基于虛擬儀器的小型水電站監控系統然間功能畢業設計

1、1 / 46基于虛擬儀器的小型水電站監控系統然間功能設計基于虛擬儀器的小型水電站監控系統然間功能設計摘摘 要要 水電是我國重點發展的綠色能源，水電生產具有開停機方便、運行費用低，對環境污染小等優點，合理充分地利用水電能源對我國的經濟發展起著巨大的推動作用，因此有效地對水力機組運行參數進行檢測、分析、優化，對水輪機組高效穩定運行將起到重要作用。本文采用虛擬儀器技術，通過 LabVIEM 的方法，開發了一套水力機組運行實時監測系統，該系統不僅實現了水輪機運行參數的實時檢測、分析、計算以與水力機組能量特性模型的建立，而且為建立水力機組優化運行系統打下基礎。 本文主體分為三部分，每部分容如下： 第一部

2、分：采用虛擬儀器的概念，構建了實時監測系統的硬件結構并詳細介紹了硬件的選型設計。該系統的硬件部分主要采用了美國 NI 公司的產品，包括信號調理設備以與數據采集卡，經過試驗驗證，該系統硬件結構不論采集精度、速度以與抗干擾能力都能夠滿足實時監測系統的要求。第二部分：利用圖形化編程語言 LabVIEM 建立了數據采集系統，實現了水輪機的工作水頭、流量、出力等參數的實時在線監測、顯示、處理以與存儲，同時可根據水力機組實時監測的數據計算水輪機的運行效率，并實時顯示，使工作人員隨時了解水輪機的運行狀況。第三部分：在水力機組運行參數數據采集系統的基礎上，利用 LabVIEM，構建了水輪機能量特性模型，開發了

3、水力機組運行工況實時監測系統，該系統可以實現在水輪機的三維能量特性曲面圖上實時顯示水輪機的運行工況點的功能，以便運行人員直觀地了解水輪機的運行狀況，從而對整個機組進行合理調節，2 / 46使機組運行于高效區。 本系統的開發對于充分利用水資源，提高水電站的經濟效益，實現水力機組的高效穩定運行與優化運行均具有一定的實際指導意義。關鍵詞：水力機組；優化運行；數據采集；虛擬儀器；監測系統目 錄摘要ABSTRACT第 1 章緒論緒論 11.1 水電站系統的發展概論 11.2 國外發展現狀 21.3 水電站控制方式的演變 31.4 小型水電站計算機監控現狀 5第 2 章中小型水電站監控系統設計中小型水電站

4、監控系統設計 72.1 中小型水電站運行的特點 72.2 水電站監控系統上的設計要求 82.3 監控系統的主要設計任務 102.3.1 監控系統的系統結構設計 102.3.2 水電廠的電廠分層控制 12第 3 章上機位軟件的設計上機位軟件的設計 143.1 虛擬儀器與 LABVIEM 概述 143.1.1 虛擬儀器技術 143.1.1.1 虛擬儀器與傳統儀器的對比 143.1.1.2 虛擬儀器的構成 153.1.1.3 虛擬儀器的特點 173.1.2LABVIEM183 / 463.2LABVIEM 的各種通信方式與介紹 203.3 系統通信方式的數據傳遞 213.4 上、下位機見的數據傳遞

5、223.5 數據采集 223.6 系統程序前面板 223.7 系統程序框圖 243.8 水利機組運行實時監測系統采集的實現 25第 4 章基于虛擬儀器的水利機組運行參數數據采集系統基于虛擬儀器的水利機組運行參數數據采集系統 274.1 數據庫的訪問技術 274.1.1 系統數據庫平臺 274.1.2LabVIEW 的數據庫訪問方式 274.1.3LabSQL 工具包簡介 284.1.4LabSQL 的安裝與配置 304.1.5LabVIEW 訪問數據庫的流程 324.2 數據庫表單設計 334.3 數據庫采集系統的軟件結構 374.4 數據采集系統的功能 38第第 5 5 章章結論與展望結論與

6、展望 395.1 結論 395.2 展望 39致致 40參考文參考文獻獻 404 / 461 / 46第一章第一章 緒論緒論1.11.1 水電站控制系統的發展概況水電站控制系統的發展概況 水電站最根本的任務是實現安全經濟運行隨著國民經濟的持續發展,電力需求迅猛增長,興建的水電站越來越多,其容量也越來越大,如正在建設的三峽水電站,總裝機容量高達 18200MW。為了實現安全發供電,需要經常監測的量成千上萬,需要實現的控制功能也越來越復雜。特別是抽水蓄能電廠的出現,機組的工況不僅有發電、調相、而且還有抽水、各種工況之間的相互轉換,使控制功能進一步復雜。為了實現水電站的優化運行以期達到整個系統的經濟

7、運行,需要進行的計算更為復雜。以上這些復雜的工作使原來在水電站上廣泛使用的布線邏輯型自動裝置越來越難以勝任,因此采用更為先進的技術成了迫不與待的任務。 與此同時,計算機科學發展異常迅猛,技術日新月異,其性能日趨完善,而價格日益下降,這為計算機監控取代常規的布線邏輯型自動裝置提供了良好的物質基礎。 早在 20 世紀 70 年代,計算機已開始應用于水電站,起先用于各項離線計算和工況的監測,后來,逐漸進入到控制領域。它經歷了一段從低級到高級,從順序控制到閉環調節控制,從局部控制到全廠控制,從電能生產領域擴展到水情測報、水工建筑物的監控!航運管理控制等各個方面,從監控到實現經濟運行,從個別電廠監控到整

8、個梯級和流域監控的發展過程。出現了一批用微機構成的調速器、勵磁調節器、同期裝置和繼電保護裝置等。多媒體技術應用使電廠中控室的設計發生了巨大的變化。巨大的模擬顯示屏正在逐漸被計算機顯示器所代替;常規操作盤基本上已被計算機監控系統的值班員控制臺所取代;運行人員的操作已從過去的扭把手、按開關轉為計算機鍵盤和鼠標操作。運行人員的工作性質也發生了質的變化,從過去的日常監控和頻繁操作轉變為巡視,經常的監測和控制調節工作都由計算機系統去完成。運行人員的勞動強度大大減輕,人數也大大減少,甚2 / 46至出現了“無人值班”(少人值守)的水電站。采用計算機監控已成了水電站主流。1.21.2 國外發展現狀國外發展現

