简论水利水电计算机监控技术的发展与展望

简论水利水电计算机监控技术的发展与展望中国水利水电科学研究院自动化研究所(以下简称自动化所)组建于文革后的1978年，专门从事水电厂自动化相关技术研究，主要从事水电厂计算机监控系统、水库与流域水情测报系统、水轮发电机调速器、水轮发电机励磁系统、远动通信等领域的研究与行业归口管理工作。建所30年来，自动化所围绕我国水利水电建设与生产的需要进行科研开发，完成了百余项国家及省部级科研项目，完成了三峡、二滩、白山、龙羊峡、公伯峡、万家寨、漫湾、岩滩、武都等数百项国家大型水利水电工程的自动化系统工程，推进了我国水利水电自动化技术的进步。一、计算机监控技术的发展1.科研试点阶段的百花争艳我国水电站计算机监控技术的研究与开发起步于20世纪80年代初，自动化所承担了富春江水电厂的计算机监控系统试点研究，研制成功了多微机分布控制系统，于1984年11月正式投入运行，成为我国第一套水电厂计算机监控系统，1986年获国家科技进步三等奖。之后，自动化所还先后承担并完成了紧水滩、石泉、龙羊峡等水电厂的计算机监控系统项目，以及人民胜利渠、景泰川电力提灌工程以及册田引水工程等水利工程的计算机远方监控系统等。通过试点，初步形成了几种成熟的推荐模式。2.水电厂无人值班(少人值守)阶段的H9000系统 1994年，国内开展了水电厂无人值班(少人值守)试点以及创一流水电厂工作，有力地推动了水电厂的自动化建设事业，各水电厂建设计算机监控系统的积极性空前高涨。为了适应形势的需要，自动化所集中力量进行新技术开发，通过借鉴和消化国外先进技术，统一设计，统一标准，研究攻克了图形与人机联系、数据库、网络通信等一系列关键技术，适时完成了基于64位Alpha机和UNIX操作系统的H9000分布开放计算机监控系统的开发。1996年还成功开发了针对中小型水电站应用的Windows平台下的H9000监控系统，实现了H9000系统跨平台兼容。经过推广应用，H9000系统已成为我国水电自动化领域的优选产品，为我国水电厂的无人值班(少人值守)建设提供了先进可靠的技术装备，走出了一条独特的计算机监控系统国产化的道路。到2000年为止，H9000监控系统先后用于龙羊峡、贵州东风、乌江渡、新安江、紧水滩等近百个大中型水电站监控系统，以及白山梯级、西北电网水库调度、乌溪江梯级等电调、水调、梯级集控中心项目。其中白山梯级电站远方集中控制系统在国际上首次采用110km无中继超长距离的100MB光纤快速以太网，实现了大型水电机组的远方实时监控，成为我国水电监控技术进入快速以太网时代的里程碑。3.无人值班时代的H9000系统2000年初，随着国内水电厂运行管理的目标进一步由无人值班(少人值守)向真正的无人值班发展，要求进一步完善计算机监控系统的功能，提高可靠性，满足无人值班电站的要求。为了配合无人值班电站建设，2000年自动化所的H9000系统亦升级到V3.0版，主要解决了下列几个关键技术：(1)PLC直接上网技术在系统结构采用了PLC直接接入以太网的方式，在控制主回路中取消了IPC，IPC仅作为现地辅助的人机联系设备。由于控制主回路取消IPC，使LCU及监控系统的可靠性大幅度提高，完全满足了水电厂无人值班运行时对监控系统可靠性的要求。(2)系统的开发工具软件进一步完善在IPM交互图形开发系统、DBgen数据库开发系统、PDC综合计算工具软件、ControlLock控制闭锁工具软件、API接口等的基础上，新研发了DEtool数据工程软件，进一步提高了系统开发集成效率和质量。 (3)形成较为完善的通信软件包基于以太网的对外通信发展十分迅速，串行通信技术在主站对外通信、LCU与智能设备通信中应用仍十分普及，通信规约库进一步完善，不仅支持DL476-92、4f、SC1801、CDC8890TypeII、CDT及Polling等传统远动规约，而且研制开发了IEC870-5-101/102/103/104、DNP3.0、TASE-2规约等国际标准通信规约，形成了较为完善的通信软件包。电力系统调度可将水电厂监控系统看成一个虚拟的远程终端RTU。OPC技术在H9000系统中也初步获得应用。(4)在AGC/AVC等高级应用软件的应用方面有较大进步实现了白山、乌溪江等梯级水电厂的联合AGC，在东江实现了AGC/AVC，在龙羊峡、乌江渡等近20个水电厂实现了调度远方AGC，其中贵州东风水电厂在没有人工干预的情况下，实现了电站监控系统按省调负荷曲线自动开停机和负荷调整，实时性好，对保证贵州西电东送提高电能质量起到了重要作用。4.三峡巨型机组时代的监控系统随着三峡右岸电站、龙滩等一批特大型水电站的建设，标志着中国水电建设进入巨型机组特大型电站时代。结合2005年5月签约的三峡右岸水电站计算机监控系统项目，将H9000系统升级到了崭新的V4.0版。H9000V4.0系统在三峡右岸顺利投运成功后，得到用户的广泛好评，目前H9000V4.0的用户已包括三峡右岸、瀑布沟、瑞丽江、沙湾、西津、安康等20多个电站。H9000V4.0系统的主要创新点体现在以下方面：(1)强大的数据采集与处理功能 针对特大型电站海量数据的高可靠与高实时性采集，H9000V4.0系统采取的主要技术措施包括：同时采用主进程、多子进程及多线程技术;按数据类型的多重TCP/IP连接并行工作模式;PLC数据扫描周期的多重数据传送请求与处理;成功开发了多数据采集服务器的负荷平衡管理技术，各服务器同时工作，负荷分担，有效地提高了系统数据采集的实时性;采用PLC冗余优化策略，实现网络和现地控制单元CPU的快速自动切换。