水电站计算机监控技术研究

水电站的行业归属是水利行业主管部门，因此水电站计算机监控技术的部颁标准应由水利行业主管部门会同国家质量监督总局进行颁布。目前水电站计算机监控技术标准正在研制阶段，《水电站计算机监控技术标准（征求意见稿）》正在征求全国各省行业专家的建议，正在不断地完善和修改之中，并将择时进行项目鉴定和颁布。随着计算机与信息技术的快速发展，从2002年开始，在单机容量大于1000kW的水电站，电站自动控制系统已要求采用计算机监控系统。20世纪90年代以前建设的水电站，要按总体目标要求做出更新改造规划，逐步实现“无人值班”(少人值守)。2003年，水利部制订颁发了《水电技术现代化指导意见》(以下简称《指导意见》)，提出了水电科技发展的方向。我国水电站自动化发展的总体目标是，在2015年，水电行业全面实现现代化，其中，总装机5MW及以上的水电站，应采用全开放、分层分布式计算机监控系统；调速器、励磁装置和厂内油、水、气、直流系统、闸门等设备的监测控制应采用微机控制系统，计算机监控系统与设备控制单元之间的数据通信可通过现场总线、串行通信或I/O等方式进行。

1995年，国家电力工业部颁布了DL/T578-95《水电厂计算机监控系统基本技术条件》(以下简称《条件》)，明确了水电厂计算机监控系统的基本结构、技术要求及试验等方面的内容，但该标准主要针对总装机250MW以上的大中型新建水电厂及相同规模的老电厂自动化改造而制定的，对水电站并不适用，如果完全按照该《条件》设计水电站的计算机监控系统，虽然可以满足水电站的监控要求，但可能会造成资源的浪费。并且有些技术，如水电计算机监控技术、高压机组和低压机组，从设计理念到设备配置都有很大的区别，很难依据该《条件》“参照执行”。水电计算机监控技术日新月异，应用相当普及，但由于相应的规程规范国家还未颁发，设计没有依据，也是造成设备配置规模没有约束、复杂化的原因之一。综上所述，缺乏统一的技术标准，水电计算机监控系统很难做到结构简单化、配置合理化和扩展方便化，《指导意见》提出的宏伟目标更是难以实现。因此，尽早制定和颁布适用于水电站计算机监控系统的技术标准成为迫不及待的任务。

1行业标准制定的意义

标准化工作对于产业的发展和改造、加强产业及产品的国际竞争力、规范市场经济秩序、促进国际贸易都具有重要意义，对于水电站计算机监控技术行业的发展也不例外。水电站计算机监控系统标准化工作的重要性和意义包括以下3个方面。（1）水电站计算机监控系统技术标准化对完善水电技术标准体系，提高标准化、规范化水平有着重要意义。对于我国水电行业的发展，标准化的作用也必将凸现。水电是一个关系民生的重要行业，建立和完善技术标准体系，将在降低水电的建设成本，提高水电的经济效益，提高水电的安全管理等方面具有重要意义。（2）水电站计算机监控系统技术标准化将会对我国水电站计算机监控技术行业化发展起到技术支撑作用。《水电站计算机监控技术标准》是在对我国水电站计算机监控技术研究的基础上制定的。该标准的制定对我国水电站计算机监控技术行业的发展具有基础性的支撑作用。同时这个标准更是以科技和实践成果为支撑的，通过总结我国水电站计算机监控技术的成果，并将其物化，提炼出科学、经济的设计和制造方法，对于指导行业生产、提高生产效率都具有积极的意义。（3）水电站计算机监控系统技术标准化对于规范水电站计算机监控系统产品的市场秩序、建立公正公平的市场竞争秩序具有重要意义。我国在水电站计算机监控系统技术的研究、开发设计和应用等方面都取得了一系列科研成果，而且部分成果已经产业化。但是，由于设计人员对水电技术发展的指导思想不明确以及设计无据可依，使得计算机监控技术在水电站得到越来越广泛应用的同时，出现了各个监控装置生产厂家在系统结构、功能、性能和价格等方面差别较大，业主难以比较好坏。因此，面对目前市场上配置混杂、设计方法各异、产品无可比性的混乱局面，制定相应的设计和制造标准，建立统一的概念与方法，从而建立合理的市场准入门槛，营造公平的市场竞争秩序，可以起到防止消费欺诈、规范水电站计算机监控系统市场秩序的作用。