9、狀 從 20 世紀 70 年代起,計算機監控在國外一些水電站上取得了實質性的進展,出現了用計算機控制的水電站最初,由于計算機價格比較昂貴,全廠只用一臺計算機實現對主要工況的監視和操作,通常采用開環調節控制后來,隨著計算機性能改善和價格下降,出現了采用多臺計算機實現閉環調節控制的水電站高性能微機的出現使微機在水電站監控系統中得到普遍的應用。現在,新投入的水電站大都采用由多臺計算機構成的計算機監控系統。世界各國的發展是不平衡的,目前關于水電站實現計算機監控的情況還缺乏完整統計資料。就國家來說,美國,法國,日本和加拿大等國在這方面是比較領先的。 國外研制水電站計算機監控系統有許多公司,其中比較著名的

10、有,加拿大的CAE 公司、瑞士和德國的 ABB 公司!德國的西門子公司!、法國的 ALSToM 公司(原 CEGELEC 公司)、日本的日立公司和東芝公司、美國和加拿大的貝利公司!奧地利的依林(ELIN)公司等。各公司都推出自己的系列產品,在世界各地得到了廣泛應用。 我國水電站計算機監控系統的研制工作起步并不晚。早在 70 年代末,原水電部就組織了自動化研究所(現改為電力自動化研究院)、長江流域規劃辦公室(現改為長江水利委員會)和華中工學院(現改為華中科技大學)研究洲壩水電站采用計算機監控系統問題隨后,中國水利水電科學院研究院(簡稱水科院)自動化研究所開始了富春江水電站計算機監控系統的研制工作

11、。電氣傳動設計研究所(簡稱天傳所)也開始了永定河梯級水電站計算機監控系統的研制工作。這些監控系統于 80 年代中期先后投入運行。 與此同時,我國也引進了一些國外研制的監控系統采用 CAE 公司產品的有洲壩大江電廠、隔河巖水電站和龔嘴梯調;采用西門子公司產品的有魯布格水電站、抽水蓄能電廠 C 二期。龔嘴水電站;采用 ABB 公司產品的有家口、天生橋二級、溪口、寶興河梯級和二灘等水電站;采用貝利公司產品的有十三陵抽水蓄能3 / 46電廠和天荒坪抽水蓄能電廠;采用法國 cEGELEC 公司產品的有抽水蓄能電廠(一期)、高壩洲水電站;采用依林公司產品的有小浪底水電站。 十多年來,國的研制單位也取得了很

12、大的成就。己投運的幾十個計算機監控系統中絕大多數是由國單位研制的。技術水平也有了很大的提高,達到了國外 90 年代的水平。許多新技術,如分層分布處理、分布式數據庫、開放系統、網絡、多媒體、專家系統等,都得到了相應的應用。電力自動化研究院和水科院自動化研究所還推出了自己的系列產品,不僅在國電站得到廣泛的應用,甚至還出口到國外。 根據近年來的實踐,新建的大中型水電站已基本采用計算機監控系統,不采用的己是少數。1.31.3 水電站控制方式的演變水電站控制方式的演變 隨著計算機技術的不斷發展,水電站監控的方式也隨之改變,計算機系統在水電站監控系統中的作用與其與常規設備的關系也發生了變化,其演變過程大致

13、如下。1.以常規控制裝置為主、計算機為輔的監控方式(Compute Aided Su Pervisory Control,簡稱 CASC) 早期由于計算機價格比較昂貴,而且人們對它的可靠性不夠信任,因此,計算機只起監視、記錄打印、經濟運行計算、運行指導等作用,水電站的直接控制功能仍由常規控制裝置來完成采用此方式時,對計算機可靠性的要求不是很高,即使計算機局部發生故障,水電站的正常運行仍能維持,只是性能方面有所降低。采用這種控制方式的典型例子是依泰普水電站運行的初期(80 年代上半期)。當時采用這種控制方式的理由是,根據巴西和巴拉圭的國情,認為采用計算機監控系統的經驗還不夠成熟,缺乏相應的技術力

14、量,故而先采用能實現數據采集和監視記錄等功能的計算機系統,而水電站的控制仍由常規設備來完成。這樣,可以為將來可實現控制功能的系統作準備,同時可以減少前期的投資。后來,依泰普水電站已將它更新為具有復雜控制功能的、比較完善的計算機監控系統。 用這種控制方式的典型例子是富春江水電站綜合自動化的一期工程(80 年4 / 46代上半期)。一期工程是一個實時監測系統,實現數據的采集和處理!提供機組經濟運行指導和全廠運行狀態的監視記錄,計算機不直接作用于生產過程的控制。這在當時是適合的,后來也被更 新為能實現控制功能的比較完善的計算機監控系統。 這種控制方式的缺點是,功能和性能都比較低,并對整個水電站自動化

15、水平的提高有一定的限制,目前新建水電站已很少采用。 對已運行的水電站,尤其是在中小型水電站,在常規監控系統的基礎上,加一點專用功能的全廠自動化裝置,如自動巡回檢測和數據采集裝置,按水流或負荷調節經濟運行裝置等,也可取得很好的技術經濟效益,投資也不大,對運行管理水平要求不太高,這種 CASC 方式還是可以采用的國外也有不少這樣的例子。2.計算機與常規控制裝置雙重監控方式 Computer-ConventionalsuPervi so Control 簡稱 CCSC) 隨著計算機系統可靠性的提高和價格的下降以與人們對計算機實現監控的信任度的提高,人們較容易接受讓計算機直接參加控制,但對它還不是很放

