（控制理论与控制工程专业论文）水电站综合自动化系统的新技术应用研究.pdf

承电站练仓臼前位系统的新授本应掰研究 攮 永奄辩综会自动耗系统瓣新技术瘦耀研究 摘要 本论文概述了水电站综食自动化聚统的现状及发展趋势，对水电站生 产过程的功能、数摊采集、实时监控进行了详细的研究，结合实际科研项 嗣提出了承窀站综合蠡渤仡系统抟慧体方案，设诗了综台囊动纯网络系 统，建立了相应的数据库，开发了s c a d a 功能模块的部分软件，研究了 现场总线设备程水电站脏控系统中的应用技术，给出了用p l c 进行水电 站篮控的较辞释硬件实缝方案。疑螽结合淄焚器，鼹务器摸式网络结掏提 出了在w i n d o w s9 5 下通过m o d e m 进行远程数据交换的方法。实践证明 上述新技术在水电站综合自劫化系统中的运用楚切实可行的。 关键谓：水电站，综合自动化，现场总线。网络技术，数据库技术 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no f n e w t e c h n o l o g yf o r h y d r o p o w e r s t a t i o ns y n t h e t i ca u t o m a t i o n s y s t e m a b s t r a c t nt h i s p a p e l t h ec u r r e n ta n d 如t u r e d e v e l o p m e n t a b o u t s y n t h e t i c a u t o m a t i o no fh y d r o p o w e rs t o l o na r e s u m m a r i z e d ，p r o d u c t i o np r o c e s sa n d s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i r e m e n tf s c a d a ) s y s t e ma r er e s e a r c h e d i nd e t a i l ，as c h e m ei sp r e s e n t e di np r a c t i c a lp r o j e c t t h ed a t a b a s e s n e t w o r k s t r u c t u r e ，a n ( if u n c t i o nd e s i g no ft h es c a d as o f t w a r ea r ec o m p l e t e d t h e f i e l d b u sl su s e di nt h es c a d ao fh y d m p o w e rs t a t i o n nt h ee n d t h e m o d e mc o m m u n i c a t i o nc o n t r o ip r o g r a mi nv bo nw i n d o w s9 5b a s e do n b r o w s g s e r v e ra r c h i t e c t u r el se x p l o r e dt or e a l i z er e m o t ed a t ae x c h a n g e 1 t1 1 a s b e e ns h o w nt h a tn e w t e c h n o l o g ym e n t i o n e da b o v ea r ef e a s i b l ea n de f f e c t i v ei n p r a c t i c eh y d r o p o w e rs t a t i o n k e yw o r d ：h y d r o p o w e rs t a t i o n ，s y n t h e t i ca u t o m a t i o n ，f i l e d b u s ，c o m p u t e r n e t w o r k ，d a t a b a s e 湖南大学硕士学位论文 水电站综合自动化系统的新技术应用研究 绪论 一、水电站综合自动化简介 水力发电是我国电力系统中的重要组成部分。水力发电由丁i 能源清 洁，经济效益、社会效益都十分可观。在电网中，水电站负担着发电、调 峰调频、事故备用的重要作用。水力发电动力来源特殊，水电站的位置一 般远离城市，有的甚至地处荒郊野外，因此水电站的工作环境和工作条件 都比较差，同样的情况也出现在变电站系统中。水电站综合自动化最初的 目的就是为了实现少人值守甚至无人值守，由此发展起来的水电站综合自 动化，在后来的发展过程中同时也达到了提高供电可靠性，增加发电经济 效益的目的。水电站综合自动化系统以计算机监控系统作为基础，其主要 内容包括水电站所处河流的水情测报，辅助公用设备的开、停机控制，r 况监视：水轮发电机组的启、停操作控制，工况控制：输、配电线路的自 动操作和电力负荷的凋度与分配等等。 随着水电站规模及复杂性的增大，水力发电重要陛的不断增加，水 电站发电星越来越大，结构变得复杂而庞大。