2标准制定的原则

农村水电站与大型水电站相比，有以下特点：①建设资金不富裕。这类电站多为地方投资或者集资兴建，资金来源有限。因此，往往在兴建过程中力求设备简单，价格低廉，以节省投资。②运行方式变化大。农村水电站一般水库容量很小，运行方式受降雨量的影响较大．而用电规律受生产季节与生活用电的影响极大，因而运行方式变化大，机组启停频繁。③电压变化大。农村电站往往为独立供电，农村用户分散，输送距离远，负荷变化幅度极大，因而电压变化幅度大。为了照顾首末端用户的使用电压，电压的设定和调节变化频繁。④无特殊用户。农村电站供电对象一般为乡镇加工企业和生活照明用电。没有要求不停电、高电能质量的特殊企业及单位。⑤技术力量薄弱。农村电站的运行维护人员一般均为非专业学校的技术人员，不可能去面对复杂、繁多的自动化装置和应付复杂的运行方式。⑥技术更新费用少。水电站的年维护更新费用是很少的，不可能象大中型水电站那样有计划的去进行设备的更新和完善。

水电站采用计算机监控系统的主要目的是加强设备的安全监视，提高水电站运行的可靠性和电力系统的安全经济运行水平，改善运行人员的工作条件，提高电站的运行管理水平，从而提高电站的经济效益。所以，应充分考虑水电站的特点，在保证水电站运行的可靠性和电力系统安全经济运行水平的前提下，尽量减少计算机监控系统的复杂性和投资。由于水电站计算机监控系统技术标准是为水电站计算机监控系统的设计、制造、安装调试提供依据，因此，本技术标准的制定应遵循下原则：（1）良好的经济性根据水电站的特点，监控系统装置首先要有良好的经济性。包括投资的经济性和维护的经济性，只有具备了良好经济性的自动装置才具有生命力。（2）技术先进性随着计算机技术的成熟和发展，水电站的自动化装置也应该跨越一步，陈旧的监控装置故障率高，维护工作量大，已经不适应形势的需要，应该向可靠性高，维护简单的计算机技术发展。（3）高可靠性水电由于技术力量薄弱，技术支持不便，要求监控系统装置具有高可靠性、维护工作量小、寿命长的特点。（4）主要功能完整性过去对水电为了省投资，将功能减到最低限度，使信号、保护、自动功能都不完整。因而可靠性低、故障率高、电能质量差。这已经不能满足现代乡村经济的要求。因此，水电站应要求具有现地监控少人值班所需功能，电站日常运行完全依靠计算机系统监控。各类自动化参数应符合国家有关标准的要求。（5）开放性和扩展性初始的应用设计应该满足电站现实的和各生产、管理环节的需求，同时还应考虑电站未来发展的可能需求[7]，即系统要具备开放性和可扩展性，便于系统今后的升级、扩充和先进技术的采用。因此，监控系统应采用全分布开放式冗余结构，软件模块化、结构化设计。便于扩展和实现梯级调度，预留MIS系统、水情测报系统、水库优化系统以及与Internet网接口。为了减少投资就要简化设备。但功能又要完整。为达到目的就应该向综合自动化方向发展。随着电子工业的发展，计算机技术的成熟，实现水电的综合自动化是可行的方向。（6）规范性标准的结构和编写方法按中华人民共和国国家标准GB/T1.1-2000《标准化工作导则第一部分：标准的结构和编写规则》的要求进行编制。

