（农业电气化与自动化专业论文）基于plc的水电厂现地控制单元的研究.pdf

摘要 摘要 水电站监控系统是实现水电站综合自动化的基础，也是实现水电站无人值班( 少人值守) 的前提条件。随着计算机技术及电子技术的迅速发展和日益成熟，性能先进、运行稳定可靠 的电站监控系统得到了广泛的应用。而现地控制单元是水电站计算机监控系统的基础和核 心，其性能的好坏直接影响着整个计算机监控系统的工作状况。 课题以莲花水电站为研究对象，对水电站的现地控制单元做了介绍。论文分析了我国水 电站自动化技术发展的过程。概括性地叙述了该系统的整体设计，详细介绍了现地控制单元 的测温单元、调速单元、通讯单元，并使用u n i t y p r o 的编程软件进行了程序设计。系统 采用技术成熟的施耐德系列p l c 作为控制器，使用8 通道的温度采集模块，通过远程通讯把 采集的温度量传送至机组p l c ，这种方法1 s 内完成温度采集，缩短了温度采集时间。机组 采用1 0 0 m b p s 快速以太网与上位机通讯，并通过m b + 网与现地的其他单元p l c 相连接，使 网络传输速度得到了提高。 系统使用触摸屏作为现地控制单元的人机界面，并根据要实现的功能做了各种画面组 态，包括机组开停机控制界面、温度监测界面、故障光字牌等画面。 目前改造后的控制系统已经成功投运，实际运行结果证明了该系统能够满足现场实际应 用的要求，达到了预期目标。该系统性能优越，并给电站带来了很大的经济效益，为莲花水 电站实现真正意义上的“无人值班、少人值守”打下了坚实基础。 关键词：现地控制单元；p l cm b + ；监控系统 v 东北农业大学t 学硕十学位论文 s t u d yo nl o c a lc o n t r o lu n i to fh y d r o p o w e rs t a t i o n b a s e do np l c a b s t r a c t h y d r o p o w e rs t a t i o n sm o n i t o r i n gs y s t e mi st h ef o u n d a t i o no fh y d r o p o w e rs t a t i o n si n t e g r a t e d a u t o m a t i o na n di t i st h ep r e c o n d i t i o nt or e a l i z et h eu n a t t e n d e dm o d et o o a l o n gw i t ht h es p e e d d e v e l o p m e n t o fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , t h eh y d r o p o w e rs t a t i o n s m o n i t o r i n gs y s t e mw i t ha d v a n c e dt e c h i n c a lf u n c t i o n sa n dt h ea d v a n t a g eo fs t a b l ea n dr e l i a b l e r u n n i n gi s u s e dw i d e l y w h i l el o c a lc o n t r o lu n i ti st h ef o u n d a t i o na n dc o r eo ft h ec o m p u t e r m o n i t o r i n gs y s t e mi nh y d r o p o w e rs t a t i o na n dt h ep e r f o r m a n c eh a sd i r e c ti n f l u e n c eo nt h ew o r k i n g s t a t u so fc o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m t a k el i a n h u ah y d r o p o w e rs t a t i o na sar e s e a r c ho b j e c t , a l li n t r o d u c t i o nw a sm a d ea i m i n ga t l o c a lc o n t r o lu n i ti nt h eh y d r o p o w e rs t a t i o n t h ep a p e ra n a l y z e dt h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o n t e c h n o l o g yi no u rc o u n t r y sh y d r o p o w e rs t a t i o na n dd e s c r i b e dt h eo v e r a l ld e s i g no ft h es y s t e m n e t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tu