由于电力从根本上来说是一 种特殊的工业产品，它不能存储，瞬态过程非常迅速，因此水电站综合 自动化系统需要遵循保证供电的可靠性，供电的质量且同时兼顾运行的经 济性的原则。水电站综合自动化系统的特点首先是对象复杂，设备多而且 地理分布较散，对予对象的控制反应要迅速，其次是被控参数变化多而且 随机性强。另外，水电站综合自动化系统干扰严重。由于水电站系统中故 障的发生是随机的，而且发生故障的设备被切除后将会使水电站综合自动 化系统的结构产生变化，这进一步增加了水电站综合自动化的难度。由r 具有以上特点，因此一个水力发电站不可能靠人力来进行监控。 水电站综合自动化从其内部所具有的功能上而言，主要完成频率及有 功功率调节，电压及无功功率调节和根据需要完成自动发电控制。实施的 主要监控对象为电气二次设备，其中综合了包括传感器技术、计算机技术、 网络技术、数据库技术、通讯技术、控制理论、多媒体技术及现代管理技 术等诸多方面内容，是一个涉及面广而复杂的大型系统工程。 二、国内外：k 电站综合自动化的现状和发展趋势 目前，欧美等发达国家已经基本上实现了水电站综合自动化，达到 了无人值班、少人值守的运行管理水平，尤其是小水电站由于设备简单， 生产过程单一，在电力系统中不起重要作用，实现全面自动化和遥控比较 容易，因此早在5 0 年代计算机还没有运用时，大批小型水电站就已经实 现了全面自动化和遥控，且大多数已经达到了无人值班的水平。对于中型 水电站、部分大型水电站，个别特大型水电站以及抽水蓄能电站，也逐渐 实现了无人值班和准无人值班。目前，国外经济发达国家电力行业的自动 控制及集中控制，已经由原来的单个水电站的自动化，无人值班发展到现 湖南大学硕_ 上学位论文 水电站综合自动化系统的新技术应用研究 绪论 在的区域性发、供电一体化，由设立的调度所集中对数十个或更多的水电 站、变电站进行发、供电控制。 近年来，随着我国电力科技水平的不断发展，许多新建的水电站都设 计并初步实施了以计算机监控为主的综合自动化系统。7 0 年代，我国水 电站自动化技术水平比较落后从8 0 年代初开始，我国有近2 0 个水电站 及梯级调度水电站从国外引进了先进的自动化系统。这些系统对于促进我 国水电站综合自动化系统的发展，对于掌握和学习国外先进的技术及管理 经验，都发挥了相当有效的作用。近2 0 年来，我国水电站综合自动化技 术发展迅速，国内的科研院所以及水电站运行人员汲取先进经验，开发研 制国产的水电站综合自动化系统，为我国的水电站综合自动化水平的提高 作出了巨大贡献。其中两个主要的科研单位为电力自动化研究院和中国水 利水电科学研究院。其他的几个主要集成制造企业有南京南瑞集团，北京 四方公司，许昌许继集团等几家。我国的国产水电站综合自动化系统的电 站总容量已经达到了百万千瓦以上，单机容量也已经达到了4 0 万千瓦 而且在硬件配置、软件开发、系统集成、抗干扰措施、新技术应用以及售 后服务等各个方面都已经开始接近或达到9 0 年代国际先进水平。 总结各类已经实施的水电站综合自动化系统，可以发现大部分具有以 下几个方面的特征： 第一、在系统模式上，各个水电站综合自动化系统都符合国际标准组 织所推荐的开放环境规范或是具有开放式系统的特性。 第二、在操作系统上，大部分水电站均采用开放环境操作系统u n i x 的某种版本。例如，s o l a r i s 是s u n 公司的u n i x 操作系统，而d e c o s f 1 则是d 1 0 i t a l 公司的u n i x 操作系统。 第三、各水电站在局域网中均采用i e e e 8 0 2 3 规约，都采用以太网和 “载波侦听、多路访问、冲突检测”的原理进行工作。虽然从通信的原理 和效率来看，以太网并非最佳，但是却比较经济而且应用广泛。网络介质 中部分已经采用光纤，例如葛洲坝、李家峡和二滩水电站。网络的速率已 经达到了每秒1 0 0 m b i t s 。 第四、在冗余配置上，各水电站综合自动化系统都采用了双网冗余系 统，各公司、厂商也都具备配置双网冗余系统的能力，采用的通信规约基 本上是t c p i p 协议。 第五、由于各水电的操作系统大多为u n i x ，因此除少数水电站如十 三陵抽水蓄能电站以外，均采用xw i n d o w s m o t i f 人机界面以提供丰 富多彩、功能强大的多窗口显示系统。 第六、各综合自动化系统的指标均能满足水电站正常运行的需要，国 内产品的动作成功率和设备可用率完全可以与国外产品相媲美。 通过以上的比较，可以看到，国外水电站的综合自动化起步旱，技术 和水平确实领先，但是国内的厂商通过对国外新技术的引进、消化和吸收， 其技术也已经达到了国际上9 0 年代的水平，而且因为所具有的本土优势， 在系统的可操作性和服务上超过了国外厂商。美中不足的是，由于我国自 动化元器件制造水平以及软件开发水平的相对落后，我国水电站综合自动 2 湖南大学硕士学位论文 水电站综合自动化系统的新技术应用研究 化系统在硬件的工艺水平和软件的规范化方面还有许多需要进一步深入细 致的工作要作。并且，在专家系统、培训仿真、多媒体与工业电视的有机 结合以及状态检修等先进技术方面还要加强研究力度，并随时跟踪国外的 新技术发展动向。 