淺析水電站計算機監控系統網(wǎng)絡(luò )結構分析
摘要：介紹和分析幾種適用于中、小型水電站計算機監控系統網(wǎng)絡(luò )結構的特點(diǎn)與適用性，并對文山州部分水電站目前計算機監控系統網(wǎng)絡(luò )結構存在的問(wèn)題提出建議。
關(guān)鍵詞：水電站;計算機監控;結構;建議
1、概述
近年來(lái)，隨著(zhù)水電站計算機監控技術(shù)的成熟與普及，計算機監控技術(shù)在中、小型水電站中得到廣泛的運用。從2000年以來(lái)，文山地區新建的水電站基本都采用了計算機監控系統，但在計算機監控系統網(wǎng)絡(luò )結構上，部分電站存在一些細微不足，卻關(guān)系到監控系統的穩定和安全。
2、水電站計算機監控系統網(wǎng)絡(luò )結構
2.1 集中式監控系統集中式監控網(wǎng)絡(luò )結構是基于現場(chǎng)總線(xiàn)聯(lián)接的實(shí)時(shí)通訊網(wǎng)絡(luò )，如圖1所示。因其一般只設一臺計算機對全廠(chǎng)進(jìn)行集中監控，故稱(chēng)集中式監控系統。這種系統的特點(diǎn)是不設采用計算機的現地控制級設備，所有監控功能在一臺主機上運行。因而只要計算機一出故障，整個(gè)控制、監測系統就癱瘓，只能改為手動(dòng)運行，可靠性低。其次，所有信息都在主機上處理，監控性能也受限制。但這種系統簡(jiǎn)單、造價(jià)低、投資少，只適用于對監控要求不高的小型水電站綜合自動(dòng)化系統。
2.2 分層分布式監控系統分層控制方式是將整個(gè)控制系統按控制的性質(zhì)、復雜的程度和組織結構分成不同的層，由各層來(lái)完成分配給他們的監控功能，各層之間有一定的制約和協(xié)調關(guān)系。水電站的控制對象主要是水輪發(fā)電機組、開(kāi)關(guān)站、公用設備、閘門(mén)等。按控制對象設置單獨的控制，稱(chēng)作現地控制單元。電廠(chǎng)控制層也設計算機，負責一些全廠(chǎng)性功能。電廠(chǎng)控制層本身也可以是一個(gè)功能分散的系統，有多臺計算機組成。
當某個(gè)控制單元發(fā)生故障，只影響到該部分設備，而不會(huì )影響到整個(gè)電廠(chǎng)的運行。由于分層分布式監控系統的以上優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)新建設的水電站監控系統幾乎都采用這種方式。
隨著(zhù)水電站計算機監控技術(shù)的發(fā)展，在分層分布式監控系統中，常用的網(wǎng)絡(luò )結構有以下幾種：
2.2.1 一體化工控機分層結構圖2為采用一體化工控機上以太網(wǎng)方式，為全開(kāi)放、分層、分布式結構，PLC、采樣裝置、溫度巡檢、勵磁、調速器等設備通過(guò)一體化工作站與上位機系統通信。這種結構主要考慮的是在上位主機故障時(shí)現地工控機仍可獨立運行。即所有現地單元均可以各自獨立運行。每個(gè)單元都是由工控機和可編程控制器(PLC)及各個(gè)專(zhuān)用功能裝置或設備構成，并可以設計成具有各自獨立的現地操作、監控功能。該系統功能豐富、人機界面友好、可靠性高，但是投資略高。
2.2.2 P 直接連接以太網(wǎng)結構1圖3為采用PLC直接連接以太網(wǎng)的全開(kāi)放、分層、分布式網(wǎng)絡(luò )結構。采樣裝置、勵磁、調速器等設備與通訊管理裝置與PLC連接，通過(guò)PLC與上位機系統通信�，F地采用與PLC通信的工業(yè)級觸摸屏作為人機界面，系統可靠性極高、性?xún)r(jià)比高，設備直接上網(wǎng)，便于網(wǎng)絡(luò )控制和管理，系統響應速度大大提高。適用于通信協(xié)議較少，對監控系統要求較高的中、小型水電站自動(dòng)化結構。