n i t ，s p e e dg o v e m i n gu n i ta n dc o m m u n i c a t i o nu n i ti nl c uw e r e d e s c r i b e di nd e t a i li nt h ep a p e r , t h ed e s i g no fc o n t r o lp r o g r a m sw e r em a d et o ob yu s i n gu n i t y p r o p r o g r a m m i n gs o f t w a r e t a k es c h n e i d e re l e c t r i c sp l ca sac o n t r o l l e r , w h i c hh a sh a dr i p eu s ei n h y d r o p o w e rs t a t i o n ，t e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o nm o d u l eo f8 - c h a n n e lw a su s e di nt h es y s t e ma n dt h e t e m p e r a t u r ed a t aw a ss e n tt ot h eg e n e r a t o rs e t sp l cb yr e m o t ec o m m u n i c a t i o n t h i sm e t h o dc a l l c o m p l e t et h ep r o c e s so ft e m p e r a t u r ed a t ag a t h e r i n gw i t h i no n es e c o n dt h u ss h o r t e n st h et i m eo f t e m p e r a t u r eg a t h e r i n g f a s te t h e m e to flo o m b p sw a sa d o p t e dt oc o m m u n i c a t eb e t w e e ng e n e r a t o r s e t sa n dt h eu p p e rm a c h i n e g e n e r a t o rs e t sc o n n e c tw i t ho t h e rl o c a lp l ct h r o u g hm 【b + n e t ，t h u s i n c r e a s e st h et r a n s f e rr a t eo ft h en e t w o r k t h es y s t e mu s e dt o u c hs c r e e na sh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ei nl c ua n dc o n f i g u r a t i o n sw e r e m a d ea c c o r d i n gt ot h es y s t e mf u n c t i o n ，i n c l u d i n gt h ei n t e r f a c eo fg e n e r a t o rs e t s o p e na n ds t o p c o n t r o l ，t e m p e r a t u r em o n i t o r i n gi n t e r f a c ea n dt h ea l a r mw i n d o wi n t e r f a c e b yn o w , t h ei m p r o v e dc o n t r o ls y s t e mh a sb e e np u ti n t oo p e r a t i o ns u c c e s s f u l l ya n dp r a c t i c e p r o v e dt h a tt h i ss y s t e mc o u l ds a t i s f yt h er e q u e s to fs p o t sa c t u a la p p l i c a t i o na n dc o u l da c h i e v et h e e x p e c t e dg o a l s ，t h es y s t e mh a ss u p e r i o rp e r f o r m a n c ea n dg r e a tb e n e f i t sa r eb r o u g h tt ot h e h y d r o p o w e rs t a t i o n a l lt h e s er e a l l yl a yf o u d a t i o n sf o ru n a t t e n d e dm o d ei nl i a n h u ah y d r o p o w e r s t a t i o n k e yw o r