（电气工程专业论文）基于网络的清水水电站计算机监控系统的设计与开发.pdf

中文摘要 学科： 作者姓名： 导师姓名： 职称： 答辩日期： 基于网络的清水水电站 计算机监控系统的设计与开发 电气工程 石静波 余健明 教授 签 签 参磁孙名：钾慰朋 涨吗 摘要 现代电力系统要求发电机组启动快、开停机迅速，现代发电企业要求操作简单、安 全稳定性好、经济效益高，现代社会要求电能质量高。这一切，都要求电站提高自动化水 平。只有现代化的计算机监控系统，才能实现电站的自动经济运行和安全监控，使之满足 现代水电站“无人值班、少人值守”的要求。 本文通过分析国内外水电站计算机监控系统的模式、现地控制单元以及数据通信系 统的结构，给出了清水水电站计算机监控系统控制模式，结构配置。电站级采用l o o m b p s 以太网，现地控制单元( l o c a lc o n t r o lu n i t ，简称l c u ) 级采用专为自动控制系统分散 i o 的设备设计，并针对l c u 在水电站计算机监控系统中的重要作用，对l c u 开停机流程 图及人机界面进行了设计。系统在软硬件配嚣及功能上均达到了“无人值班”( 少人值守) 的要求。本文还探讨了水电站计算机监控系统的软硬件可靠性问题，分析了计算机监控系 统干扰的主要来源，提出了硬件和软件抗干扰的主要措施。 关键词：清水水电站，计算机监控，设计与开发，l c u r 可靠性 西安理工大学工程硕士学位论文 d e s i g n d e v e l o p m e n to fq i n g s h u ih y d r o p o w e rp l a n t c o m p u t e rs u p e r v i s i o ns y s t e m s u b j e c t e l e c t r i ce n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：a u t o m a t i o ns y s t e mo fh y d r o p o w e rp l a n t a u t h o r ：s h ij i n g b o 妯 均b o t u t o r ：y uj i a n m i n 饥丁f 一矗 a b s t r a c t t h em o d e r np o w e rs y s t e mr e q u i r e st h eg e n e r a t i n gu n i t st os t a r tf a s t ，s h u to f f r a p i d l y m o d e r ne l e c t r i c i t yp o w e rc o m p a n yd e m a n d st h a to p e r a t i o ni ss i m p l e ，s a f e s t a b i l i t yi sg o o d ，a n dt h ee c o n o m i cb e n e f i t sa r eh i g h t h em o d e r ns o c i e t yr e q u i r e s t h a te l e c t r i ce n e r g yq u a l i t yi sh i g h a l lt h e s er e q u i r et h ep o w e rp l a n tt o i m p r o v e t h ea u t o m a t i cl e v e l o n l yt h em o d e r nc o m p u t e rc o n t r o la n ds u p e r v i s i o ns y s t e m c o u l dr e a l i z et h ea u t o m a t i ce c o n o m i c a lo p e r a t i o na n ds a f ec o n t r o lo ft h ep o w e r p l a n t ，m a k i n gi tm e e tt h er e q u e s to f “n o b o d yp e o p l eo nd u t y f e wi so nd u t y ”o f m o d e r nh y d r o p o w e rp l a n t t h i sp a p e ra n a l y s e st h ed e v e l o p m e n to ft h es t r u c t u r em o d eo f c o m p u t e r m o n i t o r i n gs y s t e m ，t h el o c a lc o n t r o lu n i t ( l c u ) a sw e l la sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， d e m o n s t r a t e st h e c o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e ma n dc o n f i g u r a t i o no fq i n g s h u i h y d r o 。