1 引言
水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（包括電站機(jī)組、變壓器、廠變、公共設(shè)備等的保護(hù)、檢測(cè)、控制等）是電站安全、優(yōu)質(zhì)、高效運(yùn)行的重要保證。隨著計(jì)算機(jī)及電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和日益成熟，性能先進(jìn)，運(yùn)行可靠穩(wěn)定的電站微機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。逐步替代了傳統(tǒng)的繼電保護(hù)與自動(dòng)化設(shè)備。微機(jī)保護(hù)與常規(guī)繼電保護(hù)的根本區(qū)別在于其實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，即通過對(duì)主設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參量的實(shí)時(shí)、快速數(shù)字處理，完成故障診斷、保護(hù)動(dòng)作。根據(jù)國家有關(guān)大力發(fā)展中小型水電站建設(shè)，西電東送的發(fā)展戰(zhàn)略，本文吸取當(dāng)今先進(jìn)的電站設(shè)計(jì)思想，在分析相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)、資料的基礎(chǔ)上提出了一種利用當(dāng)今先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC 技術(shù)的水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。確保復(fù)雜的機(jī)組啟?？刂?，變壓器保護(hù)等系統(tǒng)得以可靠的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)以模塊化的設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)功能的靈活擴(kuò)充。該系統(tǒng)適合中小型水電站，系統(tǒng)的功能層次更加清晰，安全可靠性更高。文中首先對(duì)當(dāng)今的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一CAN 總線進(jìn)行了概述。其次對(duì)利用上述先進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)的水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的功能特性加以分析和說明。
2 CAN 總線及其特性
現(xiàn)場(chǎng)總線作為一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)，它的出現(xiàn)將對(duì)傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化帶來革命，從而開始工業(yè)控制的新紀(jì)元。但眾多的現(xiàn)場(chǎng)總線往往使生產(chǎn)者和用戶無所適從。是否已納入IEC 標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)的開放性，技術(shù)能否得到有力的支持，價(jià)格是否有競(jìng)爭(zhēng)力等已成為人們選用何種總線的主要依據(jù)。由于CAN 總線具有通信速率高，可靠性高，連接方便和性能價(jià)格比高等諸多特點(diǎn)，推動(dòng)其應(yīng)用開發(fā)的迅速發(fā)展，其推廣應(yīng)用反過來又促使器件生產(chǎn)商不斷推出新的CAN 總線產(chǎn)品。使其逐步形成系列。鑒于CAN 總線的普及性，選擇CAN 作為總線控制網(wǎng)。
從物理結(jié)構(gòu)上看，CAN屬于總線式通訊網(wǎng)絡(luò)，與BITBUS , RS485 相似，又有本質(zhì)區(qū)別。它是一種專門用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)，不同于以太網(wǎng)等管理和信息處理用網(wǎng)絡(luò)。其物理特性及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議特性更強(qiáng)調(diào)工業(yè)自動(dòng)化的底層監(jiān)測(cè)及控制。它采用了最新的技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，其可靠性和性能超過了已陳舊的現(xiàn)場(chǎng)通訊技術(shù)，如RS485 ，BITBUS等。CAN 具有下列主要特性：
CAN 插卡可任意插在PC , XT , AT 兼容機(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。
CAN可以多主方式工作，這一方式與大型網(wǎng)絡(luò)的Peerto Peer 方式相類似，從而與開放結(jié)構(gòu)相吻合。網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通訊方式靈活。利用這一特點(diǎn)也可以方便地構(gòu)成（容錯(cuò)）多機(jī)備份系統(tǒng)。
CAN 無破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的仲裁，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，有效避免了總線沖突。
CAN可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（成組）及全局廣播等幾種方式傳送和接收數(shù)據(jù)。
CAN直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/5kbps,通訊速率最高可達(dá)1Mbps/40m 。
