浅析水电站计算机监控系统网络结构分析
摘要：介绍和分析几种适用于中、小型水电站计算机监控系统网络结构的特点与适用性，并对文山州部分水电站目前计算机监控系统网络结构存在的问题提出建议。
关键词：水电站;计算机监控;结构;建议
1、概述
近年来，随着水电站计算机监控技术的成熟与普及，计算机监控技术在中、小型水电站中得到广泛的运用。从2000年以来，文山地区新建的水电站基本都采用了计算机监控系统，但在计算机监控系统网络结构上，部分电站存在一些细微不足，却关系到监控系统的稳定和安全。
2、水电站计算机监控系统网络结构
2.1 集中式监控系统集中式监控网络结构是基于现场总线联接的实时通讯网络，如图1所示。因其一般只设一台计算机对全厂进行集中监控，故称集中式监控系统。这种系统的特点是不设采用计算机的现地控制级设备，所有监控功能在一台主机上运行。因而只要计算机一出故障，整个控制、监测系统就瘫痪，只能改为手动运行，可靠性低。其次，所有信息都在主机上处理，监控性能也受限制。但这种系统简单、造价低、投资少，只适用于对监控要求不高的小型水电站综合自动化系统。
2.2 分层分布式监控系统分层控制方式是将整个控制系统按控制的性质、复杂的程度和组织结构分成不同的层，由各层来完成分配给他们的监控功能，各层之间有一定的制约和协调关系。水电站的控制对象主要是水轮发电机组、开关站、公用设备、闸门等。按控制对象设置单独的控制，称作现地控制单元。电厂控制层也设计算机，负责一些全厂性功能。电厂控制层本身也可以是一个功能分散的系统，有多台计算机组成。
当某个控制单元发生故障，只影响到该部分设备，而不会影响到整个电厂的运行。由于分层分布式监控系统的以上优点，近年来新建设的水电站监控系统几乎都采用这种方式。
随着水电站计算机监控技术的发展，在分层分布式监控系统中，常用的网络结构有以下几种：
2.2.1 一体化工控机分层结构图2为采用一体化工控机上以太网方式，为全开放、分层、分布式结构，PLC、采样装置、温度巡检、励磁、调速器等设备通过一体化工作站与上位机系统通信。这种结构主要考虑的是在上位主机故障时现地工控机仍可独立运行。即所有现地单元均可以各自独立运行。每个单元都是由工控机和可编程控制器(PLC)及各个专用功能装置或设备构成，并可以设计成具有各自独立的现地操作、监控功能。该系统功能丰富、人机界面友好、可靠性高，但是投资略高。
2.2.2 P 直接连接以太网结构1图3为采用PLC直接连接以太网的全开放、分层、分布式网络结构。采样装置、励磁、调速器等设备与通讯管理装置与PLC连接，通过PLC与上位机系统通信。现地采用与PLC通信的工业级触摸屏作为人机界面，系统可靠性极高、性价比高，设备直接上网，便于网络控制和管理，系统响应速度大大提高。适用于通信协议较少，对监控系统要求较高的中、小型水电站自动化结构。
2.2.3 PLC直接连接以太网结构2图4为采用PLC与通讯管理装置都直接连接以太网的结构。设备数量及功能方式与前种结构都相同，但区别只在于在现地控制单元通讯管理装置与PLC通讯的同时，通讯管理装置也直接接入以太网，实现双通信网络。该结构较之前几种方式，通信上更可靠。例如运行中PLC死机，只影响到对设备的操作控制，但在上级监控层仍然能监视到与通信管理装置连接的设备运行参数。较之前几种结构，就是多增加了通信光纤及相关设备，投资也相应增多。
2.2.4 冗余组网结构该结构的硬件要求采用多层次的冗余措施，如通讯服务器、网络交换机、网络通道、UPS、现地总线、机箱电源、机柜电源等，都实现冗余配置，并对PLC扩充双CPU、双电源、I/O模块热插拔等功能，系统要求由软件实现冗余设备的检测与故障诊断，实现冗余部件的无扰动切换，确保系统中某一部件的故障或退出都不影响系统的正常运行。该方案系统功能极为丰富，可靠性极高，适用于对监控系统要求极高的大、中型水电站监控系统。
3 文山州地区部分水电站计算机监控系统网络情况
2000年投运的东方红原三级、五级电站在文山州地区率先采用计算机监控系统，并成功使用以后，2000年以后建设的电站都采用了计算机监控。
东方红原五级电站的计算机监控系统结构选用的是一体化工控机分层结构。除以太网光纤交换机因老化原因导致监控系统电厂控制层一台上位主机短期故障外，长期以来运行情况良好。在光纤交换机故障期间，另一台上位主机及各现地控制层都能正常工作。这充分体现了一体化工控机分层结构在上层监控设备故障情况下，影响不到现地层监控设备的优点。
东方红原二级电站在受灾恢复后，其计算机监控系统采用的是本文介绍的“PLC直接连接以太网结构1。该结构在现地单元没有工控机，投资也相对较省。长期运行情况良好，但特点就是现地层功能简单。在现地对设备的监测、控制通过触摸屏实现人机交流，但也就只有这两样功能。诸如信号类、数据越限报警、其他设备(例如励磁、调速器等)通信量等等在现地控制单元就无法读取。
基本上不管采用的是哪一种网络结构，目前文山州几个水电站的计算机监控系统运行情况都基本良好，系统监控功能都基本实现。所以以上两种常用结构在本地区都有广泛运用。谷拉电站、威龙电站采用的是一体化工控机分层结构，那么果河六级电站采用的是PIJ2直接连接以太网结构1。
4、实践运用分析
通常对计算机监控系统要求着重的是产品选型、功能软件等方面，其网络结构在中、小水电站中认为不是很重要。其实不然，化学有术语“物质的结构决定物质的性质”，在计算机监控系统中，也可以说“系统的结构决定功能和可靠性”。
集中式监控系统和冗余组网结构，前者是很不可靠，后者极度可靠但投资也很高。下面对几种常用计算机监控系统结构的可靠性和功能分布做简单分析。
4.1 一体化工控机分层结构一体化工控机分层结构中不难看出，现地单元的`所有设备通信都是通过现地工控机集中后接人以太网提供给其他终端的，一旦该机故障，不论厂级控制层(中控室)或现地控制单元(机组屏)对该单元的所有监测、控制及相关的功能就都不能实现，可视为该单元瘫痪。作为一台计算机，在现场受灰尘、温度、湿度、振动等影响，其故障率相对较高，并且该设备维修时间较长，还涉及到计算机硬件、操作系统、监控软件、数据、计算机设置等方面都有可能影响到该机的长期可靠工作。例如文山某电站投运后不久，机组现地控制单元的一体化工控机硬盘就出现坏道，导致该计算机故障。