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广东工业大学华立学院(填所在学院名)本科毕业设计（论文）填公选课课堂论文小型水电站综合自动化系统设计与研究 论文题目 小型水电站综合自动化系统设计与研究系 部 机械电气学部 专 业 电气工程及其自动化 班 级 填14标准化X班 09电气5班 学 号 填所在标准化班序号 12030905035 学生姓名 谢晓珊 指导教师 丁延林 摘要我国水利资源十分丰富，水电发展十分迅速，但是其中相当一部分小水电站仍然存在运行时间长、设计保守、装置落后等问题，严重影响了小水电站的运行可靠性与经济效益，进而影响小水电站建设成本的回收。随着计算机及电子信息技术的迅猛发展，技术先进、性能可靠地微机综合自动化系统开始得到了广泛的应用，因此，研制一套能满足中小型水电站计算机监控需求的系统以提高水电站技术和管理水平，具有重要的实际意义。水电站计算机监控系统是一门设计自动控制原理、计算机网络基础、数字图像处理等学科，并能对水电站进行实时监控和管理的重要技术。论文依据自动发电的控制要求，对典型的二级水电站计算机监控系统进行了结构的配置和方案的设计。系统采用分层分布式的结构体系将整个监控系统分成电站层、现地控制层两层。同时，依据小型水电站自身的特点，在设计时对电站控制层主控设备和现地设备单元之间的通讯，以及保护测控装置与机组见的通信采用CAN总线网络；其他智能设备与机组间的通信均采用RS485/RS232网络。现地控制层的设计中采用了以EDCS-7340和PLC为核心，并辅之于各种自动化仪表，来完成对本地机组的控制和调节。上位机的监控画面的设计选用功能强大的工控组态软件组态王6.55通用版，完成了对水电站监控系统的各种监控界面设计等功能。关键词：小型水电站，计算机监控， 现地控制单元,可编程逻辑控制器AbstractThe water resource of China is very rich, the development of hydropower is also comparatively rapid. However, there are some problems in many small hydro-electric power stations, such as the running time is long, the design is conservative, the installation is backward. All of these problems made serious impact on economic efficiency. Besides, with the rapid development of computer and electronic information technology, advanced and reliable synthetical automation system has been applied widely. Therefore, design and research a suit of computer monitoring and control system which can meet the demand of small and medium-sized hydropower to improve the technology and management level has an important practical significance.The hydropower station computer monitoring and control system is such a kind of technology which involves automatic control theory, computer network, digital image processing etc, and which can also realize the real-time monitoring and management of hydropower station. According to the automatic generation control requirement of hydropower station, the paper finished computer supervisory control system design of a secondly small typical hydropower station .Through adopting the hierarchical and distributed control system