水电厂自动化系统开发应用研究（2）

4.4 、基于对象技术的分布式监控系统
计算机硬件技术发展迅速，给软件开发提供了广阔的平台。软件技术发展到现在除了遵循开放系统标准以外，还应遵循面向对象技术的标准，如：SUN公司的Java RMI、Microsoft公司的COM/DCOM。水电厂计算机监控系统由于面向对象的复杂性和多样性，基于面向对象的技术应用将水电厂运行设备如发电机组、主变、开关等抽象为对象。从系统设计、编程语言选择到用户界面等一系列过程都依据面向对象的理念、原则和技术，这样工作的结果将给用户带来使用和维护上的极大方便。
5、 水电厂自动化系统的技术措施
水电厂自动化系统必须具备完备的硬件结构，开放的软件平台和强大的应用系统。
5.1、 系统结构
目前监控系统的结构基本上以面向网络为基础，系统级设备大多采用Ethernet或FDDI等通用网络设备连接高性能的微机、工作站和服务器，在被控设备现场则较多地采用PLC或智能现地控制单元，再通过现场总线与基础层的智能I/O设备、智能仪表、远程I/O等相联接，构成现地控制子系统，与厂级系统结合形成整个控制系统。
随着安全生产、经济管理及电力市场等功能的扩展，对计算机系统的能力也提出了更高的要求，在系统级设备中64位的工作站、服务器的选用已是绝大多数系统的必然选择，Intel公司的64位Titanium CPU和微软公司64位Windows操作系统也即将推出，它将带给基于PC和Windows平台的监控系统用户以巨大的寻址空间和远远胜于32位PC的强大运算处理能力。高速交换式以太网（100M bit/s or lG bit/s）技术的发展克服了以往低速以太网在实时应用上的不足，其更具开放性的标准，众多生产厂商的支持，使其无论是在设备的选购，产品的更换、产品的价格、硬软件的可移植性等诸多方面都比FDDI等其它网络产品有着明显的甚至是无法替代的优势。
对于现地控制单元，智能控制器加上现场总线技术应是一个好的发展趋势，根据IEC标准及现场总线基金会的定义：现场总线是连接智能设备和自动化系统的数字式双向传输、多分枝结构的通信网络。它具有如下技术特点：
＃系统开放性；
＃互可操作性与可用性；
＃现场设备的智能化与功能自治性；
＃系统结构的高度分散性；
＃对现场环境的适应性。
机组容量变大、控制信息量增多，控制任务功能增加，控制负荷加重、网络通信故障都会造成现地控制单元控制能力的降低。针对水电厂被控制对象分散的特点，采用现场总线将分散在现场的智能仪表、智能I/O、智能执行机构、智能变送器、智能控制器连接成一体。正好体现了分散控制的特点，提高了系统的自治性和可靠性，节省了大量信号电缆和控制电缆。所以说，使用现场总线网络较适应分布式、开放式的发展趋势。当然，现场总线控制系统主要是要有分散在被控对象现场的智能传感器、智能仪表、智能执行机构的支持，而目前在水电厂中这些还是大量的旧式装备。只能逐步过渡，最后取代旧式的数字/模拟混合装备和技术，形成全新的全数字式系统。
5.2、 软件系统平台
5.2.1、支持软件平台和应用软件包向通用化、规范化发展
为适应开放化、标准化、网络化、高速化和易用化的发展技术，计算机监控系统中的软件支持平台和应用软件包应更趋向于通用化、开放化和规范化。从电力行业高可靠性的要求出发，在大中型水电厂监控系统中的UNIX操作系统等得到广泛的应用，中小型水电厂因较多采用PC构架的计算机，所以较多地采用Windows操作系统。数据库方面由于商用数据库在电力生产控制的实时性上还难以充分满足要求，专有的实时数据库＋商用的历史数据库形式，这是目前较为普遍的结合方式。由于部分数据库的专用性带来了数据变换的不便，在现今电力行业推进信息化和数字化建设的大背景下它的不适应性就凸现出来，较好的办法是遵循统一的标准接口规范，使大家可在统一的"数字总线"上便捷地进行数据交换。
5.2.2、Web、Java等新技术的应用
Web及面向对象的Java等新技术将越来越多地引入计算机监控系统。笔者了解到南瑞自控新近开发的NC-2000监控系统，全面采用了面向对象的开发技术，人机界面采用跨平台的Java来实现，它不仅给用户提供了更加方便地进行可编程二次开发的功能丰富多彩的界面，而且由于Web、Java等技术的采用，前台操作员站的应用支撑软件大大减少，可以实现真正意义上的"瘦客户机"。如在大中型电厂用高性能的UNIX工作站或服务器作为全系统的主控机和数据服务器，而用PC机作为操作员站，由Java一次编译，多处运行的特性，不仅可轻松地在操作员站和主处理器等监控系统内的节点获得同样的人机界面，加上Internet/Intranet和Web技术的支持，更可在厂领导办公室、总工办公室和生产等部门任何联网的地方直接浏览到同样的界面，甚至于在任何地点经电话接入后的微机也可以浏览到同样的界面（为保证安全需增加必要的安全措施）。
