学位论文-—基于虚拟仪器的小型水电站监控系统然间功能设计.doc

摘 要 水电是我国重点发展的绿色能源，水电生产具有开停机方便、运行费用低，对环境污染小等优点，合理充分地利用水电能源对我国的经济发展起着巨大的推动作用，因此有效地对水力机组运行参数进行检测、分析、优化，对水轮机组高效稳定运行将起到重要作用。本文采用虚拟仪器技术，通过 LabVIEM的方法，开发了一套水力机组运行实时监测系统，该系统不仅实现了水轮机运行参数的实时检测、分析、计算以及水力机组能量特性模型的建立，而且为建立水力机组优化运行系统打下基础。 本文主体分为三部分，每部分内容如下： 第一部分：采用虚拟仪器的概念，构建了实时监测系统的硬件结构并详细介绍了硬件的选型设计。该系统的硬件部分主要采用了美国 NI 公司的产品，包括信号调理设备以及数据采集卡，经过试验验证，该系统硬件结构不论采集精度、速度以及抗干扰能力都能够满足实时监测系统的要求。第二部分：利用图形化编程语言 LabVIEM建立了数据采集系统，实现了水轮机的工作水头、流量、出力等参数的实时在线监测、显示、处理以及存储，同时可根据水力机组实时监测的数据计算水轮机的运行效率，并实时显示，使工作人员随时了解水轮机的运行状况。 第三部分：在水力机组运行参数数据采集系统的基础上，利用 LabVIEM，构建了水轮机能量特性模型，开发了水力机组运行工况实时监测系统，该系统可以实现在水轮机的三维能量特性曲面图上实时显示水轮机的运行工况点的功能，以便运行人员直观地了解水轮机的运行状况，从而对整个机组进行合理调节，使机组运行于高效区。 本系统的开发对于充分利用水资源，提高水电站的经济效益，实现水力机组的高效稳定运行及优化运行均具有一定的实际指导意义。关键词：水力机组；优化运行；数据采集；虚拟仪器；监测系统 目 录摘 要ABSTRACT第1章 绪 论11.1 水电站系统的发展概论11.2 国内外发展现状21.3 水电站控制方式的演变31.4 小型水电站计算机监控现状5第2章 中小型水电站监控系统设计72.1 中小型水电站运行的特点7 2.2 水电站监控系统上的设计要求82.3 监控系统的主要设计任务102.3.1 监控系统的系统结构设计102.3.2 水电厂的电厂分层控制12第3章 上机位软件的设计143.1 虚拟仪器及LabVIEM概述143.1.1 虚拟仪器技术14 3.1.1.1 虚拟仪器与传统仪器的对比14 3.1.1.2 虚拟仪器的构成15 3.1.1.3 虚拟仪器的特点17 3.1.2 LabVIEM183.2 LabVIEM的各种通信方式与介绍203.3 系统通信方式的数据传递213.4 上、下位机见的数据传递22 3.5 数据采集22 3.6 系统程序前面板22 3.7 系统程序框图24 3.8 水利机组运行实时监测系统采集的实现25 第4章 基于虚拟仪器的水利机组运行参数数据采集系统274.1 数据库的访问技术274.1.1 系统数据库平台274.1.2 LabVIEW的数据库访问方式274.1.3 LabSQL工具包简介284.1.4 LabSQL的安装及配置304.1.5 LabVIEW访问数据库的流程324.2 数据库表单设计334.3 数据库采集系统的软件结构374.4 数据采集系统的功能38第5章 结论与展望395.1 结论395.2 展望39致 谢40参考文献40第一章 绪论1.1水电站控制系统的发展概况 水电站最根本的任务是实现安全经济运行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线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线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,从过去的日常监控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”(少人值守)的水电站。采用计算机监控已成了水电站主流。1.2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。己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,不采用的己是少数。