作者：徐金寿,张仁贡
出版社：浙江大学出版社
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水电站计算机监控技术与应用试读：
前言
本教材以“理实融合，实践育人”理念作指引，校企合作进行编写。教材采用项目化的方式重新组织和序化教学内容，与电气运行与维护岗位群工作过程相衔接，把全国职业核心能力培养与测评内容进行渗透开发：既能够培养电气运行与维护岗位群技能（即硬能力），又能够注重学生职业核心能力（即软能力）培养的教学项目和任务，最终使本教材成为硬能力和软能力相结合的、立体化的、项目化的教材。
本教材采用基础理论和应用技术部分按照知识结构进行，工程技术部分按照项目化的结构进行编写，改变了以往单一知识体系结构编写的方法。本教材分为四个部分。第一部为基础理论，共三章，第1章水电站计算机监控概论、第2章水电站计算机监控的基础知识、第3章水电站计算机监控的模式与配置；第二部为应用技术，共五章，第4章上位机控制系统、第5章现地控制单元、第6章数据库系统、第7章通信系统、第8章水电站计算机监控综合自动化；第三部为工程技术，共三个项目，项目一水电站计算机控制系统的安装与调试、项目二水电站计算机控制系统的维护与故障处理、项目三水电站计算机监控系统的操作；第四部为知识拓展，共三个拓展，拓展一水电站计算机监控系统的发展趋势、拓展二水电站计算机监控系统的相关标准；拓展三水电站计算机监控系统的模拟仿真与培训。
本教材以徐金寿研究员主持的“《水电站计算机监控技术与应用》课程内容和教学体系的改革与创新”和浙江省技术监督局“小水电站计算机监控系统技术标准的研究”、张仁贡副教授主持的浙江省科技厅项目：“面向新农村的水电自动化设备及系统岗位群高技能人才培养研究”的成果为基础，依托国家级精品课程《农村水电站计算机监控技术》建设项目和浙江省省级重点教材建设项目，经过长时间的酝酿、构思和设计而成。
本教材由徐金寿、张仁贡主编，黄莉、王伟、李超担任副主编。各章内容编写分工为：徐金寿、黄莉（第一部分第1章），王伟（第一部分第2章），黄莉（第一部分第3章），张仁贡（第二部分第4章、第5章、第6章、第7章），王伟（第二部分第8章），黄莉（第三部分项目一），（第三部分项目二），徐金寿、李超（第三部分项目三），徐金寿（第四部分拓展一），张仁贡（第四部分拓展二），徐金寿（第四部分拓展三）。本教材由徐金寿、张仁贡负责修改和统稿，最后由浙江大学教授、博士生导师何奔腾审定。
在开展研究工作和教材编写的过程中，得到了许多领导和同行专家的关心支持，并参阅了部分专家、学者的研究成果和有关单位的资料，在此特表衷心的感谢。
水电站计算机监控技术是一个需要不断进行研究和实践的新课题，高技能人才的培养更是学校责无旁贷的长期任务。由于作者学术水平有限，资历尚浅，因此，书中有不妥和错误之处在所难免，诚恳地希望和感谢各位专家和读者能不吝指教和帮助，使之不断修正，逐步完善。编著者2011年4月
第一部分 基础理论
第1章 水电站计算机监控概论
学习目标
1.了解水电站计算机监控系统的发展概况
2.理解在水电站采用计算机监控技术的目的和意义
3.理解小型水电站计算机监控系统的特点
4.了解水电站综合自动化的内涵
1.1 水电站计算机监控系统的发展现状
安全经济运行是水电站最根本的任务之一。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，需要经常监测的数据成千上万，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，使得机组的工况不仅有发电、调相，还有抽水、各种工况之间的相互转换。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常规自动装置逐渐难以胜任，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自动装置奠定了良好的基础。
早在20世纪70年代，计算机已开始应用于水电站，起先应用于各种离线计算和工况的监测，后来逐渐进入到控制领域。它的发展经历了从低级到高级，从开环调节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，从个别电站监控到整个梯级和流域监控的过程。发展过程中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。多媒体技术的应用使电厂中控室的设计发生了重大的变化。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，从过去的日常监盘和频繁操作转变为巡视，经常性的监测和控制调节工作都由计算机监控系统去完成。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或几人值守的水电站。总之，采用计算机监控已成了水电站自动化的主流。
1.2 水电站计算机监控的目的和意义
水电站计算机监控的目的和意义，就是通过对水电站各种设备信息进行采集、处理，实现自动监视、控制、调节和保护，从而保证水电站设备充分利用水能安全稳定地运行，并按电力系统要求进行优化运行，保证电能质量，同时减少运行与维护成本，改善运行条件，实现无人值班或几人值守。
1.2.1 减员增效，改革水电站值班方式
水电站计算机监控技术的应用，使水电站运行实现自动化，工作量大大减少，减轻了运行人员的劳动强度，减少了水电站运行人员的数量，使水电站实现几人值守或无人值守。由于运行中管理和操作人员减少了，电站生活设施等基础设施也可以相应地减少、简化，降低了电站的造价；减少水电站运行人员的同时，也减少了水电站的运行费用及发电成本，达到减员增效的目的。
此外，水电站实现计算机监控，可对水电站工作人员的职能进行转变，从对水电站设备进行操作向对水电站设备管理转化，使电站运行人员能将更多的时间和精力花在水电站设备的维护保养上，保证水电站设备的可用性和完好性，延长水电站设备的使用寿命及检修周期，而水电站设备的一些重复操作、调节、运行状态及参数的记录则由计算机监控系统在不需人员干预的情况下自动完成。水电站实现计算机监控后，富余出来的人员则可进行轮流培训，以提高对水电站的运行管理水平，还可为水电站从事多种经营、第三产业创造条件，充分开发水电站的资源，为水电站增加经济效益。
