基于以太网技术的中小水电站监控系统建设

叶贵光

摘 要：近年来，随着科技的进步，水利水电工程“扶摇直上九万里”。在水电站的发展过程中，实现“无人值守，少人值守”，促进电力工程的智能化，是现阶段技术人员重点攻关的对象，尤其是中小水电站计算机监控系统的建设，更是我国水利水电行业的重要建设目标。在工业发达的国家，水电站的自动化控制系统已经趋于完善，但是我国在这方面的建设仍然任重而道远。文章对基于以太网技术的中小水电站监控系统进行了深入研究和分析，以期为促进中小型水电站的现代化作出贡献。

关键词：以太网；中小型水电站；监控系统；无人值班

中图分类号：TV663.8 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）29-0080-02

1 研究背景

随着我国电力设施的不断完善，生产和生活用电基本得到满足，但是“电荒”现象依然没有完全杜绝，电力行业发展的脚步从未停止过。

现阶段，随着我国生态文明建设的开展，符合环境保护要求、具有可再生能源性质的水电行业更加需要抓住发展的机遇，尤其是在我国水电资源极为丰富的地区，发展中小型水电站，将资源优势转化为经济优势势在必行。而随着科技的进步，新建水电站的监控系统也采用基于以太网的现代化模式，促进了我国水电行业的发展。

2 基于以太网技术的中小水电站监控系统建设

2.1 系统关键技术

在以太网技术支持下，水电站监控系统的关键技术主要有以下几方面。

首先，具有完全开放性的分层分布式网络系统结构是关键技术之一，在这种网络系统结构下，不同的PLC可以凭借以太网模块接入以太网，由PLC与各种智能设备相连接，数据的分布式采集结构、功能的完全分布结构就此完成。

其次，系统的关键技术应该还包括水轮发电机组不同工况的定义和监视。

第三，控制操作权限的闭锁保护诚然也是监控系统建设的关键之一。

此外，对机组负荷突变检测和仿人工智能功率调节技术、无扰动切换开闭环运行方式等也都是中小水电站监控系统建设的关键技术。

2.2 系统功能

系统能够对水电站实现安全监控，具有显著的迅速性、准确性和高效性。在计算机监控系统下，分为电站控制层和现地控制层。

电站控制层具有数据采集、数据处理、实时控制、实时调节、安全监视、屏幕显示、事故处理、运行维护管理、数据通信和软件开发等功能；现地控制层具有与电站控制层相同的几项功能，如数据采集、处理、安全监控、实时控制调节、数据通信等，还具有故障保护和事件顺序检测等功能。

2.3 系统特点

基于以太网的中小水电站监控系统的特点主要体现在以下几个方面。

①采用具有完全开放意义的分层分布式系统结构，主机与不同工作站之间的操作系统均为具有开放性质Windows操作系统，网络协议统一为TCP/IP。操作以图形化方式进行。

②不同的设备功能有所差异，实现功能分布，即使某一设备发生故障，系统的整体功能也不会受到影响。

③系统的可靠性符合当下无人值守的要求。

④数据通信协议和规约形式丰富，既能满足本系统的要求，同时也能够满足远程调度、MIS、水情预测、大坝监测等系统的通讯要求。

⑤用软件代替冗余设备，硬件切换装置被取消，系统硬件故障率得到有效控制。

2.4 系统网络结构

从物理层面划分，整个监控系统可以被看作是电站控制层和现地控制层的结合。电站控制层和现地控制层之间以100MB快速以太网的形式进行连接，而电站控制层不同设备之间的连接也是采用这种方式，使得整个监控系统的可靠性、实时性和灵活性都有所保障。电站控制层的主要作用有两个，其一，用于监控系统的组态和维护；其二，用于监控、操作、优化控制水电站的运行，优化信息管理。而现地控制层主要包括一系列的水电站自动化装置，机组现地控制单元、微机保护测控单元、公用设备现地控制单元、开关站现地控制单元、辅助控制单元、机组调速器、励磁装置等都属于现地控制层的重要组成部分。

3 基于以太网技术的中小水电站监控系统性能指标

3.1 电站控制层性能

中小水电站监控系统的控制层性能主要从数据采集和人机接口响应时间以及可靠性来判断。关于数据采集，从任一现地控制单元数据采集变化的混合信息数据到达数据库的时间应该不超过2 s，从全部现地控制单元采集可能出现最终负担信息数据到数据库内的时间应该不超过3 s。

关于人机接口响应时间，对于调用新画面、控制命令的响应时间以及动态数据和实时数据库的更新时间都应该控制在1s以内。对于联合控制有功功率的执行时间，应该确保其周期不超过10 s。对于SOE分辨率，以低于2 ms为最佳。关于可靠性，MTBF（故障间隔的平均时间）应该不低于3万h，MTTR（故障维修的平均时间）应该控制在0.5 h以内，并确保系统的利用率在99.99%以上。

3.2 现地控制单元性能

①关于数据采集时间，具体的性能指标应该包括开关量、电气量、非电气量、温度量和脉冲量。为了保证系统性能的稳定发挥，开关量、电气量和非电量的数据采集时间应该以低于1 s为佳，温度量的采集应该控制在2 s以内，脉冲量以连续、无延迟为标准。

②关于控制响应时间，为了保证系统运行具有可靠性和高效性，回答和接受控制命令的响应时间也应该保持在1 s以内。

③关于I/O接口，具体的性能指标如下：

第一，关于开关量输入，每一路都应该有特定的LED狀态显示，输入接口的信号类型以空接点为准，弹跳时间控制在2～30 ms之间。

第二，关于模拟量输入，采用交流量信号输入的方式，信号范围PT为100 V，CT为5 A/1 A。输入温度量时，应该与现场三线电阻温度探头连接，测温电阻Pt100、Cu50。非电量信号范围以4～20 mA、0～5 V为佳。模拟量转换分辨率以14位为标准。

第三，关于脉冲量输入，具体的参数标准也不是随意确定的，脉冲宽度应该不低于100 ms，负载能力最低限度为10 mA，超过10 mA对于系统性能的发挥更加有利，输入电平为24 VDC。

第四，关于开关量输出，输出信号采用继电器输出、LED状态显示的方式。开关量输出接口的参数标准也有既定的标准：输出形式为空接点；交流接点容量为220 V AC，5 A；直流接点接通容量为220 V DC，3 A；直流接点断开容量为20 VA。

4 结 语

现阶段，以太网在工业控制领域中的应用十分普遍。随着电力行业的发展，电力行业的现代化、智能化、信息化趋势更加明显，特别是无人值班管理模式的推广，为电站设备的监控系统带来了挑战。电站工作人员迫切希望建立起无人值班环境下的完善的监控系统，通过视频图像的形式解决电站的安全防卫问题。以以太网为基础，建立中小水电站的计算机监控系统，为水电站自动化监控的实现奠定了坚实的基础，同时，由于基于以太网的计算机监控系统具有良好的可靠性、高效性和可移植性，必然成为今后中小水电站自动化发展的主流。

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