第一部分
基 础 理 论
水电站计算机监控技术是一门综合性很强的科学，它是水电站硬件技术、计算机技术、通信技术、数据库技术、网络技术和自动化监控技术等多种技术的有机融合。要深入了解水电站计算机监控技术，必须先了解水电站监控系统的各种基础装置、计算机应用基础、数据通信基础以及计算机监控系统的模式和配置等内容。在后面的学习中，我们将逐步理解水电站计算机监控技术的深刻内涵。
第1章 概论
1.1 水电站计算机监控系统的发展概况
安全经济运行是水电站最根本的任务之一。随着国民经济的持续发展，电力需求迅猛增长，兴建的水电站越来越多，其容量也越来越大，如正在建设的三峡水电站，总装机容量高达18200MW 。为了实现安全发供电，需要经常监测的量成千上万，需要实现的控制功能也越来越复杂。特别是抽水蓄能电厂的出现，机组的工况不仅有发电、调相，而且还有抽水、各种工况之间的相互转换，使控制功能进一步复杂。为了实现水电站的优化运行以期达到整个系统的的经济运行，需要进行的计算更为复杂。以上这些复杂的工作使原来在水电站上广泛使用的布尔逻辑型自动装置越来越难以胜任，因此采用更为先进的技术成了迫不及待的任务。
与此同时，计算机科学发展异常迅猛，技术日新月异，其性能日趋完善，而价格日益下降，这为计算机监控取代常规的布尔逻辑型自动装置提供了良好的物质基础。
早在20世纪70年代，计算机已开始应用于水电站，起先用于各项离线计算和工况的监测，后来，逐渐进入到控制领域。它经历了一段从低级到高级，从顺序控制到闭环调节控制，从局部控制到全厂控制，从电能生产领域扩展到水情测报、水工建筑物的监控、航运管理控制等各个方面，从监控到实现经济运行，从个别电厂监控到整个梯级和流域监控的发展过程。出现了一批用微机构成的调速器、励磁调节器、同期装置和继电保护装置等。多媒体技术应用使电厂中控室的设计发生了巨大的变化。巨大的模拟显示屏正在逐渐被计算机显示器所代替；常规操作盘基本上已被计算机监控系统的值班员控制台所取代；运行人员的操作已从过去的扭把手、按开关转为计算机键盘和鼠标操作。运行人员的工作性质也发生了质的变化，从过去的日常监盘和频繁操作转变为巡视，经常的监测和控制调节工作都由计算机系统去完成。运行人员的劳动强度大大减轻，人数也大大减少，甚至出现了无人值班或“无人值班”（少人值守）的水电站。总之，采用计算机监控已成了水电站自动化的主流。
1.1.1 国内外发展现状
从20世纪70年代起，计算机监控在国外一些水电站上取得了实质性的进展，出现了用计算机控制的水电站。最初，由于计算机价格比较昂贵，全厂只用一台计算机实现对主要工况的监视和操作，通常采用开环调节控制。后来，随着计算机性能改善和价格下降，出现了采用多台计算机实现闭环调节控制的水电站。高性能微机的出现使微机在水电站监控系统中得到普遍的应用。现在，新投入的水电站大都采用由多台计算机构成的计算机监控系统。世界各国的发展是不平衡的，目前关于水电站实现计算机监控的情况还缺乏完整统计资料。就国家来说，美国、法国、日本和加拿大等国在这方面是比较领先的。
国外研制水电站计算机监控系统有许多公司，其中比较著名的有，加拿大的CAE 公司、瑞士和德国的ABB 公司、德国的西门子公司、法国的ALSTOM 公司（原CEGELEC 公司）、日本的日立公司和东芝公司、美国和加拿大的贝利公司、奥地利的依林（ELIN ）公司等。各公司都推出自己的系列产品，在世界各地得到了广泛的应用。
我国水电站计算机监控系统的研制工作起步并不晚。早在70年代末，原水电部就组织了南京自动化研究所（现改为电力自动化研究院）、长江流域规划办公室（现改为长江水利委员会）
和华中工学院（现改为华中科技大学）研究葛洲坝水电站采用计算机监控系统问题。随后，中国水利水电科学院研究院（简称水科院）自动化研究所开始了富春江水电站计算机监控系统的研制工作。天津电气传动设计研究所（简称天传所）也开始了永定河梯级水电站计算机监控系统的研制工作。这些监控系统于80年代中期先后投入运行。
与此同时，我国也引进了一些国外研制的监控系统。采用CAE 公司产品的有葛洲坝大江电厂、隔河岩水电站和龚嘴梯调；采用西门子公司产品的有鲁布格水电站、广州抽水蓄能电厂C 二期、龚嘴水电站；采用ABB 公司产品的有潘家口、天生桥二级、溪口、宝兴河梯级和二滩等水电站；采用贝利公司产品的有十三陵抽水蓄能电厂和天荒坪抽水蓄能电厂；采用法国CEGELEC 公司产品的有广州抽水蓄能电厂（一期）、高坝洲水电站；采用依林公司产品的有小浪底水电站。
十多年来，国内的研制单位也取得了很大的成就。已投运的几十个计算机监控系统中绝大多数是由国内单位研制的。技术水平也有了很大的提高，达到了国外90年代的水平。许多新技术，如分层分布处理、分布式数据库、开放系统、网络、多媒体、专家系统等，都得到了相应的应用。电力自动化研究院和水科院自动化研究所还推出了自己的系列产品，不仅在国内水电站得到广泛的应用，甚至还出口到国外。
根据近年来的实践，新建的大中型水电站已基本采用计算机监控系统，不采用的已是少数。
1.1.2水电站计算机监控方式的演变
随着计算机技术的不断发展，水电站监控的方式也随之改变，计算机系统在水电站监控系统中的作用及其与常规设备的关系也发生了变化，其演变过程大致如下。
1. 以常规控制装置为主、计算机为辅的监控方式（Computer-Aided Supervisory Control，简称CASC ）
早期由于计算机价格比较昂贵，而且人们对它的可靠性不够信任，因此，计算机只起监视、记录打印、经济运行计算、运行指导等作用，水电站的直接控制功能仍由常规控制装置来完成。采用此方式时，对计算机可靠性的要求不是很高，即使计算机局部发生故障，水电站的正常运行仍能维持，只是性能方面有所降低。采用这种控制方式的典型例子是依泰普水电站运行的初期（80年代上半期）。当时采用这种控制方式的理由是，根据巴西和巴拉圭的国情，认为采用计算机监控系统的经验还不够成熟，缺乏相应的技术力量，故而先采用能实现数据采集和监视记录等功能的计算机系统，而水电站的控制仍由常规设备来完成。这样，可以为将来可实现控制功能的系统作准备，同时可以减少前期的投资。后来，依泰普水电站已将它更新为具有复杂控制功能的、比较完善的计算机监控系统。
国内采用这种控制方式的典型例子是富春江水电站综合自动化的一期工程（80年代上半期）。一期工程是一个实时监测系统，实现数据的采集和处理、提供机组经济运行指导和全厂运行状态的监视记录，计算机不直接作用于生产过程的控制。这在当时是适合的，后来也被更新为能实现控制功能的比较完善的计算机监控系统。
这种控制方式的缺点是，功能和性能都比较低，并对整个水电站自动化水平的提高有一定的限制，目前新建水电站已很少采用。
对已运行的水电站，尤其是在中小型水电站，在常规监控系统的基础上，加一点专用功能的全厂自动化装置，如自动巡回检测和数据采集装置，按水流或负荷调节经济运行装置等，也
可取得很好的技术经济效益，投资也不大，对运行管理水平要求不太高，这种CASC 方式还是可以采用的。国外也有不少这样的例子。
2. 计算机与常规控制装置双重监控方式（Computer-Conventional Supervisory Control，简称CCSC ）
随着计算机系统可靠性的提高和价格的下降以及人们对计算机实现监控的信任度的提高，人们较容易接受让计算机直接参加控制，但对它还不是很放心，所以出现了计算机与常规控制装置双重监控的方式。此时，水电站要设置两套完整的控制系统，一套是以常规控制装置构成的系统，一套是以计算机构成的系统，相互之间基本上是独立的。两套控制系统之间可以切换，互为备用，保证系统安全可靠运行。采用这种方式的原因是：
(1) 有些用户，特别是大型水电站，对计算机系统的可靠性仍有较大的顾虑，总觉得计算机系统没有常规系统可靠，心理上有障碍，要设一套常规系统作后备。
(2) 原来的水电站运行值班人员习惯于常规设备的操作，不熟悉计算机系统的操作，需要一段适应过程。
(3) 计算机系统检修时，常规系统可以投入运行，不影响水电站的正常运行。
(4) 如果水电站已有常规系统，加设计算机监控系统可以减少干扰，不影响电厂的正常运行。这一点对已运行水电站的改造是有现实意义的。
国外采用这种方式的典型例子是美国邦纳维尔第二电厂（558MW ）和巴斯康提抽水蓄能电厂（2100MW ）。国内采用这种控制方式的典型例子是葛洲坝大江电厂（1750MW ）和龙羊峡水电站（1280MW ）。
采用这种方式的缺点是：①由于需要设置两套完整的控制系统，投资比较大；②由于两套系统并存，相互之间要切换，二次接线复杂，可靠性反而有所降低。目前新建水电站已很少采用这种控制方式。