d s ：l o c a lc o n t r o lu n i t ；p l c ；m b + ；m o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t c a n d i d a t e ：l i uy a n m e i s p e c i a l i t y ：a g r i c u l t u r a le l e c t r i z a t i o na n da u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f o u y a n gb i n l i n v i i 研究生学位论文独创声明和使用授权书 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼；翅遗直墓他孟要挂别虚明的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我- - n - f _ 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：砷耗二挎 日期：妣厂月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 学位论文作者签 导师签 日期：功穸扩年6 月6 日 日期：卅年月彪日 引言 1 引言 1 1 研究的目的和意义 自从二十世纪八十年代中期，计算机监控系统在水电厂开始应用以来，它在水电厂中的 应用越来越广泛。新建电厂大多数都采用计算机监控系统与新机组同步投运，绝大多数没有 采用监控系统的老水电厂已经或正在进行以计算机监控系统为中心的综合自动化改造。计算 机监控系统是水电厂创国内一流水电厂基础，更是创国际一流水电厂、实现“无人值班，关 门运行”( 冯顺田等，2 0 0 5 ) ( 水利发电厂计算机监控系统设计规定，1 9 9 7 ) 的前提条件。 水电厂计算机监控通常可以分成两大部分，一是对全厂设备进行集中控制的部分，称之 为厂级监控系统，另一部分是位于水轮发电机层、开关站等设备附近的控制部分，称为现地 控制系统。现地控制系统的主要组成部分就是现地控制单元l c u ( l o c a lc o n t r o lu n i t ) ，现地 控制单元l c u 既作为发电厂监控系统的现地控制层，向电厂级、梯级调度中心上行发送采 集的各种数据和事件信息，接受电厂级、梯级调度中心的下行命令对设备进行监控，又能脱 离电厂级、梯级调度中心独立工作。因此在系统总体功能分配上，数据采集和控制操作的主 要功能均由l c u 完成。所以说，现地控制单元是水电厂计算机监控系统的基础，而机组现 地控制单元则更是机组是否安全运行的关键所在( 杨永福等，2 0 0 6 ) 。 随着国民经济的持续发展，兴建的水电厂越来越多，其容量也越来越大。为了实现安全 发供电，需要监测的量成千上万，需要实现的控制功能也越来越复杂。为了实现水电厂的经 济运行，需要进行大量复杂的计算。莲花水电厂虽然使用p l c 技术，但是由于设备老化，可 靠性和抗干扰能力降低：原有的部分配件已经停止生产；通讯已经不能满足要求，上下位机 数据通讯的实时性和可靠性不高，机组的各单元通讯落后；系统软件不能满足数据采集的实 时性和可靠性等等。 本文将先进的分层分布式监控系统设计理念，融于水电站计算机监控系统设计中。在分 析了相关的技术资料和文献后，将工业领域中的新一代的可编程控制器p l c 应用到水电厂 中，使用了高一层次的p l c 和软件，这对于水电厂监控系统无论在技术上还是结构、性能等 方面都是新的突破。通过对莲花水电厂改造的研究，达到如下的目的： ( 1 ) 提高设备工作的可靠性 ( 2 ) 便于维护，易于使用 ( 3 ) 易于扩充和升级 ( 4 ) 结构简单化，层次清晰化 p l c 与3 c 技术( c o m p u t e r ，c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n ) 融为一体，抛弃了现地监控单元 配置p l c 和工控机双c p u 的繁琐做法，使p l c 承担起顺序控制、数据处理、与上位机通信 等多重任务，控制结构简单。电站层和现地控制层通过以太网构成电站监控系统，符合先进 东北农业大学t 学硕十学位论文 的分布式设计思想。 计算机监控系统是现代化发电厂建设和对旧式发电厂改造的重要组成部分，通过合理科 学的开发发电厂计算机监控系统，可以实现对发电厂控制进行技术改造或建设新型现代化发 电厂。因此，随着信息技术的飞速发展，计算机监控系统的改造对今后的莲花发电厂建设具 有十分现实的意义。 1 2 国内外现状 监控系统的发展经历了第一代的全模拟系统，第二代部分数字化的系统，第三代完全数 字化的系统( 网络摄像机和视频服务器) 三个阶段的发展演变( 史邦文等，2 0 0 2 ) 。 随着科学技术，特别是信息技术的发展，电力系统的自动化和信息化越来越多地被电力 系统的各个部门所采用，也为电力系统电能的生产、变换、输送、分配、使用和经济合理地 调度提供了强有力的技术保证；同时也产生了巨大的社会效益和经济效益。