p o w e rp l a n t ，p l a n tn e t w o r ka d o p t sr a p i de t h e r n e tw i t ht h es p e e do fl o o m b p s a i m e da tt h ei m p o r t a n tf u n c t i o no fl c ui nm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h ef l o wc h a r t a n dm a nm a c h i n ei n t e r f a c ea r ed e s i g n e d t h em o n i t o r i n gs y s t e mh a sa c h i e v e dt h e u n m a n n e do rf e wm a n n e dr e q u i r e m e n ti ns o f ta n dh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n d f u n c t i o n k e yw o r d s ：q i n g s h u ih y d r o p o w e rp l a n t ；c o m p u t e rm o n i t o r i n g ；d e s i g na n d d e v e l o p m e n t ；l c u 。 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文足我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：乞亟ii 堡 。7 年f 月西日 学位论文使用授权声明 本人丞lb ! 堕在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，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；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作糊：让弛导懒：鱼垫1 年厂月炉 7 第一章概述 1 概述 1 1 水电站计算机监控系统概述 进入9 0 年代后，国内外在水电站自动控制上普遍采用计算机监控技术，或利用计算 枧控制系统与电站常规控制系统相结合对水电站设备进行控制，或利用计算机监控系统直 接对水电站设备进行监控。水电站计算机监控系统“是指整个水电站设备的控制、测量、 监视和保护均由计算机系统来完成。它代替了常规控制设备，监视测量表计，完成机组的 开停机控制，断路器等开关设备的控制，完成电站的优化运行，自动发电控制( a u t o m a t i c g e n e r a t i o nc o n t r o l ，简称a g e ) ，自动电压控制( a u t o m a t i cv o l t a g ec o n t r o l ，简 称a v c ) ，电站机组、变压器、线路等各种运行设备参数的在线监视，越限参数报警、记 录，历史参数查询，事故追忆，报表打印，完成监控系统设备的自检，是实现对整个电站 所有设备进行控制、测量、监视和保护的自动控制系统。其功能可用图i - i 来表示。 现场干扰变量 人工控制或给定目标值 图1 - 1 水电站计算机监控系统方框图 水电站的中控室负责管理和控制整个电站的正常运行，为了保证运行的可靠性和经济 性，必须收集全厂各设备的实时运行资料，以便及对作出响应。譬如说：实时采集发电机 组和全厂公用设备的运行状态，运行参数，对电站各控制点和监视点迸行自动安全监测、 越限报警，实现厂内自动发电控制和自动电压调整等。而计算机监控系统正是基于以上理 念，充分利用成熟的计算机控制技术、通讯技术、可编程控制器( p r o g r a m m el o g i c c o n t r o l l e r ，简称p l c ) 和网络技术将各机组l c u 、励磁调节器、调速器等连接起来，集 中监控水电站各台机组的运行，以实现整个电站的经济运行。 因此，水电站计算机监控系统的性能大大优于常规的自动控制系统，所以又被称为水 电站计算机综合自动化系统，既适用于新建电站使用，也适用于老电站对自动控制系统进 行技术改造。 