第一章 水电站计算机监控系统概论

第一节 水电站计算机监控系统的组成与任务

一、计算机基本知识

1.计算机简介

自1946年世界上第一台计算机诞生以来，计算机技术得到了飞速发展和推广。计算机准确地说是一个由硬件和软件组成的微机系统。硬件指的是计算机系统中看得见的各种物理部件，软件指的是依赖于计算机硬件的程序及其相关数据。程序是完成一定功能的计算机指令序列的集合，而指令是计算机内部控制计算机完成某项操作的代码。计算机内的数有二进制位、字节（1字节=8位）、字（1字=2字节=16位）等。

按组成规模，计算机系统可分为巨型机、大型机、小型机、微型机和单片机。生活中常用的是微型计算机，简称微机，也称为电脑。根据应用领域的不同，微机又可以分为个人计算机（PC）、工业控制计算机（IPC）、可编程控制器（PLC）、单片机。水电站应用的计算机主要是后三种。

计算机系统的信号有电信号和光信号。电信号传输速度快、距离远、能承载的信息量大并且处理方便，是通信信号的主要形式。但随着光纤的应用，光信号也越来越多地应用于通信中。

电信号以其波形特征可分为模拟信号和数字信号。模拟信号是随着时间的变化而连续变化的，在水电站中常见的有电压、电流、压缩空气压力、温度等。数字信号采用“1”和“0”表示特定时刻的状态，在水电站中常见的有断路器的分或合、闸门的全开或全关等。

计算机只能处理数字信号，模拟信号经过A/D转换器转换成数字信号才能由计算机处理。计算机处理的结果是数字信号，数字信号可以经过D/A转换器转换成模拟信号。

信号传递的媒介是信道。信道可以分为有线信道和无线信道两类：常用的有线信道有双绞线、同轴电缆、光导光纤等；无线信道由空间构成，信号以电磁波的形式传播。

2.计算机通信

计算机与其外部设备、计算机与计算机之间的信息交换称为通信。通信的基本方式分为并行通信和串行通信两种。并行通信是指数据的各位同时进行传送的通信方式。其优点是数据传送速度快，缺点是需要多条传输线。串行通信是指数据的各位是一位一位地按顺序传送的通信方式。其突出优点是数据的传送只需要一对传输线或利用电话线作为传输线，可极大地降低成本，特别适用于远距离通信；缺点是数据传送速率较低。

由于并行通信受通信距离的限制，在水电站计算机监控系统中一般使用RS—232C和RS—485串行通信方式。串行通信中，数据是在两个站之间传送的，根据传送方向的不同，有半双工和全双工之分。

半双工方式使用一条传输线，可以进行双向传输，但任何时候只能是一个站发送，另一个站接收。既可以是A站发送到B站，也可以是B站发送到A站，但两个站的数据不能同时发送。

全双工方式须有两条传输线，对于A、B两站，都允许发送和接收同时进行。显然，在这种方式下，两个传输方向的资源完全独立，A和B都有独立的接收器和发送器。最简单的情况，只需使用3根线（接收线、发送线、信号地线）便可实现全双工异步通信。计算机和数据通信设备之间通信时，是通过计算机串行口与通信设备连接的。

RS—232C标准（协议）是美国EIA（电子工业联合会）与BELL等公司一起开发并已于1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在0～20000bit/s范围内的通信，是异步串行通信中应用最广泛的标准总线。

RS—485为半双工串行通信标准，对于多站互连是十分方便的。RS—485标准允许最多并联32台驱动器和32台接收器，其传输速率最高为10Mbit/s，电缆长度最大为1200m。

二、水电站计算机监控系统的基本组成

电能不能大量储存，其生产、输送、分配和消耗必须在同一时间内完成。电能这个特性决定了水电站的发电过程必须是连续进行的，因此，水电站的计算机监控系统必定是实时控制系统。水电站计算机监控系统由硬件系统和软件系统两部分组成。

1.硬件系统

水电站的计算机监控的硬件系统一般由主机、模拟量输入/输出通道、开关量输入/输出通道、接口电路、系统总线、外部设备、自动化仪表、运行操作台及通信设备等部分组成，系统的框图如图1-1所示。下面简要介绍系统各部分的功能。

（1）主机。主机由运算器、控制器和内存储器三部分组成，是计算机控制系统的核心。主机的任务是完成程序的存储，并根据事先安排好的程序自动地对水电站的运行信息进行计算、分析，并做出相应的控制决策，以信息的形式通过输出通道向被控制对象发出控制命令。

（2）输入/输出通道。输入/输出通道也称为过程通道。过程通道包括模拟量的输入与输出通道、开关量的输入与输出通道，是主机与被控对象相互联系的桥梁。水电站运行过程中的各种电量、非电量及开关量被检测后都通过输入通道送入计算机，而计算机的各种控制信息则通过输出通道传送给被控对象。

（3）接口电路。接口电路是主机与外部设备、过程通道互相联系的纽带。计算机的接口电路主要有并行接口、串行接口及管理接口三种。主机通过接口电路来传送有关信息和命令以实现对外部设备、输入输出通道的控制。