structure, the hydropower station control system can be divided into centralize control layer and local control unit layer. According to the characteristic of small hydropower station, we adopt CAN bus network in the design of the communication between the power station control layer master equipment and the local master control unit, and in the measurement and control devices with the local control unit. While in other intelligent devices we adopt the traditional RS485/RS232 network. In the design of local control unit, we adopt EDCS-7340 and PLC, complemented by a variety of automated instrumentation to realize the local control unit control and adjusting. In the design of the supervisory computer section, we adopts the powerful industrial control configuration software-Kingview6.55 universal edition to complete hydropower station monitoring system monitoring interface design and other functions.Keywords: Small Hydropower Station, Computer Supervisory Control System, Local Control Unit, Programmable Logic Controller目录1绪论11.1水电站自动化技术发展11.2水电站综合自动化系统的意义及应用21.3水电站计算机监控系统的任务31.4本课题的目的和内容41.5 小结52小型水电站计算机监控系统总体设计62.1设计的概述62.1.1 某二级小水电站的基本情况62.1.2小型水电站自动化控制系统设计要求72.1.3 小型水电站计算机监控系统结构82.2水电站计算机监控系统的组成92.2.1 基础层102.2.2 机组现地单元（LCU）的结构和功能102.2.3 机组现地单元中PLC控制系统设计112.2.4 电站层的监控部分设计122.2.5 电站保护部分的设计122.3水电站计算机监控系统软件设计132.3.1 水电站监控系统组态软件132.3.2 计算机监控系统结构142.3.3 计算机监控系统数据流向142.4水电站计算机监控系统实现的功能152.5 小结163 机组现地控制单元的设计与研究173.1 机组LCU的功能173.2 机组PLC微机控制器的选择183.3 水电站对各LCU的功能要求213.3.1数据采集的功能213.3.2 数据处理功能213.3.3 安全运行监视213.3.4 控制与调节功能223.3.5 数据通信223.3.6 事故停机处理功能233.3.7 自诊断功能233.4 机组LCU的主要控制设备233.4.1 PLC地址分配233.4.2 PLC的选型243.4.3 现地触控屏的选择253.4.4 测速装置的选择253.4.5 测温装置的选择263.4.6 同期装置的选择263.5 EDCS-7340综合自动化系统的结构和功能配置263.5.1 EDCS-7340综合自动化系统的结构263.5.2 EDCS-7340综合自动化系统的功能配置263.6 机组控制流程273.6.1 机组开机流程273.6.2 机组停机流程293.6.3 事故停机控制303.6.4 紧急停机303.7 小结304 上位机软件的设计304.1 定义外部设备变量314.1.1 数据库的作用324.1.2 数据词典中变量的类型324.1.3 定义数据词典334.2 建立监控画面组态图34参考文献 3551绪论为了适应自动化发展和电力体制的改革需要，水电站综合自动化系统具有越来越重要的作用。其中，计算机监控系统是水电站综合自动化技术的基础，对提高水电站自动化技术起到关键的作用。由于该技术需要一定的资金与技术支持，目前我国大型水电站已普遍采用该技术，但在小型水电站中还有待进一步普及。