1.2.2 优化运行，提高水电站发电效益
水电站自动控制系统与机组自动控制系统相结合，使水电站自动控制系统能按优化运行方案给机组分配有功功率和无功功率，让机组在高效率区运行。
对于水电站来说，有了优化运行，就可以给水电站带来直接经济效益，其意义是非常大的。根据国内外资料表明，在水电站实行优化运行可最大限度地利用水能，使其利用率提高3%～5%。如果从机组的角度来看，就相当于机组的效率提高了3%～5%。然而对现代水轮发电机组来讲，机组本身的效率已很高，要提高机组的效率，哪怕是提高0.5%～1%，都要利用现代高新技术，难度可想而知。而利用优化运行，使同样多的水发出更多的电能，相比通过提高机组本身效率来增加电能要容易得多。
对于水电站厂内优化运行，则可把水电站运转特性、水轮机运转特性等数学模型编成软件放入计算机监控系统，计算机监控系统根据水电站运行情况自动调节水电站机组的运行，以保证整个水电站的运行处在高效率区；对于具有月调节、年调节、多年调节能力的水库电站，则同样可把中长期洪水预报建成数学模型，编成软件，放入计算机监控系统，由计算机监控系统自动按中长期洪水预报的数学模型调整水电站的运行。计算机监控系统也可对水电站运行人员给出调整指导，由水电站运行人员调整水电站的运行；对于只具有日调节能力或无调节能力的径流式水电站，水电站计算机监控系统与洪水实时测报系统相结合，可避免这类水电站在汛期大量弃水。洪水实时测报系统的基础是水电站所在集雨面积内的自动雨量站，当水电站所在集雨面积内发生降雨，自动雨量站把降雨量情况发送到水电站计算机监控系统，计算机监控系统则按预先设计好的数学模型调整水电站的运行，增加水电站的出力，降低日调节池或前池水位。当数小时后，由于降雨而形成的洪水到达水电站时，则可减少洪汛时的弃水。
1.2.3 安全稳定，保证水电站电能质量
众所周知，有相当多的山区、农村和边远地区，大电网是延伸不到的，而绝大多数的中小型水电站集中在山区、农村和边远地区，因此产生了由中小型水电站形成的相对独立的区域供电网或地区供电网。在这些电网中，水电站在提供电力方面起了主要作用。随着山区和农村工农业的发展及农村电气化的实现，人民生活水平不断提高，家用电器数量不断增加，早期对电的低层次的需求（如照明、农副产品的粗加工等）也在悄悄地发生变化，从而对水电站发出的电能的质量和电网运行的稳定性提出了较高的要求。
计算机监控系统不仅能准确而迅速地反映水电站各设备正常运行的状态及参数，还能及时反映水电站设备的不正常状态及事故情况，自动实施安全处理。水电站的自动控制减少了运行人员直接操作的步骤，大大降低了发生误操作的可能性，避免了运行人员在处理事故的紧急关头发生误操作，保证了水电站设备运行的可靠性，从而也保证了电网运行的可靠性。
在设备可靠运行的情况下，计算机监控系统能自动控制发电机组的频率和电压，并根据电力系统调度要求，自动调节发、供、用电的平衡，保障了水电站发出的电能质量过关和电网运行的稳定性。
1.2.4 竞价上网，争取水电站上网机会
水电站采用计算机控制系统可加快水电站机组的控制调节过程。计算机监控系统可按预定的逻辑控制顺序或调节规律，依次自动完成水电站设备的控制调节，免去了人工操作在各个操作过程中的时间间隔及检查复核时间。由自动控制系统快速完成各个环节的检查复核，可大大加快控制调节过程。比如机组开机过程，采用人工操作，光是机组并网这一环节，有的机组经十多分钟都并不了网，运行操作人员精神高度集中紧张，弄不好还可能发生非同期合闸，给电网和机组带来冲击。采用计算机控制系统自动控制装置并网，机组的频率、电压自动迅速跟踪电网的频率、电压，当频率、电压、相位差满足并网合闸要求后，机组自动并网，并网时间很短，一般只需1～2分钟即可解决问题，时间短的只需半分钟就可完成并网。
根据国家电力体制改革的要求，实现“厂网分开，竞价上网”后，水电站如果没有自动化系统，而是依靠传统的人工操作控制，将难以满足市场竞争的需要。不了解实时行情，参与竞价将非常困难，即使争取到了发电上网的机会，又因设备陈旧落后而不能可靠运行，既影响电网供电，又使自身效益受损，最终也失去了来之不易的发电机遇。
1.2.5 简化设计，改变水电站设计模式
采用常规控制，电气设计非常繁琐，订货时要向厂家提供原理图、布置图，还要进行各种继电器的选型。而自动控制设备集成后，设计单位只要提供一次主接线、保护配置及自动化要求即可，故能以选型的方法代替电气设计，简化设计、安装和调试工作。
1.3 小型水电站计算机监控的特点
小型水电站实现自动化，是改善电站运行条件，提高电站综合经济效益的重要措施。与大型水电站相比，小型水电站的自动化设计有以下特点：（1）建设资金不充足。这类电站多为地方投资或者集资兴建，资金有限。因此，往往在兴建过程中力求设备简单，价格低廉，以节省投资。（2）运行方式变化大。小型水电站一般水库容量很小，运行方式受降雨量的影响较大，而用电规律受生产季节与生活用电的影响极大，因而运行方式变化大，机组启停频繁。（3）电压变化极大。农村电站往往为独立供电，农村用户分散，输送距离远，负荷变化幅度极大，因而电压变化幅度大。为了照顾到首末端用户的使用电压，电压的设定和调节变化频繁。（4）无特殊用户。农村电站供电对象一般为乡镇加工企业和生活照明用电。没有要求不停电、高电能质量的特殊企业及单位。（5）技术力量薄弱。农村电站的运行维护人员一般均为非专业学校的技术人员，不可能去面对复杂、繁多的自动化装置和应付复杂的运行方式。（6）技术更新费用少。农村小型水电站的年维护更新费用是非常有限的，不可能像大中型水电站那样有计划地进行设备的更新和完善。
根据上述小型水电站自动化设计的特点可知，在中国这样一个人口众多、劳动力丰富、经济基础薄弱的发展中国家，小型水电站实现自动化比发达国家难得多，它需要更多地考虑价格因素、运行人员的知识水平、经济效益等。所以，小型水电站计算机监控系统必须做到经济实用、简单可靠。
1.3.1 经济实用
