水电站计算机监控技术(绪论)
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资源子网：用来向用户提供信息服务
通信子网：由一些通信链路和节点交换 机组成，其功能是什么呢？
一系列的通信协议及相关的网络软件： 通信协议是为了确保计算机之间能进行 互联并尽可能少的发生信息交换错误而 制定的一组规则或标准，实现通信协议 的软件（及硬件）是计算机网络不可缺 少的组成部分。
三、计算机组网的目的
通常字符同步（或帧同步）传输的同步 技术有异步传输和同步传输两种
（1）异步传输：异步传输每次只传送一个字符。 （2）同步传输：同步传输每次传送几个字节的 数据块。
• 异步通信及其协议
起始位：先发出一个逻辑”0”信号，表示传输字符的 开始。 资料位：紧接着起始位之后。资料位的个数可以是4、 5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。 从最低位开始传送，靠时钟定位。 奇偶校验位：资料位加上这一位后，使得“1”的位数 应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验资料传 送的正确性。 停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、 1.5位、2位的高电平。 空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资 料传送。 波特率：是衡量资料传送速率的指针。表示每秒钟传 送的二进制位数。例如资料传送速率为120字符/秒， 而每一个字符为10位，则其传送的波特率为10×120 ＝1200字符/秒＝1200波特。
全双工方式
• 单工方式 资料始终是从A设备发向B设备。
• 半双工方式 资料能从A设备传送到B设备，也能从B 设备传送到A设备。在任何时候资料都 不能同时在两个方向上传送，即每次只 能有一个设备发送，另一个设备接收。 但是通讯双方依照一定的通讯协议来轮 流地进行发送和接收。
• 全双工方式 允许通信双方同时进行发送和接收。这 时，A设备在发送的同时也可以接收，B 设备亦同。全双工方式相当于把两个方 向相反的单工方式组合在一起，因此它 需要两条数据传输线。在计算机串行通 讯中主要使用半双工和全双工方式
• 分层分布式的控制系统，主要有微机监 控、微机保护、电能质量自动调节控制 等多个子系统
• 在水电站生产过程中，计算机要求实时， 安全可靠地操作被控对象，对生产过程 的数据传输的实时性、安全性和可靠性 提出极高的要求
一、数据通信系统基本组成
通信的基本任务是传递信息，因此通信 至少需由三个要素组成，即信息的发送 者（称为信源），信息的接收者（称为 信宿）以及信息的传播媒介。
• 解调：到达目的地时，接受方再把正弦 波信号携带的信息检测出来，并转换成 适合计算机接受的高、低电平形式。
二、数据通信方式 1、远距离数据通信的基本模型 • 有线形式：双绞线、同轴电缆、光纤 • 无线形式：微波通道、无线扩频 受到干扰时要进行差错检查
2、数据通信系统的工作方式
单工方式
半双工方式
六、分布式操作系统
• 定义 分布式操作系统：为分布式计算机系统配置 的操作系统。能直接对系统中各类资源进行动 态的分配和调度、任务划分、信息传输协调工 作，并为用户提供一个统一的界面和标准的接 口，用户通过这一界面实现所需要的操作以及 使用系统资源，使系统中若干台计算机相互协 作完成共同的任务，有效地控制和协调诸任务 的并行执行，并向系统提供统一的、有效的接 口软件集合。
第二节 计算机操作系统类型
一、什么是操作系统？
• 操作系统（OS）是计算机中最重要 的一种系统软件，是一些程序模块的 集合，它们能以尽量有效、合理的方 式组织和管理计算机的软硬件资源， 合理地安排计算机的工作流程，控制 和支持应用程序的运行，并向用户提 供各种服务，使得用户能灵活、方便、 有效地施用计算机。
一天之内机组运行方式频繁变化，并且要 求达到很高的调节品质（regulation quality）（对模拟量控制系统工作质量的 一种评价。根据热力生产过程的要求，评 价调节品质主要有稳定性、准确性和快速 性三个指标）。
