引言
我国的中小水电资源十分丰富，并且通过对水电资源进行积极的开发有利于当地经济的发展。通过对当前中小型水电站所处的地理位置进行观察，发现大部分都处于偏僻以及条件艰苦的地方。为此中小型水电站应该应用计算机监控系统，让其发挥独特的优势，减少值班人员，对运行人员所处的条件进行改善，以及降低水电站的运营成本。中小型的水电站通常只能对当地地区的需求进行满足，没有较大的单机容量，当出现故障时一般对系统不会产生很大的影响。因此在设计时应该将安全经济放在首位，不需要模仿大中型的水电站模式，只需要根据自己的实际需求进行设计。
一、中小型水电站实施计算机监控系统的意义
（一）加强对主要设备的安全监视，提高水电站运行可靠性
由于水电站机组经常启动关闭、出力以及工况的变化也十分迅速，同时梯级水电站的机组分布的十分广泛，数量也比较多，运行起来也比较复杂，为此水电站应该具备较高的自动化水平有利于确保水电站的顺利运行。中小型水电站应用计算机监控系统，对全梯级或者全站进行监控，有利于查看机组是否正在正常运行以及其他辅助设备的运行情况。当出现故障时，计算机监控系统就会发出警报，提醒相关工作人员对其进行处理。同时计算机监控系统还可以对一些事故给出指导，有利于工作人员及时对故障进行检查排除，避免误操作。除此之外，在面对影响机组安全运行的事故时，应用计算机监控系统能够将机组自动停机，避免事故扩大，危害到设备的安全。为此，中小型水电站应用计算机监控系统促使水电站安全运行的可靠性得到了一定程度的提高。
（二）有利于提高中小型水电站的经济运行水平以及经济效益
中小型水电站应用计算机监控系统能够促使水电站的经济运行水平得到提高。水电站经济运行主要包括机组的优化组合以及负荷分配，水库的优化调度、AGC控制以及监控系统的经济运行，应用计算机监控系统能够根据水情测报系统所提供的信息将上述所提到的进行优化，促使水能利用率得到大大提高，进而增强水电点的经济效益[1]。当梯级水电站应用计算机监控系统之后，至少可以提高2%的经济效益，根据对一些水电厂进行调查发现法国罗纳河梯级水电厂在应用计算机监控系统后，其经济效益提高了4%；杜朗斯河一维文登河电厂群在应用计算机监控系统之后提高了16%的经济效益，可以发现对于水电站来说，应用计算机监控系统能够有效提高水电站的经济效益。
（三）促使操作简易以及具有较强可靠性
水电站计算机监控系统是整个水电站用来收集信号以及下发信号的系统，能够将电机系统、自动化系统、调速器系统以及主机等水电站各个单元的信息进行收集处理。同时可以通过中控室的计算机单元，将水电站相关系统中的模拟量信号、开关量等转化成直观简单的画面，并进行统一展示，有利于提高水电站信息的简洁化以及准确化。水电站操作人员原本需要对水电站运行情况进行经常巡视，但是应用计算机监控系统之后，水电站的操作人员只需要通过观察中控室的计算机画面就可以对整个水电站的运行情况进行了解，并且还可以通过十分直观的画面符号，给水电站的各个系统下发相关指令，确保自动监视以及控制水电站。
（四）人力资源的节省
水电站的计算机监控系统是一种自动监视控制系统，能够对水电站各个系统的相关系统进行集成以及处理。以往为了确保水电站能够正常运行，通常安排工作人员对整个水电站进行巡视，但是当应用计算机监控系统之后，能够大大节省人力资源，水电站的工作人员可以通过计算机监控系统的上位机画面对整个水电站进行监控，促使工作人员现场巡视的次数以及时间得到了大大的减少。同时由于计算机监控系统都具有报表制作打印功能，大大减少了现场工作人员制作报表的工作量，有利于工作人员去处理其他问题。除此之外，计算机监控系统还具有历史储存功能。为此水电站应用计算机监控系统可以按照时间的顺序将现场的运行数据以及运行趋势图进行压缩和储存，有利于现场工作人员对历史警告以及历史事件的相关信息进行查询。
（五）高度自动化处理，减少人为失误