3行业标准体系的确定

参照国家电力工业部颁布的，为大中型水电厂计算机监控系统的设计、制造和运行管理提供了参考标准而制定的DL/T578-95《水电厂计算机监控系统基本技术条件》，并结合水电站的特点和运行要求，把本标准划分为12部分，从各个方面对水电站计算机监控系统进行规定，这12部分分别为：（1）确定本标准的适用范围；（2）说明规范性引用文件；（3）解释说明本标准中用到的术语和定义；（4）确定计算机监控系统采用的结构类型；（5）明确计算机监控系统的功能要求；（6）明确构成计算机监控系统的硬件要求；（7）明确构成计算机监控系统的软件要求；（8）确定计算机监控系统的性能指标；（9）确定计算机监控系统适用的环境条件；（10）规定监控系统必须进行的试验和检验；（11）规定监控系统设计、安装和调试所需的文件要求；（12）规定监控设备包装和储运的要求。

4标准研制的成果简介

（1）适用范围。明确了本标准“专门为水电站计算机监控系统的设计、制造和安装调试提供参考依据”，“对于单机容量小于800kW，发电机电压为400V的水电站，本技术规程采用专门条款说明”。

（2）规范性引用文件。包括引用国标GB191-2000、GB2887-2000和GB/T7260.3-2003等，行业标准：DL/T578-95、DL/T5065-1996、DL/T478-2001等。本段引导语包含以下几层含义：①所列出的不仅仅是标准，还包括其他文件；②通过本标准的引用、所列文件中的条款成为本标准条款；③对于注日期引用的文件，只是指定的版面适用于引用它的标准；④只要可能，鼓励使用注日期引用文件的最新版本；⑤对于不注日期的引用文件，其最新版本适用于引用它的标准。

（3）术语和定义。术语和定义的编制主要是结合水电站计算机监控系统的常用语，并对经常使用英文缩写进行了说明。

（4）系统结构。水电站一般用于满足本地区负荷所需，单机容量小，机组事故停机对系统的影响较小，因此，根据水电站自动化设计的特点，从分析现有的水电站计算机监控系统的几种模式入手，寻求了适合水电站计算机监控系统的模式。水电站计算机监控系统存在两种模式：集中式计算机监控系统和分层分布式监控系统。目前，集中式计算机监控系统除非是在特别小、老水电站中使用，新建水电站基本采用分层分布式监控系统。标准中规定了在采用分层分布式系统结构时:①上位机应设置2台计算机，互为热备用，提高系统的可靠性；②现地控制单元是实现水电站监控的关键设备，它直接面对控制对象，每个现地控制单元对一个或几个控制对象进行测量、控制、保护，具有现地监控功能，能脱离上位机独立运行；③调速器、励磁系统及其附属设备应优先选用微机型的设备(如PLC)，便于水电站计算机监控系统通过数据通信方式与这些附属设备交换信息。对单机容量小于800kW，发电机电压为400V的农村小型并网水电站，可采用高压氮气罐储能活弹簧储能型操作器代替调速器，励磁系统可采用带数字电位器的常规励磁装置，优先选用无刷励磁方式；④水电站计算机监控系统应配置自动准同期装置，同时保留手动同期装置。每个同期点可分别配置1套同期装置，当同期点数量不多于3个时，整个水电站可配置1套公用同期装置。同期装置宜采用微机型的同期装置。

（5）系统功能。本标准分别从上位机、机组现地控制单元和公用现地控制单元等的功能进行了规定。由于大部分水电站采用分层分布式计算机监控系统，因此，本标准对分层分布式计算机监控系统的功能作详细的规定。该结构方式由上位机和现地控制单元级两个层次构成，其中，现地控制单元级一般是1台机组有1个现地控制单元LCU，升压站和线路有1个公用现地控制单元LCU，所以，本标准分别从上位机、机组现地控制单元和公用现地控制单元的功能进行规定。①上位机功能规定了：数据采集与处理、控制与调节、监测与保护、优化运行、数据通信、数据记录、数据管理、统计计算、事件记录、打印显示等功能。②机组现地控制单元（LCU）的功能规定了：状态监测功能、控制功能、调节功能、保护功能；③升压站、公用设备现地控制单元功能规定了：测量功能、控制功能、保护功能、计量数据通信功能等。