CAN上節(jié)點(diǎn)數(shù)理論值為2000 個(gè)，實(shí)際上以110 個(gè)以下為宜。
CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，第一幀有效字節(jié)為8 個(gè)，這樣傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，重新發(fā)送時(shí)間短。
CAN 每幀信息都有CRC 校驗(yàn)及其它檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)的出錯(cuò)率極低。
CAN可以實(shí)現(xiàn)非破壞性總線仲裁和錯(cuò)誤鑒定。總線沖突和錯(cuò)誤鑒定均由CAN 控制器自分解塊，而且這一過程對(duì)用戶完全透明并能區(qū)分暫時(shí)性和永久性故障，自動(dòng)關(guān)閉故障點(diǎn)這一點(diǎn)在多傳輸情況下，通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以彌補(bǔ)由于傳輸或設(shè)備故障造成的信息缺損。
通訊介質(zhì)采用雙絞線，無特殊要求。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比較
水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)是提高電站綜合自動(dòng)化水平的重要因素，是根據(jù)無值班、少人值守的原則設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)綜合運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、PLC 技術(shù)、及軟件工程設(shè)計(jì)方法，使系統(tǒng)配置靈活，簡單，用戶操作方便。與傳統(tǒng)的水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)相比，我們改傳統(tǒng)方法中將現(xiàn)場(chǎng)綜合電量裝置、保護(hù)裝置及溫度巡檢裝置通過RS485 總線接到工控機(jī)上為將這些裝置與PCC 相連，通過Pcc 聯(lián)到上位監(jiān)控系統(tǒng)，使得整個(gè)現(xiàn)地單元自成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)層次。增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。避免了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的丟失，同時(shí)簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，節(jié)約了系統(tǒng)硬件成本，更加利于資金不足的地區(qū)自建小型水電站。傳統(tǒng)水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及本次水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（方框圖略可向作者索?。?。
4 電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
4 . 1 系統(tǒng)構(gòu)成
硬件系統(tǒng)采用快速交換式以太網(wǎng)組成局域網(wǎng)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能分布于縱向的三個(gè)層次上，現(xiàn)地層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及控制功能，監(jiān)控層則通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全站的監(jiān)視和控制功能，系統(tǒng)的這種分層、分布式硬件體系保證了其系統(tǒng)性能的穩(wěn)定可靠。
4.1.1 全站監(jiān)控層構(gòu)成
全站監(jiān)控層為電站實(shí)時(shí)監(jiān)控中心。其負(fù)責(zé)整個(gè)電站的集中監(jiān)控功能，具有實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)處理功能，并預(yù)留與地調(diào)或梯調(diào)進(jìn)行通信等功能。監(jiān)控層由一臺(tái)前臺(tái)調(diào)度機(jī)，一臺(tái)數(shù)據(jù)處理機(jī)，調(diào)度機(jī)和數(shù)據(jù)處理機(jī)選用臺(tái)灣研華公司的原裝
主控機(jī)，兩臺(tái)飛利蒲21" 彩顯，兩臺(tái)實(shí)達(dá)24 針中英文寬行打印機(jī)構(gòu)成。前臺(tái)調(diào)度機(jī)與數(shù)據(jù)處理機(jī)之間通過以太網(wǎng)相連進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)處理機(jī)預(yù)留接口與地調(diào)或梯調(diào)進(jìn)行通信。前合調(diào)度機(jī)與現(xiàn)地單元（LCU）之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線CAN 網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
4.1.2 現(xiàn)地控制單元（LCU )