通过长时间的观察水电站运行情况，发现当其发生故障以及事故时总是突然性的，相关工作人员很难短时间内对故障以及事故的性质进行准确的分析。在没有应用计算机监控系统时，当出现故障或事故时往往是凭借工作人员的经验对其进行处理的。但是当水电站应用计算机监控系统之后，该系统对整个水电站的各个系统设备进行监视以及控制，能够及时发现事故，同时计算机监控系统对运行设备的参数进行了记录以及存储，当出现故障时，计算机监控系统会对事故进行分析，并实施相关的事故处理程序，及时对事故进行处理，同时计算机监控系统还会将发生事故的性质、地点以及事件进行记录，便于后续进行查找。
二、中小型水电站监控系统的基本要求
（一）实时性强，相应速度快
中小型水电站中的计算机监控系统其实就是一个在线的实时监控以及控制系统。相关工作人员通过各种人机接口设备，对水电站设备的状态以及工作状况进行实时监视与控制。水电站的计算机监控系统应该做到当工作人员发出某个指令之后，系统能够进行快速的回应，同时当水电站中的设备出现问题时，计算机监控系统能够对事故的性质和先后发生顺序进行快速的显示和记录，应该达到毫秒级的分辨率。除此之外，计算机监控系统还需要完成经济运行和自动控制的工作，对水电站运行过程中的大量数据进行收集、计算与处理，因此中小型水电站中的计算机监控系统应该具有十分快速的相应速度。
（二）可靠性、可利用性高
中小型水电站是否能够正常运行在一定程度上取决于计算机监控系统的可靠性，因此必须通过一系列的措施加强计算机监控系统的可靠性，确保当系统中的摸一个单元或者局部系统出现故障时并不会对整个系统的运行情况产生较大的影响。同时应该确保计算机监控系统的各个部分可以单独进行检查、维修以及更换，提高系统的可利用性。通常对水电站计算机监控系统的可利用率要求为99.9%以上，只有计算机监控系统具有一定的可靠性以及可利用性，水电站才能得到更好的运行。
（三）可适应性强
计算机监控系统应该具有很强的适应性，也可以说是具有很强的灵活性和可扩充性。因为通常在设计系统时很少有刚开始就设计的十分完善的系统，都会随着系统规模大小的变化、一些主客观因素以及功能需求的变化进行不断的完善。为了能够适应这种不断变化的要求，系统通常采取模块化的结构，每一种模块都有其一定的功能，并且将不同的模块进行组合，还可以实现复杂的多种功能。
（四）可维修性好
水电中的计算机监控系统应该具有良好的维修性，也就是当系统中的某个部件出现故障的时候，能够对故障点进行及时的发现以及维修，并且在维修的时候还应该做到不停机维修，不能影响到水电站的正常运行。因此计算机监控系统应该尽量采用少量的种类，并且具有自己对自身的问题进行诊断和报警的功能。
（五）经济性好
当前我国计算机技术得到了快速的发展，计算机的硬件以及软件所需要花费的成本正在不断的降低，为此计算机监控系统在确保安全的基础上应该具有良好的性价比，这样便于计算机监控系统在中小型水电站中得到广泛的应用。
三、中小型水电站应用计算机监控系统时存在的问题
通过对已经应用计算机监控系统的中小型水电站的使用情况进行调查以及分析，可以发现存在一些共性问题。
（一）选型中未充分考虑电站容量与单机容量
通过对中小型水电站进行考察，发现大部分的装机容量处于1000kw-9600kw区间，单机容量位于500kw-3200kw区间，但是计算机监控系统的结构大都是分层次分布结构，同时机组单元基本上都应用的IPC十PLC+自动化装置的模式，没有充分对水电站的装机容量以及单机容量进行考虑[2]。导致出现这种情况的原因主要是因为部分水电站在选择计算机监控系统的时间比较早，当时产品并不像现在这样十分丰富，以及水电站的职工对该系统并不是十分了解，没有较高的综合素质，只是单纯的要求系统具有较高的可靠性，没有充分对水电站和机组的实际需求以及计算机监控系统的功能进行全面考虑与了解，导致出现浪费资金以及浪费设备资源的情况。
（二）自动化装置和元件的选择与系统不匹配