3. 以计算机为基础的监控方式（Computer-Based Supervisory Control，简称CBSC ） 随着计算机系统的可靠性进一步提高和价格的进一步下降，出现了以计算机为基础的监控系统。采用此方式时，常规控制部分可以大大简化，平时都采用计算机控制。因此，对计算机系统的可靠性要求就比较高，这可以采用冗余技术来解决，保证系统某一单元或局部环节发生故障时，整个系统和电厂运行还能继续进行。
采用此种方式时，中控室仅设置计算机监控系统的值班员控制台，模拟屏已成为辅助监控手段，可以简化甚至取消。
国外采用这种方式的典型例子是美国的大古力水电站（6150MW ），委内瑞拉的古里水电站（10000MW ）、法国的孟德齐克抽水蓄能电厂（920MW ）等。国内采用这种方式的典型例子是漫湾水电站（1250MW ）。
这种控制方式是目前国内外水电站普遍采用的计算机控制方式。
4. 取消常规设备的全计算机控制方式
随着计算机技术的进一步发展和水电站计算机监控系统运行经验的累积，出现了以计算机为唯一监控设备的全计算机控制方式，实际上它是CBSC 方式的延伸。此时，取消了中控室常规的集中控制设备，机旁也取消了自动操作盘。中控室还保留模拟显示屏，但其信息取自计算机系统，不考虑在机组控制单元（计算机型的）发生故障时进行机旁的自动操作。此时，对计
算机系统的可靠性提出更高的要求，冗余度也要进一步提高。
采用这种方式的典型例子是我国隔河岩水电站（1200MW ），采用CAE 公司的产品。这种方式投资比较大，但它有良好的应用前景，将成为未来的水电站计算机控制方式的主流。
1.1.3小型水电站计算机监控现状
由于早期的研制主要集中于大、中型水电站，对小型水电站监控系统的研究较少，因此使得我国水电站自动化技术的发展出现了极不平衡的局面，小型水电站的自动化水平目前还处于比较落后的状态。在小型水电站自动化装置的研究方面，与国外的先进水平相比还有一段较大的差距。
针对小型水电站的特点而专门进行的一项研究是在20世纪90年代中期进行的，是由国电自动化研究院与石景山发电总厂合作在下苇甸水电站容量均为15MW 的5号和6号机上进行的发电综合控制装置（GCU ）的研究试验。由于GCU 的设计构想是集调速、励磁、顺控、同期、测量5个功能于一体，因此又称为“五合一”装置。经一段时间的试运行，甩100%负荷试验，从高井到下苇甸5号机的远方控制等情况来看，该套装置运行正常，达到预期目的。
为了促进小水电站实现自动化控制，水利部亚太小水电中心和国家电力公司南京自动化股份有限公司都在小型水电站监控方式方面进行了一些探讨。此外，武汉华工电气自动化有限责任公司、南京自动化设备厂和许昌继电器集团有限公司等科研、制造单位也做了不少工作，在我国已形成了SDJK 、DZWX 、SSJ-3000、CSCS 系列、SD200和SJK-3000等多种产品。下面作一简要介绍。
SDJK 系列水电站计算机监控系统，是水利部亚太小水电中心自行开发研制成功的水电站综合自动化系列产品之一，适用于中小型水电站的自动监测、控制和保护，对水电站实行遥测、遥信、遥调和遥控，使电站运行实现高度自动化，并提高了电站运行的经济性、可靠性和安全性。电站若与电力调度系统连接，可作为电力调度自动控制系统的厂站端。
该系统集多种功能于一体，采用分层分布式结构，模块化设计，以工业级微机为上位机，以可编程序逻辑控制器PLC 、微机保护装置、智能采集与远动装置RTU （如智能电参数测量仪、温度巡检仪及其他的智能采集与远动装置）等构成现地控制测量单元LCU ，以此作为下位机主体设备单元，这种配置极大地提高了该系统的灵活性和可靠性。
SDJK 系列水电站计算机监控系统，遵循成熟的工业控制标准，采用模块化设计，具有以下几个特点：
(1) 结构合理。SDJK 系统软硬件根据中小型水电站的实际情况，采用先进的分层分布式智能结构，整个系统层次清晰、结构灵活、实用性强、扩展方便、性能价格比高。
(2) 功能强。SDJK 系统可对各类输入量进行实时采集、处理、监视，对各类控制对象进行多种控制；人机界面友好，根据水电站实际情况，可方便地对画面、参量、编号进行修改或重新定义；强有力的事故追忆和顺序事件记录（SOE ）功能，为事故分析提供了必不可少的手段。
(3) 扩展灵活。SDJK 系统的软硬件均采用模块化设计，可依据电站实际规模，灵活配置，并留有充足的备用和可扩充容量，该系统还能与调度系统联网通信，实现更高层次上的扩展。
(4) 性能可靠。SDJK 系统设计充分考虑到保证系统的高度可靠性，重要部位实现多重冗余，某一设备故障不影响系统性能；所有输入输出均带隔离、软硬件数字滤波、防触点抖动等措施。上位机与LCU 软件还带有完备的防误操作、自诊断、自恢复程序，PLC 输出口采用了软件和硬
件的双重闭锁，并通过多种防雷和抗干扰的措施，大大提高了系统的可靠性。
DZWX 系列低压机组智能型控制系统，是专门针对农村小型水电站（AC400V 630kW及以下低压机组）的设备配套及运行特点而开发的一套可靠、实用又经济的自动化系统的厂站端。
系统设计思路是尽可能使小型水电站在减少配置，减少投资的情况下实现高度自动化，所以它在SDJK 系列的分层分布式结构、模块化设计基础上又加入自身设计特色：
(1) DZWX 系统简化设计，将二次测量、控制、保护设备与一次电气设备同组一屏，即对电站配置来说，只需一机一屏，整个系统层次清晰、结构灵活、实用性强、扩展方便、性能价格比高。
(2) 取消自动调速器，只需电手动两用操作器或电动机，完成机组的自动同期并网及功率调节。
(3) 智能控制器完成机组的残压测频、电站控制、调节操作及电站运行状态的采集。
(4) 智能电量测量仪完成机组的电气参数采集及保护。
(5) 电站若有多台机组，DZWX 系统可根据需要配置上位机，对各类输入量进行实时采集、处理、监视，对各类控制对象进行多种控制；上位机软件自行开发，人机界面友好，根据实际情况，可方便地对画面、参量、编号进行修改或重新定义；强有力的事故追忆和顺序事件记录（SOE ）功能，为事故分析提供了必不可少的手段。
(6) DZWX 系统的软硬件均采用模块化设计，可依据电站实际规模，灵活配置，并留有充足的备用和可扩充容量，该系统还能与调度系统联网通信，实现更高层次上的扩展。
DZWX 系统设计充分考虑到保证系统的高度可靠性，某一设备故障不影响系统性能；所有输入输出均带隔离、软硬件数字滤波、防触点抖动等措施。上位机与LCU 软件还带有完备的防误操作、自诊断、自恢复程序，输出口采用了软件和硬件的双重闭锁，并通过多种防雷和抗干扰的措施，大大提高了系统的可靠性。
SSJ-3000水电站计算机监控系统主要适用于中、小型水力发电厂的运行监视、控制调节和运行管理自动化。其特点为可靠性高、功能强、人机界面友好、可扩性好。系统功能包括数据采集和处理；各种开关量、模拟量、脉冲量、温度量的输入处理，状态监视，故障登陆、报警，相应的保护功能；生产过程的操作控制；自动完成机组开机、停机过程，辅机设备的启停，隔离开关、断路器的分合；机组有功功率、无功功率、频率的自动调节；运行监视和事件报警；远动通信；统计记录；操作票管理等。
国电南京自动化股份有限公司生产的SD200水电站自动化系统采用全开放、模块化结构设计，能实现数据采集与处理、机组顺控、自动准同步、调速、励磁、功率调节控制等功能；采用了当今已成熟的先进技术和器件，如WIN NT操作系统、DSP 数字信号处理器、CAN 现场总线技术、以太网技术和INTERNET 技术等；它满足可靠、安全、经济、实用、技术先进和便于扩充等基本原则，符合相关部颁与国家标准；适合各种容量等级，不同功能要求的水电站，既适用于新建水电站 、又可用于已建水电站的改造及梯级水电站调度自动化系统，并可与各种微机保护装置，变电站微机监控装置，县、地级调度中心系统等配套供货，实现电站“无人值班”（少人值守）的可靠、安全、经济运行。其部分功能也可构成独立装置使用，如机组顺控装置、微机自动准同步装置、微机温度巡检/保护装置、微机交流电量采集装置、闸门监控系统等，操作方便，配置灵活。
SJK-3000系统是西安理工大学水力机械及自动化研究所的科研人员在总结多年从事中小型水电站计算机监控系统开发经验的基础上，适应计算机监控技术的发展和用户的要求，与许继电气集团合作与1998年研制成功的新产品，1999年4月通过了国家电力公司和经贸委机械局组织的“两部”鉴定。该系统采用了“工业控制微机+现场总线网络+PCC*现地控制单元”的结构模式，以Windows NT 下的工业组态软件为开发平台，实现了SCADA 编程，从而构成了基于现场总线的分布式全开放水电站计算机监控系统。该系统的最大特点是结构简单且硬件采用标准化工控产品，即使上位机出现故障，现地PCC 控制单元仍可正常工作，极大地提高了系统本身的可靠性。另外，除具备实时监测、实时控制与调节、运行管理、远程通信等功能外，通过现场总线与调速、励磁及保护装置连接后，便可构成水电站综合自动化系统，这为用户提供了极大的方便。