基于以上条件实现水电站优化运行应该如何做？ • 实现站级自动化 • 实现能与水库优化调度计划相协调的优化控制 • 考虑本水电站的运行要求，也要考虑梯级水电 站或跨流域水电站的运行方式对本电站的影响 而传统的自动控制技术无法实现这些要求
与计算机网络系统存在的区别：
（1）分布式操作是网络操作系统的更高级形式，它保 持网络操作系统所拥有的全部功能，同时又具有透明 性、可靠性、高性能等。 （2）网络操作系统与分布式操作系统虽然都属于管 理分布在不同的地理位置的计算机，但最大的差别是： 网络操作系统工作时必须确认网址，而分布式系统用 户则不必知道计算机的确切地址；分布式操作系统负 责整个系统的资源分配，通常能够很好的隐藏系统内 部的实现细节，如对象的物理位置、并发控制、系统 故障等。这些对用户都是透明的。 （3）没有制定标准的协议 （4）要求具有统一的操作系统，实现系统操作的统一 性
1、调制与解调
原因：长距离传输数据时，如果也直接传 送代表二进位信 息的电平信号，那么导线 的电阻会使电信号逐渐减弱，以至于最终接 受方无法收到或者识别信号。而研究发现， 正弦波之类的持续震荡信号能够在长距离通 信中比其他信号传送得更远，因此把这种正 弦波信号作为携带信息的“载波”
• 调制：传送数据时，发送方利用“0”和 “1”的区别略为调整一下正弦波信号的 幅度（或频率，或相位），这个过程称 为“调制”，然后就可以进行长距离传 输。
•
• • • •
数据通信
对地域分散的业务部门提供实时集中 控制 资源共享 实现分布式信息处理 提高计算机系统的可靠性和可用性
四、计算机网络的拓扑结 构
• • • • • 总线型 环形 星型 树型 点到点互连模式
四、计算机网络的分类
1、有线网和无线网 2、星型网，总线网，环形网 3、TCP/IP网，SAN网，IPX网 4、局域网LAN，广域网WAN，城域网 MAN
水电站生产过程的特点
一、发电计划取决于水情及水库的调度计划 二、水电站的机电系统监控功能复杂且要求高 • 大中型水电站在电力系统中承担峰荷和腰荷 • 作为电力系统频率控制任务的主要电站 • 电力系统故障时的重要后备 • 长距离输电的稳定性和无功功率的控制问题
由以上几点提出结论：
• 常规的控制手段和管理方法已无法满足 上述要求 • 提高自动化水平变得非常必要
实时系统的特点：
• 许多实时系统是“专用系统”
• 对外部时间的响应要求十分及时、迅速，有较 强的中断处理机构、分析机构和任务开关机构
• 为保证系统的可靠性往往采用多机甚至双机结 构
• 实时系统的设计常称为“队列驱动设计”和 “事件驱动设计”
五、网络操作系统（network operating system） • 定义：网络操作系统（NOS）是为了使 网络上各计算机能方便而有效地共享网 络资源，为网络用户提供所需的各种服 务的软件和有关规程的集合。
三、数据传输的原理
• 什么叫基带 在数字信号频谱中，把直流（零频）开 始到能量集中的一段频率范围称为基本 频带，简称为基带。由于在近距离范围 内，基带信号的功率衰减不大，从而信 道容量不会发生变化，因此，在局域网 中通常使用基带传输技术。
• 什么叫频带传输 人的语音频率范围在80Hz到12KHz 远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的 电话（电话信道）只适用于传输音频范围 （300-3400Hz）的模拟信号，不适用于直 接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字 基带信号。 频带传输就是先将基带信号变换（调制）成 便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围 的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带 信号在模拟信道中传输。