現(xiàn)地控制單元本次設(shè)計(jì)按一般情況包括三套機(jī)組LCU 和一套公用LCU。 因系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是開放式結(jié)構(gòu)可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況增刪設(shè)備。機(jī)組LCU 、公用LCU與上位監(jiān)控層通過CAN 總線相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)。考慮到LCU 的基本構(gòu)成是相似的，我們以一套為例來對(duì)其構(gòu)成進(jìn)行說明。LCU 由一套可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC 、一臺(tái)溫度巡檢裝置、一臺(tái)綜合電量檢測(cè)裝置及轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置和各種保護(hù)裝置構(gòu)成。其中，PCC 一方面通過1 / 0 模塊測(cè)取模擬量、開關(guān)量、脈沖量等信號(hào)，另一方面利用其Frame driver功能，通過RS485總線獲取溫度巡檢裝置、綜合電量檢測(cè)裝置及轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置和各種保護(hù)裝置的測(cè)量信號(hào)。并把它們通過CAN 總線上傳給上位管理機(jī)。可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC 是選用貝加萊的PCC2005 系列。PCC 為項(xiàng)目開發(fā)者的控制應(yīng)用程序（APM ）提供了兆字節(jié)級(jí)的存儲(chǔ)容量。如此大的存儲(chǔ)容量，對(duì)于我們存放通過RS485 總線獲取的大量的溫度巡檢裝置、綜合電量檢測(cè)裝置及轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置和各種保護(hù)裝置的側(cè)量信號(hào)提供了可能。同時(shí)，其實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)和多種編程風(fēng)格同時(shí)混用的特性，為我們的程序開發(fā)提供了便利。
4 . 2 系統(tǒng)功能
4.2.1 監(jiān)控系統(tǒng)上位軟件實(shí)現(xiàn)功能；
數(shù)據(jù)采集：接收LCU 定時(shí)采集及預(yù)處理過的信號(hào)，包括開關(guān)量，模擬量，脈沖量，溫度量及其它非電量等。數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)計(jì)算，越限報(bào)警，變位報(bào)警，電度累計(jì)，功率累計(jì)，電壓合格率等。報(bào)表生成與打?。喊ㄊ鹿省⒐收弦挥[表，狀態(tài)變位統(tǒng)計(jì)一覽表，操作一覽表，模擬量越限一覽表，自診斷一覽表，設(shè)備運(yùn)行工況表，電能報(bào)表等。
機(jī)組順序控制：實(shí)現(xiàn)機(jī)組順序起，?？刂啤嗦菲?，隔離開關(guān)的合閘/分閘等操作。
機(jī)組有功功率，無功功率調(diào)節(jié)：現(xiàn)地單元可根據(jù)顯示操作面板的有功，無功給定值或上位
下達(dá)的有功，無功給定值，按相應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)律（如PID ）進(jìn)行有功、無功的閉環(huán)控制。另外可根據(jù)用戶要求進(jìn)行成組調(diào)節(jié)。
可與上級(jí)調(diào)度部門通信，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)與遙信等功能。
時(shí)鐘同步：現(xiàn)地控制單元、自動(dòng)化裝置、上位機(jī)采用統(tǒng)一的時(shí)鐘，保證時(shí)間同步性。
4.2.2 現(xiàn)地控制單元LCU 的功能
• 數(shù)據(jù)采集和處理
通過LCU 上的開入模塊、模入模件、綜合電量裝置、溫度巡檢裝置和保護(hù)裝置分別采集狀態(tài)量（DI ）、中斷量（SOE ）、脈沖量、電度量、交流量、模擬量和溫度量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的多重濾波、合法性檢查、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、運(yùn)算和上交操作。
控制與操作
LCU 根據(jù)所采入的信息或上位機(jī)下達(dá)的命令，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、啟動(dòng)流程，并下發(fā)控制、操作命令，所有的控制、操作命令通過PCC 的開出模件驅(qū)動(dòng)開出繼電器來執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制發(fā)電機(jī)的啟停、并列解列、輔設(shè)啟停和開關(guān)操作。其中機(jī)組的緊急停機(jī)、事故停機(jī)流程則直接置于PCC 系統(tǒng)上，以此提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性和準(zhǔn)確性。
5 結(jié)束語
隨著能源的匾乏煤和石油日益減少及人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，水利發(fā)電因其電能低成本，沒有
污染、運(yùn)行方式靈活，可以發(fā)電、防洪、灌溉、綜合利用水利資源等優(yōu)勢(shì)，得到越來越多的應(yīng)用。水電站自動(dòng)化的水平?jīng)Q定了其安全可靠性及低成本的運(yùn)行。本文以中小型水電站為參考點(diǎn)，改過去一個(gè)現(xiàn)地單元配一套監(jiān)控站為以現(xiàn)地單元PCC 為順控、數(shù)采的核心，并兼任將數(shù)據(jù)上傳上位監(jiān)控站，三套現(xiàn)地單元和一套公用單元通過CAN 總線由上位監(jiān)控站統(tǒng)一監(jiān)控管理。
這種結(jié)構(gòu)模式不但可以降低投資成本，而且因其層次清晰，模塊化配置減少了系統(tǒng)故障的發(fā)生。對(duì)于在目前我國地方投資不足的情況