发电厂作为电能 的生产部门，电力系统的始端，其自动化程度的高低，直接影响到整个电力系统的安全性、 可靠性、经济性和灵活性。 p l c 由于其在控制的可靠性、实时性和重新组态的方便性等方面具有无可比拟的优越 性，故被广泛地应用于水电厂的现场控制中。目前正在朝大信息量传输、全开放、智能化等 方向发展。已出现了用数据高速公路( d a t a h i g h t w a y ) 将众多p l c 互连起来的大型控制系统 ( 王定一，1 9 9 9 ) 。 1 2 1 水电厂计算机监控系统的国内外发展现状 水电厂计算机控制技术始于六十年代初。自六十年代开始，美国首先把计算机用于水电 厂生产过程，但由于计算机体积太大、性能差，又缺乏软件支持，因而在水电厂中未得到广 泛应用。七十年代，计算机技术有了长足的进步，计算机在水电厂中应用条件日趋成熟，一 些发达国家普遍采用计算机进行水电厂的监控。以日本九大电力公司之一的日本东京电力公 司为例。自1 9 5 l 1 9 9 3 年底统计，共装机4 90 0 0 多m w ，全公司共有水电厂1 5 6 座，机组 2 8 0 台，此外美国的巴斯康泰抽水蓄能电厂，巴西的依泰普电厂等也在很早以前就实行了计 算机监控，且运行状况良好。 我国电力部门的科技人员从七十年代开始对计算机在水电厂的应用进行了不懈的探索。 1 9 7 9 年3 月水电部在古田水电厂召开了全国水电厂自动化经验交流会，会上指定了“六五” 期间水电厂自动化采用计算机的发展规划，安排了不同类型水电厂的计算机监控系统试点项 目：富春江水电厂多微机分布式控制系统( 一期工程) ；葛洲坝二江电厂综合自动化系统； 浑江梯级集中控制系统。通过以上试点工程项目取得的应用成果，充分体现了计算机技术应 用于水电厂自动化监控系统中的优越性和可用性，使科研试点迅速走上实用推广阶段。1 9 8 5 年1 0 月水电部科技司、生产司、水电规划总院在南京举行“全国水电厂自动化技术总结和 2 引言 规划落实”工作会议，又规划了26 3 3 个水电厂实现无人( 或少人) 值班试点( 戴庆华，2 0 0 0 ) 。 改革开放以来，一些水电厂从国外引进了一批监控系统，如鲁布革、葛洲坝大江、潘家口、 广蓄一期、天生桥二级等。通过引进、消化、吸收，使我们对国际水平、世界潮流、国内的 优势及差距都有了更深的了解。 经过多年孜孜不倦的努力，我国水电厂计算机监控技术已经有了很大的发展，不但国内 已有近四十多个水电厂计算机监控系统投入运行，而且在技术水平、实用程度上己达到国外 八十年代水平，有的方面甚至已赶上了国际先进水平。 1 2 2 水电厂机组现地控制系统的国内外发展现状 水电厂机组现地控制装置随着时间的推移，经历了几个不同的发展阶段。最早采用的而 且目前很多老水电厂仍然在运行的是继电器构成的机组自动屏，它是有触点装置，动作状态 比较直观，但是继电器构成的系统具有一系列严重缺点。首先它能完成的功能比较有限，没 有计算和存储的功能：其次是这种装置体积庞大、接线复杂、维护工作量大、可靠性差、与 计算机连接需要许多中间接口设备。基于上述缺点，它不宜直接构成计算机监控系统的机组 控制级。后来，发展成采用固态元件构成的布线逻辑装置来完成机组自动控制功能的机组自 动屏。有触点控制变成了无触点控制，可靠性得到了增强，维护工作量也减少，实现的功能 可以有所增加。随着计算机技术的高速发展和其性能价格比的不断提高，以及水电厂计算机 监控技术的日益成熟，对于8 0 年代末以来新建的大型水电厂，其控制系统中的现地控制装 置相继采用了计算机结构，此时才有了现地控制单元这一专有名词。因此，从某种意义上讲， 现地控制单元就是采用了计算机结构的现地控制装置。为了减少运行人员，降低他们的劳动 强度，实现少人值班或“无人值班”( 程夏蕾等，2 0 0 5 ) ，降低电厂的生产成本，提高电厂 设备运行的可靠性，一些老的水电厂已经做了或正在做这方面的改造工作。 因此，研究和开发性能优良、功能完善、工作可靠、价格适宜、使用方便的水电厂计算 机监控系统，以适应水电厂的发展需要，实现对梯级水电厂的远方集中控制，具有深远的现 实意义( 许汉和2 0 0 5 ) 。 1 3 课题来源 本课题是牡丹江水力发电总厂莲花发电厂提供，是2 0 0 7 年改造项目。 莲花水电厂是牡丹江水力发电总厂牡丹江流域梯级电厂的下游电站，位于牡丹江市莲花 镇。总装机容量5 5 0 m w ，共4 台机组，单机容量1 3 7 5 m w 的混流式水轮发电机组。电站通 过双回2 2 0 k v 的电压等级线路接入电力系统，在电网中主要承担发电、调压、调峰、调频等 任务。 莲花水电厂的主要监控对象为：四台水轮机及其辅助设备；四台水轮发电机及其辅助设 备：主变压器：厂用电及近区用电系统；全厂公用设备等。其主接线如图1 1 所示。 3 图1l 主接线圈 f i g1 - im a i nw ir i n gd i a g r a m 本课题研究的主要内容 文以中小型电站为对象，以牡丹，i 莲花水电厂为实例，根据现场业际情况，对水电厂 脯控系统的现地挣制单元进行改造研究，车论文的丰要内容包括： 1 ) 对现地控制蕾兀进 t 系统分析研究 2 ) 对现地控制单元的测温单元设备老化、数据采集不能及j 对反应等现象进行研究， 施改造： 3 ) 对调速单兀进行理论分 = 【二，仿真实验； 4 ) 分析了原有通讯的弊端，采用p l c 在通讯方面的优势，实施改造： 6 ) 一改过去监控系统中一个现地监抟! 