1.2 水电站计算机监控的目的和意义
水电站计算机监控的目的和意义，就是通过对电站各种设备信息进行采集、处理，实现自动监视、控制、调节、保护，从而保证水电站设备充分利用水能安全稳定运行，并按电力系统要求进行优化运行，保证电能的质量，同时减少运行与维护成本，改善运行条件，实现无人值班或少人值守。
1.2.1减员增效，改革水电站值班方式
水电站计算机监控技术的应用，使水电站运行实现自动化，运行人员对设备的操作工作量大大减少，减轻了运行人员的劳动强度，减少了水电站的运行人员数量，使水电站实现少人值守或无人值守。由于运行人员减少，电站生活设施等基础设施也可以相应地减少、简化，降低了电站的造价；水电站运行人员减少的同时，也减少水电站的运行费用及发电成本，达到减员增效的目的。
此外，在水电站实现计算机监控，可对水电站运行人员的职能进行转变，把运行人员从对水电站设备的操作向对水电站设备的管理进行转化，使电站运行人员有更多的时间和精力花在水电站设备的维护保养上，保证水电站设备的可用性及完好性，延长水电站设备的使用寿命及检修周期，水电站设备的一些重复操作、调节、运行状态及参数的记录则由计算机监控系统在不须允许人员干预的情况下自动完成。水电站实现计算机监控后，富余出来的人员则可进行轮流培训，以提高对电站的运行管理水平，还可为电站从事多种经营、第三产业创造条件，充分开发水电站的资源，为水电站增加经济效益。
1.2.2优化运行，提高水电站发电效益
水电站自动控制系统与机组自动控制系统相结合，使电站自动控制系统能按优化运行方案给机组分配有功功率和无功功率，让机组运行在高效率区。
对一个电站来说，有了优化运行，就可以给水电站带来直接经济效益，意义也是非常大的。根据国内外资料表明，在水电站实行优化运行可最大限度地利用水能，水能利用率能提高3%~5%。如果从机组的角度来看，就相当于机组的效率提高了3%~5%。然而这对现代水轮发电机组来讲，机组本身的效率已很高，要提高机组的效率，哪怕是0.5%~1%，都要利用现代高新技术，技术难度可想而知。而利用优化运行，同样多的水可发出更多的电能，比通过提高机组本身效率来增加电能要容易得多。
对于水电站内优化运行，则可把水电站运转特性、水轮机运转特性等数学模型编成软件放
入计算机监控系统，计算机监控系统根据水电站运行情况自动调节水电站、机组的运行，以保证整个水电站的运行处在高效率区；对于具有月调节、年调节、多年调节能力的水库电站，则同样可把中长期洪水预报建成数学模型，编成软件，放入计算机监控系统，由计算机监控系统自动按中长期洪水预报的数学模型调整水电站的运行。计算机监控系统也可对水电站运行人员给出调整指导，由水电站运行人员调整水电站的运行；对于只具有日调节能力或无调节能力的径流式水电站，水电站计算机监控系统与洪水实时测报系统相结合，可避免这类水电站在汛期大量弃水。洪水实时测报系统的基础是水电站所在集雨面积内的自动雨量站，当水电站所在集雨面积内发生降雨，自动雨量站把降雨量情况发送到水电站计算机监控系统，计算机监控系统则按预先设计好的数学模型调整水电站的运行，增加水电站的出力，降低日调节池或前池水位。当数小时后，由于降雨而形成的洪水到达水电站时，则可减少洪汛时的弃水。
1.2.3 安全稳定，保障水电站电能质量
众所周知，在广大山区、农村和边远地区，有相当多的地方大电网延伸不到，而绝大多数的中小水电站也主要集中在山区、农村和边远地区，因此产生了由中小水电站形成的相对独立的区域供电网或地区供电电网。在这些电网中，水电站在提供电力方面起了主要作用。随着山区和农村工农业的发展及农村电气化实现，人民生活水平的不断提高和家用电器的不断增加，早期对电的低层次的需求——如照明、农副产品的粗加工等也在悄悄地发生变化，逐渐提高了对电的需求的层次，由此，对水电站发出的电能的质量和电网运行的稳定性提出了较高的要求。
计算机监控系统不仅能准确而迅速地反映水电站各设备正常运行的状态及参数，还能及时反映水电站设备的不正常状态及事故情况，自动实施安全处理。水电站的自动控制减少了运行人员直接操作的步骤，从而大大降低了发生误操作的可能性，避免了运行人员在处理事故的紧急关头，发生误操作，保证了水电站设备运行的可靠性，从而也保证了电网运行的可靠性。
在设备可靠运行的情况下，计算机监控系统能自动控制发电机组频率和电压，并根据电力系统调度要求，自动调节发、供、用电的平衡，保障了水电站发出的电能质量和电网运行的稳定性。
1.2.4竞价上网，争取水电站上网机会
水电站采用计算机控制系统可加快水电站、机组的控制调节过程。计算机监控系统可按预定的逻辑控制顺序或调节规律，依次自动完成水电站设备的控制调节，免去了人工操作在各个操作过程中的时间间隔，还免去了人工操作过程中的检查复核时间，由自动控制系统快速完成各个环节的检查复核，大大加快了控制调节过程。比如机组开机过程，采用人工操作，光是机组并网这一环节，有的机组经十多分钟都并不了网，运行操作人员精神高度集中紧张，弄不好还可能发生非同期合闸，给电网和机组带来冲击。采用计算机控制系统、自动控制装置并网，机组的频率、电压自动迅速跟踪电网的频率、电压，当频率、电压、相位差满足并网合闸要求后，机组自动并网，并网时间很短，一般只需一、二分钟即可解决问题，时间短的只需半分钟就可并上网。
根据国家电力体制改革的要求，实现“厂网分开，竞价上网”后，水电站如果没有自动化系统，而是依靠传统的人工操作控制，将难以满足市场竞争的需要。不了解实时行情，参与竞价将非常困难，即使争取到了发电上网的机会，又因设备陈旧落后而不能可靠运行，既影响电网供电，又使自身效益受损，最终也失去了来之不易的发电机遇。
1.2.5简化设计，改变水电站设计模式
采用常规控制，电气设计非常繁琐，订货时要向厂家提供原理图、布置图，还要进行各种继电器的选型。而自动控制设备集成后，设计单位只要提供一次主接线和保护配置及自动化要求即可，故能以选型的方法代替电气设计，简化设计、安装和调试工作。
1.3 小型水电站计算机监控系统的特点
小水电站实现自动化，是改善电站运行条件，提高电站综合经济效益的重要措施。与大型水电站相比，小型水电站的自动化设计有以下特点：
(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
小型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)电压变化极大
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，所以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
农村小水电站的年维护更新费用是很少的，不可能象大中型电站那样有计划的去进行设备的更新和完善。
根据上述小水电站自动化设计的特点可知，在中国这样一个人口众多、劳动力丰富、经济基础薄弱的发展中国家，小水电站搞自动化比发达国家难得多，它要更多地考虑价格因素、适应运行人员的知识水平、经济效益等。所以，小水电站计算机监控有其自身的特点，这里将其概括为经济实用、简单可靠。
1.3.1经济实用
小水电站计算机监控系统不能搞花架子，要强调以经济实用为原则。过去，有的小水电站为了应付领导参观，测量参数不管有用没用，总是加大采集量，似乎显示画面越花哨，系统就越先进。有的电站盲目学大电站，系统配置很高，比如一个装机容量1000kW 的电站除了上位机，还设置了前置机、工程师工作站等，结果自动化投资很高，收到的效益甚微。因为小水电站不比大中型水电站，它在系统中地位不十分重要，系统对它的可靠性和稳定性要求也相对较低，因此自动化功能和配置可以简化，只要满足运行要求即可。事实上，对一些装机容量只有几百千瓦的农村小水电站，在欧美国家也有采用“开机手动，停机自动”的自动化模式的，平时无人值守，值班人员住在山下城镇，开机时骑摩托车来，开完机就走。遇事故自动停机，向
值班人员住处或传呼机发信号，值班人员再过来处理。根据小水电站不同装机容量或等级，采用不同的自动化模式，一切从实用化出发，这也是近几年小水电站自动化得到发展的原因之一。
1.3.2简单可靠
由于小水电站位于偏僻的农村，电站运行人员大多数是当地的农民，只是水平比较低。如果自动化系统操作维护复杂，就很难为他们所接受。20世纪80年代初，小水电站自动化刚刚起步，电站虽然安装了计算机控制系统，但原先人员仍在原控制台监控，微机闲置，仅在为参观人员表演时投入运行。询问原因，是电站熟悉微机的运行人员不多，担心误操作出事故，而且出了问题资金没法解决，要千里之外请专家来排除。可见，小水电站自动化如果操作维护复杂，运行人员不敢用，它最后成为一种供人参观的摆设。对于小水电站，运行人员希望使用的是一种“傻瓜”型高可靠型自动控制保护系统，就像一部傻瓜型照相机，只需简单培训就能完全掌握。小水电站计算机监控系统设备简单，反而提高了系统的可靠性。