5.2.3、功能强大的组态工具
用户无需对操作系统命令深入了解，也不需要复杂的编程技巧，不论是在UNIX系统上还是在Windows系统上，都可通过组态界面十分方便地完成：
＃数据库测点定义；
＃对象定义；
＃现地控制单元的各种模件定义；
＃处理算法定义；
＃通信端口；
＃通信协义的定义。
顺序控制流程生成、检测、加载等各种功能的应用定义以及维护，很多功能只需点击鼠标进行选择，既快捷方便，又避免了使用编辑程序产生的输入错误，真正体现主系统服务的面向对象、可靠、开放、友好、可扩展和透明化。
5.3、强大的应用系统
计算机技术发展到今天，其性能越来越高，其应用也就越来越广泛。随着无人值班工作向纵深发展，也向计算机监控系统无论是系统结构上，还是功能上都提出了更高的要求，现就几个方面说明如下：
5.3.1、历史数据库系统
历史数据库系统实际上是监控系统的一个组成部分，只是将原来监控系统中需要历史保存的数据、事件和相关信息进行分门别类的存放在商用数据库中，供需要时进行查询、打印或备份。历史数据库系统以单独的计算机来实现，具有美观的人机界面，方便的操作方式和丰富多彩的显示形式。这样的配置既减轻了监控系统的负担，减化了监控系统的软件复杂性，增加了监控系统的实时性，还能通过标准数据库接口SQL、ODBC、JDBC等与其他系统互连，如MIS系统。
5.3.2、电能量监测系统
水电厂中每台发电机、每条线路甚至每台主变都安装了电度量表，传统的电度量采集一般采用由电度量表输出电度量脉冲到计算机监控系统的方式来实现的，由于监控系统的设备环节比较多，在监控系统中必须设定电度量初值，一旦有设备退出工作或工作不正常，电度量测量就有误差或以前的测量值丢失，需要重新设定其初值，这种方法实际上无法保证电度量监测的结果正确性，而且维护的工作量也很大。
目前，市场上有一种智能电度量表，它具有智能通信接口。这种电度量表能完整地保存电度量数据，并随时可以通过通信接口取得电度量数据。因此，以这种电度量表为基础，通过电度量表的通信接口，回聚在一起，配备历史数据管理功能的计算机就可以形成电度量监测系统，该系统既可以相对独立，也可以与监控系统互相通信，实现信息共享，为水电厂运行管理提供可靠依据。
5.3.3、效率检测系统
水轮机效率的实时监测对电站的经济运行有着重要的作用。水轮机的在线监测既可用于水电厂机组在安装竣工或大修结束后的现场验收试验，以便检查设计、制造、安装和检修质量是否满足要求，又能通过对机组运行性能进行长期连续监测，提供在不同的水流和工况条件下水轮机性能的实时数据，为确定电厂经济运行中的开机台数和负荷优化分配以及机组的状态检修等提供参考。因此，水轮机效率在线检测一直是实现电厂经济技术指标考核和经济运行的一个重大科技攻关课题。但是多年来，一方面由于流量的在线检测技术还未能得到广泛的推广应用，另外，由于种种原因的限制，也使效率测试难以在电厂发挥其应有的作用。因此尽管随着计算机、通信、信息及测控等一系列新技术的迅速发展和在电厂的广泛应用，给效率在线检测项目的开发提供了成熟的技术基础。当前，以厂网分开为基础的电力体制改革方案已经出台，电力市场竞价上网亦将成为必然的发展趋势。因此，在保证安全运行，满足电力系统要求的基础上，不断提高水资源利用率和设备可用率，减少运行和维护费用，已成为每个电厂迫切需要开展的工作。
5.3.4、运行人员培训仿真系统
计算机监控系统面对着实际的运行设备，肯定不能在上面随意操作，否则会出现误操作行为，造成事故，任何水电厂都不希望出现这种情况。那么一些操作不熟炼或新来的运行人员，如何让他们尽快熟悉环境，提高操作水平，进入角色。除了可以进行培训、实习、考试等形式熟悉业务外，应该有一个让运行人员实际动手操作的培训仿真系统。培训仿真系统可作为对监控系统的补充，任何重要的控制操作或复杂的操作，应该在培训仿真系统上验证一次，保证操作的完整性和正确性，确保水电厂运行的安全。
5.3.5、状态检修系统
这是水电厂热门的课题，设备状态检修和设备运行寿命评估，既是设备检修工作发展的必然趋势，也是一项技术性很强的系统工程。状态检测主要利用现代化先进的检测设备和分析技术对水电厂主设备的某些关键部位的参量，如：机组的振动和摆度，发电机绝缘，定子局部放电，变压器绝缘等数据进行在线实时采集和监视，经过集合了现场积累的运行、检修、试验资料和专家经验的智能（专家）系统综合分析，从而对设备可能存在的机械、水力、电气等问题作出一个贴近实际的评估。要作出一个较准确的评估目前尚有很大的难度，国内外都已做了大量的尝试性工作，取得了一定的经验。在实施中，它也作为一个相对独立的系统，但目前国内大多数水电厂都有了较完善的计算机监控系统，集聚了大量监测设备，从节省投资与实际应用的角度来看，状态检修系统与监控系统之间有大量的数据需要共享，在考虑状态检修系统时应与已建成的监控系统作统筹考虑，使两者有机地结合起来，既可省去一些重复部件的投资，又可以使运行管理人员在执行实时生产控制时，随时监视到生产设备的健康状态，让健康状态良好的设备充分发挥潜力，让处于亚健康状态的设备减荷承担适当的工作负荷，而让健康状态有问题或趋于出问题的设备及时得到维修。