基于企业发展与技术运用的需要，加上我国又是水资源比较丰富的国家，其中小型水电站的装机容量站水电站总装机容量的50%以上，而水能更是清洁能源，对保护环境具有重要意义，所以针对小型水电站的特点，研究开发合适的，既经济又实用的计算机监控系统，从而改善电能质量，提高效益，是一项具有现实性意义的研究。本课题是针对常见的小型水电站的建设而研究的。其中由可编程逻辑控制器（PLC）实现的现地控制单元（LCU）的成果，对同类型的水电站兴建于开发具有重要意义。 1.1水电站自动化技术发展水电站自动化技术是20世纪初才发展起来的，此前的水电站控制是采用人工手动操作的方式控制的，到四十年代，几乎所有水电站都采用了主机和控制一体化的直接控制方式；五十年代引入了远方控制技术，可以从远方对主机进行检测、控制、保护；六十年代，由于采用了半导体技术，控制回路向电子化、小型化、无触点化方向发展。美国首先将计算机应用到水电站，实现了水电站中控室的集中控制；七十年代后期，集散型监控系统（DCS）开始出台，从八十年代中期开始，计算机技术的发展突飞猛进，以计算机技术、控制技术、通讯技术为核心的“3C”技术已经成为水电站监控系统的主要特征；进入九十年代，随着计算机网络技术的发展，计算机监控系统开始向开放式分布系统迈进；21世纪，随着科学技术的高速发展，电子计算机在各个领域得到广泛应用，一种模块化的基于现场总线的水电站计算机监控系统出现，逐步取代了传统的以常规控制、人工操作为主的控制模式，大大提高水电站的自动化程度，实现水电站“无人值班，少人值守”；此外，通过高速网络节点的信息传递交换，实现资源共享，充分利用网络资源，开发出符合水电站特征的应用软件，是现代水电站追求的重要目标。国外研究发展状况方面讲，发达国家已经普遍实现水电站的全自动，而且由于水电站监控技术发展较快，各国的发展也不平衡。在具体的技术实现上，美国、日本、加拿大等国处于领先地位。如加拿大的邱吉尔瀑布，总装机容量5225MW；美国的大古力水电站，总装机容量6150MW；日本的玉原抽水蓄能电站等都是非常有代表性的水电站计算机监控系统，而且都在设计和研究方面做了非常大的尝试。相比之下，我国的水电监控自动化水平跟国际水平相比还有很大差距。但到了90年代后期，我国的水电计算机监控水平发展进步明显，已经出现研发及生产如变压器、发电机综合自动化装置，线路保护装置，自动准同期装置等以微机为基础的自动化厂家，为计算机监控系统的设计提供了设备保障。但由设资金的短缺与缺乏投资的矛盾，机组自动化技术仍有待完善等因素，在小型水电站中，计算机监控技术的进行尤为缓慢。1.2水电站综合自动化系统的意义及应用随着我国国民经济的快速发展和人民群众物质文化生活水平的不断提高，社会对电力的需求日益增强，对电能质量的要求也越来越高。我国电力行业长期存在自动化水平低下，难以满足社会对高质量电能的要求，为了提高电能质量和发电效率，需对老式水电站中以常规控制、人工操作为主的控制模式进行以计算机监控系统为基础的综合自动化改造；对新建水电站应按综合自动化要求进行设计并实施，使水电站逐步实现少人值班，最终达到无人值班(或少人值守)的目标。水电站大多地处偏僻山区，远离城镇，职工长期生活在较差的环境之中。对水电站进行综合自动化改造的另一个目的就是为了改善广大水电职工的工作和生活环境，用计算机监控系统来代替人工操作及定时巡回检查、记录等繁杂劳动，实现无人值班(或少人值守)。根据国家电力体制改革的要求，实现“厂网分开，竞价上网”后，水电站如果没有综合自动化系统，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，最终也失去了好不容易才争取到的发电机遇。所以，电力体制改革也促使我们要实现综合自动化。令人欣慰的是，近年来随着我国电力科学技术的不断发展和计算机监控水平的不断提高，许多新建水电站都设计了以计算机监控系统为主的高性能的综合自动化系统，一些老式水电站也逐步进行了以实现综合自动化为目标的改造，并都取得了很好的效果。1.3水电站计算机监控系统的任务(1)设备运行的监视 计算机可经常对电站运行设备的各项参数进行巡回检测。当某个或某些参数越限时，监控系统即发出报警信号，并作好记录，按一定时间间隔生成报表；亦可对水电站的正常运行、事故和故障信息的实时或随时记录；对影响关键设备的主要参数做趋势的分析，一旦有异常趋势发生时便以报警信号的形式提醒运行人员及时采取措施。事故时，还可以加速某些重要参数的记录，追记前一段时间的参数变化情况。(2)LCU自动控制水电站通过采用计算机监控系统可以自动地实现机组在各种运行工况间的转变，如空载转停机，发电转调相等；可完成机组的自动同期并网；可实现机组的AGC（频率和有功功率的控制）；可完成机组的AVC（电压和无功功率的控制）；即在系统电压或无功发生变化时，系统能够迅速自动地调整各台机组的励磁和所带负荷，并调整变压器的变压比，以达到使电站高压母线电压处于规定的范围内的要求，同时在机组间合理的分配无功负荷；还可以根据坝区的水位的情况来实现溢洪闸的自动开闭控制。