三、本文就水电站综合自动化所作的工作 本论文根据水电站综合自动化的内容，结合当前的状况和应用前景， 通过参与实际科研项目，分析了水电站发电的现场生产工艺流程，描述和 建立了水电站综合自动化系统中数据库的结构框架，针对水电站综合自动 化底层硬件的监控，以当前的现场总线技术为依托，研究了现场总线智能 仪表和p l c 在水电站实时监控系统中的应用。在水电站监控系统软件开 发中，针对局域网中数据传送以及水电站数据库和应用程序之间的关系， 分析比较了客户，月日务器模式和浏览且务器模式各自的特点，并相应的对 关键部分作了编程实现。水电站中要达到的少人值守或无人值守，一个重 要的的方法便是通过遥控、遥调、遥测、遥信的功能，因此，对远程数据 交换的实现，本文作了不同方式的尝试。 3 湖南大学硕士学位论文 水电站综合自动化系统的新技术应用研究 水电站的现场生产过程概述 第一章、水电站的现场生产过程概述 水电站是把水能转换成电能的工厂，水电站采用集中水头和调节径流等 措施，把天然水流中蕴藏的位能经水轮机转换为机械能，再通过发电机组转 换成电能，最后经过输变电设备将电能送入电力系统或者直接供电给用户。 水电站自动化是采用机械、电子设备按照预定要求代替人工进行水电站生产 作业的技术。它自动的对水电站进行监视、控制、调节和管理，目的是提高 水电站运行的安全性、经济性、劳动生产率和供电质量。 水电站运行时影响因素多涉及面广，机组操作控制启停频繁，运行方 式对计算和保护控制的准确性、实时性要求较高，特别是有、无功负荷的分 配及调整影响频率和电压的变动，从而使经济负荷分配系统、频率调整系统 和电压调节系统的工作相互影响，相互联系在一起，因此、水电站运行的自 动控制极为复杂和困难。 水电站的自动化的内容大致包括以下内容：频率及有功功率自动控制； 电压和无功功率控制；同期运行；继电保护：更广义的来讲，还包括电力调 度及变、配、送电综合自动化子系统： 如图1 1 所示为水电站发电的工艺流程： 水工建筑( 大l 杆点 坝、厂房、进仁+ 厂日i 丁 水闸门) j 。 同孺丽瓣 率控制策略 继电保护 装置 水轮机i 刊发电塑卜丽 转建倍 机疆开母机 谭辑擅自i i 、调相、励 磁装置 2 、无功补偿 3 、调压、分 压嚣 图1 1 水力发电生产过程流程 1 1 、水电站的频率及有功功率自动控制 水轮发电机组的频率控制是对水轮发电机组的工作及其转换过程自动监 视与控制。它以机组自动监控装置为核心，通过水轮机调速器、自动化元件 和机组附属设备，根据控制指令自动完成机组二 况转换、安全监视和保护。 4 湖南大学硕士学位论文 豳 水电站综合自动化系统的新技术应用研究水电地的塑生产鼍皇毽塑堕 控制机组的指令可以来自上级调度所，也可以来自电站内部最优负荷分配装 置或低频自启动装置，还可由运行人员手动给定。近年来多使用微机系统或 者可编程控制器完成自动监控任务。机组的功能有禁止、发电、调相三种。 工况可以在上述三者之间转换。 水轮机是将水流的能量转变为机械能的种动力机械，利用水电站的水 头和流量来做功。水轮机按水流对转轮的水力作用不同，可以分为反击式水 轮机和冲击式水轮机两大类，又各自分为若干小类型。其中反击式包括混流 式、轴流定桨式、贯流式，冲击式水轮机包括水斗式、斜击式、双击式。 水轮机靠调速器进行速度调节，其目的是为了保证供电质量，根据电力 用户的要求，发电机的频率应该保持不变，但是发电机的频率与其转速有下 列关系： f = p n 6 0 其中f ：频率：p ：磁极对数；n ：转速。要保持频率不变，必须使转速不 变，但是，负荷是根据需要随时变化的，从而引起转速的变化。调速器的作 用在于根据发电机负荷的增、减，调节进入水轮机的水的流量，使水轮机的 出力与外界的负荷相适应，使转速恒定。一般波动范围为：农村用电不超过 5 ，大电网2 。 调速一般分为手动、电动和自动三种。调速器按工作机构动作方式分类， 又可以分为机械式和电气液压式两大类。 由于水轮机由进水控制因此对水轮机进水阀的监控就非常重要。水轮 机的阀设在水轮机蜗壳进口渐变段前的压力钢管上，水电站中广泛采用的主 阀有：蝴蝶阀，球形阀，平板阀。蝴蝶阀是应用较普遍的一种主阀，它设置 在水轮机蜗壳进口之前。 在机组引水管进口处装有快速阀门，它能在机组发生过速事故时，在两 分钟内全部关闭完毕，以阻止机组过速事故继续发生。 如图1 2 所示为水电站的频率及有功功率自动控制流程图 朗i2 锺罩和百自功率自动控制* 坑 在控制发电频率和有功功率的基础上，可以进步实现水电站的自动发 电控制。水电站自动发电控制是按照预定条件和要求自动控制水电站有功功 湖南大学硕士学位论文 孱一 ：一 匦酉吾 l 图葑 水电站综合自动化系统的新技术应用研究 水电站的现场生产过程概进 率的技术。它是在水轮发电机组自动控制的基础上实现全厂自动化的一种方 式。水电站自动发电控制是根据水库上游来水量或电力系统的要求，考虑电 站及机组的运行限制条件，以经济运行为原则，确定电站机组运行的台数， 运行机组的组合和机组间负荷分配。在完成这些功能时，要避免由于电力系 统负荷短时波动而频繁启、停机组。 1 、 自动发电控制的依据： a 、按照上游来水量。