西安理工大学工程硕士学位论文 1 1 1 水电站计算机监控系统的发展概况 在欧美等一些工业发达国家，水电站计算机监控技术发展较快，也较先进，自8 0 年 代起，许多水电站实现了无人值班或少人值班，提高了水电站设备运行的可靠性，降低了 水电站运行费用。 国内水电站自动控制系统主要以常规设备为主，计算机监控系统在水电站的应用尚属 研发完善阶段。在新建的大型水电站，较多地采用了水电站计算机监控系统，中小型水电 站或已运行的许多老电站则采用常规自动控制设备居多，技术稍先进的中小型电站，或在 常规自动控制系统的基础上加上计算机功能控制单元，或用计算机功能控制单元改造常规 自动控制系统，或在常规自动控制系统的基础上加上计算机监测系统。目前中小型水电站 计算机监控系统，其开发的软件有的基于d o s 系统，而基于w i n d o w s 平台的软件又往往针 对大型水电站设计，不适于小型水电站应用“儿”。 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站的应用进行了不懈的探 索。经过多年孜孜不倦的努力，我国水电站计算机监控技术已经有了很大的发展，从开始 的摸索到初步形成工业化生产，达到实用水平，并形成几种成熟的模式，技术水平、实用 程度上已达到国外目前水平，有的方面甚至已赶上了国际先进水平。 1 1 2 水电站计算机监控系统的发展趋势 随着计算机和网络技术的发展，水电站计算机监控系统的技术同样也在迅速地发展， 新的控制系统结构、新的控制装置、新的软件等不断涌现，目前水电站计算机监控技术主 要朝着网络化、智能化、人性化、软件组态化、控制无人化方向发展。“1 。 a 网络化 水电站计算机监控系统的快速发展也是立足于计算机和网络技术的发展，在水电站计 算机监控系统中，有上位机、现地控制单元等各种各样的计算机及计算机控制装置，若它 们不形成网络，则这些计算机及装置只能独立运行，不能实现数据共享，不能充分发挥出 计算机控制系统的优越性，只起到了代替常规自动控制设备的作用。因此，水电站计算机 监控系统势必向网络化发展。水电站计算机监控系统朝着网络化方向发展是数据实时共享 的需要；装置共享的需要；调度自动化的需要；系统扩展的需要。 b 智能化 计算机和网络技术的高速发展，使人工智能技术得到了迅速发展，人工智能技术在机 器人、汽车及其他领域得到了广泛应用。智能化也是水电站计算机监控系统的一大发展方 向。水电站计算机监控系统智能化主要体现在对监控系统的自动诊断，对电站设备的自动 诊断和预防性维护，对运行人员进行操作指导，对事故、故障处理进行指导。 c 人性化 水电站计算机监控系统的人性化就是使得冷冰冰、硬梆梆的计算机具有人情味、通人 2 第一章概述 性。计算机、网络和多媒体技术飞速发展，现在计算机己能听、说、看，并能识别中文手 写文字，除通过传统的键盘、显示器、打印机等外设与人进行交流外，与人进行交流、沟 通的途径、渠道已越来越多，并越来越便利，越来越具有人情味。将多媒体技术用于水电 站计算机监控系统，水电站计算机监控系统也就具备了听、说、看、写的能力。故而人性 化也是水电站计算机监控系统的发展方向之一。 d 软件组态化 软件组态化也是水电站计算机监控系统一大发展方向甥l 态化的软件主要是指上位工 控机和前置工控机的软件。组态化软件通常也是一种模块化的软件，有实时数据库、动画、 上下限设置、状态控制、各种实时趋势图和历史趋势图、各种输入输出接口程序等等功能。 组态软件最大的特点是使用方便，维护方便。在使用方面通常使用菜单及各种图形界 面操作方式，操作使用直观：在维护方面，其优点明显突出，组态软件都提供有工具软件， 使得控制系统的开发者不必为每个控制系统编制源程序，只需根据对控制系统的要求，对 软件的功能进行设置组合，就完成了控制系统的软件的组态，当监控系统有设备或功能增 减时，同样可以方便地完成软件的维护。使用组态软件的优点在于控制系统的开发时间短， 软件的可靠性高，因为软件是经过在各种情况下测试的，软件的维护简单方便。 e 控制无人化 无人值班电站有时也被称之为一人操作电站，即只需一个值班员就可进行电站的开停 机控制、运行操作，这些操作完成后，自动控制系统就可自动控制电站设备运行，当电站 自动控制系统具有远方遥控功能时，可由一人在远方进行遥控操作。水电站计算机监控系 统向无入化方向发展，其最大的优点就是极大地减少了电站运行人员，减少了电站的运行 费用，减少了电站的投资。 1 2 清水水电站概述 清水水电站位于甘肃省岷县清水乡的洮河干流上，是一座河床式水电站，装机容量 2 1 5 m w ，年平均发电量9 0 8 0 万k w h ，装机年利用小时数4 2 2 3 h ，保证出力4 8 2 1 m w 。电 站以一回1 l o k v 线路接入岷县1 l o k v 变电所，1 l o k i ，电压侧采用单母线接线。发电机电压 侧为单母线隔离开关分段接线，i 段母线接2 台6 跚水轮发电机和1 台1 6 0 0 0 k r a 变压器， n 段母线接l 台6 m y 、1 台3 5 1 l | f f 水轮发电机和1 台1 2 5 0 0 k v a 变压器。 