(3)最优发电控制计算机对水电站的控制，最直接的目的就是进行最优的发电控制。控制的主要目的如下：根据电力系统对水电站有功功率的需要，调节水轮机导叶的开度，输入所需的水量。 保证机组的最优配合和负荷的最优分配。当水电站接受上一级调度下达的发电任务之后，水电站运行人员必须根据本电站的机组数、各机组的技术性能，进行合理的组合，使各机组发挥最高的效率，使整个电站以最小的耗水量发出最多的电能。为了达到这个目的，必须制定合理的数学计算模型，由计算机进行计算，将各种可能运行组合的结果进好比较，筛选出最优方案。 保证水电站的电压质量及无功功率的合理分配。这项工作，由运行人员根据电力系统对本电站的要求，给计算机输入控制电站母线电压的上下限值，将无功功率分配给各发电机组。(4)自动事故处理 水电站出现的事故往往是突然的，时间很短促，运行人员很难对事故的性质作出准确的分析判断。在没有计算机控制时，对事故的判断和处理，在很大程度上取决于值班人员的经验。在设置了计算机监控系统后，计算机便对水电站的设备进行在线监视，对运行设备的各种参数进行记录和存贮，一旦发生事故，计算机便对事故进行分析，然后再执行有关的事故处理程序，使事故得到及时的处理，同时还记录了事故的性质、发生的时间和地点。计算机具有存储信息量大、信息处理速度快和逻辑判断力强的特点，因此，成为了处理水电站事故的理想工具。他的实现对电站的安全运行，具有不可估量的总要意义。1.4本课题的目的和内容在电力生产技术上，小型水电站的建设具有与大中型水电站不完全相同的特点，其也是电力系统重要的组成部分，但在建设和管理上，小型水电站表现突出的地方性、群众性、自主性及政策性等特点。因此对小水电站计算机监控的设计与研究就有别于大中型水电站计算机监控系统。研究和设计一套性价比较高的计算机监控系统，对小型水电站设备实施监控、检测、事故处理及数据管理，以及机组故障的智能诊断功能，以闭环控制方式对水电站设备进行控制，实现小型水电站的综合自动化，以充分利用当地的水资源，创造更大的经济效益。本课题是基于典型的某二级小型水电站建设的要求而设计的。在此基础上，对该水电站的保护系统和机组控制系统进行了改造设计，完成了对盖水电站计算机监控系统基本的设计和研究工作，为实现小型水电站监控综合自动化打下了坚实的基础。总的来说，论文立足于工程实际，主要完成如下几方面工作：（1） 从水电站计算机监控系统的监控模式和监控任务出发，具体分析了小型水电站计算机监控设计的特殊性以及监控设计的必要性；（2） 针对小型水电站计算机监控系统设计的特殊性，在比较和分析大型水电站计算机监控系统给的设计结构模式的基础上确定了适用于中小型电站计算机监控系统的总体结构模式，并完成了对目标水电站总体架构的配置以及上位机监控软件的选择；（3） 讨论了机组LCU的各种结构模式，确定了本设计中机组LCU采用PLC+综合自动化装置的结构模式，并完成了对LCU的结构设计、硬件配置和应用程序流程的开发，实现了LCU的手动和自动程序控制功能；（4） 基于组态王6.55中文通用版作出了基本的上位机系统监控平台，对开关站相关参数的数据库，电站相关参数历史报表等功能作了一定了解。1.5 小结本章综述了小型水电站自动化监控系统的发展史和现状，分析了设计适用于小型水电站的综合自动化监控系统的重要性和现实意义，并概述了本文的主要研究内容。2小型水电站计算机监控系统总体设计2.1设计的概述2.1.1 某二级小水电站的基本情况 该水电站为2台1000kW和1台800kW的发电机组。发电机机端电压为6.3kV，主变压器（1B）的容量为3150kVA。近区变压器（2B）的容量为2000kVA。下图2.1 是某电气有限公司提供的有关该水电站设计的系统主接线图。(注：由于受到画图软件限制，系统主接线图可进一步查看论文附带原图)图中一号和三号机组即1F和3F的型号参数为：SFW1000-16/2150 1000kW cos，励磁电机型号为：S9-45kVA 6300/90V /Y-1；二号机组即2F的型号参数为：SFW800-6/1180 800kW cos，励磁电机型号为：S9-30kVA 6300/50V /Y-1。同时，相应的1B主变型号参数为：S11-315O/35 /Y-11；2B主变的参数为：S9-2000/35 /Y-11。图2.1 系统主接线图 Figure2.1 Main chart of the system2.1.2小型水电站自动化控制系统设计要求由于小型水电站在建设和管理上具有与中大型水电站不同的特点，因此必须根据小型水电站自身的特点设计出适当的计算机监控系统，而不能照搬大中型水电站的设计。