5.3.6、 生产管理系统
目前，虽然许多电厂都有了功能较完善的计算机监控系统，但因种种原因还有部分现场设备的监测信号无法输入到监控系统中完成自动监视。所以设备的巡检工作是必不可少的。为了加强巡检工作的管理和提高巡检工作的质量，可通过生产管理信息子系统，在当班巡检人员出发前开列出巡检路线，查看设备运行情况，记录设备运行参数，巡检工作完成后,输入相关设备运行参数等信息传输至生产管理信息系统，进行分析对比，并记入历史数据库备查。
按照技术规程要求，电厂在执行设备操作或维护时必须办理相应的一次、二次工作票。这些工作也可以借助生产管理信息子系统来完成。各相关部门计算机连入该系统的网络后，就不必拿着工作票来回去签票、消票了。它完全成了数字化传输，省时省力，并可随时对签票、消票的详情进行实时和历史的查询。
生产管理信息系统完成的工作还包括：运行值长日志，智能操作票（可由生产管理信息子系统根据监控系统的实时数据，进行分析，并经过安全闭锁条件检查），设备缺陷管理，运行台帐等。
5.3.7、智能电话报警服务系统
根据监控系统产生的报警信号，按照告警信号的优先级别和被通知者的处理优先级，提供实时智能报警通知，把生产现场发生的事件经过智能化的处理，通过内部通信系统、电话、寻呼、移动通信等多种通信手段，以最快的速度把报警信息传递给相关的人员，以便他们及时作出对事件的响应。它不仅是一个智能的可通过各种通讯工具报警的系统，而且还是一个功能强大的交互式语音信息服务中心，无论何时何地通过电话拨入系统可以了解到他所关心的生产设备的运行数据。系统还提供丰富灵活的组态界面，让维护人员或操作人员通过组态界面方便地进行各种用户要求的定义，实现各种复杂的功能。
上面提及的系统都是同现有计算机监控系统密切相关的系统，根据具体情况，可配置成相对独立的系统，通过高速网络与计算机监控系统进行数据交换。也可配置成计算机监控系统的子系统。它提供了水电厂从最基础的数据采集和设备控制直到面向电力市场的经济运行决策的一整套完善服务功能，支持发电厂生产的现代管理更上一个新台阶。
6、水电厂"无人值班"或"少人值守"的技术条件
无人值班相对于有人值班而言就是要让自动化系统来完成值班人员日常的工作，包括定时巡视运行设备，记录各设备有关参数和相关事件，按操作票形式进行设备的正常操作，发生事故或故障时，进行反事故处理，采取有效措施，防止事故扩大等工作。实现比有人值班更迅速、更可靠、更安全的运行方式。虽然自动化系统具有一定的反事故处理能力，在局部范围内起到防止事故扩大的特点，但是事故或故障的出现原因是非常复杂的，少数可以通过一定的处理恢复，但大多数是无法迅速恢复，并需要检修维护人员及时前往现场认真分析处理。因此水电厂"无人值班"或"少人值守"必须具备以下几个条件：
6.1、具有计算机监控系统
计算机监控系统是实现"无人值班"或"少人值守"的一个非常重要的系统。它具有采用水电厂的机组、辅机、油水风系统、主变、开关站、公用设备、厂用电系统以及各种闸门等的电气量、开入量、温度量、压力、液位、流量等输入信号，完成各种生产流程，如开停机、分合开关等顺序控制，机组有功功率和无功功率的调节，AGC、AVC，以及其他设备的操作控制。同时监控系统还具有丰富的人机界面，防误操作的措施和一定的反事故处理能力。
6.2、具有远程控制、调节功能
监控系统不仅具有现地的各种监视、操作和控制功能，而且要具有能与远方控制系统通信能力，上送有关信息，接收远方控制系统的命令来实现远程控制和调节。
6.3、具有ON-CALL功能
现场运行的设备一旦出现事故或故障时，就需要维护人员立即前往现场，了解事故或故障现象，分析事故或故障原因，及时排除事故或故障。如何使维护人员甚至领导能及时、准确、详细的掌握事故或故障信息，这就是无人值班水电厂计算机监控系统必须具备的功能：ON-CALL功能，可以通过电话、呼机或手机发布呼叫信息或手机短信息。
总之，水电厂通过开发自动化系统，能够提高设备的整体健康水平，保证设备的安全稳定运行，为"无人值班"或"少人值守"奠定基础。
[参考文献]
1、《水电自动化与大坝观测》2002年

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