1.3 水电站控制方式的演变 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(Compute Aided Su Pervisory 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-ConventionalsuPervi so 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）如果水电站己有常规系统,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(Z100Mw)。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-Baseds 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(615oMw)。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(12OOMW),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。1.4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一3000、CSCS系列、SD200和SJK一3000等多种产品。39第二章 中小型水电站监控系统设计 2.1中小型水电站运行的特点 水电站水电生产过程的基础是开发利用水能。具体是将水能转化为势能，推动涡轮机转动来带动发电机组发电，以拦河坝将水蓄于高处，然后控制水流使之经过发电用水轮机，利用水的势能驱动水轮机带动发电机来产生电。水电站中的水库中就是具有了一定能量的水，这些水通过过流部件（引水管道和蜗壳）流入水轮机，驱动水轮机旋转将水能转变为机械能，再通过发电机将机械能转变为点恩呢该，最后通过变电、送电设备将电能送到用户。水电站的生产过程具体可以概括为四个部分,如图2.1所示：水能水轮机机械能发电机电能线路用户图2.1 水电生产过程（1） 集中能量。河川径流是由集水区域、降水量及其他影响径流的因素综合决定的。修建相应的水工建筑物可以汇聚水量、集中水头，从而达到集中能量的目的。（2） 输入能量。将集中的水能通过引水管道和蜗壳输送到水轮机，使水轮机旋转，从而产生机械能，产生能量的大小与流量和水头有关。（3） 变换能量。水轮机旋转时带动同轴的发电机旋转，将机械能转换为电能。这是水电站生产过程中最重要一个环节。（4） 输送电能。这是水电站生产的最后一个环节，就是水电站发生的电能经过变电、配电、送到电力系统或用户的过程。在这个环节中没有能量的转换，只是改变电能的参数3。水电厂的生产过程是实现水能、机械能与电能的转换。与火电厂的生产过程相比，水电厂的生产过程要简单的多。水电机组的特点是运行灵活、启停迅速、操作简便、自动化程度高。这些都是能够使水力机组通常在电力系统中担负调峰、调频的任务，这就使机组的符合经常变化，而且机组会经常启停，与之相关的控制系统则要求快速、准确。水电机组各系统之间的协调比较容易，各部分的联锁也相对简单，所以也必须对水电站控制系统的自动化进一步加大要求。2.2 水电站监控系统的设计要求 中小型水电站的计算机监控系统的目的主要是实现水电站自动化、高效率的电力生产过程，简单来说，一个成熟的计算机监控系统系统需要做到按照“无人值班、少人值班”的原则；PLC应是完整的市局采集和现地控制单元，能够自我诊断和安全监视；要采用可靠、成熟的标准硬件、软件和网络结构；而且应该有容错的设计。这些都具体表现为以下几点：水电站电厂发电生产的过程是很复杂而且特殊的，所以其所需要的监控系统必须拥有强大卓越的数据处理能力，而且还必须丰富其竞争的性价比。除了这些，水电站的计算机控制系统还需要满足以下的要求： （1）可靠性及有效利用率发电厂的发电机组运行时需要保证其安全性，所以监控系统的可靠性成为了实现安全运行的基础。假设水电站计算机监控系统出现了故障问题，那么对生产过程所产生的影响是异常严重的，所有具备较高的可靠性是电厂计算机监控系统所应有的。在给定的条件之下，计算机监控系统和设备能够持续保持正确安全的工作能力或者所期待的功能可持续的时间的长短（平均故障间隔时间）可以用来衡量计算机系统及设备的可靠性。一个系统出现故障之后是否可以维护和所需的维护时间及系统和设备进行维护、修理的难易程度(平均故障修复时间）也可以用来判定该计算机监控系统及设备的优良性。综上所述，计算机监控系统的有效利用率可以表述如下计算机系统的有效利用率=平均故障时间/（平均故障间隔时间+平均故障修复时间）如何提高和保证计算机监控系统的可靠性也成为了基础问题，比如说采用分散结构的计算机控制系统；增强系统的容错率和诊断修复能力；采用高可靠性的器部件；运用高可靠性的技术，这些都是比较有效的措施。 