2.2.3 PLC直接連接以太網(wǎng)結構2圖4為采用PLC與通訊管理裝置都直接連接以太網(wǎng)的結構。設備數量及功能方式與前種結構都相同，但區別只在于在現地控制單元通訊管理裝置與PLC通訊的同時(shí)，通訊管理裝置也直接接入以太網(wǎng)，實(shí)現雙通信網(wǎng)絡(luò )。該結構較之前幾種方式，通信上更可靠。例如運行中PLC死機，只影響到對設備的操作控制，但在上級監控層仍然能監視到與通信管理裝置連接的設備運行參數。較之前幾種結構，就是多增加了通信光纖及相關(guān)設備，投資也相應增多。
2.2.4 冗余組網(wǎng)結構該結構的硬件要求采用多層次的冗余措施，如通訊服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò )交換機、網(wǎng)絡(luò )通道、UPS、現地總線(xiàn)、機箱電源、機柜電源等，都實(shí)現冗余配置，并對PLC擴充雙CPU、雙電源、I/O模塊熱插拔等功能，系統要求由軟件實(shí)現冗余設備的檢測與故障診斷，實(shí)現冗余部件的無(wú)擾動(dòng)切換，確保系統中某一部件的故障或退出都不影響系統的正常運行。該方案系統功能極為豐富，可靠性極高，適用于對監控系統要求極高的大、中型水電站監控系統。
3 文山州地區部分水電站計算機監控系統網(wǎng)絡(luò )情況
2000年投運的東方紅原三級、五級電站在文山州地區率先采用計算機監控系統，并成功使用以后，2000年以后建設的電站都采用了計算機監控。
東方紅原五級電站的計算機監控系統結構選用的是一體化工控機分層結構。除以太網(wǎng)光纖交換機因老化原因導致監控系統電廠(chǎng)控制層一臺上位主機短期故障外，長(cháng)期以來(lái)運行情況良好。在光纖交換機故障期間，另一臺上位主機及各現地控制層都能正常工作。這充分體現了一體化工控機分層結構在上層監控設備故障情況下，影響不到現地層監控設備的優(yōu)點(diǎn)。
東方紅原二級電站在受災恢復后，其計算機監控系統采用的是本文介紹的“PLC直接連接以太網(wǎng)結構1。該結構在現地單元沒(méi)有工控機，投資也相對較省。長(cháng)期運行情況良好，但特點(diǎn)就是現地層功能簡(jiǎn)單。在現地對設備的監測、控制通過(guò)觸摸屏實(shí)現人機交流，但也就只有這兩樣功能。諸如信號類(lèi)、數據越限報警、其他設備(例如勵磁、調速器等)通信量等等在現地控制單元就無(wú)法讀取。
基本上不管采用的是哪一種網(wǎng)絡(luò )結構，目前文山州幾個(gè)水電站的計算機監控系統運行情況都基本良好，系統監控功能都基本實(shí)現。所以以上兩種常用結構在本地區都有廣泛運用。谷拉電站、威龍電站采用的是一體化工控機分層結構，那么果河六級電站采用的是PIJ2直接連接以太網(wǎng)結構1。
4、實(shí)踐運用分析
通常對計算機監控系統要求著(zhù)重的是產(chǎn)品選型、功能軟件等方面，其網(wǎng)絡(luò )結構在中、小水電站中認為不是很重要。其實(shí)不然，化學(xué)有術(shù)語(yǔ)“物質(zhì)的結構決定物質(zhì)的性質(zhì)”，在計算機監控系統中，也可以說(shuō)“系統的結構決定功能和可靠性”。
集中式監控系統和冗余組網(wǎng)結構，前者是很不可靠，后者極度可靠但投資也很高。下面對幾種常用計算機監控系統結構的可靠性和功能分布做簡(jiǎn)單分析。