16、心,所以出現了計算機與常規控制裝置雙重監控的方式此時,水電站要設置兩套完整的控制系統,一套是以常規控制裝置構成的系統,一套是以計算機構成的系統,相互之間基本上是獨立的兩套控制系統之間可以切換,互為備用,保證系統安全可靠運行采用這種方式的原因是:(1)有些用戶,特別是大型水電站,對計算機系統的可靠性仍有較大的顧慮,總覺得計算機系統沒有常規系統可靠,心理上有障礙,要設一套常規系統作后備。（2）原來的水電站運行值班人員習慣于常規設備的操作,不熟悉計算機系統的操作,需要一段適應過程。（3）計算機系統檢修時,常規系統可以投入運行,不影響水電站的正常運行。（4）如果水電站己有常規系統,加設計算機監控系統可

17、以減少干擾,不影響電廠的正常運行這一點對已運行水電站的改造是有現實意義的。 國外采用這種方式的典型例子是美國邦納維爾第二電廠(558Mw)和巴斯康提抽水蓄能電廠(Z100Mw)。用這種控制方式的典型例子是洲壩大江電廠(1750MW)和龍羊峽水電站(1280MW)。 采用這種方式的缺點是:（1）由于需要設置兩套完整的控制系統,投資比較5 / 46大;（2）由于兩套系統并存,相互之間要切換,二次接線復雜,可靠性反而有所降低。目前新建水電站已很少采用這種控制方式。3.以計算機為基礎的監控方式(Computer-Baseds Supervisory Control 簡稱CBSC)隨著計算機系統的可靠性

18、進一步提高和價格的進一步下降,出現了以計算機為基礎的監控系統。采用此方式時,常規控制部分可以大大簡化,平時都采用計算機控制。因此,對計算機系統的可靠性要求就比較高,這可以采用冗余技術來解決,保證系統某一單元或局部環節發生故障時,整個系統和電廠運行還能繼續進行。 采用此種方式時,中控室僅設置計算機監控系統的值班員控制臺,模擬屏已成為輔助監控手段,可以簡化甚至取消。 國外采用這種方式的典型例子是美國的大古力水電站(615oMw)。委瑞拉的古里水電站(10000MW)、法國的孟德齊克抽水蓄能電廠(920MW)等。用這種方式的典型例子是漫灣水電站(1250Mw)。 這種控制方式是目前國外水電站普遍采用

19、的計算機控制方式。4.取消常規設備的全計算機控制方式 隨著計算機技術的進一步發展和水電站計算機監控系統運行經驗的累積,出現了以計算機為唯一監控設備的全計算機控制方式,實際上它是 CBSC 方式的延伸。此時,取消了中控室常規的集中控制設備,機旁也取消了自動操作盤。中控室還保留模擬顯示屏,但其信息取自計算機系統,不考慮在機組控制單元(計算機型的)發生故障時進行機旁的自動操作。此時,對計算機系統的可靠性提出更高的要求,冗余度也要進一步提高。 采用這種方式的典型例子是我國隔河巖水電站(12OOMW),采用 CAE 公司的產品這種方式投資比較大,但它有良好的應用前景,將成為未來的水電站計算機控制方式的主

20、流。1.41.4 小型水電站計算機監控現狀小型水電站計算機監控現狀 由于早期的研制主要集中于大!中型水電站,對小型水電站監控系統的研究較6 / 46少,因此使得我國水電站自動化技術的發展出現了極不平衡的局面,小型水電站的自動化水平目前還處于比較落后的狀態在小型水電站自動化裝置的研究方面,與國外的先進水平相比還有一段較大的差距。 針對小型水電站的特點而專門進行的一項研究是在 20 世紀 90 年代中期進行的,是由國電自動化研究院與石景山發電總廠合作在下葦甸水電站容量均為15Mw 的 5 號和 6 號機上進行的發電綜合控制裝置(GcU)的研究試驗。由于 GCU的設計構想是集調速、勵磁、順控、同期、

21、測量 5 個功能于一體,因此又稱為“五合一”裝置。經一段時間的試運行,甩 100%負荷試驗,從高井到下葦甸 5 號機的遠方控制等情況來看,該套裝置運行正常,達到預期目的。為了促進小水電站實現自動化控制,水利部亞太小水電中心和國家電力公司自動化股份都在小型水電站監控方式方面進行了一些探討。此外,華工電氣自動化 XX 公司!自動化設備廠和繼電器集團等科研、制造單位也做了不少工作,在我國已形成了 SDJK!DZWX!SSJ 一 3000、CSCS 系列、SD200 和 SJK 一 3000 等多種產品。7 / 46第第 2 2 章章 中小型水電站監控系統設計中小型水電站監控系統設計2.12.1 中小

22、型水電站運行的特點中小型水電站運行的特點 水電站水電生產過程的基礎是開發利用水能。具體是將水能轉化為勢能，推動渦輪機轉動來帶動發電機組發電，以攔河壩將水蓄于高處，然后控制水流使之經過發電用水輪機，利用水的勢能驅動水輪機帶動發電機來產生電。水電站中的水庫中就是具有了一定能量的水，這些水通過過流部件（引水管道和蝸殼）流入水輪機，驅動水輪機旋轉將水能轉變為機械能，再通過發電機將機械能轉變為點恩呢該，最后通過變電、送電設備將電能送到用戶。水電站的生產過程具體可以概括為四個部分,如圖 2.1 所示：圖 2.1 水電生產過程（1）集中能量。河川徑流是由集水區域、降水量與其他影響徑流的因素綜合決定的。修建相

23、應的水工建筑物可以匯聚水量、集中水頭，從而達到集中能量的目的。（2）輸入能量。將集中的水能通過引水管道和蝸殼輸送到水輪機，使水輪機旋轉，從而產生機械能，產生能量的大小與流量和水頭有關。（3）變換能量。水輪機旋轉時帶動同軸的發電機旋轉，將機械能轉換為電能。這是水電站生產過程中最重要一個環節。（4）輸送電能。這是水電站生產的最后一個環節，就是水電站發生的電能經過變電、配電、送到電力系統或用戶的過程。在這個環節中沒有能量的轉換，只是改變電能的參數3。水電廠的生產過程是實現水能、機械能與電能的轉換。與火電廠的生產過程相比，水電廠的生產過程要簡單的多。水電機組的特點是運行靈活、啟停迅速、操作簡便、自動化