环境条件：海拔高度，2 3 4 5 m ( 厂房) ：年平均环境温度，5 7 ；最高环境温度，3 1 5 ；最低环境温度，- - 2 6 3 c ；多年平均相对湿度，6 9 ；地震烈度，7 度。 清水水电站实现全厂计算机监控的意义在于： 1 提高电站安全运行的可靠性 在硬件方面，由于计算机监控系统集成度的提高，可以大大减少控制系统的元件数量， 使得水电站机组等各种设备的控制柜的数量减少，从而减少了控制系统出现故障的机会， 使得系统的可利用率大大增加，提高控制系统工作的可靠性。 3 西安理工大学工程硕士学位论文 在软件方面，由于计算机监控系统具有完善的闭锁、灵活方便的智能控制、严格的逻 辑操作顺序，从而保证了监控系统可以对电站进行有效的控制和调节，避免了人为的误操 作和误判断；另外还可以对设备运行状态进行周密监视，及时发现异常或隐患，当设备发 生事故时，把事故限制在最小范围内，使电站运行的安全可靠性大大提高。 2 提高电站的经济运行 清水水电站在计算机监控的基础上实现厂内自动发电控制，电网根据频率的要求计算 出清水水电站实时调节负荷或日负荷曲线，将此信息传送到清水水电站的计算机监控装 置，由电站的a g c 程序控制整个电站的有功功率来满足系统的需要，从而实现了在电站负 荷给定之后，所需的耗水量最小，或以最少的耗水发出最多的电能，为清水水电站创造出 最大的经济效益。 3 提高供电质量 清水水电站计算机监控系统可以根据系统分配给的总负荷，由厂内a g c 经过经济运算 后，将计算所得的单台机组的负荷分配值通过串行通信口直接下达给调速器的控制装置， 将机组出力调整至目标值，从而使机组即快又稳地满足a g c 的负荷分配要求和调节精度。 这种以数字量的形式传送控制信号，不但取消了“发电机负荷遥调接口装置”，而且从根 本上避免脉冲调节方式存在的缺点，提高机组负荷调节品质和供电质量。 4 提高劳动生产率 由于计算机监控系统能够实时监控水电站设备运行情况，把运行人员从日常操作、监 视设备运行等繁杂重复的工作中解放出来，进一步提高了电站的运行和科学管理水平，从 而减少了运行费用，改善工作条件，使劳动生产率得以提高。 1 3 本论文的主要工作 本论文针对我国小水电站丰富，自动化水平低的特点，在考察、分析了国内外水电站 ( 厂) 典型计算机监控系统的应用经验的基础上，依据国家电力公司目前对水电站( 厂) 计算机监控系统的有关规定，吸取他们先进的系统设计思想，针对清水水电站运行监控的 技术特点，立足于工程实际，主要完成如下几方面工作。同时对在现场中遇到的问题进行 了分析，并提出了解决办法。本课题工作包括： 1 分析清水水电站运行监控的技术要求。 2 设计清水水电站计算机监控系统的结构配置。 3 设计清水水电站计算机监控系统中现地控制单元( l o c a t i o nc o n t r o lu n i t ，简称 l c u ) ，完成l c u 的结构设计、硬件配置和应用程序的开发，最终实现l c u 的监视和控制 功能。 4 尝试探讨小水电站计算机监控系统的硬软件可靠性问题，提出抗干扰措施。 4 第二章水电站计算机监控系统总体方案设计 2 水电站计算机监控系统总体方案设计 2 1 水电站计算机监控系统的功能要求分析 水电站计算机监控系统的主要功能要求实时、准确、有效的完成对本电站被控对象的 安全监控，包括：数据采集及处理功能；安全运行监视功能及事件报警：事故追忆：控制 和操作功能；自动发电控制( a g c ) 、自动电压控制( a g c ) 和经济运行功能；定值、报表 的生成与打印功能；设备运行统计记录及生产管理功能；远动通讯功能：画面显示功能： 人机接口；时钟同步；软件开发及维护功能：系统自诊断与自恢复功能；冗余容错功能； 其它辅助功能。 水电站计算机监控的内容在不同的水电站有所不同，但基本内容不外乎：水电站设备 的控制，水电站设备的调节，水电站设备的保护，水电站设备的监测，水电站设备的运行 状态、运行参数的自动记录、打印，作为调度自动化系统的远方终端( r 弛) ，水电站优化运 行，水电站的事故处理。上述内容中，有部分是水电站常规自动控制系统同样具有的，有 部分内容是水电站采用计算机监控后增加的。 1 水电站设备的控制 水电站设备控制操作的内容有：水电站机组的控制，水电站辅助设备的控制，水电站 进水主阀、迸水闸门的控制，水电站升压站电气设备的控制和厂用电的控制。 2 水电站设备的调节 水电站设备的调节有：承电站机组的调节、整个水电站的调节、水电站升压站的调节。 3 水电站设备的保护 水电站设备的保护有：水电站机组的保护、水电站升压站电气设备的保护和厂用电的 保护。水电站机组的保护分为电气保护和机械保护。水电站升压站电气设备的保护分为出 线保护和主变压器保护，有的还有母线保护。 