单元配套腑控站的做法，以p l c 为现地控制 顺序控制、数据采集的核心，井兼任将数据上传上位监控站的任务，通过施耐德公r d 作为人机交互界面，实现 机对请。 现地控制单元 2 现地控制单元 2 1 现地控制单元概况 现地控制单元，即l c u ( l o c a lc o n t r o lu n i t 的简称) ，它既作为发电厂监控系统的现地 控制层，向电厂级、梯级调度中心上行发送采集的各种数据和事件信息，接受电厂级、梯级 调度中心的下行命令对设备进行监控，又能脱离电厂级、梯级调度中心独立工作。因此在系 统总体功能分配上，数据采集和控制操作的主要功能均由l c u 完成。其它的功能如发电厂 运行监视、事件报警、a g c 、a v c 、与外系统通讯、统计记录等功能则由发电厂计算机监控 系统完成( 虎勇，2 0 0 2 ) 。 莲花水电厂计算机监控系统采用南瑞自控公司的n c 2 0 0 0 计算机监控系统。根据实际情 况，其监控系统采用三网四层的全冗余分层分布开放系统总体结构。三网即厂站控制网、厂 站管理网和信息发布网，采用网络分层结构，使不同性质的信息在不同的网络通道上传输， 避免相互干扰，确保系统控制的实时性、安全性和可靠性。四层即现地监控层、厂站控制层、 厂站管理层和厂站信息层，每个层次的功能各有侧重，相互协调配合，完成电站计算机监控 系统的全部功能( 张毅等，2 0 0 4 ) 。 现地监控层由各有关设备的现地控制单元构成，完成指定设备的现地监控任务，厂站控 制层完成全厂设备的实时信息采集处理、监视与控制任务，有数据采集服务器、操作员站、 厂内通信服务器及调度通信服务器等构成。厂站管理层完成全厂设备运行信息的管理和整理 任务，由历史数据服务器、培训仿真站、语音报警服务器及报表打印服务器等构成。厂站信 息层完成有关信息的发布与查询工作，由设备状态监测趋势分析服务器、w e b 浏览服务器及 浏览终端等设备构成，采用浏览器朋臣务器( b s ) 结构的h 9 0 0 0 w o i x 信息浏览发布系统软件。 莲花水电厂计算机监控系统的主要设备有：冗余服务站、2 套操作员工作站、1 套工程 师站、l 套全球定位系统( g p s ) 时钟、通讯处理机、w e b 服务器、打印服务器、4 套机组 l c u 、l 套开关站l c u 和1 套厂用公用l c u 组成。4 套现地单元和1 套公用单元通过以太 网由上位机统一监控管理，从而使现地控制单元和上位机及现地控制设备之间形成一个先进 的全开放的分层分布式系统，其计算机监控系统结构图如图2 1 所示。 5 东北农业大学t 学硕十学位论文 冗余服务器操些 醉国国画凰 一固匿 m b + l 号机2 v s 机 3 号机 m b + 4 号机 + 开关站 m 【b + r 再7 公用 、 图2 1 莲花发电厂计算机监控系统结构图 f i g 2 1c o m p u t e rs u p e r v i s o r ys y s t e ms t r u c t u r ed r a w i n go fl i a n h u ah y d r o p o w e rs t a t i o n 2 2 现地控制单元的结构 莲花水电厂的现地控制单元由4 套机组l c u 、1 套开关站l c u 和1 套厂用公用l c u 组 成，采用施耐德公司的q u a n t u m 系列p l c ，配置1 0 0 m b p s 以太网模块与上位计算机直接连 成以太网。同时与单元其它p l c 及采集装置连成m b + _ z 业网，与测温单元通过远程通讯连 接。另设一台现地监控终端与主机控制p l c 通过m b + i z l 连网，专门用于现地监视和操作， 其显示的信号归纳到现地监控终端。从而提高了网络速度和网络的可靠性，又解决了原网络 的上、下位机之间的瓶颈问题。其改造后的现地控制单元系统结构如图2 2 所示。 6 现地控制单元 图2 2 现地控制单元系统结构图 f i g 2 - 2s t r u c t u r ed r a w i n go fl o c a lc o n t r o lu n i ts y s t e m 2 3 现地控制单元的功能设计 现地控制单元，是水电厂计算机监控系统的基础和核心，包括机组l c u 和公用l c u ， 有的监控系统还包括开关站l c u ，水工l c u ( 控制闸门系统) ，其性能的好坏决定着整个计 算机监控系统的运行状况( 方辉钦、朱辰，2 0 0 0 ) ( 虎勇，2 0 0 2 ) 。l c u 与电站主控层具有相 对独立性，能脱离电站主控层直接完成生产任务。 改造后的水电厂计算机监控系统能实时、准确、有效地完成对水电厂被控对象的安全监 控。正常运行时，由电厂级监控系统对发电厂进行远方实时控制、安全监视及调度管理，梯 级调度中心则对发电厂进行远方实时安全监视。梯级调度中心能直接控制机组和发电厂其它 主要设备，单机设定值和命令可从远控中心操作员工作站发到l c u ，l c u 执行这些命令并 返回足够的信息给梯级调度中心进行监视。