（6）硬件基本要求。本标准规定了水电站计算机监控系统的上位机、现地控制单元、电源、防雷和抗干扰设备等硬件设施。①上位机的要求:水电站计算机监控系统上位机一般由工业控制计算机、显示器、键盘、打印机、刻录机等组成，同时，对工业控制计算机、显示器、键盘、打印机、刻录机的配置作详细的规定。②现地控制单元的要求：测量、控制、保护宜采用多PLC系统完成，在确保可靠的前提下，可将各功能综合在1套微机系统中。单机容量小于800kW，发电机电压为400V的水电站，可选用单微机系统。顺序控制宜采用可编程序控制器PLC完成。开停机操作、倒母线操作及其他一些较复杂的多步骤操作都是一个顺序控制过程，在这类操作中，由于其操作步骤多，判断条件多，前后各步骤常常都是相互关联的，前一步操作执行成功与否，对以后的操作有重要影响，且这类操作对设备安全起到至关重要的作用，因此一定要受到电站运行人员的重视。由于PLC在顺序控制功能方面具有无可比拟的优势，建议采用PLC来实现对各设备的顺序控制。开关量输入/输出点数、模拟量输入/输出点数应大于实际使用的点数并留有足够的余量，输入、输出模块应留有5%~20%的备用点。触摸屏是可以利用手指、笔等在显示器表面的接触来识别屏幕坐标位置的设备，是计算机的一种输入设备，具有直观、简单、易操作的特点。为了便于控制操作及参数、状态的显示，PLC可配置液晶触摸屏来代替常规的开关、按钮及指示灯，液晶屏的尺寸应不小于5.9英寸。对具有前置机的计算机监控系统，不再另外配置触摸屏。③电源的要求：在水电站计算机监控系统中，有许多设备是需采用交流供电的，在供电期间不允许有停电过程，并要求交流电源没有干扰，对工作电源的质量要求较高，如工控机、PLC等，这些设备若直接使用电网电源供电，则会将电网的污染引入计算机监控系统，从而对计算机监控系统造成干扰，影响计算机监控系统的正常工作，因此，在水电站计算机监控系统中应配置在线式不间断电源UPS或逆变电源。当交流电源系统故障时，通过双输入端口冗余电源装置自动切换至厂内直流系统，实现不间断供电，不间断电源(或逆变电源)除满足GB7260.3-2003有关规定外还要满足下列具体要求，如：额定容量按1.5～2倍正常负载容量考虑；输入电压：AC220V10%或DC88～127V（110V额定值）或DC176～253V（220V额定值）；输出电压：AC220V2%；输出电压波形：正弦波50Hz1%；波形失真<5%；不间断电源备用电池维持时间：30min。对容量小于800kW，发电机电压为400V的水电站，可以不设备直流系统；配置的电源应采取稳压稳频措施，确保电站甩负荷时引起的过电压和过速（频率过高）不会损坏计算机监控设备。