• 网络操作系统与通常的操作系统的区别： 除了应具有通常操作系统应具有的处理 机管理、存储器管理、设备管理和文件 管理外，还应具有以下两大功能： (1)提供高效、可靠的网络通信能力； (2)提供多种网络服务功能，如：远程作 业录入并进行处理的服务功能；文件转 输服务功能；电子邮件服务功能；远程 打印服务功能
虚 计 算 机
各类用户
操作系统
计算机硬件
其他系统软件
应用软件
二、操作系统的作用资源的调度和分配任务， 以避免冲突，保证程序正常有序的运行 为用户提供友善的人机界面 为应用程序的开发和运行提供一个高效 率的平台：操作系统屏蔽了几乎所有物 理设备的技术细节，它以规范、高效的 方式向应用程序提供有力的支持
第一章 计算机网络基础知识
第一节 计算机网络概述
一、什么是计算机网络
• • 计算机网络是计算机技术和通信技术 相结合的产物。 是利用通信设备和网络软件，把地理 位置分散而功能独立（？）的多个计 算机（及其他智能设备）以相互共享 资源和进行信息传递为目的的连接起 来的一个系统
二、计算机网络的组成部分
水电站计算机监控技术
• 生活中的计算机监控系统
• 水电站（把水能转化为旋转的机械能， 再将旋转的机械能转化为电能）
• 计算机监控系统
电力电能生产、输送、销售的特点： 1、电网（power system）的容量大 2、电源分布更加合理：各区域横向联系 愈来愈多，国家西电东送(West-East electricity transmission project)计 划
•
有了操作系统，计算机才能成为一个 高效、可靠、通用的信息处理系统
• 一些特殊的应用系统，如军事指挥和武 器控制系统、电力网调度和工业控制系 统、证券交易信息处理系统等，它们要 求计算机完成任务有严格的时间约束， 并希望对外部事件能快速做出响应，应 具有很高的可靠性和安全性，这些系统 所使用的操作系统称为实时操作系统。 实时指对随机发生的外部事件作出及时 的响应，并对其进行处理。实时系统通 常包括实时过程控制和实时信息处理两 种系统。
水电站计算机监控系统的定义
利用数字电子计算机对水电站的电能生产 过程进行控制的一种设备集成
• 计算机控制系统是传统的自动控制和自 动化技术相结合的产物
水电站计算机监控技术的应用
• 计算机监控系统是传统的自动控制技术与计算 机技术相结合的产物 • 水电站监控系统的发展经历了人工监控、电话 调度和远动化（远动化就是在远离水电站的控 制中心实现水电站运行的自动控制操作功能， 水电厂实现远动化后，不仅能节省大量运行人 员，提高水电厂的经济效益）直到以计算机为 核心、以现代数据通信为基础的计算机监控
三、水电厂计算机监控技术的优点： 1、提高水电厂的运行可靠性 2、有利于提高水电厂的经济运行水平 梯级水电站的经济运行包括哪些呢？ 3、提高劳动生产率
基本名词解释
• 信息：认识主体所感知或所表达的事物运动及其变化 方式的形式、内容和效用 • 信息处理：信息的收集、加工、存储、传递、施用 • 电磁干扰：电磁兼容性（EMC，Electro Magnetic Compatibility）是指电器、电子产品能在规定的电磁 环境中正常工作，并不对该环境中其他产品产生过量 的电磁干扰（EMI，Electro-Magnetic Interference）。这里包含着两个方面的要求：其一 是要求产品对外界的电磁干扰具有一定的承受能力； 其二是要求产品在正常运行过程中，该产品对周围环 境产生的电磁干扰不能超过一定的限度。 • 水电站自动发电控制（AGC） • 水电站自动电压控制（AVC）
3、组成电网的电能生产方式更加多样： 水电hydroelectric generation、 火电thermoelectricity generation、 风力发电wind power generation、 核电nuclear energy power generation 4、多样化的电力用户对供电的可靠性， 稳定性和电能质量提出了更高要求
第三节 计算机系统的数据通信基础
水电站计算机监控系统实质上是由多 台微机组成的分层分布式的控制系统，主 要包括微机监控、微机保护、电能质量自 动调节等多个子系统。而各子系统一般采 用智能模块化的组成结构，因此必须通过 内部的数据通信，才能完成各子系统内部 和各子系统之间的信息交换。