当由于故障使电厂级计算机监控系统与梯级调度 中心联系中断时，以及系统投运初期或试验时，可在现地控制单元( l c u ) 和电厂级计算机 监控系统上进行监控操作( 法毓林等，2 0 0 6 ) 。其主要功能如下： ( 1 ) 数据采集和处理 l c u 通过p l c 对电厂的主、辅设备的运行状态和运行参数及测量值进行实时采集、处 理。数据采集的对象分为模拟量、开关量、温度量、电度量等。 ( 2 ) 运行监视和事件报警 监视机组开、停机过程。在显示器上显示过程的主要操作步骤，当发生过程阻滞时，在 显示器上显示阻滞原因，并将机组自动转换到安全状态或停机。对所有执行后的流程能够支 持回放，便于事后分析。电厂主控级能接受各l c u 的越限报警信号，如模拟量越复限、梯 7 东北农业大学工学硕十学位论文 度越限、开关量状变和监控系统自诊断故障等各种信息。对于轻度越限，只发报警信号；对 于严重越限，除发报警信号外，还作用于事故停机。越限的实时值恢复正常时，进行提示记 录，越限值可在线整定。越限处理至少需要形成下述特征：越限点名称、越限时间、越限定 值及实时值( 可在线整定) 。 ( 3 ) 人机联系及操作要求 支持不同权力的用户并能识别具有各自口令的用户，进入前，授权运行人员必须登记“用 户名”、“口令”，通过口令能准确地，独立的进入和退出。 ( 4 ) 自动发电控制( a g c ) 根据梯级调度中心主站系统或发电厂级操作员站要求的发电功率或下达的负荷曲线，按 安全、可靠、经济的原则确定最佳运行的机组台数、机组的组合方式和机组间最佳有功功率 分配，负荷分配要考虑机组运行限制条件，并避开机组振动和空蚀区，进行发电厂机组出力 的闭环调节。最优发电控制运算结果可以直接控制每一台机组，自动开、停机组及有功、无 功功率的设定值，也可在显示器上显示，供运行人员操作参考。 ( 5 ) 自动电压控制( a v c ) 根据设定的母线电压值或由梯级调度中心主站系统或电厂级操作员站给定的全站无功 功率或电压曲线及安全运行约束条件，并考虑机组的限制，合理分配机组间的无功功率，经 机组控制单元调节机组励磁，维持母线电压在给定的变化范围，必要时自动开、停机组，也 可提出指导性的数据在液晶显示器上显示，供运行人员操作参考。在特殊电气事故情况下由 电力系统安稳装置实施高周切机，防止系统崩溃。 ( 6 ) 输电线路功率监视与限制 为保证系统的静态稳定，能对输电线路功率进行监视，并控制其不越限。 ( 7 ) 数据通信功能 发电厂监控系统具备完善的通信功能，做到整个系统资源、数据共享，运行高效、实时， 系统通信规约基于t c p i p 协议，系统内各设备与局域网的信息交换采用“客户一服务器模” 式，遵循开放系统规则。与梯级调度中心采用广域通信方式。监控系统与m i s 系统或其它信 息系统之间以网络方式互连时，采用经国家有关部门认证的专用、可靠的安全隔离设施。 ( 8 ) 系统时钟同步装置 计算机监控系统各设备通过接收全站统一的g p s 时钟同步装置的时钟同步信息，以保持 全系统的时钟同步( 查荣瑞等，2 0 0 4 ) 。该装置还向其它承包商供货的故障录波装置、微机 自动装置和微机保护装置等发送时钟分同步信号。l c u 中所有s o e 与c p u 的时钟同步。 2 4 现地控制单元的硬件配置 机组控制单元是电站自动化的基础。为了节约能源，改造后的现地控制单元选用原美国 施耐德p l c 作为机组l c u ，该产品的c p u 具有较高的运算速度和存储能力，模块可带电插 拔，抗干扰能力强，适用于水电厂恶劣的运行环境。根据l c i i 数据采隼和摔制功能的要求， 每套机组l c u 配置有如下类型的模块( m o d i c o nt s xq u a n t u m 硬件手册) ： 8 现地控制单元 电源模块( c p s ) 控制器模块( c p u ) 模拟量输入模块 开关量输入模块 s o e 开入模块 开关量输出模块 ( 1 ) 电源模块( c p s ) 电源模块提供所有l c u 元件的电源。莲花水电厂计算机监控系统l c u 主柜控制器采用 电源冗余的供电方式，并且设置不同的冗余开关电源为p l c 的c p u 机箱和采集信号i o 模 板独立供电。同时为每种不同的采集模板设置了独立的空气开关，电源最大限度独立，相互 干扰最小。 莲花电站采用的电源模块为施耐德公司的1 4 0 c p s l l 4 2 0 。l c u 电源回路共有3 个电压等 级：a c 2 2 0 v ，d c 2 2 0 v ，d c 2 4 v 。厂用a c 2 2 0 v 电源为每个l c u 提供所需的全部工作电源 容量。厂用a c 2 2 0 v 和d c 2 2 0 v 电源作为互备电源输入本l c u ，厂用电源提供d c 2 4 v 供l c u 中设备使用。厂用d c 2 2 0 v 还有一个重要的作用是提供机组水机保护回路工作电源。 ( 2 ) 控制器模块( c p u ) 控制器模块是l c u 的主要组成部分，又称为c p u ，它通过i o l a n 通讯网络管理各i o 控制器的连接，它除管理l c u 本身的操作外，还负责l c u 和主站的通讯。 