（1）小型水电站的特点a 建设资金不富余，小水电站多为地方投资或集资兴建，资金来源有限；b 电压变化大，小水电站为独立供电且电能输送的距离较远，因此负荷变化幅度较大，从而导致电压变化幅度也较大；c 运行方式变化较大，小水电站水库容量小，受降雨量影响较大，用电无规律，机组的启、停很频繁；d 技术更新费用小，小水电站用于技术更新和维护的费用甚少，很少更新相关设备；e 技术力量薄弱，小水电站的运行维护人员为专业技术人员的较少，无法维护好技术要求自动化装置的运行。（2）小型水电站自动化控制系统设计的原则a.良好的经济性，根据小型水电站的特点，自动化装置首先要有良好的经济性，包括投资的经济性和维护的经济性；b.高可靠性，小水电站由于技术力量薄弱，技术支持不强，要求采用的自动化装置具有高可靠性、维护工作量小、寿命长的特点；c.技术的先进性，水电站的设计应尽可能地采用高可靠性、易维护的智能装置；d.完整地控制功能，所设计的系统要求主要功能完整，具有较高的自动化程度，个自动化装置应符合国家相关技术标准；e.向综合自动化发展，简化设备以减少投资，向综合自动化方向发展以完善设计，计算机技术的成熟，为小水电站的综合自动化的实现创造了条件；f 集中监控，并逐步实现无人值守，通过对小型水电站监控系统的设计，使其能够实现集中控制，并尝试由少人值守向无人值守，提高劳动生产率，降低运行费用和电能成本。2.1.3 小型水电站计算机监控系统结构计算机监控系统结构大体上分为集中式计算机监控系统结构和分布式计算监控系统结构。分布式计算机监控系统结构又分为全分布式计算机监控系统机构和分层分布式计算机监控系统结构。目前计算机监控系统均采用分层分布式结构。小型水电站所具有的特点决定了其结构不能照搬大中型水电站的设计结构和配置，而应根据自身条件设计出符合小水电站本身特点和要求的计算机监控系统。对于其结构的选择目前主要有两类结构可供选择：一类两级分布式结构，下级是现地控制级，完全按设备单元分布，控制网络可以使以太网、现场总线或RS-485网络；自动化系统配置是基于PC的模块化控制系统。另一类也是两级分布式网络，现地控制级是按设备单元和功能单元混合分布，如保护单元、测量单元是按功能分布的，控制单元是按机组、辅机等设备分布的，控制网络基本上同第一类，主要是由PLC、智能控制单元或检测单元、智能保护单元组成的（如图2.2）所示。为了减少投资，系统的功能又不能减少。为达到此目的，确定以第二种网络结构完成设计，以推动水电站建设向综合自动化方向发展。2.2水电站计算机监控系统的组成 通过对小型水电站计算机监控系统中常见的两种光网络结构模式的分析，并根据国家电力公司对水电站监控设计的相关规定，针对目标水电站运行实际技术特点，论文中确定的小型水电站计算机监控系统总体结构如下图2.2所示。本监控系统采用两级分布式计算机监控系统，第一层又称电站层，有监控计算机组成，主要对全站三台本地机组的实时运行状况进行在线监控并完成对各种采集参数的处理及打印输出等功能；同时还具有RTU通信接口，可与上级调度进行通信，组成一个综合自动化网络。第二层即机组控制层，由四台现地控制单元LCU组成。每台机组为一个现地控制单元（LCU）,发电机的自动程序控制完全由LCU完成，机组的保护、信号显示、测量、计量全部由智能保护单元和智能电子仪表来实现。在每个LCU中，PLC实时采集机组状态和参数，接收上位机发出的各种控制调节指令，对机组进行控制。励磁调节器、调速器和同期装置作为执行装置进行调速、调压和同期并网的功能。2.2.1 基础层 基础层的控制包括机组的开、停机顺序控制，励磁机的调节器、机组的自动调节与稳定。其中顺序控制部分采用PLC进行逻辑控制。励磁调节器和机组调速器均为微型计算机控制的智能单元。 2.2.2 机组现地单元（LCU）的结构和功能 机组现地单元LCU结构框图如图2-3所示，机组LCU由PLC、调速器励磁调节器等组成。全站设4套LCU，其中机组LCU 3套，升压开关站和公用设备用1套LCU。各LCU均为能独立运行的控制系统个（PLC）,具备现地监控功能。 机组LCU1、LCU2、LCU3完成机组运行状态和数据的采集处理及自动程序控制、调节。自动程序控制的基本任务是实现机组的自动开停机，运行工况的转变，自动并网，机组的安全监视和水轮机水力机械的保护等。机组自动操作回路与机组的调节器、控制器等均有良好的接口，可以实现整个电站的微机实时控制。至于本地公用单元LCU4，可以实现对线路、主变、机组智能综合保护单元运行状态指示；对油、气、水压系统设备，厂、站用电设备等的监控；对上下游水位的监测等等。 2.2.3 机组现地单元中PLC控制系统设计 LCU采用了可编程逻辑控制器（PLC）,不但可以克服常规继电器逻辑电路接线复杂、工作可靠性低、反应速度慢、检修维护量大等缺点，还具有设计简单、动作可靠、维护工作量小等优点。目前该技术已在大型水电站自动控制系统中得到了广泛应用 ，在小型水电站中的应用也越来越广。