水电站计算机监控系统及数据通信的特点：
通信子网：由一些通信链路和节点交换 机组成，其功能是什么呢？
一系列的通信协议及相关的网络软件： 通信协议是为了确保计算机之间能进行 互联并尽可能少的发生信息交换错误而 制定的一组规则或标准，实现通信协议 的软件（及硬件）是计算机网络不可缺 少的组成部分。
三、计算机组网的目的
通常字符同步（或帧同步）传输的同步 技术有异步传输和同步传输两种
（1）异步传输：异步传输每次只传送一个字符。 （2）同步传输：同步传输每次传送几个字节的 数据块。
• 异步通信及其协议
起始位：先发出一个逻辑”0”信号，表示传输字符的 开始。 资料位：紧接着起始位之后。资料位的个数可以是4、 5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。 从最低位开始传送，靠时钟定位。 奇偶校验位：资料位加上这一位后，使得“1”的位数 应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验资料传 送的正确性。 停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、 1.5位、2位的高电平。 空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资 料传送。 波特率：是衡量资料传送速率的指针。表示每秒钟传 送的二进制位数。例如资料传送速率为120字符/秒， 而每一个字符为10位，则其传送的波特率为10×120 ＝1200字符/秒＝1200波特。
全双工方式
• 单工方式 资料始终是从A设备发向B设备。
• 半双工方式 资料能从A设备传送到B设备，也能从B 设备传送到A设备。在任何时候资料都 不能同时在两个方向上传送，即每次只 能有一个设备发送，另一个设备接收。 但是通讯双方依照一定的通讯协议来轮 流地进行发送和接收。
• 全双工方式 允许通信双方同时进行发送和接收。这 时，A设备在发送的同时也可以接收，B 设备亦同。全双工方式相当于把两个方 向相反的单工方式组合在一起，因此它 需要两条数据传输线。在计算机串行通 讯中主要使用半双工和全双工方式
• 分层分布式的控制系统，主要有微机监 控、微机保护、电能质量自动调节控制 等多个子系统
• 在水电站生产过程中，计算机要求实时， 安全可靠地操作被控对象，对生产过程 的数据传输的实时性、安全性和可靠性 提出极高的要求
一、数据通信系统基本组成
通信的基本任务是传递信息，因此通信 至少需由三个要素组成，即信息的发送 者（称为信源），信息的接收者（称为 信宿）以及信息的传播媒介。
• 解调：到达目的地时，接受方再把正弦 波信号携带的信息检测出来，并转换成 适合计算机接受的高、低电平形式。
二、数据通信方式 1、远距离数据通信的基本模型 • 有线形式：双绞线、同轴电缆、光纤 • 无线形式：微波通道、无线扩频 受到干扰时要进行差错检查
2、数据通信系统的工作方式
单工方式
半双工方式
六、分布式操作系统
• 定义 分布式操作系统：为分布式计算机系统配置 的操作系统。能直接对系统中各类资源进行动 态的分配和调度、任务划分、信息传输协调工 作，并为用户提供一个统一的界面和标准的接 口，用户通过这一界面实现所需要的操作以及 使用系统资源，使系统中若干台计算机相互协 作完成共同的任务，有效地控制和协调诸任务 的并行执行，并向系统提供统一的、有效的接 口软件集合。
第二节 计算机操作系统类型
一、什么是操作系统？
• 操作系统（OS）是计算机中最重要 的一种系统软件，是一些程序模块的 集合，它们能以尽量有效、合理的方 式组织和管理计算机的软硬件资源， 合理地安排计算机的工作流程，控制 和支持应用程序的运行，并向用户提 供各种服务，使得用户能灵活、方便、 有效地施用计算机。
一天之内机组运行方式频繁变化，并且要 求达到很高的调节品质（regulation quality）（对模拟量控制系统工作质量的 一种评价。根据热力生产过程的要求，评 价调节品质主要有稳定性、准确性和快速 性三个指标）。