可靠性和可维护性的指标也是有一些明确规定的：如，系统在电厂验收的可用性指标分为99.9%，99.7%和99.5%三档，系统中的任何设备的单个元件应该不能造成关键性的故障等4。 （2）实时响应性计算机系统完成生产过程中所指定的任务时，必须具有一定的及时性，这就是实时响应性，即实时性。水电站发电生产的过程对于计算机控制系统的采样、数据的运算和操作速度的速度都有一定的要求，并且做到与它所控制的生产过程的十几运行速度相适应，在其生产过程和计算机的自身运动规律的前提下，能够及时的检测出生产过程发生的微弱变化并且进行测试、分析和控制。这样才能更好的保证系统的优良实时性。电厂控制系统的实时性是监控系统的一个非常重要的指标，要求也非常的高，所以计算机也必须有足够高的时钟频率、品质优良的操作系统和丰富的操作指令等。在发生事故之后，要求对时间的几率分辨率达到5ms以下。 （3）适应性要求高水电站发电生产过程属于工业过程，所以其计算机控制系统的工作环境相对没有那么完善，而且是处于不同程度的高温、潮湿、粉尘、振动、腐蚀、磁场等诸多不利的条件之下，所以水电站所需要的计算机监控系统必须可以适应现场的环境，而且在恶劣的环境之下可以正常的运行工作。除此之外，计算机监控系统还要具备与过程设备连接的良好借口，可以适应构成使用硬件系统的需要。水电站的地理位置特殊，自然条件和电力系统的结构的不同可能会告知不同水电站具有很大的差异。所以，计算机系统也需要能够做到在改变少量的软、硬件之后可以适应不同水电站的开发应用，做到一个成熟计算机监控系统的要求，为用户或者设计者省去较多的麻烦，节约资金开发，缩短头晕的周期。 （4）人机联系要求完善发电生产的过程需要及时有效的进行参数监视、运行操作、系统组态和异常情况下的故障诊断和处理，而且需要随时接受运行人员的各种运行工作命令，还要做到人机联系的方式比较简单、只管、明确、方便、快捷、规范、安全。这都是需要计算机监控系统必须具有完善的人机接口和人机界面。 这些都需要完善的硬件配置和相应的软件支持才能做到。计算机监控系统的要求会根据电厂设备和对象不同随之表现出不同，所以系统应具备实现其基本功能，系统结构以满足基本功能要求为前提，全力做到简单实用。 （5）软件配备要求齐全 计算机监控系统开发厂商需要根据实际的过程控制的需要配套提供给用户丰富的软件，以此来使得计算机控制系统具备驱动计算机系统各组成部分正常运转和完善的实时操作系统、数据库管理系统、文件管理系统等，满足生产过程所需要用到的控制的需要。用户也需要在系统选型时高度重视，且关注应用软件的开发和完善。 （6）良好的抗干扰和防震性能 水电站一般都是处于有强电磁场干扰的冮环境之下，其计算机监控系统亦然，而且水电站整个的厂房的中控室和计算机均有明显的机械振动，机械传感等。所处的环境温度较高，这些都对计算机系统附加了另外的要求。为了避免疏忽所带来的严重后果，系统的装置技术也必须妥善的进行处理。2.3 监控系统的主要设计任务2.3.1 监控系统的系统结构设计 计算机监控系统结构模式的划分主要是根据其控制方式或者布局来加以区别的。一个水电站的装机容量和机组太熟、电站在电力系统中的地位、计算机在电站自动化中的功能等都会影响到计算机监控系统的整个布局。一、集中式计算机监控系统 这种模式的监控系统的结构主要是由一台计算机来承担整个水电站的所有监控任务，比较依赖于一台计算机，可靠性比较差。一般是将采集到的数据全部集中到计算机来进行分析和处理，然后更具计算机计算和处理的结果来传送到各测控点进行控制和调节。集中式监控系统的发展历程如下（1） 单计算机系统（2） 双计算机系统（3） 双主计算机带双前置计算机系统（4） 以数据库为核心的多计算机系统 以上也是通常会采用的计算机系统配置。 二、分散式处理计算机监控系统 这种的监控系统是新一代的继直接作用式气动仪表、气动单元组合仪表等之后的控制系统。其具体是强调了水电站生产设备的地理位置和控制系统的功能所具有的的“分散”性。它是一种能对水电站机组运行进行集中式的监视和管理，控制功能分离，物理位置分散，依靠微型计算机，利用数据通信模块懂得功能将所有的信息全部相连的新型的自动控制系统。分散式控制系统的热点是控制比较分散但是管理比较集中，而且功能比较全面，计算机的算法很多样，可以做到自治性和协调性兼顾，先进性和继承性兼顾，还比较灵活可靠，适应性也很好，扩展范围广，人机界面友好。三、分布式计算机监控系统 由于20世纪80年代的时候，新开发的计算机处理器的性能价格比非常的高，但是绝对的性能不够完善，没有用来完成大型计算机所具有的一些功能。所以当时的人们把硬件和相应的软件都使之在大量重复的大规模的集成电路芯片中分布出来，来构成一个新兴的计算机系统。