24、程度高。這些都是能夠使水力機組通常在電力系統中擔水輪機發電機線路水能水能機械能機械能電能電能用戶用戶8 / 46負調峰、調頻的任務，這就使機組的符合經常變化，而且機組會經常啟停，與之相關的控制系統則要求快速、準確。水電機組各系統之間的協調比較容易，各部分的聯鎖也相對簡單，所以也必須對水電站控制系統的自動化進一步加大要求。2.22.2 水電站監控系統的設計要求水電站監控系統的設計要求中小型水電站的計算機監控系統的目的主要是實現水電站自動化、高效率的電力生產過程，簡單來說，一個成熟的計算機監控系統系統需要做到按照“無人值班、少人值班”的原則；PLC 應是完整的市局采集和現地控制單元，能夠自我診斷和

25、安全監視；要采用可靠、成熟的標準硬件、軟件和網絡結構；而且應該有容錯的設計。這些都具體表現為以下幾點：水電站電廠發電生產的過程是很復雜而且特殊的，所以其所需要的監控系統必須擁有強大卓越的數據處理能力，而且還必須豐富其競爭的性價比。除了這些，水電站的計算機控制系統還需要滿足以下的要求： （1）可靠性與有效利用率發電廠的發電機組運行時需要保證其安全性，所以監控系統的可靠性成為了實現安全運行的基礎。假設水電站計算機監控系統出現了故障問題，那么對生產過程所產生的影響是異常嚴重的，所有具備較高的可靠性是電廠計算機監控系統所應有的。在給定的條件之下，計算機監控系統和設備能夠持續保持正確安全的工作能力或者所

26、期待的功能可持續的時間的長短（平均故障間隔時間）可以用來衡量計算機系統與設備的可靠性。一個系統出現故障之后是否可以維護和所需的維護時間與系統和設備進行維護、修理的難易程度(平均故障修復時間）也可以用來判定該計算機監控系統與設備的優良性。綜上所述，計算機監控系統的有效利用率可以表述如下計算機系統的有效利用率=平均故障時間/（平均故障間隔時間+平均故障修復時間）如何提高和保證計算機監控系統的可靠性也成為了基礎問題，比如說采用分散結構的計算機控制系統；增強系統的容錯率和診斷修復能力；采用高可靠9 / 46性的器部件；運用高可靠性的技術，這些都是比較有效的措施。 可靠性和可維護性的指標也是有一些明確規

27、定的：如，系統在電廠驗收的可用性指標分為 99.9%，99.7%和 99.5%三檔，系統中的任何設備的單個元件應該不能造成關鍵性的故障等4。 （2）實時響應性計算機系統完成生產過程中所指定的任務時，必須具有一定的與時性，這就是實時響應性，即實時性。水電站發電生產的過程對于計算機控制系統的采樣、數據的運算和操作速度的速度都有一定的要求，并且做到與它所控制的生產過程的十幾運行速度相適應，在其生產過程和計算機的自身運動規律的前提下，能夠與時的檢測出生產過程發生的微弱變化并且進行測試、分析和控制。這樣才能更好的保證系統的優良實時性。電廠控制系統的實時性是監控系統的一個非常重要的指標，要求也非常的高，所

28、以計算機也必須有足夠高的時鐘頻率、品質優良的操作系統和豐富的操作指令等。在發生事故之后，要求對時間的幾率分辨率達到 5ms 以下。 （3）適應性要求高水電站發電生產過程屬于工業過程，所以其計算機控制系統的工作環境相對沒有那么完善，而且是處于不同程度的高溫、潮濕、粉塵、振動、腐蝕、磁場等諸多不利的條件之下，所以水電站所需要的計算機監控系統必須可以適應現場的環境，而且在惡劣的環境之下可以正常的運行工作。除此之外，計算機監控系統還要具備與過程設備連接的良好借口，可以適應構成使用硬件系統的需要。水電站的地理位置特殊，自然條件和電力系統的結構的不同可能會告知不同水電站具有很大的差異。所以，計算機系統也需

29、要能夠做到在改變少量的軟、硬件之后可以適應不同水電站的開發應用，做到一個成熟計算機監控系統的要求，為用戶或者設計者省去較多的麻煩，節約資金開發，縮短頭暈的周期。 （4）人機聯系要求完善發電生產的過程需要與時有效的進行參數監視、運行操作、系統組態和異常情況下的故障診斷和處理，而且需要隨時接受運行人員的各種運行工作命令，還要做到人機聯系的方式比較簡單、只管、明確、方便、快捷、規、安全。這10 / 46都是需要計算機監控系統必須具有完善的人機接口和人機界面。 這些都需要完善的硬件配置和相應的軟件支持才能做到。計算機監控系統的要求會根據電廠設備和對象不同隨之表現出不同，所以系統應具備實現其基本功能，系

30、統結構以滿足基本功能要求為前提，全力做到簡單實用。 （5）軟件配備要求齊全 計算機監控系統開發廠商需要根據實際的過程控制的需要配套提供給用戶豐富的軟件，以此來使得計算機控制系統具備驅動計算機系統各組成部分正常運轉和完善的實時操作系統、數據庫管理系統、文件管理系統等，滿足生產過程所需要用到的控制的需要。用戶也需要在系統選型時高度重視，且關注應用軟件的開發和完善。 （6）良好的抗干擾和防震性能 水電站一般都是處于有強電磁場干擾的冮環境之下，其計算機監控系統亦然，而且水電站整個的廠房的中控室和計算機均有明顯的機械振動，機械傳感等。所處的環境溫度較高，這些都對計算機系統附加了另外的要求。為了避免疏忽所