选用小型水电站计算机监控系统要强调以经济实用为原则。过去，有的小型水电站为了应付领导参观，测量参数不管有用没用，总是加大采集量，似乎显示画面越花哨，系统就越先进。有的电站盲目学习大电站，系统配置过高，比如一个装机容量1000 kW的电站除了上位机，还设置了前置机、工程师工作站等，结果自动化投资很高，效益甚微。由于相比大中型水电站，小型水电站监控系统在整个系统中地位不十分重要，系统对它的可靠性和稳定性要求也相对较低，因此自动化功能和配置可以简化，只要满足运行要求即可。事实上，对一些装机容量只有几百千瓦的农村小型水电站，在欧美国家也有采用“开机手动，停机自动”的模式。这些小水电站的值班人员住在山下城镇，平时无人值守，开机时值班人员驾车过来进行开机操作，操作完成后就离开。运行中遇事故时监控系统自动停机，并向值班人员住处或传呼机发信号，值班人员再过来处理。根据小型水电站不同装机容量或等级，采用不同的自动化模式，一切从实用化出发，这也是近几年小型水电站自动化得到发展的原因之一。
1.3.2 简单可靠
由于小型水电站位于偏僻的农村，电站运行人员大多数是当地的农民，知识水平比较低。如果自动化系统操作维护复杂，就很难为他们所接受。20世纪80年代初，小型水电站自动化刚刚起步，电站虽然安装了计算机监控系统，但工作人员仍在原控制台监控，微机闲置，仅在为参观人员表演时投入运行。询问原因，是电站熟悉微机的运行人员不多，担心误操作出事故，而且出了故障需要外请专家来排除，资金问题也没法解决。可见，如果小型水电站自动化操作维护复杂，运行人员不敢用，最后可能成为一种供人参观的摆设。对于小型水电站，运行人员希望使用的是“傻瓜”型高可靠性自动控制保护系统，就像一部“傻瓜”型照相机，只需简单培训就能完全掌握。小型水电站计算机监控系统设备简单，反而会提高系统的可靠性。
1.4 水电站综合自动化简介
水电站综合自动化系统是综合应用现代电子技术、通信技术、计算机技术、网络技术和图形技术等，并与系统设备相结合，将水电站在正常和事故情况下的监测、保护、控制和水电站的工作管理有机融合在一起的综合性先进技术。
在我国，水电站综合自动化问题的提出始于20世纪70年代。1979年由原电力部科技委在福建古田主持召开的“全国水电站自动化技术经验交流会”中提出了1979—1985年的七年奋斗目标，即水电站自动化科学技术发展七年规划，要求加强梯级电站和大型电站综合自动化试点工作，但由于当时技术条件的限制，研究的注意力逐渐集中于计算机监视和控制技术的研究。经过多年的发展，水电站计算机监控技术已基本成熟，在国内的大、中、小型水电站得到推广应用，取得了非常好的经济效果。同时，由于计算机技术及相关的网络技术、通信技术的迅速发展，水电站内出现了多系统互联的趋势，如隔河岩水电站原引进加拿大CAE公司的计算机监控系统，但在几年运行中发现还不能满足电站的运行要求，后又增加了许多防洪、调度、管理、通信等子系统，使原引进的监控系统外部连接混乱，管理维护困难；广州蓄能电站也有类似情况，为了能进行扩充，从原打字机接口接入MIS系统等。这些都说明水电站运行管理也在不断向减人增效、“无人值班”（少人值守）的方向发展，迫切需要进一步研究水电站综合自动化系统领域的关键技术，进一步提高水电站的运行管理水平和综合自动化水平。
从水电站的总体层次上来分析，其综合自动化体现在以下几个方面：（1）水电站实际上是水、机、电的一个综合整体，相互之间既有分工又密切联系，因此考虑综合自动化是适宜的。（2）水电站综合自动化涉及电力调度、水利调度、航运调度、水情测报以及灌溉和防洪等，因此有关的研究应涉及上述各方面的协调问题。（3）水电站状态监测及预测检修是当前很受关注的问题，它除了涉及监控系统常规的内容外，还包括与振动摆度、汽蚀磨损、绝缘间隙等测量装置的接口与配合问题等，需要全面考虑。（4）水电站综合自动化涉及如何在原有计算机监控系统的基础上，实现功能的扩展及提高的问题，如新型计算机技术、网络增建及延伸、人工智能、多媒体技术等。（5）水电站综合自动化任务的提出，使水电站的自动化成为一个系统工程，其各部门和领域之间的有机协调配合将会使整个系统配置更为合理，利用率更高。如一些综合性的问题，以往单项控制时它们之间所隐含的关系常被忽略掉，而在综合自动化系统中则比较容易实现，以此来提高系统性能，加速系统的速动性及实时性，并改善系统间的协调性。
思考题
1.水电站计算机监控的目的和意义是什么？
2.小型水电站计算机监控系统有什么特点？
3.小型水电站的自动化设计有什么特点？
第2章 水电站计算机监控的基础知识
学习目标
1.理解水电站计算机监控方式的演变过程及各种监控方式的特点
2.掌握水电站计算机监控系统的四种基本结构形式及各种结构的特点
3.了解水电站计算机监控系统的分类
4.掌握水电站计算机监控系统常用的三种计算机类型及其特点
2.1 水电站计算机监控方式的演变历程
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（Computer Aided Supervisory 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，水电站仍能维持正常运行，只是性能方面有所降低。采用这种控制方式的典型例子是初期（20世纪80年代上半期）投入运行的依泰普水电站。当时采用这种控制方式是基于巴西和巴拉圭的国情考虑，计算机监控系统还不够成熟，缺乏相应的技术力量支持，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，不仅可以为将来实现可控制功能的系统作准备，同时可以减少前期的投资。后来，依泰普水电站就将它更新为具有复杂控制功能且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（20世纪80年代上半期）。它是一个实时监测系统，能实现数据的采集和处理、提供机组经济运行指导和全站运行状态的监视记录，但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且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，目前新建的水电站已很少采用。