这种方式适合于无调节水库的径流式水电站。它是电 站最大限度的利用上游来水量，以不弃水和少弃水为原则，尽量保持电站在 高水头运行，以便使电站获得好的经济效益。 b 、按照给定的发电机负荷曲线或者实时给定的电站总有功功率。这种方式 是在电力系统统一调度下水电站参加电力系统的有功功率和频率的凋节， 完成上级调度下达的计划性和随机性发电任务。 c 、按维持电力系统频率在一定水平下运行。根据电力系统频率的瞬时偏差 和频率偏差的期望值，确定电站的总出力，直接参加电力系统的调频r 作。 d 、按照综合因素。例如，按照给定有功功率和电力系统频率偏差、授电力 系统对工业的要求和下游用水量的需要等进行控制。 2 、 自动发电的限制条件： 自动发电的限制条件如下：机组及主要设备的完好状态；机组的出力限 制、气蚀和振动区等工作条件：对电站要求的备用容量：上、下游水位限制 及下游用水量要求。 1 2 、水电站的电压及无功功率自动控制 水电站自动电压控制是按照一定的条件和要求自动控制水电站母线电压 和全电站无功功率的技术。它按照维护电站高压母线电压在一定水平或按照 给定全厂无功功率的要求，进行机组间无功功率的分配一般要求考虑以f 儿 方面内容： 1 、 首先由调相机组承担无功调节，剩余部分由参加无功调节的机组分 配。 2 、运行机组间的无功功率一般按机组承担无功功率的能力成e f - 例的分 配。 3 、考虑各运行机组有功功率的大小，按一定的功率因数分配机组的无 功功率。 4 、 当水电站的升压变压器带有有载调压抽头时，机组的无功功率调磐 要与变压器的抽头调节想配合，般在调整变压器抽头之前，应最大限度的 利用发电机的电压调整范围。 6 湖南大学硕七学位论文 水电站综合自动化系统的新技术应用研究水电站的现场生产过程概述 5 、要考虑机组的最大和最小无功功率的限制。 如图1 3 所示为水电站的电压及无功功率自动控制流程图 调相是水轮发电机的一种运行状态。水轮发电机调相运行时，机组并网 后按同步电动机方式运行：从电力系统间吸收有功功率来补偿机组的铜耗、 铁耗和风摩擦损耗等：向电力系统传送感性无功功率，机组功率因数为零。 机组调相运行的目的是补偿电力系统无功功率不足，维持电力系统电压水 平。 水电站的励磁系统主要完成的就是控制水轮发电机的电压和无功功率。 水轮发电机励磁控制系统的构成如图l4 所示： 发电机 图14 同步发电机励进控制系统 它是由同步发电机及其电压互感器( y h ) 、电流互感器( l h ) 和励磁系 统组成的一个反馈自动控制系统。励磁系统是向发电机供给励磁电流的系 统，包括产生发电机励磁电流的励磁功率单元、自动励磁调节器、手动调节 部分以及灭磁、保护、监视装置和仪表等。自动励磁调节器是根据发电机电 湖南大学硕士学位论文 水电站综合自动化系统的新技术应用研究曼电站的现场笔兰垫堡塑竺 压和电流的变化以及其它输入信号，按事先确立的调节准则控制励磁功率单 元输出励磁电流的自动装置。 同步发电机励磁控制系统的主要任务有： 1 、控制电压： 发电机单机带负荷运行时，励磁控制系统的电压调节作用可以用图1 5 说明。其中f l q 是发电机励磁线圈。 m 圈 图1 5 励磁调压原理图 ug 、i g 分别为发电机定子电压和电流。在正常情况下，流过f l q 的励磁电流i l 在同步发电机内建立磁场，使定子绕组产生空载感应电 势e 0 ；改变i l 的大小，就可以使e q 发生相应的变化。根据发电机稳 态运行的等值电路图，其间关系用数字式表达为： e c ! = u g + j i g x d 其中x d 为发电机的直轴电抗。 分析电机电气原理并经过数据推理，可以得出如下结论： a 、通过调节发电机励磁电流来调节发电机电势e q 可以改变发电机无功电 流i q ，从而调节发电机电压u g 和变压器高压侧电压u b ，维持发电机端电压 u g 或系统内某一点电压( 如变压器高压母线电压u b ) 在给定水平。 b 、 若发电机接入无穷大电力系统，即x b = o 、x l = o ，则发电机电压等丁_ _ 系 统电压，随系统电压的变化而变化，调节发电机励磁电流不再会引起发电机 电压的变化，即发电机励磁调节系统不再有调节发电机电流的作用。 2 、合理分配并联运行发电机间的无功功率。 假设同步发电机与无穷大电力系统并联运行，即发电机端电压不随负荷 的变化而变化，是一个恒定值，同时假定发电机定子电阻为0 。由于发电机 发出的有功功率受调速器控制，加速器是根据频率变化动作的，而调节无功 功率又不会引起频率变化因此机组发出的无功功率变化时，发出的有功功 率p g 为常数。因此，由于发电机电压为定值，所以当励磁电流增加时，发 电机发出的无功功率( q g = u g i g ) 就增加了。同样的理由，当发电机励磁电 流减少时，发电机发出的无功功率就会减少。上述即无功功率调节的原理。 电力系统中有许多台发电机并联运行，为了保证系统的电压质量和无功 潮流合理分布，要求合理控制电力系统中并联运行发电机输出的无功功率。 8 湖南大学硕士学位论文 圃 水电站综合自动化系统的新技术应用研究 水电站的观场生产过程概述 所谓“合理控制”包含两层意思：a 、每台发电机输出的无功功率数量合理； b 、当系统电压变化时，每台发电机输出的无功功率要随之自动调节，而且 调节量要合理。 