运行情况，如有无故障及故障报警信息，重要运行参数等。
On-call技术已成为水电厂实现“无人值班”（少人值守）的重要设备。
模拟光字牌
光字牌是电站运行人员比较熟悉的运行设备。
监控系统可提供两种形式的光字牌，一种以硬件的方式设置在LCU的盘面上，另一种在上位机工作站以画面的方式模拟光字牌。
画面显示
监控系统采用开放的图形硬件平台，人机界面软件基于最新的GTK图形标准，具有程序编程代码运行效率高、可在Unix和Windows两个平台下运行的特点，保持在数据模型及数据代码的兼容的特点，实现平台之间图形系统源代码级的兼容。
人机联系软件界面新颖美观大方，显示直观易懂，操作手段简便、灵活，支持国际语言，具有多窗口无级缩放、矢量汉字、细节显示等功能，面向目标编程，全鼠标驱动，图形操作，多级下拉式菜单加多级弹出式菜单操作，人机界面非常友好，具有面向对象操作的特点。
全部人机联系工作站具有交互作图功能，并可显示多媒体图形。
H9000系统的人机联系界面风格
系统向用户提供了便利的图形及报表开发工具软件，系统对用户开发的画面数量原则上不做限制。
同时，系统的性能指标不会因为画面或图表数量的增加而受影响。
信息可采用图形、数字、信号灯、表格、曲线等表示方式，表现方式灵活多样，并可采用立体三维、实时动画的方式。
系统还可方便地采用专业图形表示电站的运行状态，如发电机P-Q图、闸门水位图、模拟仪表等。
事故追忆与回放（PDR）
事故追忆功能可记录触发事件发生前后全部断面数据，记录时间长短可定义。
用户可定义不同的事故追忆内容。
PDR记录的数据包括预定义的模拟量、状态量等数据。
触发方式包括扰动触发、人工触发等。
事件过程记录数据可浏览和重演，并可以单线图、表格等方式重现。
H9000系统的事故追忆与回放功能界面
WEB信息发布（选件）
监控系统可设WEB信息发布系统。
系统的信息发布由WEB信息发布服务器软件加WOIX软件构成，客户端采用IE浏览器，管理信息系统不再需要与监控系统进行复杂的数据规约转换及数据通讯，也不需要存储和管理这些数据，只需建立一个网络链接，运行管理人员便可访问WEB服务器，浏览查询现场设备及系统的运行情况。
H9000系统的WEB信息发布系统界面
点信息查询功能
H9000系统画面中的每一个动态连接点都有一个点信息按钮，可以方便地访问该点在数据库中的全部信息，如点名、输入输出地址等，对于现场调试、数据库IO点的管理维护非常方便。
H9000系统的点信息查询界面
自动发电控制（AGC）
H9000系统AGC功能监视与控制界面
主要根据系统对梯级有关电站的要求，如调功、调频等运行方式，对系统的频率、稳定极限进行监视，自动进行有关电站机组起、停控制，机组有功功率自动调整，低频自起动与高周减出力，减轻运行人员的劳动强度，提高电能生产质量，满足新型的电力市场对电力生产单位的电能质量的要求。
经济运行（EDC）（包括梯级或水电站群联合经济运行）（选件）
梯级水电站或水电站群联合经济运行是集中控制系统的重要功能之一。
经济运行程序根据给定梯级总有功功率（或日负荷曲线）设定值，以梯级水电站或水电站群发电总耗水量最小为优化准则，计及各种约束条件，如水位、水位变幅、发电下泄流量、系统稳定等，确定整个有关电站的最佳开机台数、开停机顺序以及机组间负荷的优化分配，进行机组的自动开停机控制与负荷调节。
自动电压控制（AVC）
主要根据给定的有关电站高压母线电压控制曲线，监视高压母线电压变化，自动调节有关电站机组无功功率，使有关电站的母线电压维持在给定的控制曲线范围内。
电站设备的指令操作控制
系统操作控制画面与控制菜单
计算机系统允许运行人员对梯级电站设备进行人工操作控制，主要指令操作有：
机组起、停操作，高压断路器、隔离开关投切操作，厂用电系统断路器投切操作，公用设备、机组辅助设备的启停操作等。
调节操作有：
机组有功、无功的调节，及其它参数的整定与修改等。
防误操作功能
系统具有完善的防误操作功能，可以确保由计算机系统发出的命令安全可靠。
用户不需编程，只需将要进行将各种操作闭锁关系按规定的格式填入定义文件，建立相应的数据库即可。
ControlLock会自动对计算机系统的各项指令进行条件判断，满足条件则执行，不满足条件则闭锁，并给运行人员进行闭锁原因提示。
LCU收到命令后需进行条件判断再执行命令。
运行指导（选件）
运行指导可将梯级有关电厂重要而又复杂的运行操作条件输入计算机系统，在进行这些实际操作之前，进行当前实际条件下的模拟操作，由计算机完成复杂操作联锁条件的分析判断，可以大大减轻运行人员的劳动强度，提高电站的安全运行水平。
模拟操作可以包括：
机组开、停机操作，隔离开关模拟操作，厂用电系统倒闸模拟操作等。
培训仿真（选件）
系统可配置操作员培训仿真工作站或培训仿真系统，建立现场被控对象的有关数学模型。
操作员在培训仿真站上可进行监控系统有关控制功能的模拟操作，并可得到相应的信号反馈，对操作的正确与否给予指导提示。
操作票（选件）
对有关电厂常用的重要操作如开、停机操作、倒闸操作等，系统具有专用操作票画面，内容包括有关主结线、设备状态、人机联系手段、操作步骤语句等。
并可进行操作票的编辑、修改、打印。
数据库管理
H9000系统的RTDB实时数据库为网络型分布式数据库，所有数据共享都通过网络服务实现。
系统的服务器保留完整的系统实时数据库和历史数据库，其他各点一般只保留完整的实时数据库。
数据库的数据具有多种存取方式，即可顺序存取，亦可直接存取，网络透明，用户不必考虑数据的存储地点。
历史数据管理（选件）
根据用户需要，H9000V4.0系统也可提供由Oracle、SQL或Sybase等关系数据库（选件）构成的HistA历史数据管理系统。
HistA的历史数据存储、查询与维护管理与RTDB协调一致。
方便高效的商业历史库数据表结构设计，可实现大容量海量数据的秒级存取。
数据组包技术，数据压缩，数据插值。
HistA历史数据管理为用户提供了通用开放的应用扩展接口。
由HistA子系统完成H9000V4.0系统的历史数据存储、查询与维护管理功能，以Oracle等商用数据库为后台数据库，C/S体系结构，不仅可将实时数据按不同
周期自动存入历史数据库，形成各类报表数据，而且可以将各类报警信息、趋势记录等自动存入数据库，形成各类报警记录历史数据。
历史数据可包括：
各类报警信息、温度趋势分析记录、相关量记录信息、重要运行工况转换记录、各种历史曲线、报表数据等。
打印制表
H9000系统可随机自动打印记录系统和梯级有关电站运行的各种操作、事故、故障等各类报警语句，自动生成并自动定时或召唤打印各类报表、全天记录及运行日志等。
系统同时保存一年的报表和报警历史数据，可随时查询及打印。
运行日志可由HReport工具软件定制，并可WEB发布。
系统通讯
H9000系统内部的以太网通讯，采用TCP/IP协议，H9000规约。
H9000系统与对外通讯可采用RS232、计算机局域网或远程网的方式，视通道条件和通讯对方条件而定
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