本系统LCU采用可编程逻辑控制器（PLC）和小型驱动继电器相结合的方式，应用于小型水电站控制系统中。在硬件上，所有的输入触点都通过隔离处理后，进入PLC内部，可靠性高、抗干扰能力强。由PLC直接控制高可靠性继电器，再控制现场电磁阀，接线简单，维护方便。在软件方面，采用梯形图程序设计方法。原理图与常规电气图一致，节点、标号地址一一对应，因此易于调试，可在线编辑、监视、调试，设计周期短，功率高。2.2.4 电站层的监控部分设计 电站层的主要功能是完成中央监控和相关数据处理。通过站内的监控网络，将各机组的运行参数、各智能控制保护单元采集到的变压器及发电机数据发送到上位机，在上位机中形成年、月、日格式的数据报表。同时将中控室发出的操作指令传送到各个现地控制单元，完成相应的控制和状态显示的功能。监控工作台（2台）选用台湾研华工控机，其相关型号及性能参数为：IPC-610MB-30LC，AIMB-766VG，双核5200，内存1G、硬盘160G/DVD光驱，配备标准鼠标和键盘，显示器采用三星的22寸液晶显示器。相应的打印机采用的是惠普HP1008,同时配备配套音响一对。2.2.5 电站保护部分的设计 电站保护的任务主要包括对机组、变压器、线路的继电器保护（1） 发电机的保护对发电机要实施的保护有过压保护、纵差动保护、过负荷发信、复合电压启动过电流保护。本系统采用的是重庆新世纪电气公司的EDCS-8130系列中的EDCS-81302智能发电机主保护装置，完成发电机保护任务，一旦发电机发生故障、装置就直接驱动断路器的跳闸线圈，使该发电机与相应的母线解列。（2） 主变压器的保护在本系统的设计中，我们选用的是重庆新世纪电气有限公司的EDCS-7220系列智能变压器主保护装置和EDCS-7230系列智能变压器后备保护装置，实现对主变压器的速断保护、重瓦斯保护、轻瓦斯保护、油温过高保护和复合电压启动过电流保护等。（3） 线路的保护对于线路的综合保护，我们选用的重庆新世纪电气有限公司的EDCS-8110系列线路保护装置，此装置可对35kV线路实施过电流保护和电流速断保护。2.3水电站计算机监控系统软件设计2.3.1 水电站监控系统组态软件 组态软件是计算机监控系统应用最多的软件之一。使用组态软件可以减少系统编程的工作量。根据资料显示，国内外生产组态软件的厂家较多，其中国外比较著名的有：iFIX、WinCC、Intouch、RSView32等。国内应用较广泛的有：组态王、NC2000等。通常，设计人员把精力集中在监控解密那的创造性设计上来，因此，在对上位机组态软件的选择时主要考虑其应用的经济性和设计方的技术人员设计要求，在综合考虑以上诸多方面的要求之后，我们最终选择目前在国内各行业应用比较普遍的工控组态软件组态王6.55中文通用版。 组态王是一款可以运行在Window98/NT/2000/XP/Win7等平台上的组态软件。“组态王”基于“监控和数据采集系统”的管理方案，它能和其他系统软件（各种数据库系统、专家系统等）连接，相互交换并共享数据资源。组态软件不仅能够连接水电站的各个控制设备，而且能使它们之间协调运行，优化全站管理。为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。 组态王Kingview6.55功能强大，包括：全新的支持OCX控件发布的web功能，新增向导式报表功能，拥有可视化操作界面，全面的脚本与图形动画功能，变量导入到处功能，强大的分布式报警、事件处理，支持实时、历史数据的分布式保存，丰富的设备支持库，支持常见的PLC设备、智能仪表、智能模块等等。2.3.2 计算机监控系统结构 一般而言，一个典型的监控软件可分为前台主监控软件和后台管理软件。前台主监控软件完成对系统的实时监控功能；后台管理软件则完成对数据库系统和图形编辑系统的存储管理，监控软件结构示意图如图2.4所示。2.3.3 计算机监控系统数据流向 系统实现监控管理所需要的数据主要来源于两方面。一方面是个LCU采集的实时数据， 而这些数据随时间经常变化，我们称为时变数据；另一方面则是系统数据库中的不常变或不变的数据，我们成之为静态数据。软件运行时，各个对象获取所需的数据，完成相应的功能。计算机监控系统数据的主要流向情况如图2.5所示。图2.5 数据的主要流向图Fig.2.5：Main flow chart of the data2.4水电站计算机监控系统实现的功能 小型水电站基于本身的技术特点，决定了在其对计算机监控系统的设计上不能照搬大中型水电站设计思路。但小型水电站计算机监控系统设计的内容与大中型水电站的设计基本一致，也是要实现对水电站的机组控制、设备调节、事故报警和诊断、线路保护、机组后备保护、机组及相关设备的运行监控、设备运行数据的采集及报表生成与打印、水电站的远程管理调度等内容，也要求在主要功能的实现上实时、准确、可靠地完成对水电站各运行着的水电设备的安全监控。 