3 、提高电力系统的稳定性。 4 、改善电力系统的运行条件 当电力系统由于种种原因出现短时低电压时，发电机励磁自动控制系统 可以发挥调节功能，大幅度的增加励磁电流以提高系统电压。在下列几种情 况下可以改善系统的运行条件。 a 、改善异步电动机的自启动条件。 电网发生短路故障时，电网电压降低，使大多数用户的电动机处于制动 状态。故障切除后，由于电动机自启动时需要吸收大量无功功率，以至延缓 了电网电压的恢复过程。发电机强行励磁的作用可以加速电网电压的恢复， 有效地改善电动机自启动条件。 b 、为同步发电机异步运行创造条件： 同步发电机失去励磁时，需要从系统中吸收大量无功功率，从而造成系 统电压大幅度t i 降，严重时甚至危及系统安全运行。在此情况下，如果系统 中其它发电机组能够提供足够的无功功率，以维持电压水平，则失磁的发电 机还可以在定时间内以异步运行方式维持运行，这不但可以确保系统安全 运行而且有利于机组设备的运行。 c 、提高继电保护装置工作的正确性： 当系统处于低负荷运行：状态时，发电机的励磁电流不大。如果系统此时 发生短路故障，短路电流较小，且随时间衰减，以至带时限保护不能正常动 作，励磁自动控制系统可以通过调节发电机励磁电流来增大短路电流，使继 电保护正确动作。 5 、防【上水轮发电机过电压： 水轮发电机组的额定转速很低，标准转速为7 1 4 1 0 0 0 r r a i n ，大多在每 分钟2 0 0 转以下。根据发电机频率f 、转速n 和转子极对数p 之间的关系 f = - p n 6 0 ，转速很小，则极对数就很多，一方面使得发电机励磁绕组的匝数 增多，转子时间常数增大：另一方面，为了安装这么多的磁极就使转子的直 径要做得很大，使转子的质量很大，这样就使得水轮发电机组的机械转动惯 性很大。为了防止水轮机引水管道中水压突然上升得过快，导致引水管道破 裂，在机组甩负荷时不能以最快的速度来关闭水轮机导水1 1 f 。上述这些因素 结合在一起，使得水轮发电机突然甩负荷时转速会升得很高，而励磁绕组中 的电流又不能很快衰减下来。由于发电机电压与励磁电压利转速成正比，往 往使得水轮发电机甩负荷时端电压上升，即产生过电压。 对励磁系统一般有以下几点基本要求： a 、应当具有较高的可靠性。 b 、保证发电机具有足够的励磁容量。 9 湖南大学硕士学位论文 水r u 站综台自动化系统的新技术应用碰咒水电站的聪j 墼苎过i 塞壁堡 c 、燕青足够的强励能力。 d 、保证发电机电压调差幸存足够的整是范围。 e 、保证发电机电压有足够的调节范围。 f 、保证发奄祝藏磁自动控制系统其有庭好的调节特灌。 h ! ! ! 竺! ! ! 翌： 舞l ! m 藤 电蹿崩磷涸节嚣 报电文甑懈啪辅 龟琳剥刚i 谴节尊) 图1 6 固步发电枧励谨自动控q 番缝基本姆盛凝分类 同步发电机励磁自动控制系统的基本均成： 如图i 6 所示艇同步发电机励磁自动控制系统的基本构成示意图。同步 发电挺鼢磁鑫动控制系统莛由发电撬及萁励磁系统组硪的挺镄自动控制系 统。发电机励磁系统由自动励磁凋节器和励磁功率孳元缎成。自动励磁调节 器分机电式励磁调节器、半导体莉磁调节器和计算机励磁调节器。励磁功率 擎元分为蠢渡电源麟磁帮交流电源瓣避。直流电源磁磁静电源为直流发电 湖商犬学碳：l 学位论文 水电站综合自动化系统的新技术应用研究 水电站的现场生产过程概述 机，称为直流励磁机。交流电源励磁包括交流电源和整流器两部分a 交流电 源励磁的电源分为交流发电机、串联变压器和并跌变压器。整流器分为可控 硅和不可控硅整流。整流电路分为静止整流电路和旋转整流电路两种形式。 旋转整流电路的整流元器件是和发电机转子同轴旋转的；静止整流电路的元 器件放在地面上静止不动。 发电机励磁系统经历了一个由初级到高级的发展过程。 图1 6 中由下到上基本表示了这个发展过程的各个阶段。 早期，由于整流设备不能输出很大的直流供发电机励磁，发电机只好配 用直流励磁机励磁，而那时半导体尚未诞生或尚未成熟，直流励磁机所配用 的励磁调节器也只能是电磁式励磁调节器。随着半导体技术逐渐成熟，人们 把它引入了发电机励磁系统之中，诞生了半导体励磁调节器。半导体励磁调 节器与直流励磁机和交流励磁机配用就诞生了半导体直流励磁系统和半导体 交流励磁系统。随着计算机技术的不断成熟，人们研制了计算机励磁调节器， 又称为数字励磁调整器。这种计算机励磁调节器和不同的励磁功率单元相配 用，又产生了些不同名称的励磁系统。同时，功率单元中各种交流电源币 整流电路相配用，又产生了各种不同名称的励磁系统。 1 3 、水电站自动化系统中的继电保护 当电气设备发生短路事故时，应当及时用断路器将它从电网中切除，以 免烧毁设备和危及电网安全运行。电气设备出现危险的不正常时应当及时 发出信号通知值班人员。继电保护从某种程度上来讲是与自动监控系统独立 开来的，当自动化监控装置瘫痪时，也还要求继电保护正常工作，因此对于 继电保护测重于保护装置的研制。 对于继电保护装置的基本要求有： 1 、选择性。 2 、快速性。 3 、灵敏性( 在继电保护和自动装置设计技术规程中有明确规定) 。 4 、可靠性。 