对已运行的水电站，尤其是中小型水电站，在常规监控系统的基础上，增加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。因此，对于投资不大，运行管理水平要求不太高的电站，CASC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 Conventional Supervisory 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实现计算机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。为了进一步降低风险，计算机与常规控制装置双重监控的方式应运而生了。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，并且相互之间基本上是独立的。两套控制系统之间可以相互切换，互为备用，保证系统安全可靠地运行。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，认为计算机监控系统没有常规自动化系统可靠，要求设置一套常规自动化系统作后备。（2）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，可以使用常规系统，不会影响水电站的正常运行。（4）如果已有常规系统的水电站，加设计算机监控系统可提高抗干扰能力和水电站运行的安全性与可靠性。
国外采用这种方式的有美国邦纳维尔第二电厂（558MW）和巴斯康提抽水蓄能电厂（2100MW）。国内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。因此，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 Based Supervisory Control，简称CBSC）
随着计算机系统可靠性的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水电站监控系统。采用此方式时，常规控制部分可以大大简化。由于平时都采用计算机控制，因此，对计算机系统的可靠性要求比较高。针对这一问题可以采用冗余技术来解决，从而保证系统某一单元或局部环节发生故障时，整个系统和电站运行还能继续进行。
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，模拟显示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水电站有美国的大古力水电站（6150MW）、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。采用这种方式时，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（1200MW），它采用了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监控方式的主流。
2.2 水电站计算机监控系统的基本结构
自20世纪70年代水电站采用计算机监控系统以来，从国内外水电站计算机监控系统几十年的变化情况看，它的系统结构经历了从简单到复杂、从低级到高级、从单项到全面、从简陋到完善的发展过程，如从集中式控制向分布式控制发展、从单计算机系统向多计算机系统发展、从单层网络向多层网络发展等。结合目前水电站的实际情况，按工业自动化计算机监控系统的一般划，可分为集中式计算机监控系统、功能分散式计算机监控系统、分层分布式控制系统和开放式系统。
2.2.1 集中式计算机监控系统
早期，计算机价格较高，一般只设一台计算机对全厂进行集中监控，称作集中式监控系统。集中式监控系统的结构将在第4章介绍。集中式监控系统一般集中布置一台计算机，称为集控机，它承担着整个水电站的全部监视和控制任务。水电站的全部运行参数和状态信号、被控回路及执行继电器等几乎都集中到集控机及其外围设备的输入/输出接口。全站的数据采集和处理、运行参数和状态的监控、机组启停和负荷调整、运行状态的显示和记录、异常状态报警等任务均由集控机分时执行。这种系统的基本特点是简单、不分层（不设采用计算机的现地控制级设备），较易于实现。此时，一切计算处理都要在集控机上进行，所有信息都要送到集控机；所有操作、控制命令都要从集控机发出，因此一旦集控机出现故障，整个控制系统将面临瘫痪的危险，而只能改为手动控制运行，性能大大降低，这是集中式监控系统的致命弱点。由于所有信息都要送到集控机，现场需要敷设很多电缆，机组台数越多，电缆也越多，这不但增加了投资，并且降低了系统的可靠性。另外，电缆及其接头容易发生故障，通信也是其薄弱环节。
为了克服对一台集控机过分依赖的缺点，可以增设第二台集控机作为备用，以提高整个系统的可靠性。这样，就出现了下面三种备用方式。
1.冷备用方式（Cold Standby）
此时，一台计算机为工作计算机，或称主计算机，另一台为备用计算机。平时备用计算机不参与生产过程的控制，只担任一些离线计算和程序维护等任务。一旦主计算机发生故障，就启动备用计算机，进而取代故障的主计算机对生产过程进行控制。但由于取代有一段过程，可能丢失一部分信息，因为在这一段过渡时间内，控制系统实际上处于停滞状态，这对实时控制是不利的。但它的优点是，备用计算机可以做一些别的工作，从资源合理利用角度来看，具有一定的价值。
2.温备用方式（Warm Standby）
此时，备用计算机是经常运转的，在正常情况下只承担一些离线任务。它的存储器周期性地被来自主计算机的实时数据所更新，这可以通过周期性连接数据库、事件表和档案库来实现。
由于备用计算机不需要启动，切换取代时间比较短，因此丢失数据的范围就比较小，但还不能完全避免。此外，还存在可能接收切换前主计算机处理的错误数据的危险。
3.热备用方式（Hot Standby）
采用热备用方式时，两台计算机是并列运行的，执行同样的程序。来自生产过程的数据由两台计算机独立地进行处理。它们之间的差别是，只有主计算机的输出是真正接至生产过程的。当主计算机发生故障时，备用计算机可立即取而代之，这样就解决了丢失信息和接受错误信息的问题。但为此需付出一定代价，即备用计算机不再能承担离线任务。这种方式用在对系统可靠性要求比较高的场合。随着计算机价格的下降，这种热备用方式用得比较普遍。如果不特别说明的话，主备用运行方式指的就是这种热备用运行方式。