基于以上条件实现水电站优化运行应该如何做？ • 实现站级自动化 • 实现能与水库优化调度计划相协调的优化控制 • 考虑本水电站的运行要求，也要考虑梯级水电 站或跨流域水电站的运行方式对本电站的影响 而传统的自动控制技术无法实现这些要求
与计算机网络系统存在的区别：
（1）分布式操作是网络操作系统的更高级形式，它保 持网络操作系统所拥有的全部功能，同时又具有透明 性、可靠性、高性能等。 （2）网络操作系统与分布式操作系统虽然都属于管 理分布在不同的地理位置的计算机，但最大的差别是： 网络操作系统工作时必须确认网址，而分布式系统用 户则不必知道计算机的确切地址；分布式操作系统负 责整个系统的资源分配，通常能够很好的隐藏系统内 部的实现细节，如对象的物理位置、并发控制、系统 故障等。这些对用户都是透明的。 （3）没有制定标准的协议 （4）要求具有统一的操作系统，实现系统操作的统一 性
1、调制与解调
原因：长距离传输数据时，如果也直接传 送代表二进位信 息的电平信号，那么导线 的电阻会使电信号逐渐减弱，以至于最终接 受方无法收到或者识别信号。而研究发现， 正弦波之类的持续震荡信号能够在长距离通 信中比其他信号传送得更远，因此把这种正 弦波信号作为携带信息的“载波”
• 调制：传送数据时，发送方利用“0”和 “1”的区别略为调整一下正弦波信号的 幅度（或频率，或相位），这个过程称 为“调制”，然后就可以进行长距离传 输。
•
• • • •
数据通信
对地域分散的业务部门提供实时集中 控制 资源共享 实现分布式信息处理 提高计算机系统的可靠性和可用性
四、计算机网络的拓扑结 构
• • • • • 总线型 环形 星型 树型 点到点互连模式
四、计算机网络的分类
1、有线网和无线网 2、星型网，总线网，环形网 3、TCP/IP网，SAN网，IPX网 4、局域网LAN，广域网WAN，城域网 MAN
水电站生产过程的特点
一、发电计划取决于水情及水库的调度计划 二、水电站的机电系统监控功能复杂且要求高 • 大中型水电站在电力系统中承担峰荷和腰荷 • 作为电力系统频率控制任务的主要电站 • 电力系统故障时的重要后备 • 长距离输电的稳定性和无功功率的控制问题
由以上几点提出结论：
• 常规的控制手段和管理方法已无法满足 上述要求 • 提高自动化水平变得非常必要
实时系统的特点：
• 许多实时系统是“专用系统”
• 对外部时间的响应要求十分及时、迅速，有较 强的中断处理机构、分析机构和任务开关机构
• 为保证系统的可靠性往往采用多机甚至双机结 构
• 实时系统的设计常称为“队列驱动设计”和 “事件驱动设计”
五、网络操作系统（network operating system） • 定义：网络操作系统（NOS）是为了使 网络上各计算机能方便而有效地共享网 络资源，为网络用户提供所需的各种服 务的软件和有关规程的集合。
三、数据传输的原理
• 什么叫基带 在数字信号频谱中，把直流（零频）开 始到能量集中的一段频率范围称为基本 频带，简称为基带。由于在近距离范围 内，基带信号的功率衰减不大，从而信 道容量不会发生变化，因此，在局域网 中通常使用基带传输技术。
• 什么叫频带传输 人的语音频率范围在80Hz到12KHz 远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的 电话（电话信道）只适用于传输音频范围 （300-3400Hz）的模拟信号，不适用于直 接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字 基带信号。 频带传输就是先将基带信号变换（调制）成 便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围 的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带 信号在模拟信道中传输。
• 网络操作系统与通常的操作系统的区别： 除了应具有通常操作系统应具有的处理 机管理、存储器管理、设备管理和文件 管理外，还应具有以下两大功能： (1)提供高效、可靠的网络通信能力； (2)提供多种网络服务功能，如：远程作 业录入并进行处理的服务功能；文件转 输服务功能；电子邮件服务功能；远程 打印服务功能
