Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt verschiedene Netzwerkstrukturdesigns für computergestützte Überwachungssysteme in kleinen und mittelgroßen Wasserkraftwerken vor. Basierend auf den spezifischen Gegebenheiten des Wasserkraftwerks wird ein kosteneffizientes, integriertes Automatisierungssystem ausgewählt. Dies dient lediglich als Referenz. Weitere Diskussionen über andere geeignete Konzepte sind willkommen. Schlüsselwörter: Computergestütztes Überwachungssystem, Netzwerkstrukturdesign, kleine und mittelgroße Wasserkraftwerke. Um den Anforderungen der Energiewirtschaft gerecht zu werden, den sicheren Betrieb und den Automatisierungsgrad der Anlagen weiter zu verbessern und die rückständige Situation hoher Personalintensität und geringer Effizienz im Betrieb und Management von Kraftwerken in meinem Land zu überwinden, ist die Reform des Dienstplans für Wasserkraftwerke unerlässlich. Dadurch soll der Betrieb und das Management von Wasserkraftwerken auf ein Niveau des unbemannten (oder minimal bemannten) Betriebs gebracht werden. Das Design eines computergestützten Überwachungssystems für Wasserkraftwerke sollte den folgenden Designprinzipien folgen: ● Das Gesamtdesign und die Systemkonfiguration sollten dem Leitprinzip der integrierten Anlagenautomatisierung folgen, wobei die computergestützte Überwachung die primäre Methode und die konventionelle Steuerung die Ergänzung darstellt, um den Einsatz von Computern in Wasserkraftwerken auf ein neues Niveau zu heben; ● Bei Kaskadenkraftwerken sollte die Kommunikation zwischen den Computerüberwachungssystemen aus Sicherheits- und Wirtschaftlichkeitsgründen eine teilweise Kaskadensteuerung ermöglichen. ● Das System sollte hochzuverlässig und redundant sein, um sicherzustellen, dass lokale Fehler den normalen Betrieb der Feldanlagen nicht beeinträchtigen. ● Systemkonfiguration und Geräteauswahl sollten der rasanten Entwicklung der Computertechnologie Rechnung tragen und fortschrittliche Technologien optimal nutzen. ● Ein vollständig verteiltes und offenes System wird empfohlen, das sowohl funktionale als auch hardwareseitige Erweiterungen ermöglicht und gleichzeitig die Investitionen des Nutzers umfassend schützt. Verteilte Datenbanken sowie ein modularer und strukturierter Softwareaufbau ermöglichen eine bessere Anpassung des Systems an erweiterte Funktionalitäten und Skalierung. ● Gute Echtzeitfähigkeit und hohe Störfestigkeit sind erforderlich. ● Eine benutzerfreundliche Mensch-Maschine-Schnittstelle gewährleistet eine einfache Bedienung. Derzeit konzipieren die meisten Planungsbüros und Hersteller von Computerüberwachungssystemen integrierte Automatisierungssysteme für Wasserkraftwerke nach einem geschichteten, verteilten, offenen und unbemannten (oder minimal besetzten) Betriebsmodell. Das Gesamtsystem ist physisch in zwei Schichten unterteilt: die Hauptsteuerungsebene des Kraftwerks und die lokale Steuerungsebene. Die Hauptsteuerungsebene, auch übergeordnetes Computersystem genannt, dient hauptsächlich der Konfiguration, Wartung, Überwachung, dem Betrieb, der Informationsverwaltung, der Fernsteuerung und der Optimierung der integrierten Automatisierung in Wasserkraftwerken. Zu ihren Hauptkomponenten gehören verschiedene Arbeitsstationen, Kommunikationsnetzwerkgeräte, Drucker, USV-Anlagen, GPS-Zeitsynchronisationsgeräte, Sprachalarmsysteme, analoge Anzeigetafeln und Bedienkonsolen. Die lokale Steuerungsebene besteht aus einer Reihe integrierter Automatisierungsgeräte für Wasserkraftwerke, darunter lokale Steuereinheiten für Generatoren, lokale Steuereinheiten für Schaltanlagen und Gemeinschaftseinrichtungen, Mikrocomputer-Schutz- und Steuereinheiten sowie Hilfssteuereinheiten. Anhand der Gegebenheiten des jeweiligen Wasserkraftwerks können Anwender wirtschaftliche und technische Aspekte vergleichen und die kostengünstigste Lösung auswählen. Im Folgenden werden verschiedene Netzwerkstruktur-Entwurfsschemata für Computerüberwachungssysteme in kleinen und mittelgroßen Wasserkraftwerken kurz erläutert. Abbildung 1 zeigt die Struktur eines verteilten integrierten Automatisierungsnetzwerks. I. Verteilte Netzwerkstruktur: Diese Netzwerkstruktur ist ein Echtzeit-Kommunikationsnetzwerk auf Basis von Feldbusverbindungen wie RS485/Modbus (siehe Abbildung 1). Sie zeichnet sich dadurch aus, dass alle Überwachungsfunktionen auf einem einzigen Host ausgeführt werden. Dies macht sie einfach, zuverlässig, kostengünstig und erfordert nur minimale Investitionen. Sie eignet sich für integrierte Automatisierungssysteme in kleinen Wasserkraftwerken mit geringen Anforderungen an die Überwachung. II. Hierarchische verteilte Netzwerkstruktur: Diese Netzwerkstruktur basiert auf einem Echtzeit-Kommunikationsnetzwerk mit Ethernet-Anbindung (siehe Abbildungen 2, 3 und 4). 