继电保护过去的设计对于综合自动化考虑得较少，各公司厂家之间也缺 乏统一的标准和接口，操作界面各异。目前研究设计之中的面向综合自动化 的数字式保护装置，具有模块化，系列化的特点除了必须的通信功能外， 很多产品都同时包含了r t u 功能，即遥测、遥信、遥控及其它远方操作功能。 其次，数字式继电保护a d 转换器的精度以及整体抗干扰性能正在不断提 高，通过采用现场总线技术及高速以太网技术，数字式继电保护设备的可靠 性以及通信功能也将大大提高。 数字式继电保护与传统的各种类型的继电保护相比，一个很大的不同就 是保护元件和逻辑主要是由预先设计的软件来完成，因此需要在保护软件设 计的同时，设计相应程序记录保护的各种元件的动作过程以及相应的各种电 气量( 包括采样值和中间运算结果) ，即达到所谓透明化设计。数字式保护 湖南大学硕士学位论文 水电站综合自动化系统的新技术应用研究 水电站的现场生产过程 i 【述 的操作界面正由数码管和打印机向液晶显示器方向发展，且可以各种报表或 者图形方式于本地或者远程进行操作。在数字式保护装置的软件设计上，也 开始用高级语言代替汇编语言进行编程。 1 4 、水电站自动化系统中的并列运行 发电机、电站和电力系统之间的并列运行称为同期操作。要求频率同， 电压相等，相位一致。 同期运彳亍方式有：a 、准同朗：先励磁，再台闸：b 、自同期：先同步 合闸再励磁 电力系统中，并列分为发电机并列和系统并列两种。发电机并列是将发 电机与系统连接的断路器闭合使发电机组投入电力系统运行的操作。系统并 列是将连接两个系统联络线上的断路器闭合使两个分开的系统并联运行的操 作。对并列的基本要求是： 1 、冲击电流不超过允许值，且应当尽可能的小。 2 、并列后应当能够迅速进入同步运行。 进入同期运行是指并入电力系统的发电机组与系统的发电机以相同的电 气角速度旋转，或两个刚并列的系统内的发电机组以相同的电气角速度旋 转。并不是每次并列都是成功的，如果并列时冲击电流超过允许值或者不能 被拉入同步，就会对机组的安全造成危害。当机组容量与系统容量相比足够 大时还会对系统产生扰动，造成系统振荡。出现上述情况时，必须立即将刚 刚并列的两部分解列。由于并列操作不当可能造成殴备损坏或系统振荡，所 以并列操作是电力系统中最重要的操作之一，只有有丰富经验的运行人员才 允许进行手动并列操作。 准同期并列时先将待并列双方的电压加到并列断路器触头两端，然后调 节两侧电压，使电压幅值、频率和相位角分别相等时闭合断路器触头，使并 列双方并列在一起运行。准同期并列用于发电机并入电力系统，也用于将两 个分开的电力系统并列在一起运行。 自同期并列的优点是操作简单、并列迅速、易于实现自动化。同期并列 的缺点是冲击电流大，对电力系统扰动大，不仅会引起电力系统频率震荡， 而且会造成电压瞬时下降。 综合考虑自同期并列的优点和缺点。它只能在电力系统事故、频率降低 时使用。现代电力系统的趋势之一是采用了大容量机组。而大量机组自同期 并列对系统扰动大。同时，自同期并列容易造成机组损坏。现在我国大型水 轮发电机组已经不采用自同期方式并列，中小型水电机组也比较少用。 同期运行的实质是对电压和频率的控制，因此同期运行通常与电压无功 功率控制以及频率有功功率控制结合在一起实现。 2 湖南大学硕士学位论文 承电站缘台自动优系统的新技术应用研究 水电站综自动纯系统的总体改汁 第= 章、水嘏蛄综合自动枕系统的总体谶计 水电站综合自动化系统是建立在对各种数据避行处理的基础之上的， 函诧，要愆设计好一个水电站综合裔动纯系统，首先需要辩求电站幽备个 霞要监控的设器的功能及输入输出进行分振，设计好数据库系统，然后才 能相应的确定应用程序的功能模决和网络结构以及进行软、硬件选型。在 设计土，数据库的设计通常是磷商对象熟，郢一个设备一个数据痒、表， 或者一个流程一个数据库、表，而应用稷序的开发和软、硬件的选型则为 面向用户的，即用户想完成什么操作、功能，则应用程序就如何设计，本 攀就东宅蛄数据痒静结橡秘s 潞潍( s u p e r vj 5 0 r yc o n t r o l a n dd a t a a c q u i r e m e n t - - 监控) 系统所应当具有的功能作了初步的设计 水电熬监控系统设计应当遵镊款辍范和标准有： d l t 5 7 8 9 5电厂计算机监控系统基本技术要求 d l 1 5 0 6 5 - 1 9 9 6水力发电厂计算机监控系统设计规定 d l 5 0 0 2地区电网调度盎动化设计技术规程 s d j 9 8 7电测量仪器仪表装置设计规程 g b 3 4 5 3数据通信基本鳖控规程 g b 3 4 5 4数攒终端( d t e ) 和数据电路终端( d c e ) 之间的接口定 义 g b 2 3 1 8操作系统标准 g b 2 8 8 7计算机场地技术要求 g b 6 1 6 2 静态继电器及保护装靛的电气干扰实验 g b 7 0 5 2电子设备雷誊保护导鬻l j g b 7 2 6 0不间断电源设备 隶电始监控系统设计应当遵循的原剥： l 、水电站监控系统以计算机监控为主，常规监控为辅。水电站监控系统设 计应当体现安全可靠、经济实用的原则。 2 、系统选型照则是离霹靠矬秘控术戏热姓，操终簿肇，维护方馁。