4 水电站设备的监测 水电站设备的监测内容一般有：水电站机组的监测、水电站升压站电气设备的监测 水电站迸水口拦污栅及上下游水位的监测、水电站辅助设备的盆测、厂用电的监测等。 5 水电站设备的运行状态、运行参数的自动记录、打印 采用常规自动控制系统的水电站，水电站运行情况、运行参数的记录，由运行人员在 运行日志上人工记录，水电站实现计算机监控后，则可由计算机监控系统自动完成数据采 集，并打印出运行日志，自动统计日、月、年运行报表。水电站设备的运行状态、运行参 数的自动记录、打印的内容有：整个水电站的运行状态、运行参数，水电站机组的运行状 态、运行参数，水电站升压站的运行状态、运行参数，水电站厂用电设备的运行状态、运 行参数。上述这些运行状态、运行参数可由计算机监控系统自动按设计好的日、月、年运 行报表打印出来。 6 作为调度自动化系统的远方终端( r e m o t et e r m i n a lu n i t ，简称r t u ) 西安理工大学工程硕士学位论文 水电站计算机监控系统，能直接对水电站设备进行控制操作、数据采集，因此可以作 为r t u ，通过计算机监控系统的通信口与调度端的计算机进行数据交换。采用常规自动控 制系统的水电站，要实现调度自动化，则必须增加r t u 、电气量、非电气量变送器、传感 器等。 7 水电站优化运行 在水电站实现优化运行也是水电站计算机监控的内容，水电站计算机监控系统利用中 长期洪水预报及实时雨量测报，可使水电站进行优化运行，合理调整水电站的运行，合理 分配机组问的负荷，使整个水电站运行的综合效率最高，达到消耗尽量少的水发出尽量多 的电的目的。对于径流式水电站，水电站计算机监控系统可使电站机组按上游水位调节机 组出力，实现简易优化运行。 8 水电站的事故处理 水电站计算机监控系统的事故处理内容主要分为机组事故处理和升压站电气设备事 故处理。自然也还有水电站其他设备的事故处理。 2 2 计算机监控系统的结构模式及特点分析 水电站计算机监控系统由上位工控机和l c u 组成。机组测量、调节、控制、保护屏构 成机组当地控制单元l c u ：升压站、线路、同期、公用设备测量控制保护屏构成升压站、 线路、公用设备当地控制单元l c u ：水工测量、控制构成水工当地控制单元l c u 。 自2 0 世纪7 0 年代水电站采用计算机监控系统以来，计算机监控系统有以下几种典型 的应用。 1 集中式监控系统 早期，计算机比较贵，只能设一台计算机对全厂进行集中监控，只要计算机一出故障， 整个控制系统就瘫痪，只能改为手动控制运行，性能大大降低；其次，由于所有信息都要 送到这台计算机，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，而且降低了系统的可靠性，电缆及其接头容易发生故障，通信也是薄弱环节。 2 功能分散式监控系统 随着计算机价格的下降和水电站对监控系统可靠性要求的提高，采用多台专用功能微 机将全厂控制、调节、数据采集等各类要求通过负载分散、危险分散、功能分敖、地域分 散等而得以实现，就出现了多微机系统，这种结构可以克服集中式监控系统的弊病。 3 以设备单元分布的分层分布式监控系统 分层分布式监控系统在地域上是分散的，即按控制对象进行分散。分层分布式监控系 统一般分为二个层次：上面一层称为上位机，下面一层以发电机组为单元，将数据采集与 控制集成到一台微机或p l c 装置中，构成了l c u 。由于各台机组的信息由各台机组控制单 元进行处理，就不必敷设许多电缆将信息送到一处集中处理，可以节省相应的投资，整个 系统的可靠性也得到显著的提高。 6 第二幸水电站计算机监控系统总体方案设计 4 基于开放系统地分布式监控系统 随着计算机技术、网络技术的发展，计算机应用软件越来越复杂，软件开发地投入也 越来越大，为使这些巨大的软件资源能在不同的计算机平台上运行，形成了一系列的开放 系统标准，例如t c p i p 、o p c 等，基于开放系统的分布式计算机监控系统具有通用性和可 移植性，监控系统软件可以安装在任何具有开放系统的计算机上。 5 基于对象技术的分布式监控系统 基于面向对象技术的分布式监控系统，从系统设计、编程语言选择到用户界面等一系 列过程，都依据面向对象的理念、原则和技术标准，都给用户使用和维护带来极大方便。 随着计算机网络通信技术的发展，一般大、中型水电站机组台数多，容量大，主接线 复杂，在采用网络通信技术支持下的分层分布式计算机监控系统是较好的选择。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的，水力发电厂计算机监控系统设计规 定“1 ( d l t 5 0 6 5 1 9 9 6 ) 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。”