H9000V4.0系统在数据处理方面的主要改进包括：高精度、宽数据表示范围，如浮点、4字节整型数等;数据属性更加丰富，如可定义事故、故障、重要点、语音报警点以及统计点等属性;三态点的处理更加灵活;数据记录区的分类更加合理，设计有事件区、未复归报警区等;利用条件闭锁系统，实现了智能报警;完善重复报警处理机制以及数据趋势报警功能，等等，使系统使用更加符合运行人员的习惯，操作更加便捷。(2)完善的安全性与可靠性措施为确保系统高可靠性，各层的重要设备均采取双重冗余配置，如数据服务器、数据采集站、操作员站、网络设备、网关、时钟、可编程控制器的CPU、总线、同期装置以及各类电源等。根据实际经验，可编程控制器的I/O点一般不冗余，但重要的I/O点仍考虑冗余。冗余配置时，主备之间可实现无扰动自动切换。针对特大型电站控制设备多和操作分散的特点，H9000V4.0系统增加了操作员站控制范围设定功能及操作对象锁定功能，防止不同的操作员站对某一设备同时进行操作。(3)用户友好的人机联系系统H9000V4.0系统采用最新的GTK图形标准，重新开发了OIX人机联系软件，程序代码运行效率高，可在Unix和Windows两个平台下运行，不仅保持了H9000图形系统在数据模型及数据代码上兼容的特点，而且实现了图形系统源代码级的跨平台兼容。新版OIX软件界面新颖美观大方，人机界面非常友好。(4)信息WEB发布技术 H9000V4.0系统进一步完善了信息发布系统。信息发布系统由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，监控系统的画面可直接转换为SVG格式在WEB站点上展示，动态缩放，提供多种动态效果展示生产过程。系统维护管理人员在办公室即可查询到与监控系统一致的所有实时画面，方便了系统的维护与管理。(5)自动发电控制针对国内AGC调频方式难以给出确定的频差系数的问题，采用自适应自学习调频方法;对于超大型机组AGC有功调节的安全性问题，采用功率跟踪和功率补偿措施;负荷曲线方式引入分步调节算法，减少对电网冲击;对于电厂效率优化问题，采用修正等容量比例负荷分配。这些措施提高了电厂运行效率，保证了电网安全。(6)开放的报表定制技术H9000V4.0系统增加了HReport通用报表软件子系统。它根据用户的需要建立报表数据与周期模型，以MicrosoftExcel自动化技术、OleDb数据库访问技术以及XML技术为基础，在.NetFramework平台上的构建Excel插件，利用Excel强大的编辑功能，完成报表静态部分的编辑，如表格列、行宽、边框样式等。通过将查询变量关联到Excel的样式，完成表格动态数据格式的定制，如字体、字号、颜色等。(7)历史数据管理系统 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，B/S与C/S相结合的体系结构，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。(8)培训仿真系统OTS2000操作员培训仿真系统是建立在H9000系统基础上的一个独立子系统。该系统首先建立了一套标准化的水电站计算机监控系统被控对象的仿真模型并定义了描述语言SimuLog，开发了仿真语言的编译系统SimuGen和仿真器SimuEngine，实现了水电厂现场设备的仿真。SimuLog语言不仅可以仿真简单的状态量变化过程，也可仿真连续系统和非线形系统，并支持仿真任务的监视、管理与调度，与H9000系统融为一个有机的整体。(9)状态趋势分析系统结合三峡右岸电站监控系统项目，我们开发了SMA2000状态监测分析系统。该系统以H9000V4.0为基础,以Oracle10g为后台数据库，开发工具采用面向对象的C#.Net语言。该系统通过网络连接各机组、公用及开关站的数据采集监测及分析系统，在线监测设备的运行状况，分析设备的运行趋势，以丰富的专家经验支持电厂运行，并提供检修指导。监测与分析可在电站局域网内进行，也可通过互联网远程访问。系统采用B/S与C/S混合结构，融合了两者的优点，弥补了B/S或C/S结构固有的缺点。数据分析采用了特征值分析、比较分析、相关量分析、虚拟曲线分析以及数据挖掘技术等。二、展望1.以无人值班为目标的水电厂运行管理水平及相应的自动化技术将进一步发展无人值班是水电厂运行管理和自动化技术最高水平的标志。计算机监控系统和通信系统是最重要的自动化系统之一，不断研究开发新型结构的监控系统，提高系统可靠性的措施，开发新的分析功能，能够提高监控系统的智能化水平。 跨平台技术及信息标准化技术将进一步发展，与其他系统信息透明共享，各控制系统构成的信息孤岛之间的界线将逐渐模糊，向统一信息平台发展，透明水电厂、数字水电厂、智能水电厂将由概念逐步变为现实。开放系统的概念将进一步拓展，自动化系统将与外界系统如英特网广泛安全可靠连接，现地无人值班的SOHO(smallofficehomeoffice)的概念将逐步被发电生产企业接受。2.以状态检修为标志的设备管理水平与相关检测、监测与分析诊断技术近年，我国在一些水电厂开展状态检修技术的试点工作，兴建了许多状态监测系统，包含了振动摆度监测、气隙监测、绝缘局部放电监测等内容，并实现了远程监测分析。但大多停留在数据采集管理与常规分析阶段，对故障、故障成因、设备状态之间因果关系及机理等关键技术仍待进一步深入研究，另外，缺乏对不同厂家、不同设备的寿命以及各种工况对设备寿命的影响等方面的基础研究。