1. Abbildung 2 zeigt einen Ethernet-basierten integrierten Industrie-Controller – eine vollständig offene, hierarchische und verteilte Struktur. SPSen, Schutzsysteme, Erregersysteme, Drehzahlregler, Hilfseinrichtungen usw. kommunizieren über eine integrierte Workstation mit dem Host-Computersystem. Dieses Design berücksichtigt typischerweise die Fähigkeit der lokalen Geräte, auch im Falle eines Ausfalls des Industrie-Controllers unabhängig zu funktionieren. Das heißt, alle lokalen Einheiten können unabhängig voneinander arbeiten. Jede Einheit besteht aus einem industriellen Mikrocomputer, einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) und verschiedenen dedizierten Funktionsgeräten und kann so ausgelegt werden, dass sie über eigene, unabhängige lokale Betriebs- und Überwachungsfunktionen verfügt. Dieses System bietet umfangreiche Funktionen, eine benutzerfreundliche Oberfläche, hohe Zuverlässigkeit und ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis. Aufgrund der relativ hohen Investitionskosten eignet es sich jedoch vor allem für integrierte Automatisierungssysteme in mittelgroßen Wasserkraftwerken. 2. Abbildung 3 zeigt eine vollständig offene, geschichtete, verteilte Netzwerkstruktur mit direkt an Ethernet angeschlossenen SPS. Schutzgeräte, Drehzahlregler, Hilfseinrichtungen usw. kommunizieren über die SPS mit dem Host-Computersystem. Als Mensch-Maschine-Schnittstelle dient ein industrietauglicher Touchscreen. Das System zeichnet sich durch extrem hohe Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz aus. Die direkte Internetverbindung erleichtert die Netzwerksteuerung und -verwaltung und verbessert die Systemreaktionsgeschwindigkeit deutlich. Es eignet sich für integrierte Automatisierungssysteme in mittelgroßen Wasserkraftwerken mit weniger Kommunikationsprotokollen und höheren Überwachungsanforderungen. 3. Abbildung 4 zeigt eine vollständig offene, geschichtete, verteilte Netzwerkstruktur mit direkt an Ethernet angeschlossenen SPS. Im Vergleich zu Abbildung 3 kommunizieren in diesem Schema Schutzgeräte, Erregergeräte, Drehzahlregler, Gleichstromsysteme usw. über eine Kommunikationsmanagementeinheit mit dem Host-Computersystem. Dadurch wird die Kommunikationslast der SPS reduziert. Da nicht alle SPS-Hersteller eine direkte Internetverbindung (Ethernet) für alle ihre Produkte unterstützen und diese zudem teuer ist, kann ein alternatives Konfigurationsschema für die lokale Geräte-Internetverbindung in Betracht gezogen werden: die Anbindung der SPS und anderer Feldbusgeräte an das Ethernet-Netzwerk über einen seriellen Multiport-Kommunikationskonverter (Kommunikationsmanagementeinheit). In jeder LCU kann ein Kommunikationskonverter installiert oder ein zentraler Kommunikationskonverter für die gesamte Anlage eingesetzt werden. Diese Lösung zeichnet sich durch niedrige Kosten, hohe Zuverlässigkeit und schnelle Systemreaktion aus. Sie eignet sich für integrierte Automatisierungssysteme in mittelgroßen Wasserkraftwerken mit komplexen Kommunikationsprotokollen, einer Vielzahl von Protokollen und wenigen SPS-Kommunikationsschnittstellen, in denen hohe Anforderungen an das Überwachungssystem gestellt werden. Abbildung 2 zeigt die Methode zur Vernetzung der integrierten industriellen Steuerungsrechner. Abbildung 3 zeigt die erste Methode zur SPS-Vernetzung. Abbildung 4 zeigt die zweite Methode zur SPS-Vernetzung. III. Redundantes Netzwerkverfahren: Nachdem Wasserkraftwerke den „mannlosen Betrieb“ (mit reduziertem Personal) erreicht haben, sind aufgrund der geringeren Anzahl an Mitarbeitern vor Ort oft nur noch zwei Personen pro Schicht im Dienst. Bei einem Ausfall der Anlagen vor Ort müssen die Wartungsmitarbeiter in der Regel lange auf ihr Eintreffen warten. Daher sind die Anforderungen an die Zuverlässigkeit des Überwachungssystems extrem hoch. In mittelgroßen Wasserkraftwerken kann das in Abbildung 5 dargestellte redundante Netzwerkverfahren auf Basis von Ethernet-Verbindungen eingesetzt werden. Die Hardwareanforderungen dieses Netzwerkverfahrens können je nach Bedarf mehrstufige Redundanzmaßnahmen umfassen. Beispielsweise können Datenserver, Bedienerarbeitsplätze, Kommunikationsserver, Netzwerk-Switches, Netzwerkkanäle, USV-Anlagen, lokale Busse, Chassis- und Schaltschrank-Netzteile redundant konfiguriert werden. Darüber hinaus können SPSen mit Funktionen wie Dual-CPUs, Dual-Netzteilen und Hot-Swap-fähigen E/A-Modulen erweitert werden. Das System erfordert eine softwarebasierte Erkennung und Fehlerdiagnose der redundanten Geräte, um ein nahtloses Umschalten der redundanten Komponenten zu ermöglichen und sicherzustellen, dass der Ausfall einer Komponente den normalen Systembetrieb nicht beeinträchtigt. Die defekte Komponente kann vom Wartungspersonal umgehend behoben werden. Diese Lösung bietet einen äußerst umfangreichen Funktionsumfang und eine hohe Zuverlässigkeit und eignet sich daher für integrierte Automatisierungssysteme in mittelgroßen bis großen Wasserkraftwerken mit extrem hohen Überwachungsanforderungen. Abbildung 5: Redundantes Netzwerkverfahren