31、帶來的嚴重后果，系統的裝置技術也必須妥善的進行處理。2.32.3 監控系統的主要設計任務監控系統的主要設計任務2.3.1 監控系統的系統結構設計計算機監控系統結構模式的劃分主要是根據其控制方式或者布局來加以區別的。一個水電站的裝機容量和機組太熟、電站在電力系統中的地位、計算機在電站自動化中的功能等都會影響到計算機監控系統的整個布局。一、集中式計算機監控系統 這種模式的監控系統的結構主要是由一臺計算機來承擔整個水電站的所有監控任務，比較依賴于一臺計算機，可靠性比較差。一般是將采集到的數據全部集中到計算機來進行分析和處理，然后更具計算機計算和處理的結果來傳送到各測控點進行控制和調節。集中式監控系統

32、的發展歷程如下（1）單計算機系統（2）雙計算機系統（3）雙主計算機帶雙前置計算機系統11 / 46（4）以數據庫為核心的多計算機系統 以上也是通常會采用的計算機系統配置。 二、分散式處理計算機監控系統 這種的監控系統是新一代的繼直接作用式氣動儀表、氣動單元組合儀表等之后的控制系統。其具體是強調了水電站生產設備的地理位置和控制系統的功能所具有的的“分散”性。它是一種能對水電站機組運行進行集中式的監視和管理，控制功能分離，物理位置分散，依靠微型計算機，利用數據通信模塊懂得功能將所有的信息全部相連的新型的自動控制系統。分散式控制系統的熱點是控制比較分散但是管理比較集中，而且功能比較全面，計算機的算法

33、很多樣，可以做到自治性和協調性兼顧，先進性和繼承性兼顧，還比較靈活可靠，適應性也很好，擴展圍廣，人機界面友好。三、分布式計算機監控系統 由于 20 世紀 80 年代的時候，新開發的計算機處理器的性能價格比非常的高，但是絕對的性能不夠完善，沒有用來完成大型計算機所具有的一些功能。所以當時的人們把硬件和相應的軟件都使之在大量重復的大規模的集成電路芯片中分布出來，來構成一個新興的計算機系統。這就是分布式計算機控制系統發展初期的基本思想。分布式計算機系統的優點在于它具有多個分布的資源，即計算機硬件、外部的設備、程序和數據庫。這些資源都是獨立的但是卻又相互作用，可以獨立萬層其自身的功能任務，也可以一起搭

34、配協調完成一些列任務。但是該系統要求的操作系統非常高級，要對整個系統進行統一的控制和管理，然后按部就班的完成所需要的任務，所以這種系統也就有了非常統一的操作系統，而且系統中的個資源運行之間沒有主從關系，不存在層次控制。四、分層控制系統 分層控制系統的意義在于可以把整個水電站的控制系統分成幾個相應的不同層次來進行逐一控制，電廠的層次大致可分為梯級調度層、廠站監控層、機組操作層、輻設控制層等，這其中梯級調度只適用于梯級的電廠。綜上所述：以上所有的水電監控系統而言，中小型的水電站在電力系統中的地位相對12 / 46較低，作用相對比較弱，而且生產的過程也比較的單一，設備層次比較低。綜合考慮之下，計算機

35、系統結構“分布” ，系統控制理論“分層”的綜合性監控系統，在可靠性、靈活性和投資少的前提下，性價比比較高，所以中小型水電站系統結構首選分層分布式監控系統非常的好。由于分層分布式監控系統的優點比較突出，它已取代了其他類型的監控系統。2.3.2 水電站的電廠的分層控制 本文主要是講述中小型水電站采用的分層分布式控制系統。 水電廠是處于在龐大的電力系統中的基層工作，這是電力系統的分層控制。每個水電廠的本身也是可以分為幾個不同的層次：電廠控制層、機組控制層、功能控制層、現場設備驅動層。電廠控制層屬于廠級計算機系統，機組層以下的都是現地層或者現地單元。具體如圖 2.2： 自 水 電廠控制層 廠級計算機系

36、統 動 電 廠 化 的 機組控制層 監 復 控 系 功能控制層 雜 統 現地層（現地單元） 分 程 層 現場設備驅動層 度 圖 2.2 水電廠分層 （1）電廠控制層這個水電廠控制系統的最高層“領導”,整個水電系統的機組運行、管理、發電等都是由這層來協調、控制，也把電廠信息，監控數據等與電網監控層進13 / 46行傳遞和聯絡。（2）機組控制層機組控制層通過現在單元的 I/O 裝置等自動化的裝備來對發電機組的啟停、工況的轉換等進行直接的控制，并且將運行信息數據進行采集處理。（3）功能控制層功能控制層不由監控系統承擔，而是由另外專門設置的裝置完成歷次調節、調速、繼電保護、水利機械保護、事故錄波等功能

37、任務5，它與監控系統之間的聯系僅僅依靠簡單的信息轉換來完成。（4）現場設備驅動層水電站廠房中現場的機械、電器設備（水泵、閥門、開關等）和現場的驅動設備（電機、電磁閥、電磁驅動機構等）都是由這一層來進行放大控制，而不是通過計算機監控系統直接驅動。14 / 46第第 3 3 章章 實時監測系統的硬件設計實時監測系統的硬件設計3.13.1 虛擬儀器與虛擬儀器與 LabVIEWLabVIEW 概述概述3.1.13.1.1 虛擬儀器技術虛擬儀器技術 虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）的概念是美國國家儀器公司于 20 世紀 80年代最早提出的，它是繼第一代儀器（模擬式儀表） 、第二代儀

38、器（分立元件式儀表） 、第三代儀器（數字式儀表） 、第四代儀器（智能儀器）之后的新一代儀器28，它引發了傳統儀器領域的一場重大變革，使網絡技術和計算機進入儀器領域，開創了“軟件就是儀器”的先河。 虛擬儀器是指，在以通用計算機為核心的硬件平臺上，用途由用戶自己定義、測試功能由測試軟件實現的、具有虛擬面板的一種計算機儀器系統。虛擬儀器可以集成為自動控制系統；可自由構建成專用儀器系統；可代替傳統的測量儀器，如邏輯分析儀、示波器、頻譜分析儀、信號發生器等，使得測量人員從繁雜的儀器堆中解放出來。任何形式的虛擬儀器系統，都是將儀器硬件搭載到臺式 PC、15 / 46工作站或筆記本電腦等各種計算機平臺上，再