全开 放、分布式监控系统是近年来在分布式监控系统的基础上发展起来的，整个系统中各设备 均遵循i s o 、i e e e 、i e c 等国际标准规约，共同接入全开放式的网络构成一个全开放、全 分布式的监控系统，这样形成的系统各设备节点的独立性、自治性都很高，设备的增减， 故障设备的更换都很方便，整个系统的可靠性、可维护性也将得到显著提高。这也是今后 大、中型水电站计算机监控系统模式发展的方向。当条件许可时，最好采用全开放、分布 式监控系统。 分层分布式控制方式有下列优点：“1 ( 1 ) 凡是不涉及整个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，即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， 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，对控砖4 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，主计算机的负担也减轻，这些均导致监控系统 设备投资的减少。 ( 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。 2 ，3 清水水电站计算机监控系统的设计 2 3 1 清水水电站计算机监控系统的设计原则和功能要求 根据电力工业部颁发的关于水电厂“无人值班”( 少人值守) 的若干规定( 电安生 7 西安理工大学工程硕士学位论文 【1 9 9 6 4 8 4 号) 中提出的在水电站中逐步推行“无人值班，少人值守”管理模式的要求， 借鉴国内外其它电厂监控系统的经验并针对清水电站的整体情况，系统功能满足“无人值 班，少人职守”的原则进行总体配置，整个电站的监控系统设计原则如下： ( 1 ) 监控系统本着安全、可靠、经济、实用的原则，按无人值班( 少人值守) 原则进 行总体设计。 ( 2 ) 监控系统采用全计算机监控的方式，采用最新的功能和设备均按全计算机监控方 式进行设计和配置。系统投入运行后，使全站运行管理达到无人值班( 少人值守) 。 ( 3 ) 监控系统高度可靠，与电站安全运行密切相关的设备采用双重化配置，监控系统 本身的局部故障不影响现场设备的正常运行。系统各项性能指标均满足d l t 5 7 8 - 1 9 9 5 水 电厂计算机监控系统基本技术条件的规定； ( 4 ) 系统主要硬件设备采用进口原装设备。 ( 5 ) 监控系统采用分层、分布、开放式系统结构，各单元采用标准模件，既便于功能 和硬件的更新和扩展，又方便日常运行的维护。软件模块化、结构化，使系统更能适应功 能的增加和规模的扩充。 ( 6 ) 系统实时性好，抗干扰能力强。 ( 7 ) 人机界面采用全中文显示，功能强，操作方便，简洁、灵活，便于二次开发； ( 8 ) 在保证系统的实时性和可靠性等技术指标的同时，系统可维护性好。 ( 9 ) 采用w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统，采用动态多窗口图形显示技术。 ( 1 0 ) 所有的系统软件以及应用软件具备版本升级以及开发延续的能力。 2 3 2 清水水电站计算机监控系统的结构设计 清水水电站计算机监控系统采用符合开放系统国际标准的、开放式环境下全分布计算 机监控系统。系统结构如图2 - 1 。 8 第二章水电站计算机监控系统总体方案设计 9 u 厂i 山 端! 誊* 鞋攀犁茁l u ，i 笛 嚣l 垒* 嚣磨辫置_ f u 山 螂峰星星量孽 p 厂i 氩 嚣嚼臻瑙r 髓、玎邕 u 一 端嚼 * $ 母l p r i 缸 嚣峨撩r 弘王壬 窭姆端婚掰茸嚣琳詹智印长簧璐h由匝 1il，llliiiljllj 1lliljliiltllj，ililliiilllj 1itlllfillii1lllillllllli 一旧陬隧隧僚一一恰旧溶惮巴一临陌懈博j晤m豫憾滢至j晤m嘲恽m一一 雄魁晕嫁 丧 米翳杈 基辍澍毯赠椎帝璎簧辛聿 鲫群墨犀暑器 翡器裂稚番离 然帮丞 雌魁革嫁妻 米媾杈 基辎帮燃蟥稚审犟幽-转 j墓裂磊叵嚣始 稚荽瓤古l骣口 隧掣餐 雉魁晕球 谁魁犁城 谁魁犁球 妻l 张鹾斟 棼眯煺散 米嚣杈 g g 帮燃赠 警靼澍越赠 基掣澍毯赠 稚妒逛磺车睾 鼯印蜒捌坼 稚_旨_晕i嘲辱耄 疆群蚕叵嚣长 酗蝌墨匣嚣器 嚣幕勰吾鹰商 稚器辑秘骣口 鲥臻躁匣嚣疆稚器辑稚骣商 畦鼙锺 哒辎摇 噬璐基 山d 稚捌右程脚 智擎丁= 妲魁 晕暴衽爿h 一 一葚器掰爿h 警醯鞯、晕磊芒* 磐擎h 匾世鞲 、巡器聚嚣器骂、器船 揖$ h 噬肇鞲 球爱【j|上丰瓣 嚣品靶 罨【b 亲 山h d u 西安理工大学工程硕士学位论文 结构说明： ( 1 ) 主机操作员工作站 主机功能包括对整个电站计算机监控系统的管理，a g c 、 v c 计算和处理，数据库管 理，在线及离线计算功能，各图表、曲线的生成，事故故障信号的分析处理等。 主机同时供运行值班人员使用，具有图形显示、全厂运行监视和控制功能、发操作控 制命令、作定制修改、设定与变更工作方式等功能。