这就是分布式计算机控制系统发展初期的基本思想。分布式计算机系统的优点在于它具有多个分布的资源，即计算机硬件、外部的设备、程序和数据库。这些资源都是独立的但是却又相互作用，可以独立万层其自身的功能任务，也可以一起搭配协调完成一些列任务。但是该系统要求的操作系统非常高级，要对整个系统进行统一的控制和管理，然后按部就班的完成所需要的任务，所以这种系统也就有了非常统一的操作系统，而且系统中的个资源运行之间没有主从关系，不存在层次控制。四、分层控制系统 分层控制系统的意义在于可以把整个水电站的控制系统分成几个相应的不同层次来进行逐一控制，电厂的层次大致可分为梯级调度层、厂站监控层、机组操作层、辐设控制层等，这其中梯级调度只适用于梯级的电厂。综上所述：以上所有的水电监控系统而言，中小型的水电站在电力系统中的地位相对较低，作用相对比较弱，而且生产的过程也比较的单一，设备层次比较低。综合考虑之下，计算机系统结构“分布”，系统控制理论“分层”的综合性监控系统，在可靠性、灵活性和投资少的前提下，性价比比较高，所以中小型水电站系统结构首选分层分布式监控系统非常的好。由于分层分布式监控系统的优点比较突出，它已取代了其他类型的监控系统。2.3.2 水电站的电厂的分层控制 本文主要是讲述中小型水电站采用的分层分布式控制系统。 水电厂是处于在庞大的电力系统中的基层工作，这是电力系统的分层控制。每个水电厂的本身也是可以分为几个不同的层次：电厂控制层、机组控制层、功能控制层、现场设备驱动层。电厂控制层属于厂级计算机系统，机组层以下的都是现地层或者现地单元。具体如图2.2： 自 水 电厂控制层 厂级计算机系统 动 电 厂 化 的 机组控制层 监 复 控 系 功能控制层 杂 统 现地层（现地单元） 分 程 层 现场设备驱动层 度 图2.2 水电厂分层 （1） 电厂控制层这个水电厂控制系统的最高层“领导”,整个水电系统的机组运行、管理、发电等都是由这层来协调、控制，也把电厂信息，监控数据等与电网监控层进行传递和联络。（2） 机组控制层机组控制层通过现在单元的I/O装置等自动化的装备来对发电机组的启停、工况的转换等进行直接的控制，并且将运行信息数据进行采集处理。（3） 功能控制层功能控制层不由监控系统承担，而是由另外专门设置的装置完成历次调节、调速、继电保护、水利机械保护、事故录波等功能任务5，它与监控系统之间的联系仅仅依靠简单的信息转换来完成。（4） 现场设备驱动层水电站厂房中现场的机械、电器设备（水泵、阀门、开关等）和现场的驱动设备（电机、电磁阀、电磁驱动机构等）都是由这一层来进行放大控制，而不是通过计算机监控系统直接驱动。 第三章 实时监测系统的硬件设计3.1 虚拟仪器及 LabVIEW 概述 3.1.1 虚拟仪器技术 虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）的概念是美国国家仪器公司于 20 世纪 80年代最早提出的，它是继第一代仪器（模拟式仪表）、第二代仪器（分立元件式仪表）、第三代仪器（数字式仪表）、第四代仪器（智能仪器）之后的新一代仪器28，它引发了传统仪器领域的一场重大变革，使网络技术和计算机进入仪器领域，开创了“软件就是仪器”的先河。 虚拟仪器是指，在以通用计算机为核心的硬件平台上，用途由用户自己定义、测试功能由测试软件实现的、具有虚拟面板的一种计算机仪器系统。虚拟仪器可以集成为自动控制系统；可自由构建成专用仪器系统；可代替传统的测量仪器，如逻辑分析仪、示波器、频谱分析仪、信号发生器等，使得测量人员从繁杂的仪器堆中解放出来。任何形式的虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到台式 PC、工作站或笔记本电脑等各种计算机平台上，再加上应用软件而构成的。虚拟仪器通过软件将仪器硬件与计算机硬件资源有机地融合为一体，从而把仪器硬件的控制、测量能力和计算机强大的计算处理能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积。3.1.1.1 虚拟仪器与传统仪器的对比 相比于传统仪器，虚拟仪器具有四大优势：性能高、扩展性强、开发时间少、完美的集成功能。虚拟仪器与传统仪器的性能比较见表 3-1 所示。 