采用集中式监控系统的典型例子是20世纪70年代研制的美国石河段水电站计算机监控系统。石河段水电站是一座水库库容较小、带峰荷的低水头径流式水电站，总装机容量为1300MW，有11台机组，其中7台为转桨式水轮发电机组。它采用一台PDP11/35型小型计算机控制整个水电站，机组本身的控制采用常规自动装置。计算机监控系统实现的功能有：（1）数据采集和处理。它包括测量、监视、报警、电能计算、事件记录和制表打印等。数据采集每4 s执行一次，全部存入数据库。带中断的开关量可随时响应。（2）机组启停控制。这里指的是确定应运行的机组台数和台号，至于机组启停顺序控制则是由机组本身的常规自动装置执行的。启停的原则是保持各台机组运行于最高效率附近1%的范围内。如果不在此范围内，就增开或停开一台机组。程序每隔30 s执行一次。（3）机组有功功率的控制。每3 min读一次上、下游水位值，根据这些水位值算出每台机组最高效率对应的功率整定值。如果可能的话，使机组整定功率与此最高效率下的功率整定值相同。然后，将此整定值与机组实际功率进行比较，如差值超过规定死区，就调整机组功率直至差值在误差允许范围内。此程序每4 s执行一次。（4）电压和无功功率的控制。此程序分两部分。第一步调整各台机组的无功功率以减少母线电压与要求电压之间的偏差，每8 s执行一次。第二步算出所需总无功功率（等于各台机组无功功率之和），将它按比例在机组间进行分配，每15 s执行一次。这两部分任务交替反复执行，直至电压偏差和无功功率平衡均能得到满足时为止。（5）上游水位控制，即自动溢流。每3 min采集一次上游水位和泄洪闸门开度，计算是否需要泄放，泄洪闸门要开多少个，每个闸门开启多少，以维持水库有足够高的水位。误差信号是现有库水位减去最大允许库水位，如果误差为负，则不需开闸门；如果为正，则算出与此误差成正比的泄流量，根据此泄流量算出应开启闸门数和开度。
石河段水电站集中式监控系统需要的投资少，大约为50万美元，而获得的经济效益十分显著。据报道，该水电站采用集中式监控系统后每年增加发电量0.8%～6%，这与水头有关，平均为3%。运行值班人员由两人减少为一人。计算机监控系统的全部投资能在三年内收回。
我国也有容量很小的水电站采用这种系统。
总的来说，集中式监控系统结构较简单，易于实现，投资较小，是早期使用的典型系统。但其可靠性比较低，大中型水电站已经很少采用，一般只用在机组台数较少、控制功能简单、总装机容量在2000 kW以下的小型水电站。
2.2.2 功能分散式计算机监控系统
随着计算机价格的下降以及水电站对监控系统可靠性要求的提高，为了克服上述集中式监控系统的缺点，出现了功能分散式监控系统（Decentralized System）。此时，对水电站的全部监控任务不再由一台计算机来完成，而是由多台计算机共同完成。各台计算机只负责完成某一项或某几项的任务，结果出现了一系列完成专项功能的计算机，如数据采集计算机、控制调节计算机、事件顺序记录计算机、通信计算机等。这是一种横向的功能分散，当某一台计算机出现故障时，只是某一功能受到影响，而其他功能仍可以实施，可靠性在某种程度上有所提高。功能分散使得每台计算机的负载减少了，从而出现了多微机系统，即用多台微机代替原来一台高性能小型机去完成监控的任务，这在经济上也是合算的。
功能分散式计算机监控系统是由多台计算机构成的一种应用型系统，其控制对象的特点是：[1]地理上分散在一定的范围内；[2]相互之间的联系较薄弱，很少存在处理或计算上的因果关系，即某子系统的计算需等另一子系统的计算结果出来后才能进行处理。在讨论分散的时候，是相对于集中而言的，主要是强调位置上的分散。
图2-1所示为采用功能分散式监控系统的例子。水电站监控系统设有多个专用功能计算机，如数据采集计算机、事件顺序记录计算机、控制调节计算机以及通信计算机等。其各部分的功能如下：图2-1 分散式计算机监控系统结构（1）数据采集计算机。它具有下列功能：[1]正常电气参数的监测、打印和制表；[2]越限或异常电气参数的监测、打印和制表；[3]参数分析，如测量误差检出和报警；[4]电气量历史性记录、事故追忆；[5]图表显示；[6]电能脉冲量计算和转发；[7]与数据采集装置交换信息。（2）事件顺序记录计算机。它具有下列功能：[1]及时反映生产过程中出现的事故、故障的性质、开关动作顺序和发生时间；[2]显示事故、故障的复位信号；[3]显示和记录正常操作的性质和时间；[4]显示系统主接线，用色彩区别电压等级和机组运行工况；[5]制订交接班记录等。（3）控制调节计算机。它的主要功能是接收上位机下达的控制命令，向各台机组发出开机或停机命令，调整各台机组的有功功率和无功功率。（4）通信计算机。使上位机能够与现场进行通信，使运行人员能够及时反馈现在的运行情况。
功能分散式计算机监控系统仍没有解决集中式监控系统的所有问题，它是集中式监控系统的延伸版本，从某种意义上说，仍然属于集中式监控系统。如果某个功能计算机出现故障，则全厂的这部分功能均将丧失，影响较大。而且要将所有信息集中到一处（用电缆）所带来的问题仍然没有解决。系统可靠性仍然不是很高，投资却增加很多。因此功能分散式监控系统目前已经很少采用。
2.2.3 分层分布式控制系统
上述信息过于集中的矛盾可以用分布处理的方式来解决。水电站采用的处理通常是与分层控制结合在一起的，因而它实质上是一种分层分布式监控系统。
1.分层控制（Hierarchical Control）
分层控制理论是20世纪80年代发展起来的一种新理论，它是控制系统理论的一个分支，是从控制论的角度来研究多个相互影响的系统的控制方法。它把“中央的控制中心”对“各子系统的控制中心”的监视，以及确定“各子系统控制中心”的控制方向问题提高到理论上来，这种理论可用于电力系统问题的分析和调度控制中。对于水力发电厂，其发电、输电生产是一个综合复杂的过程：[1]地域上比较分散，设备分散于主厂房、中控室、开关站、泄洪闸门等处；[2]设备数量多（与机组台数有关）；[3]要求实现的功能多（与机组容量和在电力系统中的地位有关）。从控制论的角度，按其命令的产生、命令执行结果信息的反馈流向、被采集的信息上送关系、各级的操作权限等来看，监控系统在结构上是一种具有中央集权性质的系统。因此，将水电站的监控系统构成一个分层控制结构是合理的。从水电站必须执行的操作，如执行网调的调度命令、正常及事故时水电站操作员的操作控制、全站各台机组的成组控制以及现地闭环控制等来看，采用分层控制结构是符合水电站的生产特点的。
