水电站计算机监控系统可靠性设计

水电站计算机监控系统可靠性设计

0、前言

随着计算机技术、自动化技术的快速发展，水电站采用计算机系统实现综合自动化日益广泛。电站的安全可靠生产对计算机监控系统提出了严格要求，一旦发生故障，系统必须具有故障自动检测和安全保护等功能，另外，还应通过各种手段尽可能地缩短修复时间。因此，为实现水电站计算机监控系统的安全、可靠运行，其可靠性设计工作相当重要。 系统级

在系统的整体设计时包括了水电站计算机监控系统的可靠性设计，合理的系统结构是保证系统可靠的前提。根据中小型电站的实际情况，水电站计算机监控系统应遵循工业控制标准，采用分层分布式结构和模块化设计来保证系统的可靠性。

水电站计算机监控系统采取分层分布式（DCS）结构，如图1所示，由上位工控机主站（IPC）和下位机测量控制系统（LCU）两个层次组成，上位机与下位机之间通过智能通讯设备进行数据交换。在功能上系统可划分为多个独立的单元（LCU），每个单元功能单一，可靠性高。

由于系统上位机与各下位机均有独自的CPU，它们均可独立运行，下位机各单元之间也可独立工作，互不干扰。当某一设备出现故障时，不会使系统全面崩溃。这种结构上的分散意味着控制的分散、供电的分散及干扰的分散，因此能从根本上分散影响可靠性的外部因素，从而保证系统能达到很高的可靠性。另外，DCS结构还可以使数据就地处理，减少通讯开销，增加了数据的安全性。 (2)冗余配臵

水电站计算机监控系统采取冗余技术来保证系统的可靠性。DCS结构对系统单元的冗余配臵不但容易实现，而且可以突出重点，减少不必要的冗余。比如机组、主变保护就采用带双CPU的冗余保护系统；机组的负荷调节控制采取上位机自动调节、下位机拨码自动调节和手动调节等多重冗余，在计算机监控系统本身出现故障时，可以通过调速器和励磁系统的手动冗余功能实现正常发电，有效地保证系统的可靠、持续运行。 (3)独立的供电系统

在系统设计上，水电站计算机监控系统采用独立的供电系统，即采用在线式的不间断电源（UPS）供电。由于UPS内部的稳压和逆变隔离作用，不但减少电网及其它电站设备对控制系统的影响，同时使监控系统在电路上形成独立回路，可以保证一点接地，降低了不等电位干扰。 2、系统硬件

水电站计算机监控系统的DCS结构从可靠性逻辑角度来看，是系统设备单元通过串联、并联、冗余等方式构成的，因此必须提高设备单元的可靠性。影响系统单元的可靠性有许多外部因素，如环境温度、湿度、灰尘、电源波动、电磁干扰、电气冲击、机械振动、水汽腐蚀等等；同时元件老化、电路开路、短路等内部因素也对系统可靠性有很大影响。因此，采取了如下措施。 (1)选择高品质设备

采用高质量的产品，如采用IS09001质量标准体系的设备，以保证设备的高品质和高可靠性。比如，系统上位机采用工业控制计算机，下位机的PLC可采用日本OMRON产品，智能电参数仪可采用加拿大的3720ACM，从而保证了系统设备的可信度和可靠 (2)隔离技术

为克服外围系统对监控系统设备的影响，在电站监控系统中，比较多地采用隔离技术，如常见的输入输出采用中间继电器。系统还采用了光电隔离技术，如在电度表脉冲输出回路，采用光电耦合隔离，同时抬高输出信号电压，使回路具备更高的抗干扰性能。 (3)吸收电路

水电站控制系统需要大量的开关量，采用中间继电器输入输出。由于继电器是电感性元件，继电器的分合会造成很大的电磁干扰，因此，可在继电器两端采用RCD吸收回路，或简单地采用二极管钳位电路（如图2所示）。当开关K闭合时，线圈L流过电流为iL=Vcc/R；当开关K由闭合至断开时，若无二极管D，电流iL不能形成续流回路，线圈储藏的电能会转化为高压电势，即B点电压很低，或UAB极高，不仅会损坏开关，而且将产生很强的电磁干扰，通过电源回路串入其它控制设备。加入二极管D则起到iL的续流作用，开关K两端的电压被钳位在Vcc，B点电压基本保持在零电位（续流时B点电压为二极