系统的功能主要包括： （1）对电站设备实现自动监视与记录：计算机监控系统自动完成电站设备数据的采集、处理以及设备运行状况的自动监视与记录，包括开关量信息监视，模拟量信息监视，故障/事故报警、记录与显示，事故顺序记录（SOE）点记录与显示；针对一些对电站运行影响较大的变量还能做必要的趋势分析，以警示相关人员采取处理措施。（2）对电站实现自动控制：根据上级调度要求和电站自身的具体情况，对电站设备进行操作或调节，包括机组的自动开停和并列以及运行工况的自动转换、机组有功和无功负荷的自动调节、自动发电控制（AGC）、自动电压控制（AVC）、断路器操作等。（3）对发电机、主变、线路等主要设备及辅助设备进行保护与监控。（4）实现电站运行管理的自动化：实现运行报表的自动生成，运行操作的自动记录，电站设备参数或整定值的记录与保存，所有报表均可自动或召唤打印以及运行人员仿真培训等。（5）系统通讯：实现与上级调度、水情测报系统、办公自动化网络等计算机系统之间通信，达到信息资源共享，充分发挥整个系统的综合效益。（6）控制权限及系统安全操作的权限：水电站各分层结构要有不同的操作和控制优先权，以利于设备的维护（如检修，现地具有优先权）；同时，针对监控系统的操作要设置不同的安全区和操作权限，以确保系统的安全性。（7）通讯网络及人机接口：水电站监控系统的内部设备之间、外部的系统个分层结构之间都存在通信，要能满足一定的通信要求；同时针对监控的实现通常要采用CRT或LED等人机界面来实现。（8）时钟同步：能维持水电站监控系统的时钟从电站中控层至各调度层的一致性，方便设备的运行操作及相关记录工作。 (9)机组的自诊断及远程智能诊断：为使水电站系统发生故障或事故时，能再尽可能短的时间内得到处理，当今的水电站应同时具有自诊断和远程诊断方式。（10）免维护设计：水电站在完成监控的同时，应尽可能提高运行的可靠性，以响应国家提出的“无人值班，少人值守”的新时期水电站设计要求。2.5 小结 本章讨论了小型水电站计算机监控系统的特殊性及相关的基本要求和满足的技术指标，并针对小型水电站计算机监控系统过的特殊性介绍了小型水电站监控系统的监控结构。通过分析和比较大型水电站监控系统机构的模式，结合当今自动控制技术的发展与现实设计的需求，确定了所设计的小型水电站监控系统为分层分布式的总体结构：电站监控层和现地控制层的结构模式。同时，确定了上位机监控组态软件，对小型水电站计算机监控系统要实现的各项功能作出了较详细的分析。3 机组现地控制单元的设计与研究3.1 机组LCU的功能 机组LCU位于机组旁，它是水电站监控系统的底层控制部分，监控的对象是发电机组及其辅助设备。它又是整个计算机监控系统的核心：一方面它能实现将现场采集的数据信息发送至电站层；另一方面它还能接受来自电站层下达的对相关设备的监控命令。同时，机组LCU还可以独立地完成对机组的控制任务。通过接收来自操作员站或现地机组LCU的控制命令机组完成对现场数据的采集；对机组开停机、并网、机组保护等的控制功能；实现与有关的同期装置、调速器等职能自动化装置进行通信，完成对机组有功功率和无功功率的自动调节。水电站机组LCU的控制功能包括自动控制、数据采集、通信和辅助功能四个部分。 （1）自动控制主要包括机组的开停机控制、快速闸门控制、有功无功的负荷控制、机组自保护、机组相关电气故障的处理、机组的各运行状态的转换及油气水压等的控制。 （2）通讯功能包括机组LCU内部各设备之间数据交换的通讯，也包括机组于上层监控层或远程管理调度层的通讯。 (3)数据采集主要指对包括机组相关电气量和非电气量的模拟信号的采集、开关状态量的采集、温度量的采集及表征故障信号的故障信息的采集。 （4）辅助功能包括机组发电、调相小时数累计以及机组LCU的自诊断和对发生故障的相应处理等功能。3.2 机组PLC微机控制器的选择 目前，对与水电站计算机监控系统的机组LCU的设计较普遍的为工控机加PLC方式，但也有单纯以PLC或工控机为主的方式。下面通过对这几种方法进行比较，已选择适合本设计的最佳方式。（1） 以IPC为主的控制方式采用以IPC为主的控制方式的机组LCU结构，现场设备与主CPU之间连接着A/D模板、D/I模板、D/O模板和人机接口，以及各种转换电路，中间继电器等，线路极其复杂，且满足不了水电站监控系统设计所要求的实时性和高可靠性等的要求。因此，目前新建的水电站，已很少采用该方案进行设计。（2） 以PLC控制为主的控制方式 在采用这种类型的控制结构所设计的水电站机组LCU中，PLC既要完成相关的顺序控制、数据处理等功能，又要完成现地层设备和上位机的通信等功能。其相应的结构框图如下图3.1所示：显然，单纯采用PLC控制所设计的水电站机组LCU，具有机构简单等特点。但同时也应意识到：由于PLC一般都是按照满足工业环境而采用标准化设计，因而具有高可靠性及抗干扰能力强等特点，但在对事件分辨率方面不能满足水电站事件高分辨率的要求；且其在对数据的处理能力和在通信方面都受到限制，特别是在要实现和多种智能设备完成通信的场合，某一种类型的PLC的通信接口数以及其所能支持的通信协议数是很难胜任的。