4.1 一體化工控機分層結構一體化工控機分層結構中不難看出，現地單元的所有設備通信都是通過(guò)現地工控機集中后接人以太網(wǎng)提供給其他終端的，一旦該機故障，不論廠(chǎng)級控制層(中控室)或現地控制單元(機組屏)對該單元的所有監測、控制及相關(guān)的功能就都不能實(shí)現，可視為該單元癱瘓。作為一臺計算機，在現場(chǎng)受灰塵、溫度、濕度、振動(dòng)等影響，其故障率相對較高，并且該設備維修時(shí)間較長(cháng)，還涉及到計算機硬件、操作系統、監控軟件、數據、計算機設置等方面都有可能影響到該機的長(cháng)期可靠工作。例如文山某電站投運后不久，機組現地控制單元的一體化工控機硬盤(pán)就出現壞道，導致該計算機故障。
另外，交流采樣裝置和PLC都是分別與工控機通信，PLC不能直接讀取發(fā)電機電氣參數，對機組的控制流程存在影響。因為PLC運行穩定可靠，一般機組的順控流程都是做在PIE里，但此結構PLC不能直接讀取采樣數據，故該網(wǎng)絡(luò )結構的機組流程在開(kāi)機并網(wǎng)后，不能實(shí)現自動(dòng)帶基負荷;在現地手動(dòng)啟動(dòng)順控停機按鈕時(shí)，也不能實(shí)現機組自動(dòng)減負荷，其動(dòng)作是從直接解列機組開(kāi)始。
4.2 PIE直接連接以太網(wǎng)結構PIE直接連接以太網(wǎng)結構不管采用單網(wǎng)還是雙網(wǎng)結構，其整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的可靠性都提高了，同時(shí)也完善了部分功能，目前應用較為廣泛。但如果現地人機設備選用的是觸摸屏，存在的缺點(diǎn)就是現場(chǎng)監測量少，無(wú)信號報警等，對值班員在現地的操作帶來(lái)很大不便。簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是人在現地通過(guò)觸摸屏能得到的數據較少，在現地操作過(guò)程中，不能有效地對機組的自動(dòng)控制進(jìn)行監視。
5、建議改造方案(以谷拉電站為例)
通過(guò)以上對中、小型水電站計算機監控系統網(wǎng)絡(luò )結構的應用情況，如因網(wǎng)絡(luò )結構出現故障或故障率高的、或較為重要的電站，建議改造為PLC直接連接以太網(wǎng)結構。谷拉電站裝機容量為2×20 MW，電站計算機監控系統結構采用的是一體化工控機分層結構，現地控制層配置有3個(gè)單元，即1號機組LCU、2號組LCU、公用I.EU。每個(gè)現地控制單元配置有1臺一體化工控機，電廠(chǎng)以太網(wǎng)通過(guò)1臺24口交換機實(shí)現連接，結構形式與圖2相同。
建議在每個(gè)現地控制單元增設1臺通訊管理裝置及1個(gè)光纖通道(公用LCU可以不用光纖數據)。
原來(lái)的光纖通道不變，繼續實(shí)現一體化工控機與以太網(wǎng)的連接，新增的光纖通道用來(lái)實(shí)現PLC與以太網(wǎng)的連接。通訊管理裝置完成與交流采樣裝置、溫度巡檢裝置、勵磁系統、調速器等設備的通信，數據通過(guò)PLC及一體化工控機同時(shí)上送至以太網(wǎng)。
改造后監控系統結構如圖5所示，其系統結構年8月開(kāi)始，合同要求第一臺機組發(fā)電2006年6月30日，合同工期34個(gè)月，經(jīng)過(guò)工程建管部及各參建單位的努力第一臺機組于2006年3月底順利投產(chǎn)發(fā)電，為各方帶來(lái)良好的經(jīng)濟效益。通過(guò)對項目目標控制方法的不斷探索和實(shí)踐，在工程管理和控制方面形成了一些較有特點(diǎn)、較為成功的做法。