采用分层结构后能使多台计算机便于管理，不同层次不同任务的计算机的容量、规模可配置得比较合理。例如，在全厂控制一级常采用规模相对较大一些的计算机，而在控制第一线的计算机可采用规模相对较小、抗干扰能力强、可靠性高的计算机等。
与集中控制方式相比，分层控制方式具有下列优点：（1）凡是不涉及全系统性质的监控功能可安排在较低层实现，这不仅加速了控制过程的实现，提高了响应性能，而且减轻了控制中心的负担，减少了大量的信息传输，同时也提高了系统的可靠性。（2）在分层控制系统中，即使系统的某个部分因发生故障而停止工作，系统的其他部分仍能正常工作，分层之间还可以互为备用，从而大大地提高了整个系统的可靠性。（3）采用分层控制方式时，对控制设备和信息传输设备的要求可适当降低，需要传送的信息量减少，敷设的电缆也大大减少，主计算机的负担也有所减轻，这些均有利于减少对监控系统设备的投资。（4）可以灵活地适应被控制生产过程的变更和扩大，可实施分阶段投资，这些都提高了系统的灵活性和经济性。（5）由于分层控制方式通常采用多机系统，各级计算机容量和配置可以与要实现的功能更为紧密地配合，使最低一层的计算机更为实用，整个系统的工作效率进一步提高。
但分层控制方式有以下缺点：（1）采用分层控制方式时，整个系统的控制比较复杂，常常需要实行迭代式控制。迭代式控制是指达到最终需要实现的工况（最优工况）往往不能仅靠一次计算控制，而要依靠多次迭代计算来完成，因而降低了整个控制的实时性，这是对全局性控制而言的。（2）多机系统的软件相对复杂，需要很好地协调。
但总的来说，分层控制方式的优点还是主要的。现在，除了一些小规模的控制系统以外，大多采用分层控制方式。
在实现分层控制时，合理地确定层次和在各层次之间合理分配功能，对保证系统可靠又灵活地运行是至关重要的。分层时要考虑以下几个方面：（1）加强协调。可以增进系统的性能，但同时会增加系统的集中程度，这种集中程度的增加会降低系统的可靠性。加强协调还意味着系统复杂性的增加，因此协调要恰当。总的原则是只要系统性能可以得到满足，就要减少协调。（2）通信设备和计算设备在系统内各层的配置要进行权衡。将计算设备较多地集中在上位机，固然可以减少LCU计算设备的重复设置，从而减少计算设备的总投资，但通信设备要增加投资，而且整个系统的可靠性要降低。因此，系统内通信设备和计算设备的上下配置要恰当。
2.分布式系统（Distributed System）
分布式系统包含有多个独立但又相互作用的计算机，主要要求资源物理上的分布而不强调地理上的分布。归纳起来，分布式系统具有如下的特点：（1）具有多个分布的资源。这里的分布是指物理上的分布和地理上的分布，而资源是指计算机系统硬件、外部设备、各种程序及数据库等。（2）具有统一的操作系统。全系统要求有一个高级操作系统，对整个分布式计算机系统进行统一的控制和管理，指导各分布资源完成共同的任务。整个系统以尽可能少使用系统集中资源的方式工作，由一个统一的操作系统管理。（3）分布的资源彼此独立而又相互作用。分布的各资源独立地完成其被指定的功能，同时相互间又以一定的方式配合、协调地工作。（4）在分布式系统中没有明显的主从关系，各资源之间以较平等的方式工作，“系统内部不存在层次控制”。
分布式系统大体上可以分为三种类型，即按功能分布、按对象分布以及复合型分布。
按功能分布的结构目前多用于水电站监控系统的上位机部分，它一般有一台或两台计算机（或工作站）构成单个或冗余系统，以完成指定的功能，例如操作员工作站、通信工作站以及在某些情况下配置的事件顺序记录工作站等。在这些功能群的内部，能以单机独立运行、双机冗余运行或三机冗余运行的方式工作，而这些功能群相互之间是独立的，在功能上不能替代。但也有例外，如操作员工作站出现故障时，可用工程师工作站来顶替其工作，使监控系统仍维持正常运行。
按对象分布的系统，特别强调在产生数据的地方，就近分析和处理数据，其目的是减少通信传送的信息量，充分利用现场能采集到的各种信息进行综合分析后，再向上级传送结果或中间结果，即所谓“熟数据”。这种方式通常适用于机组级控制终端，其具备的功能含有综合的特征，如包含数据采集、分析处理、事件分辨、机组顺控、有功和无功功率调节以及上位机之间进行通信等。按被控对象分布主要有以下优点：各控制终端相互独立，一个现地子系统或控制终端（LCU）故障只影响一台水轮发电机组，提高了全系统的可用性及可靠性。此外，由于现地子系统或控制终端具有相当大的独立性，本身又具备较完整的处理功能，即使上位机部分或全部故障，它亦能维持被控对象的安全运行，也很适合于水电站机组分期安装的情况。
3.分层与分布的关系
复合型分布处理有两种情况，一种是上述两种分布式方式的结合，即上位机采用按功能分布的方式，下位机采用按被控对象分布的方式，这样结合起来的系统就是复合型分布式系统。实际上这种系统在水电站的应用是比较多的。另一种是在电站主控层控制中心和机组级控制终端均采用按功能分布处理的结构，即指现地控制单元（Local Control Unit，简称LCU）采用了多微机（多单片机或嵌入式微机）的按功能分布结构。而上位机采用了远程值守站、总工、厂长终端等配置，因此整个系统可以说既是按被控对象分布，又是按功能分布，从目前的情况看已显示出这种应用趋势。
在开放系统出现以后，又出现了“全分布”的概念。也就是说以往在谈分布的时候，往往着重在“处理”上的分布。而开放系统出现的同时也强调了“数据库”等的分布，可以说这是一种更完全的分布，而这些正是符合前述的分布系统定义的。
从以上分析可知，“分层”与“分布”实际上说是的一个事物的两个方面。从计算机系统结构来分析，强调“分布”的概念；从控制理论的角度，强调分层的概念，两者完美地在水电站计算机监控系统这个实体中结合起来了。例如，在上述实现“分层”控制的水电站计算机监控系统中，其中控室的控制台、计算机室的电站主控层计算机或服务器、工程师工作站以及作为现场控制节点的机组控制工作站等就构成了分布式系统结构。