1.4水电站综合自动化
在我国，水电站综合自动化问题的提出始于20世纪70年代，1979年由原电力部科技委在福建古田主持召开的“全国水电站自动化技术经验交流会”提出了1979~1985年的七年奋斗目标，即水电站自动化科学技术发展七年规划，要求加强梯级电站和大型电站综合自动化试点工作，但由于当时技术条件的限制，研究的注意力逐渐集中于计算机监视和控制技术的研究。经过多年的发展，水电站计算机监控技术已基本成熟，在国内的大中小型水电站得到推广应用，取得了非常好的经济效果。同时由于计算机技术及相关的网络技术、通信技术的迅速发展，水电站内出现了多系统互联的趋势，如隔河岩水电站原引进加拿大CAE 公司的计算机监控系统，但在几年运行中发现还不能满足电站的运行要求，后又增加了许多防洪、调度、管理、通信等子系统，使原引进的监控系统外部连接混乱，管理维护困难。广州蓄能电站也有类似情况，为了能进行扩充，从原打字机接口接入MIS 系统等。这些都说明在水电站运行管理也在不断向减人增效、“无人值班”（少人值守）的方向发展，迫切需要进一步研究水电站综合自动化系统领域的关键技术，进一步提高水电站的运行管理水平和综合自动化水平。
1.4.1水电站综合自动化的内涵
从水电站的总体层次上来分析，其综合自动化体现在如下多个方面：
(1) 水电站实际是水、机、电的一个综合整体，相互之间既有分工又密切联系，因此考虑综合自动化是适宜的。
(2) 水电站综合自动化涉及电力调度、水利调度、航运调度、水情测报以及灌溉及防洪等，因此有关的研究应涉及上述各行业的协调问题。
(3) 水电站状态监测及预测检修是当前很受关注的问题，它除了涉及监控系统常规的内容外，还包括与振动摆度、汽蚀磨损、绝缘间隙等测量装置的接口与配合问题等，需要全面考虑。
(4) 水电站综合自动化也涉及如何在原有计算机监控系统的基础上，实现功能的扩展及提高的问题，如新型计算机技术、网络增建及延伸、人工智能、多媒体技术等。
(5) 水电站综合自动化任务的提出，更使水电站的自动化成为一个系统工程，其各部门和领域之间的有机协调配合将会使整个系统配置更为合理、利用效率更高，例如一些综合性的问题，以往单项控制时他们之间所隐含的关系常被忽略掉，而在综合自动化系统中则比较容易实现，以此来提高系统性能，加速系统的速动性及实时性并改善系统间的协调性。
1.4.2水电站实施综合自动化改造的基本原则
水电站进行技术改造，逐步提高自动化水平和运行管理水平已是必然趋势。水电站由于受各方面条件的限制，必然采用分步实施方式进行技改。因此，如何进行总体设计以利于分步实施，最大限度地避免重复投资，是技术改造合理、成功的关键。
水电站的生产、管理是一个完整的整体，应该从系统的角度来考虑水电站的综合自动化问题。计算机集成制造（Computer Integrated Manufacturing，简称CIM ）正是这样一种系统思想。它是一种组织、管理与运行企业现代化生产的新哲理。它借助计算机硬、软件，综合运行现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全部过程中有关人、技术、经营管理三要素集成起来，并将其信息流与物流有机地集成，并优化运行。这一系统通常称为计算机集成过程控制系统（Computer Integrated Processing Systems，简称CIPS ）。
CIM 哲理近年来在全球范围内得到广泛的应用。针对不同类型的企业，有不同的应用模式。同时，由于其系统集成的复杂性，尤其是在我国产业技术水平相对较低的情况下，实施CIMS 要从企业的实际情况出发，根据企业现在的基础设施的现状，使用最有效的对组织最有利的方式将各种新技术集成到企业的计算环境中。从现有的组织管理体制看，以县电力公司为一个CIPS 主体可能更恰当一些。因此将水电站的综合自动化系统看成是县级CIPS 的一个子项目，从这一角度出发，提出以下几个原则：
(1) 系统的实用性。系统的目标必须与企业要解决的关键问题相结合，要和企业的核心问题挂钩。电站要解决的核心问题是基层生产单位的自动化控制以及信息交流。因此采用CIM 思想进行规划设计时，目标系统只包括生产自动化系统和管理信息系统两部分，采用目前成熟和已获得成功应用的先进技术来实现。
(2) 系统的广泛性。初始的应用设计应该满足企业现实的、各生产和管理环节的需求，同时还应考虑企业未来发展的潜在需求，即系统要具备良好的开放性和可扩展性，便于系统今后的升级、扩充和先进技术的采用。
(3) 系统的简单性。在建设初期，企业整个技术水平和管理水平都可能还不适应，相应的企业其他信息资源、管理环境都不完善的情况下，要从作一些简单的应用开始、复杂的应用可能不易实现。
(4) 系统建设的阶段性。设立恰当的阶段性目标，明确需要解决的主要问题，制定切实可行的计划。用系统工程的方法建立一个系统的框架，实现一些基本的功能，然后在这个基本系统的基础上不断发展。
1.4.3 水电站综合自动化改造分步实施的思想
企业生产技术水平是企业文化的一部分，对于运行多年的企业，员工在长期生产活动中，已形成了基于现有设备状况和技术水平的思维方式和工作方式，因此在实施技改和采用新技术时，应注重培养员工思维和工作方式的逐步转变，采用分批技改，可保证从旧企业文化向新企业文化的平稳过渡，从而保证技术过渡期生产的安全。
另一方面，从技术投入本身来说，由于企业设备技术状况和健康状况不一，加上投入资金的限制。因此企业技改或技术更新基本上采用总体规划设计下的分批分步模式。
现场总线技术是基于开放性要求发展起来的全开放系统，具有极好的可扩展性能，是分步技改的首选技术。基于现场总线技术提出的小型水电站的技术更新可分四个阶段完成：
第一阶段：基于总体设计思想构造水电站控制系统整体框架。在电站一级配置工控机作为电站现有的监测点（具有标准信号输出或带有通信接口的DCS ，PLC 子系统）引入工控机，首先实现自动监测报警、记录、报表打印、模拟培训等功能。
第二阶段：增加必要的监测点，加入部分控制功能。在这一阶段，可根据电站的实际需求，更换或新增必要的传感器，加强对电站有关参数的运行监测，以全面了解电站的健康状况；同时对非核心设备和系统如辅助设备系统等进行配置，实现控制功能。
第三阶段：配置完善的监测点，实现全部控制功能。通过前二个阶段的试运行和调整，已基本保证了电站整体技术状况和健康状况的一致性，可进一步完善监测点的配置，全部实现控制功能，进而实现无人值班（少人值守）。
第四阶段：引入各种先进控制算法，实现优化运行，并完善整个管理网。
电站的生产管理系统以及与县级CIPS 系统的挂接等模块、可根据县CIPS 系统实施的进展情况决定。
总之，基于CIPS 哲理进行系统的整体规划，在具体结构模型中，采用具有良好的开放性、扩展性的网络技术和现场总线技术来实现，符合小型是电站分步改造的实际。
1.5 小结
本章主要阐述了与水电站计算机监控系统相关的一些基本概念和基本知识。
随着计算机科学技术的迅速发展，计算机从20世纪70年代开始应用在水电站，至今虽然只有短短三十多年的历史，但是，发展的速度却非常迅猛，取得的成绩异常突出。目前，在我国绝大多数的大中型水电厂已经基本采用计算机监控，越来越多的小型水电站也开始采用或改造成计算机监控。可以说，在水电站使用计算机监控技术在一定的范围和程度上的普及已经成为不可阻挡的趋势。在此发展过程中，计算机监控方式的演变经历了从常规控制装置为主、计算机为辅的监控方式到取消常规设备的全计算机控制方式四个阶段。
水电站采用计算机监控大大提高了水电站的安全性、可靠性和电能质量，可实现无人值班或少人值守，其意义主要体现在五个方面：减员增效，改革水电站值班方式；优化运行，提高水电站发电效益；安全稳定，保障水电站电能质量；竞价上网，争取水电站上网机会；简化设计，改变水电站设计模式。
由于中小型水电站具有自身的特点，因此实现中小型水电站无人值班并不要求将其自动化程度提高到大型水电厂的水平，其计算机监控系统应具有经济实用、简单可靠两个基本特点。 计算机监控技术的日益成熟和水电站运行管理要求的不断提高使得在水电站实现综合自动化成为必然趋势。为了避免重复投资，在水电站实施综合自动化改造过程中应当在基于CIM 系统的思想上遵循一定的基本原则。
思考题
1. 水电厂计算机监控方式的演变经历几个过程？
2. 水电站计算机监控的目的和意义是什么？
3. 小型水电站计算机监控系统有什么特点？