（4）系统总线。系统总线把计算机硬件的各部分有机地联系在一起，使整个计算机系统有序地、高效率地投入运行。计算机的总线形式有单总线、双总线及多总线等。

（5）外部设备。外部设备是指输入设备、输出设备及外存储器等设备。如键盘、光电输入机等输入设备是用来输入程序和数据的。输出设备主要有打印机、记录仪、显示器等，其作用是把主机输出的二进制数据变换成十进制数据、曲线及字符等，使运行人员能及时地了解生产过程。外存储器有磁带、磁盘等，其功用是存储程序及有关数据。

（6）运行操作台。运行操作台是运行人员与计算机控制系统进行联络的工具。运行操作台设置了各种功能键、数字键及显示屏幕。运行人员通过运行操作台实现对控制参数的修改、控制命令的发出、对事故的处理以及对整个生产过程的随时了解。

（7）通信设备。通信网络由各种通信设备组成，与上一级计算机系统连接进行通信。它既可接受上一级计算机系统下达的各种命令和信息，也可向上一级计算机系统发送本电站的有关信息。

2.软件系统

软件系统包括系统软件和应用软件两大部分。系统软件由计算机厂家提供，一般包括程序设计系统、诊断程序和操作系统三个部分。程序设计系统是为用户进行程序编制而提供的工具程序，例如编译程序等，它的作用是把用户输入的源程序翻译成为目标程序。诊断程序是为计算机的调试、查错和故障修复而提供的工具程序。操作系统是对计算机的监控系统进行管理调度的程序，是用户进行管理的基础。

但对用户来说，更需要掌握的是应用软件。应用软件是用户自己设计和编写的，主要包括过程监视程序、过程控制程序及公共应用程序。过程监视程序包括数据巡回检测程序、数据处理程序、越限报警程序以及控制台服务程序等；过程控制程序包括描写生产过程及实现控制的各种程序；公共应用程序包括服务子程序和制表打印等程序。

三、水电站计算机监控系统的主要任务

1.水库的经济运行

计算机对库区的雨量和水位资料进行计算，进行短期或长期的水文预报。根据预报，主机计算出24h的流量过程线，在给定的负荷调整范围内，由计算机给出24h的负荷运行建议，供调度人员选用。这些工作是水电站经济运行的基础，也是合理利用水能资源必须进行的工作。

2.最优发电控制

计算机对水电站的监控，最直接的目的就是进行最优的发电控制。监控的主要内容如下：

（1）根据电力系统对水电站有功功率的需要，实时调节水轮机导水叶开度，输入所需的水量。

（2）保证水轮发电机组的最优配合和负荷的最优分配。当水电站接受上一级调度下达的发电任务之后，水电站运行人员必须根据本水电站的机组台数、各机组的技术性能进行合理的组合，使各机组发挥最高的效率，并使整个水电站以最小的耗水量发出最多的电能。为了达到这个目的，必须制定合理的数学计算模型，然后由计算机进行计算，将各种可能运行组合的结果进行比较，选出最优方案。

（3）保证水电站的电压质量及无功功率的合理分配。这项工作，由运行人员根据电力系统对本电站的要求，给计算机输入控制水电站母线电压的上下限值，将无功功率分配给各发电机组。

3.安全监视

安全监视包括水库防洪监测、大坝的安全监测和对运行设备的监视等内容。

（1）水库防洪监测。水库防洪是涉及到水电站建筑物的安全和下游人民生命财产安全的重大问题。一个完整的水电站计算机控制系统，应该设置水文预报系统。一般情况下，该预报系统可以根据水情测报系统提供的水文资料进行水力资源的计算，为运行人员提供决策资料；而在洪水季节，则应根据各方面送来的水文资料进行洪水预报，进行洪水调度计算，进行泄洪闸门的开启计算等。

（2）大坝安全监测。大坝安全监测是对水电站大坝、厂房、泄洪道、船闸等水工建筑物的监测，包括对大坝的位移、温度、应力、渗漏等参数的测量和显示。

（3）对运行设备的监视。利用计算机对水电站运行中的水轮发电机组及辅助设备的各项参数进行巡回检测，当发现这些设备的有关参数超过规定的上、下限值时，计算机便发出越限警报。对某些重要设备的关键参数，可以设置趋势记录，一旦发现有异常趋势，计算机便发出相应的警告，运行人员可以采取措施，及时消除隐患。

4.自动控制

根据计算机给出的有关命令，水轮发电机组的开停机、发电、调相状态的转换、发电机的并列运行、机组有功功率及无功功率的调节、进水闸门开闭以及水轮机导水叶开度的调节等都可以进行自动控制。

5.自动处理事故

水电站出现的事故往往是突发性的，在短时间内，运行人员很难对事故的性质做出准确的分析判断。通过计算机监控系统可以对水电站的设备进行在线监视，对运行设备的各种参数进行记录和存储，一旦发生事故，计算机便对事故进行分析，然后再执行有关的事故处理程序，在事故得到及时处理的同时还记录了事故的性质、发生的时间和地点。