这就是为什么“分层”和“分布”这两个看起来相互矛盾的概念能用来共同说明水电站计算机监控系统结构模式的原因。
由于分层分布式监控系统有以上优点，它已取代其他两种类型而成为水电站监控系统的主要类型。这些年来新投运的水电站监控系统几乎都采用分层分布式结构。DL/T 5065—1996《水力发电厂计算机监控系统设计规定》明确指出：“监控系统宜采用分层分布式结构，分设负责全厂集中监控任务的电厂级及完成机组、开关站和公用设备等监控任务的现地控制级。”
经过多年的探索和实践，通常将水电站分层分布式监控系统分成两层，即电站主控层和现地控制单元。两层之间由通信网络进行链接，通信网络主要由网络设备和网络接口设备组成，它是电站主控层和现地控制单元层进行数据交换的通道。关于水电站计算机监控数据通信系统将在第7章作详细的介绍。（1）电站主控层。它是水电站控制系统中的最高层，用于控制整个水电站的运行。它的主要任务是协调控制水电站中各台机组的发电，通过机组控制层发出运行工况转换命令，如开机、停机、发电转调相、发电转抽水等，调整各台机组的有功功率和无功功率。它还与电网层（调度部门）进行通信联系，向上发送有关的水电站信息，并接收电网层下达的各项控制命令。采用计算机监控时，这一层由计算机完成。它还可与水情测报系统、水工建筑物监测系统和泄洪闸门控制系统等进行通信。（2）现地控制单元。它是水电站计算机监控系统的重要组成部分，构成分层结构中的现地级。现地控制单元直接监视现地设备的运行过程，既可作为分布系统中的现地智能终端，又可作为独立装置单独运行。电站的励磁设备、调速器和微机保护均以数据通信的方式进入各现地控制单元。
现地控制单元的控制对象主要包括以下几项：
[1]水电站发电设备。主要有主机、辅机、变压器等（具体有进水口闸门、水轮机及其辅助设备、发电机及其辅助设备、发电机出口断路器、主变压器设备等）。
[2]开关站。主要有母线、断路器及隔离开关等（各线路断路器、隔离开关、接地开关、母线断路器等）。
[3]公用设备。主要有厂用电系统、UPS电源系统、厂用直流电系统、厂区及厂内排水系统、高低压气机系统、火灾报警消防系统和全厂通风及空调系统等。
[4]闸门设备。主要有主阀和泄洪闸门等。
现地控制单元一般根据监控对象及其地理位置可划分为机组现地控制单元、开关站现地控制单元、公用设备现地控制单元等，如果将泄洪闸门的控制纳入电站计算机监控系统，则现地级还应包括泄洪闸门现地控制单元。现地控制单元一方面与电站生产过程联系，采集信息，并实现对生产过程的控制，另一方面与电站主控层联系，向它传送信息，并接受它下达的命令。按对象配置LCU的优点是，可就近采集各种数据，节省电缆，各个LCU之间是相对独立的，某个LCU发生故障时不会影响到其他LCU的正常运行，并且与电站主控层计算机系统也是相对独立的，电站主控层计算机系统故障时，各LCU还能独立地工作，以维持监控系统的安全运行；反之亦然。
2.2.4 开放式系统
1.开放式系统的特点
随着水利资源的大力开发，水电站的装机容量越来越大，要实现的功能越来越多，计算机系统的规模也就越来越大。由单一厂商包揽控制系统的全部硬件和软件已变得越来越困难了，因而不得不采用由多个厂商提供的硬件和软件。它们之间如何统一接口、如何协调工作就成为非常关键的问题。随着生产技术的发展，原有计算机监控系统的规模和功能也需要扩充，新增加的硬件设备如何与原有系统连接就是个大问题；由于过去各厂商之间的硬件和软件接口不标准，使扩充工作难以进行，以致不得不废弃原来的一些硬软件，甚至更新整个系统，造成了投资的大大增加。随着系统的扩充，有时需要开发一些新的软件，如何处理原有软件，能否保留之，如何统一接口，都是需要解决的问题。
随着计算机技术的发展，特别是精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Com-puter，简称RISC）技术的出现，使上述问题的解决变得容易了。开放式计算机系统也应运而生。开放式系统的特点如下：（1）体系结构模块化。需要先将整个系统划分成若干子系统或功能模块，使模块内功能和数据都相对集中，而模块间的信息交换较少，从而便于标准化。（2）模块接口标准化。接口的标准化简化了模块的连接，增加了各模块的相对独立性，为系统的局部更换奠定了基础。（3）功能处理分布化。利用标准的接口或介质，将功能相对独立的模块分布到若干个处理器上，既可大幅度提高整个系统的处理能力，又可使系统的可扩性增强，使局部升级得以实现。新开发的一些开放式系统，大都以LAN为核心骨架，连接作为人机系统的一系列工作站以及负责数据采集和监控SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）、网络分析处理的一系列服务器。这种模式也称作大模块横向分布式体系结构。（4）应用软件的可移植性。当硬件和操作系统，即一种计算机平台更换时，用户所开发的应用软件仍能移植到新的计算机平台上，因而用户的软件资源可以得到保护。（5）不同系统之间的相互操作性。在多厂家计算机组成的网络系统中，用户可以共享网络中的各种资源，包括硬件、软件、信息等，在这种共享操作中不需要用户进行特殊识别和转换等处理。
这些开放式系统的特点使供货厂商和用户都获得了好处，他们可以使用第三方产品来减少开发和实现周期，可以通过使用最佳性价比的产品优化配置。系统的更新将不再是完全替换，其硬件和软件投资者的利益均得到了保护，系统可以不断升级和发展以融入新的先进技术。
开放式系统在一些水电站已得到了应用，今后将成为主要的模式。
2.开放式分层全分布系统
以往的分层分布系统中，都有一个或多个（冗余系统）主计算机用于存放监控系统的数据库。监控系统中各个子系统，诸如操作员工作站、现地控制单元等，虽然通过网络连接，具备了共享信息的条件，但由于采用的是集中式系统数据库，网络中各节点的工作往往对系统数据库有相当的依赖性，一旦主机出现故障，全系统功能将受到影响。以分布式数据库为特征的开放式分层全分布系统是监控系统的一种新结构模式，在此系统中，网络上各节点具有一定的功能，而且在各节点上分布着与该节点功能相关的数据库。该系统中的电站主控层计算机也只是网络中的一个节点，其数据库只是为了实现该节点对应的全站统计、AGC、AVC功能，而不是全站唯一的总数据库。这样，在网络上各节点之间可进行所需信息的交换，而不再依赖于电站主控层计算机。例如，操作员工作站可以在电站主控层计算机未投入运行的情况下，从各现地控制单元采集数据、更新画面，也可将运行人员在工作站上下达的操作命令通过网络直接传送给现地控制单元去执行，而不需通过电站主控层计算机转发。整个系统中各设备都遵循IEEE、ISO、IEC等有关标准接入一个全开放式总线网络。