39、加上應用軟件而構成的。虛擬儀器通過軟件將儀器硬件與計算機硬件資源有機地融合為一體，從而把儀器硬件的控制、測量能力和計算機強大的計算處理能力結合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積。3.1.1.13.1.1.1 虛擬儀器與傳統儀器的對比虛擬儀器與傳統儀器的對比 相比于傳統儀器，虛擬儀器具有四大優勢：性能高、擴展性強、開發時間少、完美的集成功能。虛擬儀器與傳統儀器的性能比較見表 3-1 所示。 表 3.1 虛擬儀器與傳統儀器性能對比表（下頁） 虛擬儀器 傳統儀器 功能由用戶定義 功能由廠家定義 與網絡與其他外圍設備連接方便 與其他設備連接受限 虛擬儀器 傳統儀器 信號電纜少，采用虛擬旋鈕，操作簡

40、單 信號電纜開關多，操作復雜 系統開放、靈活、可構成多種儀器 系統封閉，功能固定，擴展性低 系統開發時間短 系統開發時間長 數據可編輯、存儲、打印 數據無法改變 關鍵技術是軟件，升級維護方便 關鍵是硬件，由專業廠家升級 儀器間資源可重復利用，整體價格便宜 儀器間無法通用，整體價格較昂貴 開發與維護費用低 開發與維護費用高 軟件技術更新快（周期為 12 年） 技術更新慢（周期為 510 年）3.1.1.23.1.1.2 虛擬儀器的構成虛擬儀器的構成16 / 46 虛擬儀器由硬件和軟件兩部分組成。 （1）虛擬儀器的硬件結構硬件是虛擬儀器工作的基礎，主要完成被測信號的采集、傳輸、存儲處理和輸入/輸出

41、等工作，由計算機和 I/O 接口設備組成。其硬件結構如圖 4-1 所示。 計算機 一般為一臺 PC 或工作站，是硬件平臺的核心。 I/O 接口設備 I/O 接口設備即采集調理部件，包括 PC 總線的數據采集卡、VXI 總線儀器模塊、GPIB 總線儀器、LXI 總線儀器模塊、PXI 總線儀器模塊、現場總線儀器模塊和串口總線儀器模塊等標準總線儀器，主要完成被測輸入信號的采集、放大和模數轉換。 （2）虛擬儀器的軟件系統 虛擬儀器的關鍵技術是軟件，通過運行計算機上的軟件，一方面實現虛擬儀器的圖形化儀器界面，給用戶提供一個設置儀器參數、修改儀器操作、檢驗儀器通信和實現儀器功能的人機接口；另一方面使計算機

42、直接參與測量特征的分析與測試信號的產生，完成數據的輸入、輸出、存儲與綜合分析等功能。虛擬儀器軟件由 3 部分構成。 輸入/輸出（I/O）接口軟件 I/O 接口軟件存在于儀器與儀器驅動程序之間，它具有以下功能： a 對儀器部寄存單元進行直接存取數據操作； b 為儀器驅動程序提供信息傳遞； c 是實現開放統一的虛擬儀器系統的核心和基礎。 儀器驅動程序 儀器驅動程序的實質是為用戶提供用于儀器操作的較抽象的操作函數集，它是連接頂層應用軟件和底層 I/O 軟件的紐帶與橋梁，每個儀器模塊都有自己對應的儀器驅動程序，儀器生產廠家在提供儀器模塊的同時也會提供儀器驅動程序文件和 DLL 文件。17 / 46 應

43、用軟件 頂層應用軟件主要包括數據分析處理軟件和儀器面板控制軟件，可以完成利用計算機強大的圖形功能實現虛擬儀器面板，給用戶提供操作儀器、顯示數據的人機接口，以與數據采集、顯示、分析處理和存儲等的功能，應用軟件具有良好的開放性和可擴展性，目前應用軟件開發工具主要有兩種類型： 文本式編程語言：如 Visual C+，Visual Basic，LabWindows/CVI 等。 圖形化編程語言：如 LabVIEW，HPVEE 等。VC、VB 具有簡單易用、實用性強的優點，但開發人員需要有較多的編程經驗和較強的調試能力。NI 公司的 LabVIEW 和 HP 的 VEE 等具有圖形化的常用模塊，智能化的

44、數據連線，逼真的儀器面板元件，豐富多彩、簡便易用的函數庫和工具包，編程效率高，通用性強，是構建虛擬儀器的理想工具。圖 4-1 虛擬儀器的硬件結構18 / 463.1.1.33.1.1.3 虛擬儀器的特點虛擬儀器的特點 虛擬儀器是儀器測量技術和計算機技術相結合的產物，它充分利用了計算機強大的運算處理能力，突破了傳統儀器在數據傳輸、處理、顯示、存儲等方面的限制。虛擬儀器具有如下特點： 1 強大的信號處理能力 通過適當的硬件結構系統對信號進行采集、放大、隔離、濾波以與模/數轉換，虛擬儀器可以利用計算機的大量實用軟件工具對信號進行各種分析計算、處理和數字化、圖形化顯示，也可以將信號通過數/模轉換后控制

45、執行器件的執行動作。 2 具有標準的、功能強大的接口總線、板卡與相應軟件 GPIB 通用接口總線（或稱 IEEE488 國際標準接口總線）近 30 年廣泛應用于儀器領域，它只適用于消息級器件的互操作，不適于寄存器級器件。1987 年新推出的 VXI 總線（或稱 IEEE1155 國際標準接口總線）具有通用性和開放性，使任意廠家、各種類型儀器接口不會發生機械電氣方面的沖突，VXI 具有 40M Bytes/s 的數據傳輸率，能保證儀器間的同步和精確定時，被認為是虛擬儀器理想的硬件平臺。為虛擬儀器數據采集和控制提供強大支持的還有 VISA、PCI 等標準 I/O 卡與其相應的驅動程序庫。 3 具有