不 壁系 统本身局部故障不会影响现场设备的正常运行，且系统的m t b f ( 平均无 敌障时间) 、m t t r ( 平均修复时间) 及各项指标均达剐水电站计算机监 控系统基本技术条件搜定。 3 、系统配置和选型适应计算机发展迅速的特点，充分利用计算机领域的先 进技术。 4 、系统实时性好，抗干扰黢力强。 s 、人机接口能力强，操作简单方便。 6 、其有冗余设计。 7 、具有全系统自检功能，异常情况下压各自投。 8 、采用标准开放式通讯方式，遵守电力行业通讯规约，便于与其他系统接 1 3 湖南大学颂士学位论文 水电站综台自动化系统的新技术应用研究 水电站综合自动化系统的总体驶计 趣。 9 、具有完善的继电保护系统。 系统应当具有的主要技术撑标： 1 、串行通道：同步或异步，各种波特率可选。 2 、实对数据浑豹容量： 应只受计算机的内存容量与处理能力的鼹制。透过在数据库上修改系 统基本参数中各参数数量即可以改变系统容最。例如：遥测个数、遥信个 数、电度个数、计算点个数、线路个数等等。 3 、历史数据席容量： 由磁盘容量所决定 4 、霉 牛顺序记录( s o e ) 分辨攀： 9 9 。9 遥控、遥调正确率1 0 0 9 、系统响应时间： a 、遥信变化送到主站 = 3 s b 、遥测越死医传送 = 3 s c 、遥测全系统扫描( = 3 、8 s d 、遥控命令 = 3 s 、殛西蛹应辩润 = 3 s f 、画面刷新时间3 。1 0 s g 、双机切换时间 = l o 0 0 0 小时 2 1 、监控系统的软、硬件的选型 一、底层硬仕选型； 通常，监控系统在完成数据采集时般常采用以下几种方法。 方法一二 利刖调理扳和i o 采集卡采集数据。这转方法的饯点在予原骥零 开 发、实现都较为简单，基本结构是各分散监控单元利用变送器将水电站 匏模拟、开美譬采集驻焉，交接信号为标准o 、5 茯w l 电平或者4 。2 0 毫安电流送入i o 采集卡，由i o 采集卡通过岛侉软 l 二包熄数据接口烽 1 4 淞鸯大学鞭士学位论文 水电站综合自动化系统的新技术应用卅f 究 水电站综含自动化系统的总体或计 采集到的信号提供给开发者使用。 方法二： 利用p l c ( 可编程控制器) 完成监控。这种技术已被广泛应用于e 业生产当中。p l c 与p c 之间通过数字信号传送数据，因此不存在数据在 传送中的失真问题。p l c 在工厂，企业中运用了多年，经过了实践和时间 的检验，已经成为一种成熟的技术。利用p l c 作为监控的底层是最普遍 的选择。 方法三： 利用当前方兴未艾的各种现场总局技术。几种典型的现场总线各有 各的优势及应用领域，也各自生产和研制了相应的硬件，遵循不同的开 放式协议，是当今自动化技术的热点方向。现场总线技术目前自身尚处 于形成和发展阶段。 方法四： 利用4 8 5 2 3 2 电气标准自定义规约，自编协议或者遵循某些行业部 门颁布的规约，编写串行口通讯程序、自制采集与控制硬件，完成监控 系统的底层。这种方式常常是针对某专用系统，硬件结构与软件通讯 方式较为简单，具有经济、实j l j 、小巧、灵活的优点，多被一些小型厂 矿企业所采_ l 。但是没有统一的标准，没有成套成熟产品，这种技术已 经显得效率低下，较为落后了。 方法五： 结合仪器仪表技术，收集信号作为控制的基础。这种方法在各工业 中均有广泛应用，由于测量仪表重在对数据的采集和处理上，并非针对 监控，因而其对上、对外的接口都不太友好。在应用上有一定的局限| 生。 在设计监控系统时，应充分利用其成熟技术产品。 在水电站综合自动化系统的设计过程中，在全面考察分析用户需求 的基础上，应当根据实际情况综合以上几种方法，灵活配置，发挥各 自优势。完成底层监控方案的设计实施。 二、实时监控系统上层网络的结构： l 操作系统平台的选择： l i n u x 是一种源代码开放的模仿u n i x 的操作系统，其| 生能与u n ix 近似。目前，我国正在推行自主开发操作系统，选定了l i n u x 作为重点 突破口，先后有近十种基于l i n u x 的中文操作系统推向市场，相应的应 用软件和应用方案也正在设计和开发。另一方面改革开放二十年来，我 国引进的水电站计算机监控系统，除了极少数之外，其它多为采用与l i n u x 界面相似的u n i x 作为操作平台例如五强溪、葛洲坝二江电厂、李家峡、 二滩电站等，用x w i n d o w s 作为人机界面。由此看来，选用中文l i r l u x 作为操作平台是今后开发水电站综合自动化系统的必然之选。 2 、开发平台： 在l i n u x 下目前可以采用c 语言进行开发包括图形人机界面在内的 应用程序许多d o s 、w i n d o w s 下的以c 为基础的程序可以迅速的移植到 湖南火学硕l - 学位论文 查皇塑堡垒鱼塾些墨竺塑堑丝查生旦婴窒 查塑苎堡垒旦垫些墨竺些整堡壁! l i n u x 操作系统之下。 3 、数据库： 著名的几种数据库有f o x p r o 、a c e s s 、s y b a s s 、d b 2 、o r a c l e 、 p o w e r b u i l d e r 、s q ls e r v e r 等几种，这几种数据库已经开始提供对l i n u x 的支持。 