根据现代p l c 技术的发展及水电厂的实际情况，选用的c p u 是施耐德公司的1 4 0 c p u 6 5 1 6 0 。此模块的特点如表2 1 所示。 表2 11 4 0 c p u 6 5 16 0 性能指标 t a b 2 - 114 0 c p u 6 5 16 0p e r f o r m a n c ei n d e x 1 4 0 c p u 6 5l6 0 模块类型 时钟速率 协处理器有， 最大离散 i o 数 最大模拟 i o 数 处理器 2 6 6 m h z 内置以太网t c p i p 本地i o 远程i o 分布式i o 本地怕 远程i o 分布式i o r a m 2 m b 程序 1 0 2 4 k b 带p c m c i a 内存扩展卡的程序7 1 6 8 k b 无限制( 最多2 6 插槽) 3 17 4 4 个输入通道和3 17 4 4 个输出通道 每个网络8 0 0 0 个输入通道和8 0 0 0 个输出通道 无限制( 最多2 6 插槽) 1 9 8 4 个输入通道和1 9 8 4 个输出通道 每个网络5 0 0 个输入通道和5 0 0 个输出通道 通信端口 1 m o d b u s ( r s 2 3 2 r s 一4 8 5 ) 、1 m o d b u sp l u s ( r s 4 8 5 ) 、1 u s b 、1 以太网t c p i p ( 3 ) 模拟量输入模块 模拟量输入模块由模拟量输入端子板和模拟量输入控制器板组成。( 见第三章) ( 4 ) 开关量输入模块 开关量输入模块由开关量输入端子板和开关量输入控制器板组成，现场选用的是 9 东北农业大学工学硕士学位论文 1 4 0 d d l 3 5 30 0 模块，是1 6 点输入模块。 ( 5 ) 开关量输出模块 开关量输出模块由开关量输出端子板和开关量输出控制器板组成，现场选用的是 1 4 0 d r 0 3 5 30 0 模块，是1 6 点输出模块。 ( 6 ) 主机控制l c u 硬件清单如表2 2 所示： 表2 - 2 主机控制l c u 硬件清单( 单台机组) t a b 2 2h a r d w a r el i s to ft h em a i nm a c h i n e r yc o n t r o l st h el c u ( s i n g l eu n i t ) 2 5 小结 现地控制单元是水电厂的核心。本章阐述了莲花水电厂现地控制单元的结构( 下位机部 分) ，介缁j - l c u 基本功能，并根据现场的实际情况对其l c u 的使件进行了配置。 l o 测温单元 3 测温单元 3 1 莲花水电厂测温单元系统概况 测温单元是水电厂监控系统中最重要的单元之一。温度的高低直接影响发电机组安全、 稳定的运行，而温度量的采集必须保证采集精度、刷新速率、抗干扰、完善的保护逻辑等指 标。莲花水电厂每台机组的采集温度量相对较少，因此采集、逻辑处理和计算与机组顺序控 制流程、逻辑控制流程、上下位机的数据交换和状态采集均在同一p l c 中完成。现场需要采 集的温度量为9 5 x 4 ，包括的各个采集的温度量如表3 1 。 表3 1 温度采集量 t a b 3 - 1t e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o nq u a n t i t y 采集量故障值报警值 3 2 测温单元的总体方案设计 随着微型计算机技术突飞猛进的发展，水电厂测温单元与机组的连接有多种连接方式， 最常见的有以下两种： 第一、测温单元p l c 是独立的单元，采集的温度量通过m b 或m b + 网送至机组p l c 。 东北农业大学工学硕十学位论文 其优点是：温度量处理程序的分离，降低了最繁忙情况下主p l c 的负载率，独立的运算使得 程序的处理更加完善、复杂，采集精度的准确性( 1 ) 和温度量梯度报警的应用使保护逻 辑更趋于合理。独立的测温系统p l c 和主p l c 没有任何关联，在主p l c 退出的情况下温度 数据采集不会受到任何影响，可将温度量的保护信号送至水机事故停机p l c 和上位机系统， 更好的提高机组运行的安全性和系统的可靠程度。这种连接方式适用于测量的温度量较多， 精度要求不高的场合，缺点是：由于测温单元p l c 是独立的单元，对于测量点数不多的场合 会造成接线繁琐和很大的浪费。 第二、机组与测温单元共用一个p l c ，即采集的温度量通过远程监控( c r p ) 送至机组 p l c ，这种连接方式适用于测量的温度量较少，采集的温度量通过c r p 直接送至机组c p u ， 大大节省了传输时间，提高了工作的效率，同时节省了一套p l c ，达到了降低成本的目的。 莲花水电厂每台机组对于温度量的采集共9 5 点，由于点数不多，选用了第二种方案。 现场实验证明对于9 5 点温度量的采集在一秒内就能完成刷新，能够满足实时性要求，同时 作到了降低成本的目的。其现场系统结构图如图3 1 。 图3 1 系统结构图 f i g 3 1s t r u c t u r ed r a w i n go f s y s t e m 以推力瓦温度的测量为例，介绍水电厂温度检测单元的整体设计方案。