46、開發周期短、成本低、維護方便和易于應用等特點 應用虛擬儀器的這些特點可以快速、低成本地開發出具有相當大柔性且易于維護管理和升級的儀器。 4 具有可變性、多層性、自助性的面板 與傳統儀器一樣，虛擬儀器的面板也可以有旋鈕、開關按鈕、滑動條，有顯示器顯示波形，有 LED 指示燈，有聲音和報警指示燈，有指針式表頭指示刻度等。但虛擬儀器與傳統儀器又有不同之處，傳統儀器面板上的元器件是硬件，由出廠廠商確定，不可更改，而虛擬儀器的面板由計算機顯示器構成，面板上19 / 46的各種顯示控制元件是軟件圖庫中的各種功能圖形，由用戶根據自己的任務需要隨意設計，用戶可以增、刪、移動元器件，變化器件外觀，顏色等，而且可

47、以制作多層下拉面板，構建大大超出傳統儀器的生動美觀、界面友好的面板。 4 用戶可定義虛擬儀器的功能、性能、指標虛擬儀器系統給用戶一個充分發揮自己才能和想象力的空間，用戶可以根據自己的需求設計儀器系統，滿足各種應用需求。一方面其可根據用戶不同要求修改同一個儀器的功能、性能和指標；另一方面以軟件形式將多種儀器的功能、性能和指標集成在虛擬儀器庫，通過它們的不同組合以與與不同類型的硬件系統的搭配在一臺計算機上就可以實現各種儀器的功能，極擴展了儀器的功能，提高了儀器功能的靈活性。3.1.23.1.2 LabVIEWLabVIEW LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument

48、 Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器工程平臺）是美國 NI 公司（National Instrument Company）推出的一種基于 G 語言（Graphics Language，圖形化編程語言）的虛擬儀器軟件開發工具，它被公認為是標準的數據采集和儀器控制軟件，不僅提供了遵從 GPIB，RS-232，RS-485 和 VXI 協議的硬件與數據采集卡通信的全部功能，而且其庫函數還支持 TCP/IP，ActiveX 等軟件標準，功能強大且靈活，利用它可方便地組建自己的虛擬儀器。 LabVIEW 被稱為圖形化編程語言，不僅在于它的界面設計方式，更重要的是它在編寫程序代碼、

49、實現程序功能的時候，也使用了圖形化的操作方式。LabVIEW 的程序由數據流驅動，數據流控制程序執行次序，不像文本程序受順序執行約束，因此可通過相互連接功能方框圖快速開發應用程序，甚至多個數據通道可同步運行。LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具，即使是毫無計算機背景知識的學習者，也可以在短期掌握 LabVIEW 的編程方法。 在 LabVIEW 中開發的程序都被稱為 VI，一個 VI 由三部分構成：前面板（FrontPanel） 、程序框圖（Block Diagram）和圖標/連接器（Icon and Connector Pane） 。20 / 46 前面板是圖形用戶界面，用于設置輸入數值

50、，觀察輸出量和模擬真實儀表。在程序前面板上，輸入量稱為控制器（Control） ，輸出量稱為指示器（Indicator） ，控制器包括開關、旋鈕、按鈕等輸入設備；指示器包括圖形、圖表、LED 指示燈等顯示輸出對象，這些控制器和指示器使得前面板直觀易懂。 框圖是定義 VI 功能的程序源代碼，一個程序前面板對應一段程序框圖。框圖程序用 LabVIEW 圖形編程語言編寫，由圖框、端口、連線和節點構成。其中圖框可以實現結構化程序控制命令；端口可以完成前面板的控制、顯示以與傳遞數據；連線代表程序執行過程中的數據流，可以定義框圖中的數據流動方向；節點可以實現函數與功能調用。 圖標和連接器相當于文本編程語言

51、中的函數原型。圖標是 VI 的圖形化表示，包含文字、圖形或是圖文組合，當把一個 VI 作為子 VI 使用時，在程序框圖上會出現代表該子 VI 的圖標，通過雙擊圖標對子 VI 進行編輯。在創建子 VI 時還需要創建連接器，連接器表明了子 VI 中的全部輸入和顯示控件的接線端，如同文本編程語言中的參數列表，連接器從輸入端接收數據，通過前面板輸入控件傳送到框圖的程序代碼中，再從前面板顯示控件中接收計算結果傳到輸出端。 LabVIEW 通過圖形符號描述程序行為，代替了復雜難懂的語法規則，減輕了用戶負擔，提高了編程效率。LabVIEW 具有如下特點： 開發周期短，不需要硬件面板的制作，只需利用交互式圖形

52、前面板進行系統控制和結果顯示。 具有高效性，以功能強大的 LabVIEW 為軟件開發平臺，能輕松解決數據采集、數據處理分析、文件管理、數學運算等。 編程簡單，不需要記憶編程語言，只需利用交互式圖形前面板進行系統控制和結果顯示，再利用程序框圖將功能模塊組合起來指定各種功能，即可完成軟件編程。 具有開放性、可擴展性，升級維護方便。 具有自定義性，可在十分廣泛的測量控制應用中定義芯片級硬件功能。21 / 46 具有較高的性價比，可以一機多用。正是 LabVIEW 的這些優點使得它具有其他語言所無法比擬的優勢，使得它擁有越來越多的用戶，逐漸成為數據采集與儀器控制的首選程序設計語言，可以預見，LabVI

53、EW 最終將會引發傳統儀器產業一場新的革命。水力機組運行實時監測系統的硬件結構如圖 3-1 所示，主要包括傳感器、信號調理裝置和數據采集卡三部分。其中，傳感器的功能是將被測量的水力參數轉化為相應的電信號，信號調理裝置將輸出的電信號進行放大、隔離、濾波等預處理，而數據采集卡將模擬信號轉化為數字信號，送入計算機處理系統，實現數據的分析、處理、顯示、存儲等操作。3.23.2、LabLab VIEWVIEW 各種通信方式介紹與實現各種通信方式介紹與實現 數據通訊是隨著計算機技術發展特別是計算機間通信需求而新興的一種技術。簡單地說,數據通信就是數字計算機或其他數字終端裝置之間的通信。共享變量是 LabV

