计算机监控系统基本结构

目前，厂站端应用的计算机监控系统基本结构可分为集中式和分层分布式两种结构，其中分层分布式计算机监控系统已成为光伏电站计算机监控系统发展的主流。

一、集中式计算机监控系统的结构及特点

（一）基本概念

以电站为对象、面向功能设计的计算机监控系统称之为集中式计算机监控系统，即各系统功能都以电站为一个对象，相对集中设计，而不是以电站内部的某原件或间隔为对象独立配置的方式。

（二）基本结构及组成

集中式计算机监控系统结构的微机保护、计算机监控和远动通信的功能由不同的计算机来完成。例如，数据采集、数据处理、运动、开关操作和人机联系功能可分别由不同计算机完成，其结构如图2-1所示。

（1）模拟量输入单元。

根据模拟量采样方式不同，分为直流采样和交流采样两种模式。直流采样是将来自电流互感器二次侧5A/1A或电压互感器二次侧V的输入信号，经过变送器变换为0～5V或4～20mA的直流电压或直流电流，再通过A/D转换、采样、标度变换等环节，输人给计算机系统进行处理;交流采样则是把电流互感器、电压互感器输入信号，直接接入监控系统中的交流模拟量输入模件进行采样，通过A/D转换将其转换为数字量，并通过计算获得相应的电气量。无论采用哪种模式，均须在模拟量输入模件中进行A/D转换，把模拟量转换为计算机可以处理的数字量，并需满足一定的精度要求。

（2）数字量输入单元。

数学量输入单元也叫开关量输入（开关），它是把来自一、二次设备的各种无源触点信号，经过光电耦合器隔离之后变成二进制信号。

（3）数字量输出单元。

数字量输出单元也叫开关量输出（开出）;它是把来自监控后台或远方调度下发的命令"翻译"成一种开关量输出，再通过继电器触点的输出控制一次设备的断开或闭合，以及主变压器分接头挡位的上升与下降等。

（4）总控单元。

总控单元作为中央通信控制器，是整个系统的核心，主要负责与各数据采集单元及当地监控后台的信息交互，接收并处理数据采集单元送来的信息，并转发至当地监控后台和远方调度，同时将当地监控后台和远方调度下发的命令下达给各数据采集单元。此外，它还用于完成与微机保护、自动装置等智能电子设备的通信。

（5）人机联系。

人机联系即监控后台，完成当地显示、告警、控制和制表打印等功能，彻底取代了传统的仪器、表盘等。运行人员只需面对显示器，通过键盘或鼠标，即可观察和了解全站的运行状况，并可对全站的断路器等设备进行分、合闸操作。

（三）主要优缺点

（1）主要优点∶功能单元间相对独立，互不影响;具有较为完善的人机接口功能，综合功能强;结构紧凑，体积小，可大大减少占地面积;造价低，尤其对kV或规模较小的电站更为合适。

（2）主要缺点∶运行可靠性较差。全站的信息先由总控单元汇总处理，再分发给监控后台和远方调度，一旦总控单元出现故障，将造成监控后台和远方调度无法实时监控电站信息。

二、分层分布式计算机监控系统的结构及特点

（一）基本概念

分层分布式计算机监控系统是以电站内的电气间隔和元件（变压器、电抗器、电容器等）为对象开发、生产、应用的计算机监控系统。

分层分布式计算机监控系统按结构可分为三层;站控层、间隔层和过程层，每层由不同的设备或子系统组成，完成相应的功能。通常，电站计算机监控系统由站控层和间隔层两个基本部分组成。

（二）基本结构

电站计算机监控系统由站控层与间隔层两个基本部分构成，并用分层分布、开放式网络实现系统连接。站控层为全站设备监视。测量。控制和管理的中心，站控层与间隔层可通过光缆或双绞线与间隔层直接连接，也可通过前置设备连接。间隔层按照不同的电压等级和电气间隔单元，以相对独立的方式分散在各个保护小室中，能独立完成间隔层设备的就地监控功能，其基本架构如图2-2所示。

其中，站控层包括主机、操作员站。远动工作站。工程师站。公用接口装置及站控层网络设备等，形成全站临控、管理中心。能提供站内运行人机界面，实现间隔层设备的管理控制等功能，并可通过远动工作站和数据网与各级调控中心进行通信。

间隔层由工控网络/计算机网络连接的保护测控装置、通信接口单元及间隔层网络设备等若干个监控子系统组成。各个监控子系统具有独立运行能力，即具有一定的数据处理、逻辑判断、安全检测等功能，其设置数量依电站规模而定，日在站控层或网络失效时，仍能够独立完成对间隔设备的就地监控。

目前，站内分层分布式计算机监控系统设备布置主要有三种类型;集中组屏结构、分散与集中相结合结构和全分散结构。

（三）主要硬件设备及其功能

1.站控层设备

主要包括监控后台主机、操作员站、工程师站、远动工作站、公用接口装置、时钟同步系统等，其通常放置在主控室或主控楼计算机室。

（1）监控后台主机。

监控后台主机具有主处理器及服务器的功能，为站控层数据收集、处理、存储及发送的中心，同时也可兼做操作员站。

（2）操作员站。

操作员站是站内计算机监控系统的主要人机交互平台，用于图形及报表显示、事件记录、报警状态显示和查询、设备状态和参数的查询、操作控制命令的解释和下达等。通过操作员站，运行人员能实现对全站电气设备的运行监测和操作控制。