根据现场情况对 其温度检测单元的框图如图3 2 所示：其温度传感器检测的温度量直接传入温度测量模块 1 4 0 a r l 0 3 01 0 中，通过子站通讯到达机组p l c ，机组p l c 对检测到的温度量进行比较和准 确性判别处理，然后通过以太网送至上位机，上位机对采集的温度量判断后对现地控制单元 发控制指令，从而完成一个温度采集过程。 1 2 测温单元 图3 - 2 温度检测单元框图 f i g 3 2t e m p e r a t u r ed e t e c t i n gu n i td i a g r a m 3 2 1 温度传感器的选择 温度传感器是测温单元的主要元件也是水电厂最重要的传感器，水电厂温度传感器运行 情况直接影响发电机组是否能够安全运行。因此，水电行业中，温度传感器性能稳定、可靠 性高是至关重要的。 莲花水电厂监控系统中机组需要监测的温度量有：推力瓦温度、上导瓦温度、水导瓦温 度、空气冷却器温度、推力油槽冷却温度、定子绕组温度、定予铁心温度、励磁硅柜温度、 励磁变( a 、b 、c ) 温度等共9 5 点。 ( 1 ) 各种测温传感器的比较研究 测温电阻有p t l 0 0 ，c u 5 0 ，c u 5 3 等。而p t l 0 0 和c u 5 0 是目前电厂最常用的测温电阻， 基本上9 9 的水电厂都在使用。p t l 0 0 是用铂金材料作为敏感元件，c u 5 0 是用铜做敏感元件。 而c u 5 0 与p t l 0 0 的比较有几个缺点：首先铜比铂的阻值小，需要很长的铜丝绕制成敏感元 件，铂则相对短一些，一般的越长越细的材料可靠性越低。第二，铂电阻是主流的测温电阻， 大的制造商、特别是德国厂家都以光刻溅射工艺生产p t l 0 0 芯片，非常成熟可靠。第三，采 用铜热电阻进行温度的测量，测量范围一般为5 0 c - + 1 5 0 ，测量范围小。第四，铜易于氧 化，一般只用于1 5 0 以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量( 徐科军) ( 刘 迎春叶湘滨) 。几乎没有厂家生产c u 芯片，这样如果要用c u 5 0 产品只有自己绕制线圈来做 敏感元件，可靠性大大降低。这也就是有些电厂使用的c u 5 0 测温电阻经常坏的原因。而以 铂为材料的铂电阻( p t l 0 0 ) 是一种物理、化学性能极其稳定，测量范围宽达2 0 0 + 6 5 0 ， 在高精度测量中不可欠缺的温度传感器( 传感器应用技巧1 4 1 例) 。特别是在水电厂对温度 的测量中主要是使用p t l 0 0 作为温度传感器。所以水电厂采用p t l 0 0 作为温度传感器。 在水电厂这个特殊的应用领域，由于存在不同的测温量，所以现场要求选用不同的型号 的温度传感器。根据现场情况及温度传感器的特性选用的温度传感器特性如表3 2 ；各部分 1 3 东北农n 大学i 学硕学位论文 w z p2 6 7 m p t l 0 0- 2 0 0 + 3 0 0 1 0 m l x 2 1 2 6 i e c 铂电阻：p t l 0 0 、p t 2 0 0 、p t 5 0 0 、p t l 0 0 02 0 + 8 5 0 美制铂电阻：p t l 0 0 、p t 2 0 0 、p t 5 0 0 、p t l 0 0 0 1 0 0 + 4 5 0 镍电阻：n 1 0 0 、n 2 0 0 、n 5 0 0 、n 1 0 0 0 6 0 一- + 1 8 0 p t l 0 0 、p t 2 0 0 、n 1 0 0 、n 2 0 02 5 m a p t 5 0 0 、p t l0 0 、n 5 0 0 、n l0 0 0 0 5 m a 超出范围或8 个红色l e d 指示灯，指示存在断线情况 性能卓越快速的处理能力，数值型指令只需4 5 n s ；强大的存储能力，数据存储可达8 m 。 是高度可靠久经考验的热备技术。根据现场选用的模块，制订的控制器配置见附图1 附图3 。 3 2 3 刚0 总线 r i o ( r e m o t ei o ) 总线即远程输入输出总线。它是实现现场温度传感器采集的模拟量与 机组p l c 之间传输的作用。r i o 总线回路由r i o 主站模块c r a 、r i o 总线电缆、r i o 子站 模块c r p 和r i o 光纤中继器组成。由于本地柜与远程柜之间距离较远，r i o 子站之间通过 光纤中继器连接；每组柜内r i o 子站之间距离较短，则直接通过r i o 同轴电缆相连。 机组p l c 部分使用远程通讯主模块1 4 0 c r p 9 3 1o o ，在温度采集部分要采用通讯子模块 1 4 0 c r a 9 3 10 0 ，二模块通过同轴电缆连接。其主模块1 4 0 c r p 9 3 10 0 是远程i o 头单通道模 块，它与系统控制c p u 模块安装在同一背板中。r i o 头用于在c p u 与r i o 子站模块( 安装 在单独的背板中) 之间双向传输数据。同轴电缆网络用于在r i o 主模块与一个或多个r i o 子站模块之间进行互连。( 见第六章，通讯) 而子模块1 4 0 c r a 9 3 10 0 是远程i o 子站单通道模块，用于通过同轴