第一部分
基 础 理 论
水电站计算机监控技术是一门综合性很强的科学，它是水电站硬件技术、计算机技术、通信技术、数据库技术、网络技术和自动化监控技术等多种技术的有机融合。要深入了解水电站计算机监控技术，必须先了解水电站监控系统的各种基础装置、计算机应用基础、数据通信基础以及计算机监控系统的模式和配置等内容。在后面的学习中，我们将逐步理解水电站计算机监控技术的深刻内涵。
第1章 概论
1.1 水电站计算机监控系统的发展概况
安全经济运行是水电站最根本的任务之一。随着国民经济的持续发展，电力需求迅猛增长，兴建的水电站越来越多，其容量也越来越大，如正在建设的三峡水电站，总装机容量高达18200MW 。为了实现安全发供电，需要经常监测的量成千上万，需要实现的控制功能也越来越复杂。特别是抽水蓄能电厂的出现，机组的工况不仅有发电、调相，而且还有抽水、各种工况之间的相互转换，使控制功能进一步复杂。为了实现水电站的优化运行以期达到整个系统的的经济运行，需要进行的计算更为复杂。以上这些复杂的工作使原来在水电站上广泛使用的布尔逻辑型自动装置越来越难以胜任，因此采用更为先进的技术成了迫不及待的任务。
与此同时，计算机科学发展异常迅猛，技术日新月异，其性能日趋完善，而价格日益下降，这为计算机监控取代常规的布尔逻辑型自动装置提供了良好的物质基础。
早在20世纪70年代，计算机已开始应用于水电站，起先用于各项离线计算和工况的监测，后来，逐渐进入到控制领域。它经历了一段从低级到高级，从顺序控制到闭环调节控制，从局部控制到全厂控制，从电能生产领域扩展到水情测报、水工建筑物的监控、航运管理控制等各个方面，从监控到实现经济运行，从个别电厂监控到整个梯级和流域监控的发展过程。出现了一批用微机构成的调速器、励磁调节器、同期装置和继电保护装置等。多媒体技术应用使电厂中控室的设计发生了巨大的变化。巨大的模拟显示屏正在逐渐被计算机显示器所代替；常规操作盘基本上已被计算机监控系统的值班员控制台所取代；运行人员的操作已从过去的扭把手、按开关转为计算机键盘和鼠标操作。运行人员的工作性质也发生了质的变化，从过去的日常监盘和频繁操作转变为巡视，经常的监测和控制调节工作都由计算机系统去完成。运行人员的劳动强度大大减轻，人数也大大减少，甚至出现了无人值班或“无人值班”（少人值守）的水电站。总之，采用计算机监控已成了水电站自动化的主流。
1.1.1 国内外发展现状
从20世纪70年代起，计算机监控在国外一些水电站上取得了实质性的进展，出现了用计算机控制的水电站。最初，由于计算机价格比较昂贵，全厂只用一台计算机实现对主要工况的监视和操作，通常采用开环调节控制。后来，随着计算机性能改善和价格下降，出现了采用多台计算机实现闭环调节控制的水电站。高性能微机的出现使微机在水电站监控系统中得到普遍的应用。现在，新投入的水电站大都采用由多台计算机构成的计算机监控系统。世界各国的发展是不平衡的，目前关于水电站实现计算机监控的情况还缺乏完整统计资料。就国家来说，美国、法国、日本和加拿大等国在这方面是比较领先的。
国外研制水电站计算机监控系统有许多公司，其中比较著名的有，加拿大的CAE 公司、瑞士和德国的ABB 公司、德国的西门子公司、法国的ALSTOM 公司（原CEGELEC 公司）、日本的日立公司和东芝公司、美国和加拿大的贝利公司、奥地利的依林（ELIN ）公司等。各公司都推出自己的系列产品，在世界各地得到了广泛的应用。
我国水电站计算机监控系统的研制工作起步并不晚。早在70年代末，原水电部就组织了南京自动化研究所（现改为电力自动化研究院）、长江流域规划办公室（现改为长江水利委员会）
和华中工学院（现改为华中科技大学）研究葛洲坝水电站采用计算机监控系统问题。随后，中国水利水电科学院研究院（简称水科院）自动化研究所开始了富春江水电站计算机监控系统的研制工作。天津电气传动设计研究所（简称天传所）也开始了永定河梯级水电站计算机监控系统的研制工作。这些监控系统于80年代中期先后投入运行。
与此同时，我国也引进了一些国外研制的监控系统。采用CAE 公司产品的有葛洲坝大江电厂、隔河岩水电站和龚嘴梯调；采用西门子公司产品的有鲁布格水电站、广州抽水蓄能电厂C 二期、龚嘴水电站；采用ABB 公司产品的有潘家口、天生桥二级、溪口、宝兴河梯级和二滩等水电站；采用贝利公司产品的有十三陵抽水蓄能电厂和天荒坪抽水蓄能电厂；采用法国CEGELEC 公司产品的有广州抽水蓄能电厂（一期）、高坝洲水电站；采用依林公司产品的有小浪底水电站。
十多年来，国内的研制单位也取得了很大的成就。已投运的几十个计算机监控系统中绝大多数是由国内单位研制的。技术水平也有了很大的提高，达到了国外90年代的水平。许多新技术，如分层分布处理、分布式数据库、开放系统、网络、多媒体、专家系统等，都得到了相应的应用。电力自动化研究院和水科院自动化研究所还推出了自己的系列产品，不仅在国内水电站得到广泛的应用，甚至还出口到国外。
根据近年来的实践，新建的大中型水电站已基本采用计算机监控系统，不采用的已是少数。
1.1.2水电站计算机监控方式的演变
随着计算机技术的不断发展，水电站监控的方式也随之改变，计算机系统在水电站监控系统中的作用及其与常规设备的关系也发生了变化，其演变过程大致如下。
1. 以常规控制装置为主、计算机为辅的监控方式（Computer-Aided Supervisory Control，简称CASC ）
早期由于计算机价格比较昂贵，而且人们对它的可靠性不够信任，因此，计算机只起监视、记录打印、经济运行计算、运行指导等作用，水电站的直接控制功能仍由常规控制装置来完成。采用此方式时，对计算机可靠性的要求不是很高，即使计算机局部发生故障，水电站的正常运行仍能维持，只是性能方面有所降低。采用这种控制方式的典型例子是依泰普水电站运行的初期（80年代上半期）。当时采用这种控制方式的理由是，根据巴西和巴拉圭的国情，认为采用计算机监控系统的经验还不够成熟，缺乏相应的技术力量，故而先采用能实现数据采集和监视记录等功能的计算机系统，而水电站的控制仍由常规设备来完成。这样，可以为将来可实现控制功能的系统作准备，同时可以减少前期的投资。后来，依泰普水电站已将它更新为具有复杂控制功能的、比较完善的计算机监控系统。
国内采用这种控制方式的典型例子是富春江水电站综合自动化的一期工程（80年代上半期）。一期工程是一个实时监测系统，实现数据的采集和处理、提供机组经济运行指导和全厂运行状态的监视记录，计算机不直接作用于生产过程的控制。这在当时是适合的，后来也被更新为能实现控制功能的比较完善的计算机监控系统。
这种控制方式的缺点是，功能和性能都比较低，并对整个水电站自动化水平的提高有一定的限制，目前新建水电站已很少采用。
对已运行的水电站，尤其是在中小型水电站，在常规监控系统的基础上，加一点专用功能的全厂自动化装置，如自动巡回检测和数据采集装置，按水流或负荷调节经济运行装置等，也
可取得很好的技术经济效益，投资也不大，对运行管理水平要求不太高，这种CASC 方式还是可以采用的。国外也有不少这样的例子。
2. 计算机与常规控制装置双重监控方式（Computer-Conventional Supervisory Control，简称CCSC ）
随着计算机系统可靠性的提高和价格的下降以及人们对计算机实现监控的信任度的提高，人们较容易接受让计算机直接参加控制，但对它还不是很放心，所以出现了计算机与常规控制装置双重监控的方式。此时，水电站要设置两套完整的控制系统，一套是以常规控制装置构成的系统，一套是以计算机构成的系统，相互之间基本上是独立的。两套控制系统之间可以切换，互为备用，保证系统安全可靠运行。采用这种方式的原因是：
(1) 有些用户，特别是大型水电站，对计算机系统的可靠性仍有较大的顾虑，总觉得计算机系统没有常规系统可靠，心理上有障碍，要设一套常规系统作后备。
(2) 原来的水电站运行值班人员习惯于常规设备的操作，不熟悉计算机系统的操作，需要一段适应过程。
(3) 计算机系统检修时，常规系统可以投入运行，不影响水电站的正常运行。
(4) 如果水电站已有常规系统，加设计算机监控系统可以减少干扰，不影响电厂的正常运行。这一点对已运行水电站的改造是有现实意义的。
国外采用这种方式的典型例子是美国邦纳维尔第二电厂（558MW ）和巴斯康提抽水蓄能电厂（2100MW ）。国内采用这种控制方式的典型例子是葛洲坝大江电厂（1750MW ）和龙羊峡水电站（1280MW ）。
采用这种方式的缺点是：①由于需要设置两套完整的控制系统，投资比较大；②由于两套系统并存，相互之间要切换，二次接线复杂，可靠性反而有所降低。目前新建水电站已很少采用这种控制方式。