通过对大量阿中小型水电站进行调查发现，部分水电站在选择调速器、励磁装置以及同期装置时并没有与计算机监控系统的通讯接口之间存在的矛盾进行有效的协调，导致自动化设备不能与计算机监控系统进行正常的接入。同时还有部分水电站在进行自动化改造或应用计算机监控系统时，没有认真分析原本存在设备的具体情况，没有按照监控系统的自动化需求为设备配置相应的传感器，也及时的为传统手动操作设备配置电动、气压以及气动等自动化的操作结构，导致计算机监控系统没有办法收到水电站底层设备发送的信号，以及底层设备也没有办法根据系统下发的指令进行自动化操作。除此之外，部分水电站在选择计算机监控系统设备时，选择了很多家的自动化设备，但是由于这些设备来源地不同，其之间的参数很难进行进行匹配，以及设备之间的数据格式或通讯协议存在一定的差异，不利于设备之间进行通讯以及对设备进行调试，有多家水电站因为这种情况，即使安装了设备很长时间但也没有办法让设备进行联网。同时当这些设备出现故障之后，还需要找不同的厂家对设备进行维修，不利于进行责任认定，甚至会出现一个小小的问题需要数月甚至数年进行维修的情况，对水电站的正常运行产生了极大的消极影响。
（三）水电站运行人员的技术力量严重不足
中小型水电站在运行以及维修计算机监控系统时，通常需要专业的以及有较高计算机水平的技术人员对其进行运行以及维修。但是通过对已经应用了计算机监控系统的中小型水电站进行观察，发现大部分的水电站工作人员并不具备高水平的计算机能力以及文化素质比较低，没有做到充分了解计算机监控系统。同时水电站也没有安排相关工作人员进行培训，导致相关工作人员并不能熟练掌握计算机监控系统的操作方法以及基本原理，出现错误操作的情况，对水电站的正常运行产生了极大的消极影响。
四、中小型水电站计算机监控系统的基本结构模式
中小型水电站计算机监控系统具有多种结构模式，通常可以根据计算机在水电站监控系统中的作用以及所采取的控制方式进行划分。根据计算机在水电站中的所起的作用不同可以分为以常规自动化装置为基础的计算机辅助监控系统、以计算机为基础的监控系统以及以计算机与常规装置双重化的监控系统。根据控制方式的不同可以分为集中控制方式的监控系统、分散控制的监控系统、分层分布式的监控系统以及全分布全开放式的监控系统。
（一）以常规自动化装置为基础的计算机辅助监控系统
以常规自动化装置为基础的计算机辅助监控系统又可以称为CASC系统。该系统主要是通过自动化系统对水电站的情况进行监控，通过计算机系统采集数据、记录发生的事件、分析变化的趋势、打印制表、离线进行计算以及对操作进行指导等，计算机系统并不直接对设备进行控制。水电站应用SASC系统即使计算机系统出现故障，水电站仍然能够正常的运行，只是有部分功能暂时不能使用。但是CASC系统具有一定的缺点，比如该项系统不具备较高的功能，不利于提高水电站的自动化水平。
（二）以计算机为基础的监控系统
以计算机为基础的监控系统又称为CBSC系统，该系统主要是通过计算机系统对水电站的情况进行监控，大大减少常规控制系统的应用，只保留一部分现场操作控制设备用来应对一些特殊情况。CBSC系统对计算机监控系统的要求十分高，但随着当前计算机技术、控制技术以及通信技术的快速发展，在水电站计算机监控系统中应用冗余技术以及配置双CPU的装置已经能够达到其可靠性的要求。当前国外有几家水电站已经应用了该种系统。
（三）计算机与常规装置双重化监控系统
计算机与常规装置双重化监控系统又称为CCSC系统，这是从CASC向CBSC过渡期间产生的一种系统，采取该种系统的水电站应该具备两套独立的监控系统。人们对计算机的可靠性以及计算机监控系统在水电站中发挥的作用都有一个认识的过程，以及原本所使用的常规监控设备还具有一定的应用价值，因此在刚开始采取计算机监控系统时，很多水电站都应用的CCSC系统。但是通过对应用CCSC系统的水电站运行情况进行观察，发现其虽然当出现故障时有常规的监控设备进行备用，大大提高了水电站的可靠性，但是有一些水电站在刚开始设计的时候并没有为计算机留信号引入端口，因此在应用计算机监控系统时需要加中间继电器，导致配置变得十分复杂，增加了出现故障的几率，容易导致监控系统不能正常运行。同时由于水电站的操作人员相比较来说对常规的监控设备比较熟悉，当计算机监控系统出现问题时，容易导致计算机监控系统停止使用。
（四）集中控制方式