54、IEW 為簡化網絡編程邁出的巨大一步通過共享變量用戶可以在不同計算機上的 Vl 之間、本地不同 Vl 之間或同一個程序框圖的不同循環之間交換數據。共享變量的使用與全局變量類似,用戶在框圖上僅僅看到的是一個變量而己,而變量具體與網絡中哪臺計算機中的哪個變量連接,以與各種其他屬性等都己經事先在共享變量的屬性中設定。針對不同的應用和不同的層次,LabVIEW 提供了多種網絡通信供用戶靈活選擇，LabviEW 中的網絡通訊技術,包括共享變量 TCP 協議、IP 協議、UDP 協議、ICMP 協議遠程面板調用等。Nl 公司還開發的一種 Datasoeket 技術,大大簡化了網絡通信編程,可以使用它很容易

55、的在互聯網上實現高速實時數據交換。TCP/IP 協議是網絡連接最基本的協議,是一種面向連接的協議,允許從一臺計算機發出的字節流無差錯的發往互聯網上的其他計算機共分為四層:鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。但 TCP 編程較復雜,需要精深的網絡通訊知識。TCP 是全雙工通訊方式,如果在主機 A 和主機 B 之間有連接,A 可以向 B 傳輸數據,而 B 也可以向 A 傳輸數據 TCP 也是點對點的傳輸協議,但不支持多目標廣播。22 / 46UDP,用戶數據報協議,是一不無連接模式協議。UDP 獲得數據單元與 TCP 不同,UDP 不提供數據的分組和組裝,也不提供對數據的排序,這就意味著 UDP 提供

56、的不是面向連接的!可靠的數據傳輸,而是面向操作的；不可靠的數據流傳輸,應用程序必須自己確定信息是否完全正確地到達目的地。此外,UDP 還支持廣播和多點播送廣播就好比廣播電臺播送新聞,所有人都可以接收到這個廣播,而具體收不收聽由個人自己決定而多點播送則是只向其中一個子集進行廣播3.33.3、系統通信方式的比較與選擇、系統通信方式的比較與選擇本文對 Labview 的各種通訊方式進行了比較的,其通訊方式各有其特點,對具體使用情況應根據具體的使用環境選擇合適的通信方式。通過上述五種通信方式的比較,通過數據傳輸的完整性和編程的工作量來看,Datasocket 通信方式是比較適合水輪發電機組的遠程監測,

57、傳輸的實時性較好但是對于某些普通用戶無需對數據進行操作,只需要對機組的運行狀態進行監測,比較而言通過遠程 Vl 面板連接通信方式是比較理想,即可滿足用戶對機組的監測也無需對操作進行屏蔽。因此,本文采用了 Datasocket 與遠程 vi 面板連接方式兩種通信方式結合組建了上位機遠程狀態監測系統的遠程通信模式。用戶可以根據需要實時的對現場狀態進行監測,在現場進行數據采集處理,通過廠光纖連接到數據服務器上,再通過互聯網發送到遠程用戶,遠程不同類型的用戶根據不同需要對數據進行分析處理等操作。23 / 463.43.4、上、下位機間的數據傳遞、上、下位機間的數據傳遞(1) 下位機開機后默認的狀態是上

58、傳數據（機頻、網頻、導葉開度、PID 調節器的輸出、狀態）無條件傳送。(2) 若上位機需要其它數據，則須由上位機發呼叫命令，待下位機應答后，再發送上傳數據命令，下位機接到該命令后執行相應的操作。(3) 若要從上位機下傳數據，需要先發呼叫命令，待下位機應答后再發送相應的數據幀。3.53.5 數據的采集數據的采集 數據采集是測試系統最主要的基礎環節，是虛擬儀器的重要組成部分。數據采集（DataAcquisition，DAQ）是指將被測對象的各種參量（化學量、物理量、生物量等）通過各種各樣的傳感器件進行適當轉換后，再經過信號調理、采樣、量化、編碼、傳輸等過程送到控制器進行數據處理或記錄的過程。控制器

59、通常由計算機來承擔，計算機是整個數據采集系統的核心，它控制整個系統，并對采集的數據進行加工處理。 數據采集系統一般由傳感器、信號調理、數據采集卡（通常集成模擬多路開關、采樣/保持器、程控放大器、A/D 轉換器、D/A 轉換器與定時器） 、計算機與一些外設等組成。其中，傳感器將被測量轉換為電信號，因其產生的電信號一般不能直接輸入到 PC，所以必須經過調理才能被數據采集設備可靠、精確地采集。信號調理將傳感器輸出的電信號進行放大、濾波、隔離等，便于數據采集卡進行數據采集。數據采集卡將電信號轉化為計算機系統可識別分析的數字信號。3.63.6 系統程序前面板系統程序前面板 本系統對某水電站其中的 13

60、號機組進行監測，其程序前面板如圖 3-3 所示。24 / 46 圖 3-3 水力參數數據采集系統前面板 程序前面板分為輸入區域、顯示區域和操作區域等幾部分。 輸入區域 輸入區域采用一個選項卡控件，共包含 3 個選項卡，一個選項卡上對應一臺機組技術參數的輸入，包括蝸殼流量系數、進出口斷面壓力變送器的安裝高程、蝸殼進口斷面面積、尾水管出口斷面面積以與發電機效率等。 顯示區域 顯示區域包含數值顯示區域和曲線顯示區域，數值顯示區域以數字形式實時顯示系統采集的數據，包括水輪機組的流量、工作水頭和發電機的有功功率，波形顯示區域以曲線形式直觀反映水輪機 Q、H、Pg 的變化趨勢；通過計算得到的水輪機效率和水