为了提高电源抗干扰的技术措施，应采用分散独立电源，这样可以避免一个电源故障，影响整个监控系统的工作，同时也减少了各种干扰在电源系统上的耦合，这样大大提高了供电可靠性。所以，在水电站计算机监控系统中，开关量输入、输出电源回路应分开设置。④变送器的要求：变送器是一种将电气或非电气物理量转换为标准电气信号的转换装置。经过变送器转换后的标准输出信号一般为：0~5V、0~10V、-10~+10V、0~20mA、4~20mA、0~10mA等，在水电站计算机监控系统中，应优先选用4~20mA。⑤防雷和抗干扰方面：当电力、通信线路处于雷云电场之中时，雷电对大堤放电或线路上空雷云之间放电，都会使线路产生雷电冲击波或瞬间过电压，这些冲击波会沿着线路侵入到与它相连接的电子设备。由于计算机、通信等设备普遍存在绝缘强度低，耐过电压能力差的致命弱点，一旦遭受雷电过电压的冲击，轻者造成系统运行失灵，重者造成设备永久性损坏，因此，重要电子设备都应按照有关标准采取相适应的防雷措施。另外，干扰也是影响水电站计算机监控系统可靠性的重要因素之一，从现场应用的情况来看，监控系统干扰来源主要为3个方面：电源干扰、输入输出接口通道干扰以及电磁干扰。干扰对水电站计算机监控系统是致命的，如果不采取有效的抗干扰措施，则会出现损坏硬件设备、影响数据采集精度、控制失灵等后果。所以，水电站计算机监控系统必须采取防雷和抗干扰措施，特别是监控设备的供电电源、模拟量输入口和通信接口等。电磁干扰是一种空间干扰，可以使用屏蔽技术处理。因此，对模拟量输入应采用对绞屏蔽加总屏蔽电缆，屏蔽层应在计算机侧接地。对绞的组合应是用同一信号的两条信号线。而开关量输入宜采用多芯总屏蔽电缆，芯线截面不小于0.75，输出采用普通控制电缆。同一电缆的各芯线应传送电平等级相同的信号。计算机信号电缆应单独敷设在一层电缆架上，除了可与通信用的弱电缆混合敷设外，不与其他电缆混合敷设，并应排列在最下层。⑤接地:关于建筑物内电子设备的接地，IEC、ITU和国标GB50057都推荐采用公用接地(联合接地或称统一接地，即防雷、交流电源、安全和电子设备使用一个接地体)，按IEC标准，一个建筑物内只允许有一个接地系统，即建筑物同各种用途的接地极都应纳入等电位联结范围而形成一个公用接地系统，以避免各金属导体之间可能出现电位差而导致种种电气事故。计算机监控系统曾经进行过独立接地网的实践，但这种接地方式在防雷和抗干扰方面都未收到预期效果。事实上，由于条件的限制，在水电站敷设独立接地网十分困难。目前的工程项目中，计算机监控系统均采用电站的公用电气网接地，效果良好。因此，在水电站计算机监控系统中，宜利用电站的公用电器接地网接地，一般不设计算机系统专用接地网。系统内各电气设备应保持一点接地的原则，各种性质的接地应采用绝缘导体引至总接地板，由总接地板以电缆或绝缘导体与接地网连接。

（7）软件基本要求。本标准对上位机软件、现地控制单元软件等软件的要求进行了规定。计算机监控系统软件按照与用户的关系可以分为系统软件和应用软件。系统软件主要指操作系统等，其常用来完成的主要功能有控制计算机系统的各种硬件，实现设备驱动；保证硬件资源的最优方式管理和应用；提供文件的编辑、编译和调度管理程序；计算机系统的多用户、多任务管理等。应用软件是在操作系统规定的环境下，为了完成最终用户某些特定的功能而研制的专用程序，对于监控系统而言是为实现监控的程序。按照应用对象来分，计算机监控系统的软件可分为：上位机软件和现地控制单元软件。

（8）性能指标。规定了计算机监控系统基本性能、可靠性、可维修性、安全性等性能指标。①基本性能指标：如开关量采集周期不应超过1s；模拟量采集周期，电量不应超过1s，非电量不应超过10s；事件顺序分辨率不应超过20ms；新画面调用响应时间不应超过2s；实时数据库刷新时间不应超过1s；控制命令响应时间不应超过1s；报警或事件产生到画面字符显示和发出音响的时间不应超过2s。②可靠性：系统中任何设备的单个元件故障不应造成关键性故障（或使外部设备误动作）；整个系统平均无故障工作时间（MTBF）应超过10000h。③可维修性：可维修性参数平均修复时间（MTTR）由制造单位提供，当不包括管理辅助时间和运送时间时，一般可取0.5~1h；设备应具有自诊断功能，按照现场可更换部件水平来确定故障位置；应有便于试验和隔离故障的断开点；硬件采用模块化，提高代换能力。④系统安全性：对系统每一功能和操作提供校核；当操作有误时能自动或手动地被禁止并报警；自动或手动操作可作存储记录或作提示指导；根据需要在人机通信中设操作员控制权口令；按控制层次实现操作闭锁，其优先权顺序依次为：现地控制单元级、电站级、远方调度级；系统设计应保证信息中的一个信息量错误不会导致系统关键性故障（或使外部设备误动作）；与调度系统的远程通信的信息出错控制应与通信规约一致；当通信尝试失败时，发送站应能自动重新发出该信息，直到超过重发计数（一般为23次）为止；系统内部通信应具有较高的信息错误码检测能力和编码效率。