集中控制方式是指通过一台或者两台计算机就可以控制住所有的被控制对象以及完成系统的全部功能。通常一个水电站会配备多台水轮发电机组，计算机监控系统在水电站开展工作时需要对多个机组的数据进行集中采集，对多个物理过程量进行监视、报警、记录发生的事件以及打印制表将其在屏幕上进行展示，同时计算机还需要对多个机组进行监控，给计算机带来了十分重的负担。集中控制方式最大的特点以及其中存在的缺点就是当计算机出现故障时，会影响到整个水电站的运行情况。该项控制方式主要常见于计算机控制技术刚开始发展的时期，因为当时计算机的成本比较高，为了减少花费的成本，采取了集中控制方式。
（五）分散控制方式
分散控制方式就是根据功能将系统进行分布，通过控制调节装置、上位计算机、数据采集装置以及记录事件顺序装置等多种功能性装置组成计算机监控系统，该种控制方式是将集中式监控系统作为基础，进行了一些横向的发散，与集中控制相比具有一定的优势，比如当某一台计算机出现故障时，其他的计算机仍然可以正常的工作，具有较高的可靠性。
（六）分层分布控制
分层分布控制系统是为了解决分散式控制系统所存在的问题开发出来的，其将原本按照功能分布的控制系统进行了改变，使其开始按照设备进行分布，同时其进行控制的特点就是将被控制的对象进行分散，分为基础层以及电站层两种层次。基础层是由控制对象分散的多套现地控制单元进行组成，主要是对水电站的生产信息进行收集以及控制调节生产过程。电站层是由厂级的计算机、前置处理机以及操作员的工作站进行组成的，主要是为了对水电站中出现的事故进行处理、对水电站的安全问题进行监视以及对水电站的系统进行管理[3]。我国大部分的中小型水电站计算机监控系统都在采取分层分布系统，通过网络将基础层以及电站层进行连接，具有较高的可靠性以及性价比。
（七）全分布开放控制方式
全分布控制技术是指在控制技术上的每一个节点都可以安装与本节点相关的数据库以及执行程序。全分布开放式控制方式具有模块性、自治性以及并行性的特点，控制功能的分布、数据库以及图形工作站在读写厂级控制数据库或者LCU数据库时，不会对任何一台设备有所依赖，能够实现对全系统进行监视以及控制。即使全分布控制系统网络中任一部分出现故障，不能进行工作，都不会对系统的其他运行产生影响，该系统具有较高的可靠性。
五、中小型水电站计算机监控系统关键技术
（一）系统可靠性设计
由于水电站在系统中占据十分重要地位，因此对计算机监控系统的可靠性拥有较高的要求。中小型水电站计算机监控系统广泛运用了可靠性理论以及设计方法，对系统的各个部分进行了可靠性分配，对于一些关键的设备以及没有较高可靠性的元件采用了冗余设计以及降额设计等关键技术。
1.冗余技术
在采用冗余技术的时候，应该充分考虑设备的性能以及成本，对于一些十分重要但是没有较高效率的关键部位优先使用冗余设计。同时应该对各部件的可靠性进行充分考虑，避免出现增加了冗余设计但系统可靠性下降的情况。通常可以采取结构冗余、功能冗余、参数冗余以及信息冗余等方法。结构冗余设计中包括网络结构冗余、主控级设备冗余、与调度设备通信冗余、LCU的冗余以及电源冗余等[4]。功能冗余设计主要包括机组紧急关闭功能的冗余技术、机组流道闸门关闭的冗余技术、冗余调节功能、辅助设备的冗余控制以及关键信息采集功能冗余等。信息冗余技术是为了避免基本数据信息出现错误而采取的一种技术，主要包括集水井水位信息、机组事故停机信息、机组轴瓦温度信息、导叶开度信息、机组电气量信息以及其他信息冗余等。
2.降额设计技术
降额设计是工程设计中经常用来提高可靠性的一种设计。通过大量的实践经验表明，大多数的电子元器件在低于额定承载能力条件下工作时，发生故障的几率相对来说比较低，有较高的可靠性。集成电路芯片的电路单元很小，在导体断面上的电流密度很大，因此在有源结点上可能有很高的温度。高结温是对集成电路破坏性最大因素，集成电路降额的主要目的在于降低高温集中部分的温度，延长器件的工作寿命。集成电路降额的主要参数是电压、电流或功率以及结湿。因此为了确保计算机监控系统有较高的可靠性，在对设备进行选型的时候采取了相关降额设计。首先是对主控级计算机的降额设计，要求计算机CPU的平均负载率不能超过30%以及最大负载率不能超过50%，内存的使用率不能超过80%，以上数据统计周期不能超过1s，磁盘的平均使用率不超过50％(5min为一个统计周期)。其次要求控制网网络负载率不能大于50％。再次是对PLC的降额设计，要求PLC以两个CPU以主，每个CPU的负载率不能超过50％(负荷率统计周期为1s)。同时对高频开关电源也进行了降额设计，要求所有电气盘柜内的交流开关电源、直流开关电源的额定容量选取最大可能负载的1．5倍。最后，对UPS电源进行了降额设计，要求所有UPS的平均负载不能超过50％[5]。