全厂所有的操作控制都可以通过鼠标 器及键盘而实现；通过彩色显示器可以对全厂的生产、设备运行作实时监控，并取得所需 的各种信息。 采用双机，互为冗余热备，切换无扰动。其中一台主机还可兼通信服务器功能，完成 与站内其他系统的通讯，并预留与地调、一级电站及二级电站的通信接口。 配置声卡、音箱和语音软件，设置语音报警系统作为电站监控系统的一部分，对电站 故障和事故发语音报警，提醒运行人员。具有语音报警、测试等功能。 ( 2 ) 通信工作站 完成与站内其他系统的通讯，并预留与地调、一级电站及二级电站的通信接口。 ( 3 ) 语音报警工作站 水电站设1 套语音报警工作站。主要任务是完成语音报警功能、o n c a l l 功能。 o n c a l i 功能系统全称为电站事故自动报警通知系统，指电站由计算机监控实行定时 巡检和运行维护人员随时处于待召唤状态，随叫随到，确保电站安全稳定运行的一种先进 管理模式，是实现电站人找信息到信息找人的革命性飞跃。 系统结构 配置：d e l l7 - 作站 英特尔 p 4 2 4 g h z 内存：5 1 2 m b 硬盘8 0 g u l t r a a t a l o o c d - r o m 网卡：1 0 0 鹏网卡* 2 声卡 显示器：2 0 寸t f t 键盘、鼠标、电源线、音箱 ( 4 ) 打印机 设置打印机2 台，完成各种信息及报表打印以及计算机监控系统的其他打印服务功 能；打印方式以召唤打印为主，定时打印为辅； 主要性能要求： 最小打印速度：1 6 p p m ，6 6 m h z r i s c 处理器： 打印分辨率：1 2 0 0 d p i ： 打印方式：激光式： 打印纸尺寸：a 3 内存：4 船 1 0 第二章水电站计算机监控系统总体方案设计 ( 5 ) 不间断u p s 电源 配置电力系统不闷断电源构成电源系统，供电站计算机监控系统主控级使用；电源配 置采用逆变电源。 ( 6 ) 网络设备 主计算机和各l c u 之间通过i o i o o m 网络交换机联结成快速以太网络，网络介质主要 为光缆，双网，网络速率为l o o m b p s ，网络协议为t c p i p 。上位机系统各控制系统和设备 与网络交换机间的通讯介质为超五类屏蔽双绞线，p l c 通过光纤和光纤收发器与网络交换 机相连，以增强网络系统的现场抗干扰能力， 所有上位机的数据传输速率为1 0 0 m b p s ，现地控制单元的数据传输运率为l o ? , f o p s 。 ( 7 ) l c u 共5 套，4 套机组l c u 、1 套公用开关站l c u ，实现对生产对象的监控。l c u 选用g e 的9 0 _ _ 3 0 p l c 构成现地控制单元。 2 3 3 清水水电站计算机监控系统软件选择 包括系统软件和工业控制组态软件两部分。 a 系统软件 国内监控系统软件通常选用较为成熟的u n i x 和w l n d o w s 2 0 0 0 n t 两种操作系统。 w i n d 0 w s 2 0 0 0 操作系统按客户服务器方式设计，抢先式多任务，可移植性，可用于多种 硬件平台。它是水电站计算机监控系统较理想的操作系统”。 b 纽态软件 工业控制组态软件种类很多，国外有名的组态软件有：i f i x 、w i n c e 、i n t o u c h 、 l o g i x 5 0 0 0 等。国内在电力行业应用较多的有：南瑞的n c 2 0 0 0 和e c 2 0 0 0 、水科院的h 9 0 0 0 等。在选型时主要考虑其应用的成熟度，接口的开放性及人机界面汉化程度，现在i f i x 、 w i n c c 都有汉化版本在国内均有出售，故选用w i n c c 组态软件。 2 3 4 清水水电站电站级与单元控制级功能的分配 本监控系统为分层分布式结构。由电站级和现地控制级组成，现地控制级设四台机组 l c u 和一套开关站和公用设备l c o 。l c u 作为全站监控系统的现地控制级，向电站级上行 发送采集的各种数据和事件信息，接受电站级的下行命令对设备进行监控，在上位机或网 络故障时又能独立工作。因此在系统总体功能分配上，数据采集和控剖操作的主要功能均 由l c u 完成。 西安理工大学：r _ 程硕- k - 学位论文 3 l o u 的硬件和程序设计 3 1 机组l o u 的功能 l c u 布置在机组旁，其监控对象为水轮发电机组及其辅助设备，是计算机监控系统底 层的控制部分，它是整个监控系统的核心，它向电站级发送采集的各种数据和事件信息， 并接受电站级的命令对设备进行监控，同时又能脱离电站级独立工作。 每台机组设置一台l c u ，接收操作员站指令或现地指令控制本台机组，根据现场的开 关量、模拟量及部分温度量输入信号，执行并监测控制序列。