（9）环境条件。对系统的运行环境进行了规定。避免系统受强电磁场、强振动和强噪音源的干扰，选用抗干扰能力强的设备，采用合适的屏蔽措施，使设备能够可靠运行。包括中控室的环境温度、相对湿度、海拔高度等。中控室的环境温度应为0~+40℃，允许温度变化率5％；电站中控室的相对湿度应为40%~70%，现地控制单元的相对湿度应为20%~90%（不凝结）；中控室所在位置的海拔高度应不大于2000m；为了防止尘埃对计算机监控系统的影响，屏柜一般采用密闭结构，通风口应带有过滤网。在设备安装施工期间，应采取临时防尘措施，以加强防尘效果。

（10）试验和检验。标准规定了系统所使用的设备和部件应是通过了型式试验的合格产品，在设备生产和安装的各阶段分别进行规定的试验和检验，包括出厂试验和检验，现场试验和检验。并对出厂试验和检验、现场试验和检验作了规定。①出厂试验和检验:出厂试验和检验由设备制造单位完成，检验的项目有：一般电气性能试验；硬件设备的功能和性能模拟试验；软件的功能和性能模拟试验；工艺质量检查；包装前检查。②现场试验和检验：现场试验和检验由设备制造单位和用户共同完成，检验的项目有：设备抵达现场，应核对清点数量，并对设备进行开箱检查；设备就位并完成外部接线后，应进行系统硬件和软件静态调试；静态调试合格后，进行系统联合调试及72h试运行。

（11）文件。对设计文件、安装文件、操作与维护文件、检验与试验文件等作详细的规定。①设计文件：设计文件是制造单位根据用户要求的技术规范或招标书，进行系统设备制造所编制的图纸和说明书，包括：系统原理图与设备配置清单；屏柜布置图和端子图；软件系统结构设计文件；硬软接口与通信要求确认书；全部外购设备所附资料与说明书。②安装文件：安装文件是制造单位指导现场安装所需的图纸和说明书，包括：屏柜内部接线图和端子接线图；设备安装开孔和固定接线图；设备接地要求说明书；安装说明书。③操作与维护文件是为运行操作人员编制使用本系统设备的操作说明书和运行维护手册，包括：上位机操作使用说明书；现地单元操作使用说明书；硬软件检查和修复说明书；正常维护手册；竣工图纸。

（12）包装和储运。对包装的防潮、防霉、防震等措施作了规定，对运输工具作了规定。

5结语

随着《水电站计算机监控技术标准》的制定与颁布，一方面，可以为各水电站计算机监控系统设计和制造单位提供参照依据，有利于制造出体现水电特点和适用于水电站的经济实用、安全可靠的计算机监控系统；另一方面，可以引导我国水电站逐步采用水电站计算机监控系统，实现水电站无人值班，少人值守的目标。因此，制定本标准对于促进我国水电站计算机监控系统设计和制造行业朝着科学化和规范化方向发展具有重要作用。本标准在制定的过程中参考了国内外相关标准、厂商标准、标书文件和设计文件，并广泛的征求了专家的意见，尽可能保证标准的可行性和适用性，但是仍有可能存在一些问题和不足，并且计算机技术的发展日新月异，因此，对于本标准要坚持进行研究并不断进行修改和完善。同时期待着科研、设计和运行部门的同行专家对本标准提出宝贵的意见。

作者：张仁贡 徐金寿 黄莉 单位：浙江同济科技职业学院 浙江水利水电学院