此外，性能强大的PLC价格又较昂贵，在小水电站上使用性价比不高。 (3)以IPC+PLC为主的控制方式 采用这种控制系统设计的LCU中，PLC须完成数据采集和顺控控制的功能，而IPC不但要完成数据处理，还要实现与上位机的网络通信、与PLC通信和人机接口等功能。其结构图如图3.2所示：由上图可作分析：该控制结构类型中PLC与参与机组控制的大部分设备相连，且温度巡检仪和电量测控仪等不参与机组控制的设备与工控机连接在一起，采集的信息均须送由工控机处理。 显然，工控机是计算机监控系统内部网络的节点，采集数据的上传、控制命令的下达都必须由工控机传达才能完成。然而，一旦工控机发生故障，将使整个控制系统处于瘫痪状态，不但上位机发出的控制命令无法下达，而且使得现地层的人机界面上亦无法进行操作。因此，该方式满足不了可靠性的要求，而且控制结构较复杂。（4）PLC+综合自动化装置为核心的控制方式 鉴于以上几种控制方式在小型水电站上实现的弊端，结合小型水电站本身资金不富裕、技术力量薄弱、运行方式变化较大等特点，本水电站采用以综合自动化装置（EDCS-7340）和小型PLC为核心，在加上自动化仪表、输入隔离继电器、输出驱动继电器及手动操作器件等设备构成。其结构如下图3.3所示：由图可以看到，在EDCS-7340和PLC配合下装置通过自动化仪表、输入隔离继电器以及本身的采样系统读入各种信号传入上位机工控机，在对各种信号运算处理后由EDCS-7340和PLC配合控制输出完成相应的控制和调节。3.3 水电站对各LCU的功能要求3.3.1数据采集的功能 LCU通过此功能对电厂的主辅设备的运行状态，运行参数及测量值进行实时采集、工程量化，存入实时数据库，作为系统实时监视、告警、控制、制表，计算和处理的依据。数据采集的对象分为模拟量、开关量、脉冲量等。 开关量：包括断路器、隔离开关和蝶阀的状态、接地刀闸的状态以及水系统、油、气的示流状态及工作状态。励磁系统和调速器工作状态及报警信号，保护动作信号等； 电气量：包括发电机组，变压器及线路的有功能率，采集发电机、变压器及线路的有功功率和无功功率以及三相电流、电压、频率、电度等； 模拟量：指系统以循环方式采集并存入实时数据库的电气、非电气类的模拟量及温度量等。 脉冲量：主要是脉冲电度表的脉冲输出信号的采集。 现场控制单元通过不断采集这些数据量并对其进行分析，从而可以对全站的安全进行实时监控。3.3.2 数据处理功能 对数据处理主要是以下几个方面：（1） 将采集过来的数据进行分析、处理和计算，并将分析后的数据发送至监控或者管理单元；（2） 对模拟量是否超过限值进行检查，但超过限定值的时候要能够及时发出报警信号并作出相应的处理，以确保系统的安全；（3） 对各种中断输入信号进行判定，检查无误后将其存入数据库保存，并报警或者作出相应的处理。3.3.3 安全运行监视 监视面板可显示机组、电气度量和温度量以及有关辅助设备的状态或参数及主要操作画面；在机组LCU上还可观察全厂的其它设备运行情况。机组起动前的起动条件监视：在机组处于停机备用状态时，检查其是否具备发电起动的条件，如油压、气压、主辅设备状态和有无故障等。如有异常情况，除在现地指示外，还应上送电站控制级显示与打印。工况转换过程的顺序监视：连续监视机组各种工况转换过程的操作顺序步的运行，并将主要顺序步上送电站控制级。遇到顺序阻滞故障，则将机组转到安全工况。在值守人员确定原因并消除这种阻滞时，应允许由人工干预回到初始状态；机组LCU异常监视。3.3.4 控制与调节功能 机组LCU在没有电站控制级命令或脱离电站控制级的情况，能独立完成对所控设备的闭环控制，保证机组安全运行。（1）机组LCU能与励磁系统、调速系统协调配合，可以自动或以分步操作方式完成机组的工况变换，并完成有功、无功功率的调整任务。（2）机组LCU包括对机组控制范围内的断路器和各种隔离开关(不包括检修接地隔离开关)的分合控制。所有的开关控制都具有严格的安全闭锁逻辑。（3）机旁设有控制权切换开关，为“远方一现地”。当开关置于“远方”时，机组受控于电站控制级；置于“现地”时，由运行人员通过机组LCU对机组进行控制，机组以“自动”或“分步”方式进行，各操作完成后，现地控制单元均有返回信息。 3.3.5 数据通信 （1）完成与电站控制级的数据交换，实时上送电站控制级所需的过程信息，接收电站控制级的控制和调节命令。 （2）接收电站的卫星同步时钟系统(GPS)的信息，以保持与电站控制级同步。 （3）与调速器、励磁系统、机组保护设备，及与微机温度巡测装置、微机自动准同期装置之间留有串行通信接口。3.3.6 事故停机处理功能 由LCU的智能I/O模件直接对采集到的事故信息进行响应和处理，执行相应的事故停机流程。3.3.7 自诊断