3. 以计算机为基础的监控方式（Computer-Based Supervisory Control，简称CBSC ） 随着计算机系统的可靠性进一步提高和价格的进一步下降，出现了以计算机为基础的监控系统。采用此方式时，常规控制部分可以大大简化，平时都采用计算机控制。因此，对计算机系统的可靠性要求就比较高，这可以采用冗余技术来解决，保证系统某一单元或局部环节发生故障时，整个系统和电厂运行还能继续进行。
采用此种方式时，中控室仅设置计算机监控系统的值班员控制台，模拟屏已成为辅助监控手段，可以简化甚至取消。
国外采用这种方式的典型例子是美国的大古力水电站（6150MW ），委内瑞拉的古里水电站（10000MW ）、法国的孟德齐克抽水蓄能电厂（920MW ）等。国内采用这种方式的典型例子是漫湾水电站（1250MW ）。
这种控制方式是目前国内外水电站普遍采用的计算机控制方式。
4. 取消常规设备的全计算机控制方式
随着计算机技术的进一步发展和水电站计算机监控系统运行经验的累积，出现了以计算机为唯一监控设备的全计算机控制方式，实际上它是CBSC 方式的延伸。此时，取消了中控室常规的集中控制设备，机旁也取消了自动操作盘。中控室还保留模拟显示屏，但其信息取自计算机系统，不考虑在机组控制单元（计算机型的）发生故障时进行机旁的自动操作。此时，对计
算机系统的可靠性提出更高的要求，冗余度也要进一步提高。
采用这种方式的典型例子是我国隔河岩水电站（1200MW ），采用CAE 公司的产品。这种方式投资比较大，但它有良好的应用前景，将成为未来的水电站计算机控制方式的主流。
1.1.3小型水电站计算机监控现状
由于早期的研制主要集中于大、中型水电站，对小型水电站监控系统的研究较少，因此使得我国水电站自动化技术的发展出现了极不平衡的局面，小型水电站的自动化水平目前还处于比较落后的状态。在小型水电站自动化装置的研究方面，与国外的先进水平相比还有一段较大的差距。
针对小型水电站的特点而专门进行的一项研究是在20世纪90年代中期进行的，是由国电自动化研究院与石景山发电总厂合作在下苇甸水电站容量均为15MW 的5号和6号机上进行的发电综合控制装置（GCU ）的研究试验。由于GCU 的设计构想是集调速、励磁、顺控、同期、测量5个功能于一体，因此又称为“五合一”装置。经一段时间的试运行，甩100%负荷试验，从高井到下苇甸5号机的远方控制等情况来看，该套装置运行正常，达到预期目的。
为了促进小水电站实现自动化控制，水利部亚太小水电中心和国家电力公司南京自动化股份有限公司都在小型水电站监控方式方面进行了一些探讨。此外，武汉华工电气自动化有限责任公司、南京自动化设备厂和许昌继电器集团有限公司等科研、制造单位也做了不少工作，在我国已形成了SDJK 、DZWX 、SSJ-3000、CSCS 系列、SD200和SJK-3000等多种产品。下面作一简要介绍。
SDJK 系列水电站计算机监控系统，是水利部亚太小水电中心自行开发研制成功的水电站综合自动化系列产品之一，适用于中小型水电站的自动监测、控制和保护，对水电站实行遥测、遥信、遥调和遥控，使电站运行实现高度自动化，并提高了电站运行的经济性、可靠性和安全性。电站若与电力调度系统连接，可作为电力调度自动控制系统的厂站端。
该系统集多种功能于一体，采用分层分布式结构，模块化设计，以工业级微机为上位机，以可编程序逻辑控制器PLC 、微机保护装置、智能采集与远动装置RTU （如智能电参数测量仪、温度巡检仪及其他的智能采集与远动装置）等构成现地控制测量单元LCU ，以此作为下位机主体设备单元，这种配置极大地提高了该系统的灵活性和可靠性。
SDJK 系列水电站计算机监控系统，遵循成熟的工业控制标准，采用模块化设计，具有以下几个特点：
(1) 结构合理。SDJK 系统软硬件根据中小型水电站的实际情况，采用先进的分层分布式智能结构，整个系统层次清晰、结构灵活、实用性强、扩展方便、性能价格比高。
(2) 功能强。SDJK 系统可对各类输入量进行实时采集、处理、监视，对各类控制对象进行多种控制；人机界面友好，根据水电站实际情况，可方便地对画面、参量、编号进行修改或重新定义；强有力的事故追忆和顺序事件记录（SOE ）功能，为事故分析提供了必不可少的手段。
(3) 扩展灵活。SDJK 系统的软硬件均采用模块化设计，可依据电站实际规模，灵活配置，并留有充足的备用和可扩充容量，该系统还能与调度系统联网通信，实现更高层次上的扩展。
(4) 性能可靠。SDJK 系统设计充分考虑到保证系统的高度可靠性，重要部位实现多重冗余，某一设备故障不影响系统性能；所有输入输出均带隔离、软硬件数字滤波、防触点抖动等措施。上位机与LCU 软件还带有完备的防误操作、自诊断、自恢复程序，PLC 输出口采用了软件和硬
件的双重闭锁，并通过多种防雷和抗干扰的措施，大大提高了系统的可靠性。
DZWX 系列低压机组智能型控制系统，是专门针对农村小型水电站（AC400V 630kW及以下低压机组）的设备配套及运行特点而开发的一套可靠、实用又经济的自动化系统的厂站端。
系统设计思路是尽可能使小型水电站在减少配置，减少投资的情况下实现高度自动化，所以它在SDJK 系列的分层分布式结构、模块化设计基础上又加入自身设计特色：
(1) DZWX 系统简化设计，将二次测量、控制、保护设备与一次电气设备同组一屏，即对电站配置来说，只需一机一屏，整个系统层次清晰、结构灵活、实用性强、扩展方便、性能价格比高。
(2) 取消自动调速器，只需电手动两用操作器或电动机，完成机组的自动同期并网及功率调节。
(3) 智能控制器完成机组的残压测频、电站控制、调节操作及电站运行状态的采集。
(4) 智能电量测量仪完成机组的电气参数采集及保护。
(5) 电站若有多台机组，DZWX 系统可根据需要配置上位机，对各类输入量进行实时采集、处理、监视，对各类控制对象进行多种控制；上位机软件自行开发，人机界面友好，根据实际情况，可方便地对画面、参量、编号进行修改或重新定义；强有力的事故追忆和顺序事件记录（SOE ）功能，为事故分析提供了必不可少的手段。
(6) DZWX 系统的软硬件均采用模块化设计，可依据电站实际规模，灵活配置，并留有充足的备用和可扩充容量，该系统还能与调度系统联网通信，实现更高层次上的扩展。
DZWX 系统设计充分考虑到保证系统的高度可靠性，某一设备故障不影响系统性能；所有输入输出均带隔离、软硬件数字滤波、防触点抖动等措施。上位机与LCU 软件还带有完备的防误操作、自诊断、自恢复程序，输出口采用了软件和硬件的双重闭锁，并通过多种防雷和抗干扰的措施，大大提高了系统的可靠性。
SSJ-3000水电站计算机监控系统主要适用于中、小型水力发电厂的运行监视、控制调节和运行管理自动化。其特点为可靠性高、功能强、人机界面友好、可扩性好。系统功能包括数据采集和处理；各种开关量、模拟量、脉冲量、温度量的输入处理，状态监视，故障登陆、报警，相应的保护功能；生产过程的操作控制；自动完成机组开机、停机过程，辅机设备的启停，隔离开关、断路器的分合；机组有功功率、无功功率、频率的自动调节；运行监视和事件报警；远动通信；统计记录；操作票管理等。
国电南京自动化股份有限公司生产的SD200水电站自动化系统采用全开放、模块化结构设计，能实现数据采集与处理、机组顺控、自动准同步、调速、励磁、功率调节控制等功能；采用了当今已成熟的先进技术和器件，如WIN NT操作系统、DSP 数字信号处理器、CAN 现场总线技术、以太网技术和INTERNET 技术等；它满足可靠、安全、经济、实用、技术先进和便于扩充等基本原则，符合相关部颁与国家标准；适合各种容量等级，不同功能要求的水电站，既适用于新建水电站 、又可用于已建水电站的改造及梯级水电站调度自动化系统，并可与各种微机保护装置，变电站微机监控装置，县、地级调度中心系统等配套供货，实现电站“无人值班”（少人值守）的可靠、安全、经济运行。其部分功能也可构成独立装置使用，如机组顺控装置、微机自动准同步装置、微机温度巡检/保护装置、微机交流电量采集装置、闸门监控系统等，操作方便，配置灵活。
SJK-3000系统是西安理工大学水力机械及自动化研究所的科研人员在总结多年从事中小型水电站计算机监控系统开发经验的基础上，适应计算机监控技术的发展和用户的要求，与许继电气集团合作与1998年研制成功的新产品，1999年4月通过了国家电力公司和经贸委机械局组织的“两部”鉴定。该系统采用了“工业控制微机+现场总线网络+PCC*现地控制单元”的结构模式，以Windows NT 下的工业组态软件为开发平台，实现了SCADA 编程，从而构成了基于现场总线的分布式全开放水电站计算机监控系统。该系统的最大特点是结构简单且硬件采用标准化工控产品，即使上位机出现故障，现地PCC 控制单元仍可正常工作，极大地提高了系统本身的可靠性。另外，除具备实时监测、实时控制与调节、运行管理、远程通信等功能外，通过现场总线与调速、励磁及保护装置连接后，便可构成水电站综合自动化系统，这为用户提供了极大的方便。