虚 计 算 机
各类用户
操作系统
计算机硬件
其他系统软件
应用软件
二、操作系统的作用资源的调度和分配任务， 以避免冲突，保证程序正常有序的运行 为用户提供友善的人机界面 为应用程序的开发和运行提供一个高效 率的平台：操作系统屏蔽了几乎所有物 理设备的技术细节，它以规范、高效的 方式向应用程序提供有力的支持
第一章 计算机网络基础知识
第一节 计算机网络概述
一、什么是计算机网络
• • 计算机网络是计算机技术和通信技术 相结合的产物。 是利用通信设备和网络软件，把地理 位置分散而功能独立（？）的多个计 算机（及其他智能设备）以相互共享 资源和进行信息传递为目的的连接起 来的一个系统
二、计算机网络的组成部分
水电站计算机监控技术
• 生活中的计算机监控系统
• 水电站（把水能转化为旋转的机械能， 再将旋转的机械能转化为电能）
• 计算机监控系统
电力电能生产、输送、销售的特点： 1、电网（power system）的容量大 2、电源分布更加合理：各区域横向联系 愈来愈多，国家西电东送(West-East electricity transmission project)计 划
•
有了操作系统，计算机才能成为一个 高效、可靠、通用的信息处理系统
• 一些特殊的应用系统，如军事指挥和武 器控制系统、电力网调度和工业控制系 统、证券交易信息处理系统等，它们要 求计算机完成任务有严格的时间约束， 并希望对外部事件能快速做出响应，应 具有很高的可靠性和安全性，这些系统 所使用的操作系统称为实时操作系统。 实时指对随机发生的外部事件作出及时 的响应，并对其进行处理。实时系统通 常包括实时过程控制和实时信息处理两 种系统。
水电站计算机监控系统的定义
利用数字电子计算机对水电站的电能生产 过程进行控制的一种设备集成
• 计算机控制系统是传统的自动控制和自 动化技术相结合的产物
水电站计算机监控技术的应用
• 计算机监控系统是传统的自动控制技术与计算 机技术相结合的产物 • 水电站监控系统的发展经历了人工监控、电话 调度和远动化（远动化就是在远离水电站的控 制中心实现水电站运行的自动控制操作功能， 水电厂实现远动化后，不仅能节省大量运行人 员，提高水电厂的经济效益）直到以计算机为 核心、以现代数据通信为基础的计算机监控
三、水电厂计算机监控技术的优点： 1、提高水电厂的运行可靠性 2、有利于提高水电厂的经济运行水平 梯级水电站的经济运行包括哪些呢？ 3、提高劳动生产率
基本名词解释
• 信息：认识主体所感知或所表达的事物运动及其变化 方式的形式、内容和效用 • 信息处理：信息的收集、加工、存储、传递、施用 • 电磁干扰：电磁兼容性（EMC，Electro Magnetic Compatibility）是指电器、电子产品能在规定的电磁 环境中正常工作，并不对该环境中其他产品产生过量 的电磁干扰（EMI，Electro-Magnetic Interference）。这里包含着两个方面的要求：其一 是要求产品对外界的电磁干扰具有一定的承受能力； 其二是要求产品在正常运行过程中，该产品对周围环 境产生的电磁干扰不能超过一定的限度。 • 水电站自动发电控制（AGC） • 水电站自动电压控制（AVC）
3、组成电网的电能生产方式更加多样： 水电hydroelectric generation、 火电thermoelectricity generation、 风力发电wind power generation、 核电nuclear energy power generation 4、多样化的电力用户对供电的可靠性， 稳定性和电能质量提出了更高要求
第三节 计算机系统的数据通信基础
水电站计算机监控系统实质上是由多 台微机组成的分层分布式的控制系统，主 要包括微机监控、微机保护、电能质量自 动调节等多个子系统。而各子系统一般采 用智能模块化的组成结构，因此必须通过 内部的数据通信，才能完成各子系统内部 和各子系统之间的信息交换。
水电站计算机监控系统及数据通信的特点：