（3）工程师站。

工程师站主要供计算机监控系统维护管理员进行系统维护使用，可完成数据库的定义和修改，系统参数的定义和修改，报表的制作和修改，以及网络维护、系统诊断等工作。

（4）远动工作站。

远动工作站具有远动数据处理及通信功能;通过调度数据网或模拟四线将远动信息传送至远方调控中心;远动信息采集遵循直采直送原则，即远动工作站直接采集间隔层信息，经远动工作站处理后按照调控中心要求的远动通信规约上送各级调控中心，完成与调度端的数据交换。远动工作站具备向多个调控中心转发数据的能力，一般至少具备3个及以上调控中心。

（5）公用接口装置。

用于将站内智能设备的通信协议转换成标准通信协议。

（6）时钟同步系统。

全站设置统一的时钟同步系统，确保站内所有设备的时间统一。一般要求kV及以上电站时钟同步系统按照双主时钟配置，保护小室配置扩展时钟，kV及以下电站按照单时钟配置，但其时钟源均要求可接受北斗卫星和GPS卫星同步。

2.间隔层设备

主要包括保护测控装置、间隔层网络与站控层网络的接口和通信管理机等。间隔层设备直接采集和处理现场的原始数据，通过网络传送给站控层计算机，同时接收站控层发出的控制操作命令，经过有效性判断、闭锁检测和同步检测后，实现对一次设备的操作控制。间隔层也可独立完成对断路器和隔离开关的控制操作。间隔层设备通常安装在各保护小室，保护测控装置按电气设备间隔配置，各保护测控装置相对独立，通过通信网互联。

3.网络设备

包括站控层网络设备和间隔层网络设备，通常由网络交换机、光/电转换器、接口设备和传输介质等组成。

（1）站控层网络设备。

站控层网络设备主要由网络交换机、监控主机等设备组成，负责站控层设备间，以及站控层与间隔层网络设备间的通信。

（2）间隔层网络设备。

间隔层网络设备通常由网络交换机等组成，实现间隔层设备与站控层网络设备及间隔层设备之间的通信。

（3）网络传输介质。

网络传输介质可采用屏蔽双绞线、同轴电缆、光缆或以上几种方式的组合。

根据站控层和间隔层设备之间不同的通信方式，也对应不同的网络拓扑结构目前。光伏电站计算机监控系统主要采用串行数据总线和工业以太网等。

4.信息流程

反映电网运行状态的各个电气量、非电气量通过不同的变换器或传感器转换成一定幅值范围内的模拟电信号;模拟量通过保护测控装置的A/D转换电路转换为数字信号，状态量通过开入量采集电路转换为数字信号，保护测控装置将获取的数字量进行编码并以一定的通信协议传送到站控层的通信网络;通过站内通信网络实现间隔层设备与站控层设备信息共享，通过远动工作站和专用远动传输通道向远方调控中心传输信息。信号下传则按相反的流程化传输，控制命令的执行通过保护测控装置的开出单元输出，作用到对应设备的控制回路。

（四）主要特点

（1）结构分层分布。

按分层分布式设计，即系统框架由间隔层的各种保护测控装置和站控层计算机设备构成。

（2）面向对象设计。

以站内各电气间隔（如变压器、线路、电容器）为对象开发、设计、生产和应用的计算机监控系统，将站内每个断路器间隔对应的数据采集。保护和控制等功能集中由个或几，个智能保护测控装置完成。

（3）功能独立。

面向间隔层的各种线路、元件设备，无论是测控、保护独立单元还是保护测控合一装置，它们都是一个智能电子装置（IED），即每个IED都拥有自己的CPU、输入输出设备、电源、通信口、外接端子以及机箱、面板等，并完全可以加电独立运行，完成对某个电气间隔的测量、控制或保护等功能，每个IED与电气间隔形成一一对应关系。

（4）可靠性高。

为了提高监控系统的可靠性，系统采用按功能划分的分布式多CPU结构。各功能单元基本上由一个CPU组成，如线路保护单元、电容器保护单元、备自投控制单元、低频低压减载控制单元等。也有一个功能单元由多个CPU完成，如变送器保护，包括主保护和后备保护，其保护功能由2个或2个以上的CPU完成。这种按功能设计的分散模块化结构具有软件相对简单、组态灵活、调试维护方便、可靠性高等特点。

（5）模块化结构，运行维护方便。

由于各个功能模块都由独立电源供电，输入、输出回路相对独立，单个模块故障只影响局部功能，不一定影响全部功能。各功能模块面向对象设计，其软件结构相对简单，因此调试简单方便，便于扩充。

（6）安装布置灵活。

保书测书装警可直接在断整器相上可安装在断路器间l隔随证。相互之间田用业缆或其

他通信电缆相连，同时也可在控制室或保护小室内按保护、测控等功能组屏。

总之，分层分布式计算机监控系统可大幅度减少连接电缆，有效抑制电缆传送信息的电磁干扰，其可靠性高，便于维护和扩展，大量现场工作可在设备制造厂家一次性完成，该系统代表了电站计算机监控系统应用的主流方向。