1.2 水电站计算机监控的目的和意义
水电站计算机监控的目的和意义，就是通过对电站各种设备信息进行采集、处理，实现自动监视、控制、调节、保护，从而保证水电站设备充分利用水能安全稳定运行，并按电力系统要求进行优化运行，保证电能的质量，同时减少运行与维护成本，改善运行条件，实现无人值班或少人值守。
1.2.1减员增效，改革水电站值班方式
水电站计算机监控技术的应用，使水电站运行实现自动化，运行人员对设备的操作工作量大大减少，减轻了运行人员的劳动强度，减少了水电站的运行人员数量，使水电站实现少人值守或无人值守。由于运行人员减少，电站生活设施等基础设施也可以相应地减少、简化，降低了电站的造价；水电站运行人员减少的同时，也减少水电站的运行费用及发电成本，达到减员增效的目的。
此外，在水电站实现计算机监控，可对水电站运行人员的职能进行转变，把运行人员从对水电站设备的操作向对水电站设备的管理进行转化，使电站运行人员有更多的时间和精力花在水电站设备的维护保养上，保证水电站设备的可用性及完好性，延长水电站设备的使用寿命及检修周期，水电站设备的一些重复操作、调节、运行状态及参数的记录则由计算机监控系统在不须允许人员干预的情况下自动完成。水电站实现计算机监控后，富余出来的人员则可进行轮流培训，以提高对电站的运行管理水平，还可为电站从事多种经营、第三产业创造条件，充分开发水电站的资源，为水电站增加经济效益。
1.2.2优化运行，提高水电站发电效益
水电站自动控制系统与机组自动控制系统相结合，使电站自动控制系统能按优化运行方案给机组分配有功功率和无功功率，让机组运行在高效率区。
对一个电站来说，有了优化运行，就可以给水电站带来直接经济效益，意义也是非常大的。根据国内外资料表明，在水电站实行优化运行可最大限度地利用水能，水能利用率能提高3%~5%。如果从机组的角度来看，就相当于机组的效率提高了3%~5%。然而这对现代水轮发电机组来讲，机组本身的效率已很高，要提高机组的效率，哪怕是0.5%~1%，都要利用现代高新技术，技术难度可想而知。而利用优化运行，同样多的水可发出更多的电能，比通过提高机组本身效率来增加电能要容易得多。
对于水电站内优化运行，则可把水电站运转特性、水轮机运转特性等数学模型编成软件放
入计算机监控系统，计算机监控系统根据水电站运行情况自动调节水电站、机组的运行，以保证整个水电站的运行处在高效率区；对于具有月调节、年调节、多年调节能力的水库电站，则同样可把中长期洪水预报建成数学模型，编成软件，放入计算机监控系统，由计算机监控系统自动按中长期洪水预报的数学模型调整水电站的运行。计算机监控系统也可对水电站运行人员给出调整指导，由水电站运行人员调整水电站的运行；对于只具有日调节能力或无调节能力的径流式水电站，水电站计算机监控系统与洪水实时测报系统相结合，可避免这类水电站在汛期大量弃水。洪水实时测报系统的基础是水电站所在集雨面积内的自动雨量站，当水电站所在集雨面积内发生降雨，自动雨量站把降雨量情况发送到水电站计算机监控系统，计算机监控系统则按预先设计好的数学模型调整水电站的运行，增加水电站的出力，降低日调节池或前池水位。当数小时后，由于降雨而形成的洪水到达水电站时，则可减少洪汛时的弃水。
1.2.3 安全稳定，保障水电站电能质量
众所周知，在广大山区、农村和边远地区，有相当多的地方大电网延伸不到，而绝大多数的中小水电站也主要集中在山区、农村和边远地区，因此产生了由中小水电站形成的相对独立的区域供电网或地区供电电网。在这些电网中，水电站在提供电力方面起了主要作用。随着山区和农村工农业的发展及农村电气化实现，人民生活水平的不断提高和家用电器的不断增加，早期对电的低层次的需求——如照明、农副产品的粗加工等也在悄悄地发生变化，逐渐提高了对电的需求的层次，由此，对水电站发出的电能的质量和电网运行的稳定性提出了较高的要求。
计算机监控系统不仅能准确而迅速地反映水电站各设备正常运行的状态及参数，还能及时反映水电站设备的不正常状态及事故情况，自动实施安全处理。水电站的自动控制减少了运行人员直接操作的步骤，从而大大降低了发生误操作的可能性，避免了运行人员在处理事故的紧急关头，发生误操作，保证了水电站设备运行的可靠性，从而也保证了电网运行的可靠性。
在设备可靠运行的情况下，计算机监控系统能自动控制发电机组频率和电压，并根据电力系统调度要求，自动调节发、供、用电的平衡，保障了水电站发出的电能质量和电网运行的稳定性。
1.2.4竞价上网，争取水电站上网机会
水电站采用计算机控制系统可加快水电站、机组的控制调节过程。计算机监控系统可按预定的逻辑控制顺序或调节规律，依次自动完成水电站设备的控制调节，免去了人工操作在各个操作过程中的时间间隔，还免去了人工操作过程中的检查复核时间，由自动控制系统快速完成各个环节的检查复核，大大加快了控制调节过程。比如机组开机过程，采用人工操作，光是机组并网这一环节，有的机组经十多分钟都并不了网，运行操作人员精神高度集中紧张，弄不好还可能发生非同期合闸，给电网和机组带来冲击。采用计算机控制系统、自动控制装置并网，机组的频率、电压自动迅速跟踪电网的频率、电压，当频率、电压、相位差满足并网合闸要求后，机组自动并网，并网时间很短，一般只需一、二分钟即可解决问题，时间短的只需半分钟就可并上网。
根据国家电力体制改革的要求，实现“厂网分开，竞价上网”后，水电站如果没有自动化系统，而是依靠传统的人工操作控制，将难以满足市场竞争的需要。不了解实时行情，参与竞价将非常困难，即使争取到了发电上网的机会，又因设备陈旧落后而不能可靠运行，既影响电网供电，又使自身效益受损，最终也失去了来之不易的发电机遇。
1.2.5简化设计，改变水电站设计模式
采用常规控制，电气设计非常繁琐，订货时要向厂家提供原理图、布置图，还要进行各种继电器的选型。而自动控制设备集成后，设计单位只要提供一次主接线和保护配置及自动化要求即可，故能以选型的方法代替电气设计，简化设计、安装和调试工作。
1.3 小型水电站计算机监控系统的特点
小水电站实现自动化，是改善电站运行条件，提高电站综合经济效益的重要措施。与大型水电站相比，小型水电站的自动化设计有以下特点：
(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
小型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)电压变化极大
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，所以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
农村小水电站的年维护更新费用是很少的，不可能象大中型电站那样有计划的去进行设备的更新和完善。
根据上述小水电站自动化设计的特点可知，在中国这样一个人口众多、劳动力丰富、经济基础薄弱的发展中国家，小水电站搞自动化比发达国家难得多，它要更多地考虑价格因素、适应运行人员的知识水平、经济效益等。所以，小水电站计算机监控有其自身的特点，这里将其概括为经济实用、简单可靠。
1.3.1经济实用
小水电站计算机监控系统不能搞花架子，要强调以经济实用为原则。过去，有的小水电站为了应付领导参观，测量参数不管有用没用，总是加大采集量，似乎显示画面越花哨，系统就越先进。有的电站盲目学大电站，系统配置很高，比如一个装机容量1000kW 的电站除了上位机，还设置了前置机、工程师工作站等，结果自动化投资很高，收到的效益甚微。因为小水电站不比大中型水电站，它在系统中地位不十分重要，系统对它的可靠性和稳定性要求也相对较低，因此自动化功能和配置可以简化，只要满足运行要求即可。事实上，对一些装机容量只有几百千瓦的农村小水电站，在欧美国家也有采用“开机手动，停机自动”的自动化模式的，平时无人值守，值班人员住在山下城镇，开机时骑摩托车来，开完机就走。遇事故自动停机，向
值班人员住处或传呼机发信号，值班人员再过来处理。根据小水电站不同装机容量或等级，采用不同的自动化模式，一切从实用化出发，这也是近几年小水电站自动化得到发展的原因之一。
1.3.2简单可靠
由于小水电站位于偏僻的农村，电站运行人员大多数是当地的农民，只是水平比较低。如果自动化系统操作维护复杂，就很难为他们所接受。20世纪80年代初，小水电站自动化刚刚起步，电站虽然安装了计算机控制系统，但原先人员仍在原控制台监控，微机闲置，仅在为参观人员表演时投入运行。询问原因，是电站熟悉微机的运行人员不多，担心误操作出事故，而且出了问题资金没法解决，要千里之外请专家来排除。可见，小水电站自动化如果操作维护复杂，运行人员不敢用，它最后成为一种供人参观的摆设。对于小水电站，运行人员希望使用的是一种“傻瓜”型高可靠型自动控制保护系统，就像一部傻瓜型照相机，只需简单培训就能完全掌握。小水电站计算机监控系统设备简单，反而提高了系统的可靠性。