管的正向导通压降约-0.7V），有效地抑制了iL产生的负压对电源的干扰，降低了电磁开关分合对其它输入输出信号的影响。 图2 二极管续流吸收回路 (4)采用电流环输入

由于系统的模拟量测量距离较远，如上下游水位、蜗壳压力等，信号传输的距离损耗就不能忽视。如果采用电压输入，线路损耗较大，并且容易受感应电压的干扰。系统采用4～20mA的电流环输入，就能克服以上弊端，而且传输距离可以大大加长。

(5)重要传输线采取屏蔽电缆、辫子线

电厂是电磁干扰十分严重的场所，在I/O口，尽量提高信号的电位，但计算机通讯线路一般采用5V的弱信号。为使信号传输可靠，应采用屏蔽电缆或辫子线，并且在布臵上尽量与强电信号分开，尽量避免平行相邻走线。一方面使各自信号可靠传输，另一方面减少互相干扰。 (6)防雷措施

水电站分布在山区，雷击严重，系统在计算机通讯接口上应加抑制二极管等防雷措施，保证系统的安全性和可靠性。 3、系统软件

系统软件的可靠性设计具有两重含义，一方面，它具有普通软件系统的共有的可靠性问题；另一方面，控制软件又与硬件结构有关。因此，系统采取了如下可靠性设计。 (1)采用组态软件形式

由软件设计的经验表明，软件故障的绝大多数由程序代码错误而非数据错误引起的。因此，采取模块化软件设计，形成固定的、可靠的软件模块，再根据现场的不同需要，设臵相应的数据文件生成相应软件的方法，即组态软件。这样可以最大限度地排除软件错误，克服人为因素，实现模块化、标准化，从而大大提高了软件的可靠性。 (2)容错设计

在监控软件中加入自动出错处理，过滤操作员的错误输入，自动恢复系统级错误，保证软件系统的持续运行。通过设臵错误陷阱，自动捕捉错误，可以自动

报告和排错提示，极大地提高了可靠性和纠错能力。 (3)软件滤波

系统输入输出端进行接点信号的防抖动处理，对模拟量的数字滤波，常见的有平均法、加权法。 (4)逻辑闭锁，限值闭锁

闭锁是防止误操作、过操作的十分有效的方法。如控制调节输出采取水轮机导叶开度闭锁和有功、无功值上下限闭锁，以保证系统的安全可靠运行。在控制输出、修改重要参数等处，软件采取操作口令、操作对象号及操作确认等多重闭锁，以防止误操作。 (5)优先级设臵

监控系统设计时对实时性要求很高，为确保系统的及时响应与重要事件的可靠处理，将软件功能模块设臵优先级别，如打印工作放在后台运行，定时存储数据采用时间中断。除了模块级别的优先级别设臵外，对优先级别较高的数据通讯又采取了加权循环扫描通讯法。即在单位时间内，重要的信息分配更多次数的通讯，比如执行控制、状态量采样的PLC通讯，其通讯权级就比模块显示屏的刷新通讯要高。另一方面，通讯速率越低，通讯的误码率越低。因此，根据设备对实时性的不同要求（或设备通讯的不同优先级别），采取不同的通讯速率，如温度量的采样通讯速率可设臵慢一些，而PLC、ACM等测量、控制单元采样的通讯速率快一些，使系统能快速捕捉信号的变化。在满足实时性的同时，采取合适的通讯速率来保证数据通讯的可靠性要求。 (6)设备运行状态的自动检测

系统软件能根据设备对上位机通讯命令的不同反应（包括无反应），实时检测设备运行的状态。一旦设备通讯不正常，系统能直观地报告发生的故障，并自动初始化通讯链接，力图恢复正常，以确保系统安全持续运行。另一方面，各个智能设备单元软件带自检功能，能自动检测设备的运行情况，并通过通讯口报告设备自检情况，从而保证了系统的安全运行。 (7)数据保护处理

针对系统突然停机、冷热启动或时间改动对数据库造成的破坏、遗失等情况，应采取实时数据备份、安全性检查等保护措施。一旦系统重新运行，系统首先