现在针对某些工业应用，已有一些专用的与某些硬件相配套的组态 软件产品。这些产品已经将许多开发工作完成并模块化了。采用组态方 法可以迅速的开发一套工业监控系统。这将是今后工业应用中的一个方 向。但是组态软件还不够灵活，还不能适应各种复杂的情况，满足不同 的需要。并且现代的综合自动化不仅包括工业上的监控、调度，还包括 m i s ，而这却又正是工业组态软件所难以完成的。 2 2 、水电站监控软件功能设计 一、监控信号及数据分析： 在水电站检测与控制系统中，不管生产对象是什么，其信号类型一般 只有模拟量和开关量两种，具体而言如下： 1 、模拟量： 发电机有、无功功率，三相( 定、转子) 电流、电压 主变及输电线有功功率、无功功率、电流、配电线电流、电度， 低压线路电压、电流、高压线路电压、电流、厂用线路电压、电流， 主变油温、油压、油位、水位、水质、气压、转速、轴瓦温， 交、直流电网绝缘值、水轮机流量、水轮机压力及真空测量 进水口拦污栅压力降测量。 2 、数字量： 电网周波、脉冲电度 3 、状态量： 断路器位置、隔离开关及其它开关电器、事故总信号， 主保护自动装置动作信号、预告信号、装置电源停电信号， 机组运行状态信号、变压器轻瓦斯动作。 4 、事件顺序记录 5 、保护信号 保护开关状态量、保护定值、保护测量值、 保护故障动作信息、保护设备自动诊断信息 二、监控软件功能分析： 分析数据之后可以设计一个水电站监控系统具有如图2 1 所示的功能 摸块： 6 湖南大学硕士学位论文 水电站综合自动化系统的新技术成用研究 水电站综合自动化系统的总体设计 图2 is c a d a 系统功能模块图 ：悔水电站监控系统的电气主接线图作为主界面代替原来的机电模拟 屏并实现可以同时进行查询，在线修改，数据维护答功能。每个功能模块 实现的功能具体如下。 1 、数据采集和监测： 模拟量处理：参数显示 状态量处理：参数显示，状态显示 遥信? 状态发生变化时的处理：区分是人为或是事故引起的变化 状态量实时管理：报表，打印，实时数据查询报警 开关量手动操作功能 事故记录：事故记录各参数的设置，调节以及修改 保护和预告信息处理。 2 、控制： 辅助设备运动控制：机组的开机，并网顺序控制；机组正常停机控制： 机组事故停机控制及手动紧急停机控制：备用电源自动控制： 自动发电控制：自动电压控制： 3 、计算功能： 发电站及调度站均有各种专用公式需要进行计算，可以在该部分事先敬计 好以便于站内或调度进行管理。有负荷预测、输电线路电气计算、机组动 力特性选择、日开、停机计划编制，机组间有、无功负荷经济分配计算， 实时负荷分配计算、负荷调整计算、实时运行情况计算。 4 、图表及打印功能 a 、衄线( 日负荷曲线、年负荷曲线) 、棒图。包括历史数据曲线、实时数 据曲线。 b 、根据各个部门不同时段，不同安全级别，不同需要打印历史或实时数据， 湖南大学顾士学位论文 水电站综合自动化系统的新技术应用研究水电站综合自动化系统的总体改计 其中又分正常打印及异常打印。 5 、绘图。 应为一面向对象的交互式软件 图、系统结构图，综合图等等。 6 、历史数据管理： 打印方式、内容可以按照要求设定。 _ 【 j 户可以自定义各种接线图、曲线圈、棒 将需要存档的数据( 日负荷，年负荷，经济计划，电力规划，气象状况等 等) 保存至服务器上，以便管理。 7 、报警功能： a 、越限报警。 b 、开关变位报警。 8 、事件记录以及全网对时 为了便于分析数据，要求系统具有统一的时间坐标。 9 、双机热备份。 1 0 、系统安全管理。 对于什么时候在什么部门，哪一台工作站或服务器上由谁进行了什 么操作，应当记录下来，以备杳验。另外对于人员、帐号。也应该设计一 套独立的系统。 2 3 、系统总体结构及综合布线 针对不同规模的水电站，可以设计构造以下网络结构：其中现场总 线部分的网络拓扑图将在下一章中进行详细介绍。 1 、 对于大型水电站综合自动化系统： 由小型机作为中心服务器，使用u n i x 操作系统( 如果条件允许， 可以考虑采用l i n u x 或c s i o x 6 4 ) 。数据库采用o r a c l e 、s y b a s e 、 或d b 2 等大型通用数据库系统。企业内部网络通讯采用a t m 交换机构 成a t m 骨干网，主办公室实施综合布线，网卡一率采用1 0 0 m 。 2 、 中小型企业： 由两台小型机或微机作服务器，选用u n i x 或者w i n d o w sn t 操作 系统。数据库可以s y b a s e 或s q ls e r v e r 。企业内部网采用1 0 m 1 0 0 m 快速以太网交换机。： 作站采用w i n d o w s9 5 或w i n d o w sn t w o r k s t a t i o n 。 1 8 湖南大学顶1 + 学位论文 查皇些堡鱼皂垫些墨竺塑堑丝查竺旦婴塑 查生些堡垒皂垫些墨堕竺璺堡堡! 置剖 品 昼昌昌昌昌 * 怕目厦噩电力调度 p s 牢备嚣冀作草吾善# 世庠用i s 霉备嚣配电旱务嚣一培h 印 占l “州 】d i