总之，水电站计算机监控系统的结构形式多种多样，但最主要的和最基本的形式是集中式监控系统和分层分布式监控系统。功能分散式监控系统是集中式监控系统的演化和派生，它只是在功能上由原来的一台计算机集中承担，演变为两台或多台计算机共同承担，从形式上仍然属于集中式计算机监控系统。开放式分层全分布系统是分层分布式计算机监控系统的发展，其形式特点仍然归属于分层分布式计算机监控系统。
2.3 水电站计算机监控系统的分类
从这些年来水电站计算机监控技术发展的情况来看，其监控系统的分类一般可以根据计算机的作用、配置、系统结构、控制的层次、功能及操作方式等不同原则来划分。
1.按计算机的作用分类（1）以计算机为辅、常规设备为主的监控系统。（2）以计算机为主、常规设备为辅的监控系统。（3）取消常规设备的监控系统，即全计算机监控系统。
2.按计算机的配置分类（1）单计算机系统。（2）双计算机系统或双计算机系统带前置机系统。（3）多计算机系统或多计算机系统带前置机系统。
3.按计算机的系统结构分类（1）集中式计算机监控系统。（2）分布式计算机监控系统。
4.按控制的层次分类（1）直接式计算机监控系统。（2）分层式计算机监控系统。
5.按功能与操作方式分类（1）专用型计算机监控系统。（2）集成型计算机监控系统。
2.4 水电站计算机监控常用的计算机类型
在水电站监控系统中微机处于核心地位。适用于水电站监控的典型微型计算机有工业级微型计算机即工控机IPC、可编程序控制器PLC和单片机。
2.4.1 工控机
个人计算机，即PC机是不适用于工业控制领域的，但PC机具有广阔的硬件支持厂商和丰富的软件产品，软硬件开发环境好，开发工具丰富，有良好的用户界面和图形显示功能，因此PC机对工业控制领域的吸引力是巨大的。在这种背景下对PC机进行改造（如提高抗干扰能力，提高防震能力等）产生了工业级PC机，即工控机IPC。工控机是工业级的微型计算机，构成其硬件的元素基本与个人微型计算机相同，工控机的硬件结构可以分为三种：第一种类似于普通的台式个人微型计算机，称为普通型工控机；第二种是一体化工控机；第三种是模块化工控机。
工控机IPC与普通PC机是兼容的，在普通PC机上运行的DOS（磁盘操作系统）系统、Windows（视窗软件）、各种实时多任务操作系统等软件均可在工控机IPC机上运行。
工控机是面向控制的计算机，工控机的应用软件可在DOS操作系统平台、Windows操作系统平台和网络平台上运行。应用软件采用高级语言编制为主，也有采用高级语言和汇编语言混合编程的。对于简单的小型控制系统，可以利用工控机制造厂商提供的用于控制的组态软件。利用这些现成的组态软件开发速度较快，但是局限性较大，这些软件是按照通用系统进行设计、编制的，且这些软件以西文为主，在国内使用不是很方便，对控制系统中很多特殊要求无法满足。因此，对于水电站计算机监控系统这种复杂的控制系统，工控机的应用软件通常是由开发研究单位根据被监控的水电站设备要求而设计、编制的。
工控机在水电站计算机监控系统中主要作为上位机、前置计算机，其数据存储、管理能力较强，人机界面友好，电站运行人员容易掌握使用。从工控机的性能来看，其也可以作为现地控制单元计算机。
下面对普通型工控机、一体化工控机和模块化工控机的硬件结构分别进行介绍，并着重介绍普通型工控机。
1.普通型工控机
普通型工控机的硬件组成一般有机箱、CPU卡、显示卡、硬盘、软盘驱动器、电子盘卡、数据采集卡、控制输出卡、通信卡、显示器、键盘等，这些组成部分中除机箱、CPU卡外，其他部分是根据工控机的使用场合来组合选用的。（1）机箱。工控机IPC的机箱采用全钢封闭式结构，可以有效防止电磁干扰，全封闭的钢机箱可以上屏安装，工控机机箱内的电源采用开关电源，给计算机提供高质量的电源，电源的平均无故障工作时间（M TBF）至少在50000 h以上。
在工控机机箱上除个人计算机所具有的负压风扇外，还在机箱的正面装有正压风扇，并加装空气过滤器。为了满足扩展需要，工控机机箱中的插槽数量上也多于PC机，有14个PC/AT插槽。（2）CPU卡。工控机CPU卡上有中央处理单元CPU芯片、两个串行口、一个并行口、软/硬驱接口、高速缓冲存储器、看门狗定时器、键盘接口等，可在60℃条件下运行。根据使用需要可以选用386、486、奔腾586CPU卡，IPC机的CPU卡基本同PC机相类似，但PC机的CPU卡通常没有看门狗定时器，且在40℃以下运行。（3）显示卡。IPC机中的显示卡用于向显示器传送显示信号，所起的作用与PC机中的显示卡一致。对于没有显示器的工控机，工控机的机箱中将不配置显示卡。（4）硬盘、软驱、电子盘卡。根据需要通常在IPC机中配置硬盘、软盘驱动器、电子盘卡等，在PC机中通常只配置硬盘和软盘驱动器，而没有电子盘卡。（5）数据采集卡、控制输出卡。数据采集卡、控制输出卡是IPC机中特有的板卡。数据采集卡有开关量I/O采集卡、模拟量A/D采样卡等，控制输出卡有开关量输出控制卡、模拟量D/A输出控制卡等，这些板卡有各种型号和规格，可根据需要选用。（6）通信卡、显示器。通信卡主要用于IPC机。显示器通常是普通PC机的标准配置，但对于IPC机来说却不是标准配置，在许多应用场合中，IPC机不需配置显示器，当然也有许多场合是需要配置显示器的。配置的显示器也不是PC机通常的14英寸，而是20英寸或21英寸。（7）键盘。键盘是PC机的标准配置，PC机配置有101键或102键标准键盘。但对于IPC机来讲，键盘却不是其标准配置，考虑到调试程序的方便，IPC机现在也往往带有101键或102键标准键盘。根据使用场合不同，有的工控机的键盘带有防水等功能。
2.一体化工控机
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