1.4水电站综合自动化
在我国，水电站综合自动化问题的提出始于20世纪70年代，1979年由原电力部科技委在福建古田主持召开的“全国水电站自动化技术经验交流会”提出了1979~1985年的七年奋斗目标，即水电站自动化科学技术发展七年规划，要求加强梯级电站和大型电站综合自动化试点工作，但由于当时技术条件的限制，研究的注意力逐渐集中于计算机监视和控制技术的研究。经过多年的发展，水电站计算机监控技术已基本成熟，在国内的大中小型水电站得到推广应用，取得了非常好的经济效果。同时由于计算机技术及相关的网络技术、通信技术的迅速发展，水电站内出现了多系统互联的趋势，如隔河岩水电站原引进加拿大CAE 公司的计算机监控系统，但在几年运行中发现还不能满足电站的运行要求，后又增加了许多防洪、调度、管理、通信等子系统，使原引进的监控系统外部连接混乱，管理维护困难。广州蓄能电站也有类似情况，为了能进行扩充，从原打字机接口接入MIS 系统等。这些都说明在水电站运行管理也在不断向减人增效、“无人值班”（少人值守）的方向发展，迫切需要进一步研究水电站综合自动化系统领域的关键技术，进一步提高水电站的运行管理水平和综合自动化水平。
1.4.1水电站综合自动化的内涵
从水电站的总体层次上来分析，其综合自动化体现在如下多个方面：
(1) 水电站实际是水、机、电的一个综合整体，相互之间既有分工又密切联系，因此考虑综合自动化是适宜的。
(2) 水电站综合自动化涉及电力调度、水利调度、航运调度、水情测报以及灌溉及防洪等，因此有关的研究应涉及上述各行业的协调问题。
(3) 水电站状态监测及预测检修是当前很受关注的问题，它除了涉及监控系统常规的内容外，还包括与振动摆度、汽蚀磨损、绝缘间隙等测量装置的接口与配合问题等，需要全面考虑。
(4) 水电站综合自动化也涉及如何在原有计算机监控系统的基础上，实现功能的扩展及提高的问题，如新型计算机技术、网络增建及延伸、人工智能、多媒体技术等。
(5) 水电站综合自动化任务的提出，更使水电站的自动化成为一个系统工程，其各部门和领域之间的有机协调配合将会使整个系统配置更为合理、利用效率更高，例如一些综合性的问题，以往单项控制时他们之间所隐含的关系常被忽略掉，而在综合自动化系统中则比较容易实现，以此来提高系统性能，加速系统的速动性及实时性并改善系统间的协调性。
1.4.2水电站实施综合自动化改造的基本原则
水电站进行技术改造，逐步提高自动化水平和运行管理水平已是必然趋势。水电站由于受各方面条件的限制，必然采用分步实施方式进行技改。因此，如何进行总体设计以利于分步实施，最大限度地避免重复投资，是技术改造合理、成功的关键。
水电站的生产、管理是一个完整的整体，应该从系统的角度来考虑水电站的综合自动化问题。计算机集成制造（Computer Integrated Manufacturing，简称CIM ）正是这样一种系统思想。它是一种组织、管理与运行企业现代化生产的新哲理。它借助计算机硬、软件，综合运行现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全部过程中有关人、技术、经营管理三要素集成起来，并将其信息流与物流有机地集成，并优化运行。这一系统通常称为计算机集成过程控制系统（Computer Integrated Processing Systems，简称CIPS ）。
CIM 哲理近年来在全球范围内得到广泛的应用。针对不同类型的企业，有不同的应用模式。同时，由于其系统集成的复杂性，尤其是在我国产业技术水平相对较低的情况下，实施CIMS 要从企业的实际情况出发，根据企业现在的基础设施的现状，使用最有效的对组织最有利的方式将各种新技术集成到企业的计算环境中。从现有的组织管理体制看，以县电力公司为一个CIPS 主体可能更恰当一些。因此将水电站的综合自动化系统看成是县级CIPS 的一个子项目，从这一角度出发，提出以下几个原则：
(1) 系统的实用性。系统的目标必须与企业要解决的关键问题相结合，要和企业的核心问题挂钩。电站要解决的核心问题是基层生产单位的自动化控制以及信息交流。因此采用CIM 思想进行规划设计时，目标系统只包括生产自动化系统和管理信息系统两部分，采用目前成熟和已获得成功应用的先进技术来实现。
(2) 系统的广泛性。初始的应用设计应该满足企业现实的、各生产和管理环节的需求，同时还应考虑企业未来发展的潜在需求，即系统要具备良好的开放性和可扩展性，便于系统今后的升级、扩充和先进技术的采用。
(3) 系统的简单性。在建设初期，企业整个技术水平和管理水平都可能还不适应，相应的企业其他信息资源、管理环境都不完善的情况下，要从作一些简单的应用开始、复杂的应用可能不易实现。
(4) 系统建设的阶段性。设立恰当的阶段性目标，明确需要解决的主要问题，制定切实可行的计划。用系统工程的方法建立一个系统的框架，实现一些基本的功能，然后在这个基本系统的基础上不断发展。
1.4.3 水电站综合自动化改造分步实施的思想
企业生产技术水平是企业文化的一部分，对于运行多年的企业，员工在长期生产活动中，已形成了基于现有设备状况和技术水平的思维方式和工作方式，因此在实施技改和采用新技术时，应注重培养员工思维和工作方式的逐步转变，采用分批技改，可保证从旧企业文化向新企业文化的平稳过渡，从而保证技术过渡期生产的安全。
另一方面，从技术投入本身来说，由于企业设备技术状况和健康状况不一，加上投入资金的限制。因此企业技改或技术更新基本上采用总体规划设计下的分批分步模式。
现场总线技术是基于开放性要求发展起来的全开放系统，具有极好的可扩展性能，是分步技改的首选技术。基于现场总线技术提出的小型水电站的技术更新可分四个阶段完成：
第一阶段：基于总体设计思想构造水电站控制系统整体框架。在电站一级配置工控机作为电站现有的监测点（具有标准信号输出或带有通信接口的DCS ，PLC 子系统）引入工控机，首先实现自动监测报警、记录、报表打印、模拟培训等功能。
第二阶段：增加必要的监测点，加入部分控制功能。在这一阶段，可根据电站的实际需求，更换或新增必要的传感器，加强对电站有关参数的运行监测，以全面了解电站的健康状况；同时对非核心设备和系统如辅助设备系统等进行配置，实现控制功能。
第三阶段：配置完善的监测点，实现全部控制功能。通过前二个阶段的试运行和调整，已基本保证了电站整体技术状况和健康状况的一致性，可进一步完善监测点的配置，全部实现控制功能，进而实现无人值班（少人值守）。
第四阶段：引入各种先进控制算法，实现优化运行，并完善整个管理网。
电站的生产管理系统以及与县级CIPS 系统的挂接等模块、可根据县CIPS 系统实施的进展情况决定。
总之，基于CIPS 哲理进行系统的整体规划，在具体结构模型中，采用具有良好的开放性、扩展性的网络技术和现场总线技术来实现，符合小型是电站分步改造的实际。
1.5 小结
本章主要阐述了与水电站计算机监控系统相关的一些基本概念和基本知识。
随着计算机科学技术的迅速发展，计算机从20世纪70年代开始应用在水电站，至今虽然只有短短三十多年的历史，但是，发展的速度却非常迅猛，取得的成绩异常突出。目前，在我国绝大多数的大中型水电厂已经基本采用计算机监控，越来越多的小型水电站也开始采用或改造成计算机监控。可以说，在水电站使用计算机监控技术在一定的范围和程度上的普及已经成为不可阻挡的趋势。在此发展过程中，计算机监控方式的演变经历了从常规控制装置为主、计算机为辅的监控方式到取消常规设备的全计算机控制方式四个阶段。
水电站采用计算机监控大大提高了水电站的安全性、可靠性和电能质量，可实现无人值班或少人值守，其意义主要体现在五个方面：减员增效，改革水电站值班方式；优化运行，提高水电站发电效益；安全稳定，保障水电站电能质量；竞价上网，争取水电站上网机会；简化设计，改变水电站设计模式。
由于中小型水电站具有自身的特点，因此实现中小型水电站无人值班并不要求将其自动化程度提高到大型水电厂的水平，其计算机监控系统应具有经济实用、简单可靠两个基本特点。 计算机监控技术的日益成熟和水电站运行管理要求的不断提高使得在水电站实现综合自动化成为必然趋势。为了避免重复投资，在水电站实施综合自动化改造过程中应当在基于CIM 系统的思想上遵循一定的基本原则。
思考题
1. 水电厂计算机监控方式的演变经历几个过程？
2. 水电站计算机监控的目的和意义是什么？
3. 小型水电站计算机监控系统有什么特点？