1)通過(guò)合理規劃、精心設計、采用工程先進(jìn)技術(shù)、采取科學(xué)優(yōu)化等舉措，控制工程的投資，節約建設成本。從工程前期設計到工程現場(chǎng)施工，昆明勘測設計院堅持以設計為重點(diǎn)進(jìn)行項目的投資控制，組織專(zhuān)家、設總跟蹤工程進(jìn)度，了解現場(chǎng)實(shí)際情況，與建管部共同研究施工方案的科學(xué)實(shí)施辦法，設計不足的地方采取補救措施，避免盲目施工，依據工程實(shí)際發(fā)生情況，提出優(yōu)化方案并進(jìn)行科學(xué)論證，既避免了重復返工造成的投資浪費，又優(yōu)化了工程合理布局，有效的減少建設成本。
2)通過(guò)嚴格、嚴密的工程招標是控制投資的又一方式。組織經(jīng)驗豐富的專(zhuān)家、主要設計人員審核工程招標文件，嚴格審查參與投標的單位，在公平、公正、公開(kāi)競爭的良好環(huán)境，以最合理的合同價(jià)獲得最好的施工隊伍和可靠施工技術(shù)方案以及產(chǎn)品過(guò)硬的設備供貨商，使工程投資目標得以良好實(shí)現。
3)采用合同管理方式建立獨立的工程質(zhì)量監理。工程質(zhì)量是工程總承包首要目標，其關(guān)系到社會(huì )公眾利益、生命和財產(chǎn)的安全。建管部以制度化作為抓好工程質(zhì)量的根本保證，建立層層負責的質(zhì)量責任制，形成全過(guò)程、全方位的質(zhì)量保證體系。工程監理合同中規定：工程監理單位必須同時(shí)與施工單位各自獨立地進(jìn)行全部工程的質(zhì)量檢測，包括必須使用獨立的檢測儀器和工具;獨立地實(shí)施質(zhì)量檢測;獲取獨立的檢測數據和資料;提交獨立的檢測報告等。這樣在每一個(gè)分項工程上，建管部同時(shí)得到分別來(lái)自監理單位和施工單位的各自獨立的兩套質(zhì)量檢測與評估報告，可以切實(shí)掌握工程質(zhì)量的真實(shí)情況，確保工程獲得合格的施工質(zhì)量。
4)建立工程總承包建設管理中建管部、參建施工單位之間的一切行為均以合同作為惟一依據的原則，合同運用于項目管理的各個(gè)方面，以合同、經(jīng)濟手段管理和實(shí)施工程施工。各方履行各自合同職責，這樣大大減少工程施工過(guò)程中各參建單位之間的扯皮現象，工程進(jìn)度和工程投資得以較好的得到控制。
5)在工程質(zhì)量、進(jìn)度、投資得到有效控制的同時(shí)，在建管部上級領(lǐng)導的支持下，以重要進(jìn)度節點(diǎn)提前實(shí)現作為目標，采取適當的經(jīng)濟刺激措施，提高參建單位的工作積極性和工作效率，可以將工程工期大大縮短。在現在的水電工程建設市場(chǎng)運作中，這種手段的采用往往會(huì )取得工程上事半功倍的效果，既為業(yè)主帶來(lái)經(jīng)濟效益，也能為項目總承包者帶來(lái)好的社會(huì )效益。
6)市場(chǎng)經(jīng)濟環(huán)境下的水電工程總承包運作，需要一定知識經(jīng)驗的市場(chǎng)分析人才，從市場(chǎng)角度掌握工程建設材料的價(jià)格變動(dòng)，適當運用市場(chǎng)經(jīng)濟分析，采購存放一定數量的建設材料，運作得當，也能為工程創(chuàng )造不菲的經(jīng)濟利益。
大盈江三級水電站工程總承包建設組織模式、工程招標和合同管理制度化、規范化管理的方法在工程實(shí)施中取得了良好的效果和成績(jì)，在以后的項目總承包建設中還需要進(jìn)行深入的研究和探索，將總承包建設管理模式加以完善，更能適應未來(lái)規范化的市場(chǎng)經(jīng)濟大環(huán)境。
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