表 3.1 虚拟仪器与传统仪器性能对比表（下页） 虚拟仪器 传统仪器 功能由用户定义 功能由厂家定义 与网络及其他外围设备连接方便 与其他设备连接受限 虚拟仪器 传统仪器 信号电缆少，采用虚拟旋钮，操作简单 信号电缆开关多，操作复杂 系统开放、灵活、可构成多种仪器 系统封闭，功能固定，扩展性低 系统开发时间短 系统开发时间长 数据可编辑、存储、打印 数据无法改变 关键技术是软件，升级维护方便 关键是硬件，由专业厂家升级 仪器间资源可重复利用，整体价格便宜 仪器间无法通用，整体价格较昂贵 开发与维护费用低 开发与维护费用高 软件技术更新快（周期为 12 年） 技术更新慢（周期为 510 年）3.1.1.2 虚拟仪器的构成 虚拟仪器由硬件和软件两部分组成。 （1）虚拟仪器的硬件结构硬件是虚拟仪器工作的基础，主要完成被测信号的采集、传输、存储处理和输入/输出等工作，由计算机和 I/O 接口设备组成。其硬件结构如图 4-1 所示。 计算机 一般为一台 PC 或工作站，是硬件平台的核心。 I/O 接口设备 I/O 接口设备即采集调理部件，包括 PC 总线的数据采集卡、VXI 总线仪器模块、GPIB 总线仪器、LXI 总线仪器模块、PXI 总线仪器模块、现场总线仪器模块和串口总线仪器模块等标准总线仪器，主要完成被测输入信号的采集、放大和模数转换。 （2）虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器的关键技术是软件，通过运行计算机上的软件，一方面实现虚拟仪器的图形化仪器界面，给用户提供一个设置仪器参数、修改仪器操作、检验仪器通信和实现仪器功能的人机接口；另一方面使计算机直接参与测量特征的分析与测试信号的产生，完成数据的输入、输出、存储及综合分析等功能。虚拟仪器软件由 3 部分构成。 输入/输出（I/O）接口软件 I/O 接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，它具有以下功能： a对仪器内部寄存单元进行直接存取数据操作； b为仪器驱动程序提供信息传递； c是实现开放统一的虚拟仪器系统的核心和基础。 仪器驱动程序 仪器驱动程序的实质是为用户提供用于仪器操作的较抽象的操作函数集，它是连接顶层应用软件和底层 I/O 软件的纽带与桥梁，每个仪器模块都有自己对应的仪器驱动程序，仪器生产厂家在提供仪器模块的同时也会提供仪器驱动程序文件和 DLL 文件。 应用软件 顶层应用软件主要包括数据分析处理软件和仪器面板控制软件，可以完成利用计算机强大的图形功能实现虚拟仪器面板，给用户提供操作仪器、显示数据的人机接口，以及数据采集、显示、分析处理和存储等的功能，应用软件具有良好的开放性和可扩展性，目前应用软件开发工具主要有两种类型： 文本式编程语言：如 Visual C+，Visual Basic，LabWindows/CVI 等。 图形化编程语言：如 LabVIEW，HPVEE 等。VC、VB 具有简单易用、实用性强的优点，但开发人员需要有较多的编程经验和较强的调试能力。NI 公司的 LabVIEW 和 HP 的 VEE 等具有图形化的常用模块，智能化的数据连线，逼真的仪器面板元件，丰富多彩、简便易用的函数库和工具包，编程效率高，通用性强，是构建虚拟仪器的理想工具。 图4-1虚拟仪器的硬件结构3.1.1.3 虚拟仪器的特点 虚拟仪器是仪器测量技术和计算机技术相结合的产物，它充分利用了计算机强大的运算处理能力，突破了传统仪器在数据传输、处理、显示、存储等方面的限制。虚拟仪器具有如下特点： 1强大的信号处理能力 通过适当的硬件结构系统对信号进行采集、放大、隔离、滤波以及模/数转换，虚拟仪器可以利用计算机的大量实用软件工具对信号进行各种分析计算、处理和数字化、图形化显示，也可以将信号通过数/模转换后控制执行器件的执行动作。 2具有标准的、功能强大的接口总线、板卡及相应软件 GPIB 通用接口总线（或称 IEEE488 国际标准接口总线）近 30 年广泛应用于仪器领域，它只适用于消息级器件的互操作，不适于寄存器级器件。1987 年新推出的 VXI 总线（或称 IEEE1155 国际标准接口总线）具有通用性和开放性，使任意厂家、各种类型仪器接口不会发生机械电气方面的冲突，VXI 具有 40M Bytes/s 的数据传输率，能保证仪器间的同步和精确定时，被认为是虚拟仪器理想的硬件平台。为虚拟仪器数据采集和控制提供强大支持的还有 VISA、PCI 等标准 I/O 卡及其相应的驱动程序库。 3具有开发周期短、成本低、维护方便和易于应用等特点 应用虚拟仪器的这些特点可以快速、低成本地开发出具有相当大柔性且易于维护管理和升级的仪器。 4具有可变性、多层性、自助性的面板 与传统仪器一样，虚拟仪器的面板也可以有旋钮、开关按钮、滑动条，有显示器显示波形，有 LED 指示灯，有声音和报警指示灯，有指针式表头指示刻度等。但虚拟仪器与传统仪器又有不同之处，传统仪器面板上的元器件是硬件