（二）应急补水技术
部分处于下游的水电站，当其出现大范围负荷变动时，会导致下游的水位出现较大的波动幅度，可能会对周围的船只以及通航建筑物产生一定的损害，为此计算机监控系统开发了应急补水功能以确保航运的安全。当出现下泄流量急剧减少的情况时，监控系统就会迅速开启闸门向下游进行补水，及时对发电流量的减少进行补偿，对下游水位的下降幅度进行有效的控制，促使水位的下降速度得到有效的延缓。中小型水电站计算机监控系统让应急补水技术发挥出作用的关键是要对下游水位的变化趋势能够进行提前判断，因此在实际应用的过程中应该引入了计算水位的概念，也就是通过对水电站的总出力进行实时追踪，并根据出力、耗水率以及流量之间的换算关系对水电站的总发电量进行计算，在加上闸门当前的下泄流量对水电站的总出库流量进行计算，根据下游流量以及水位换算出下游水位。根据计算水位的变化能够帮助对下游水位的变化趋势以及可能出现的变化幅度进行准确的变化，从而能够及时判断是否需要进行补水。然后根据当前的闸门状态以及闸门分配原则等边界条件形成闸门开启策略，包括参与补水的闸门、各扇闸门的设定开度等，在自动形成闸门开启策略时，需要对下游消力池的流态进行充分考虑，以便对泄水建筑物安全起到一定的保障作用，尽量减轻下游振动等限制因素。中小型水电站的计算机监控系统能够将闸门补水的建议方案和画面进行自动推送，在画面上显示当前运行方式、上下游水位、总流量、补水流量及拟开启的闸门组合及开度等相关信息和操作方案，等待相关工作人员进行确认[6]。相关工作人员可以在联控画面上对计算出的闸门开启策略进行查看以及分析是否可以进行使用，必要时可以根据实际情况对预案进行修改，调整参与补水的闸门组合、修改开度等，等到经过反复确认没有错误后，可以下发执行指令，同时也可以根据实际情况取消补水的指令。应急补水功能经过联动模拟试验后已经投入了运行，并且随着应急补水的应用，下流水流的安全已经得到了一定的保障。
结语
中小型水电站计算机监控系统是指利用数字电子计算机对水电站生产电能过程的一种控制，并且随着近几年计算机技术的快速发展，越来越多的水电厂开始应用计算机监控系统。计算机监控系统的基本模式主要包括以常规自动化装置为基础的计算机辅助监控系统、以计算机为基础的监控系统以及以计算机与常规装置双重化的监控系统、集中控制方式的监控系统、分散控制的监控系统、分层分布式的监控系统以及全分布全开放式的监控系统等。中小型水电产通过应用计算机监控系统能够加强对主要设备的安全监视，提高水电站运行可靠性、有利于提高中小型水电站的经济运行水平以及经济效益、促使操作简易以及具有较强可靠性、节省人力资源以及高度自动化处理，减少人为失误等。同时中小型计算机监控模式中包含冗余技术、降额技术以及应急补水等关键技术，能够确保中小型水电站的顺利运行。
参考文献
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[2]李正凡,谭良良,杨渊,陈映喜,周喜,杨伟.基于时间序列的国产化水电站计算机监控系统异常行为报警方法应用[J/OL].中国农村水利水电:1-5[2022-11-21].
[3]唐杰阳,唐凡,杨东,丁仁山,石东明,章逸舟,孙国强.水电站计算机监控系统综合智能告警研究[J].中国水利水电科学研究院学报(中英文),2022,20(04):377-385.
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[6]贺意飞.大源渡水电站计算机监控系统改造设计与技术分析[J].水电站机电技术,2020,43(01):13-16.
作者简介；李志，1989年7月生，男，昆明人，汉族，硕士，工程师，研究方向：水利水电动力工程。