完成如下功能：现场数据的 采集；进行机组开机、停机、工况转换、并网、水机保护等操作；通过接口与调速器、励 磁调节器及同期装置进行通讯；实现对机组有功功率和无功功率的自动调节“们“妇n ” 1 4 | 0 机组l c u 的功能由自动控制、数据采集、通讯和辅助功能四部分组成，具体如下： 1 自动控制：1 ) 机组快速闸门控制，包括快速闸门的正常开启、关闭和事故时紧急关 闭。2 ) 开停机控制：正常开停机和事故停机。3 ) 负荷控制：有功功率和无功功率的具体调节。 4 ) 水机保护：机组轴承、轴瓦等部分温度过高、机组操作压力油油压过低、机组过速等的 事故停机、跳机组出口开关等。5 ) 电气事故处理：机组各种电气事故停机、跳机组出日开 关等。6 ) 机组压力油罐油压、油面自动控制，包括根据压力油压力( 2 2 m p a 控制启动压力 油泵，2 3 m p a 控制机组压力油泵停止) 控制两台压油泵的自动轮流起停和压力油罐内油面 高度的自动控制。7 ) 机组漏油槽油位控制，包括按漏油槽内油位控制两台漏油泵的起停。 8 ) 风闸控制9 ) 低周波自动启动控制1 0 ) 机组运行工况转换，包括接收电站级系统的命令具 体完成机组停机到发电、发电到调相，发电到停机、调相到停机的一系列状态转换操作。 2 数据采集：1 ) 模拟量，包括机组电气量( 如定子电压、转子电压、定子电流、励磁电 流、功率因数、频率、有功功率、无功功率、有功电量、无功电量等) 和非电气量( 如机组 各部油位、油压、风压、冷却水压力、压力差等) 。现场变送器输出统一采用4 2 0 i a 电流输出到p l c 的模拟量输入模块。2 ) 温度量，包括机组各轴瓦、冷却器热风温度。现场 元件采用c u 5 3 和p t l 0 0 热电阻，信号输入到p l c 的温度量采集模块。3 ) 开关状态量，包 括机组出口开关、发电机灭磁开关f m k 、励磁转换开关l z k 、机组导水叶主令控制器开度 位置接点、来自机组转速信号器的接点等。4 ) 故障信息，包括机组各部分故障、异常和事 故信息。 3 通讯功能：包括与站级计算机系统的通讯和与调速器、励磁调节器、百抄表等的通 讯，采用m o d b u s 或硬接线方式。 4 辅助功能：包括发电、调相小时数累计，备用小时数累计、出口开关合闸次数累计， 以及p l c 自诊断和相应处理等。 第三章l c u 的硬件和程序设计 3 2l c u 的结构模式 目前，水电站计算机监控系统的现地控制单元硬件设备有下列几种结构模式： 3 2 1 一体化工控机直接联网 结构如图3 - - t 所示，这种模式的l c u 通过工控机来完成复杂的数据处理和与底层通 信等功能，它的缺点是当工控机故障时，将会导致l c u 失去与电站级的联系，系统的可靠 性会降低。 i o o m 光纤以太网 图3 - 1l c l i + 工控机 3 2 2 控制面板和p l c 直接联网 结构如图3 - - 2 所示，当对水电站的可靠性要求较高时，通过设置控制面板，在机组 控制单元发生故障时仍能对机组进行机旁的自动操作，系统的可靠性提高，但由于增加了 常规控制系统，系统投资比较大，二次接线复杂。 图3 吨l c u + 控制面扳 3 2 3 触摸屏和p l c 直接联网 结构如图3 - - 3 所示，由于p l c 直接接入以太网，在机旁设置触摸屏作为人机界面， 可以实现机组的现地监视与控制，这种配置方式已成为机组l c u 结构的主流模式，得到了 广泛的应用。 西安理工大学工程硕士肇位论文 图3 - 3l c u + 触摸屏工控机 从控制器的冗余配置方式来讲，以目前应用最广的触摸屏+ l c u 直接联网为例，控制 器有单机型，并联冗余型和主辅冗余型l c u 几种配置模式。 a 单机型l 叫 单机型乙c u 是目前应用最广的配置方式之一，是由一套单c p u 及其i 0 模件构成的主 控制器，以及所需的其它辅助设备组成的，如图3 4 所示。 图3 4 单机型l c u 示意图 b 并联冗余型l c u 并联冗余型l c u 是指一套l c u 中包含了完整的且相同配置p l c 控制器及各自的i o 模件，如图3 - - 5 所示。当任一p l c 出现故障都不影响l c u 对机组的持续监控，可靠性得 到了极大的提高，但由于投资成本较大，输入输出回路较为复杂，目前主要在大型机组应 用。 1 4 图3 5 并联冗余型l c u 示意图 第三章l c u 的硬件和程序设计 c 主辅冗余型l 叫 主辅冗余型l c u 是以实际应用为出发点为解决并联型冗余型l c u 的缺点而产生的配置 方式，即在一套l c u 中配置大一小两套p l c 控制器，大型p l c 作为l c u 的核心控制器， 具有l c u 所有的功能，小型p l c 仅完成当主p l c 故障时仍能对机组进行开停机等的顺序控 制功能，如图3 6 所示。主辅冗余型l c u 由于经济灵活，可靠性高，输入输出回路较为 简单，各控制器生产厂家的主流p l c 均能实现这种配置模式，因此在许多大中型水电站的 计算机监控系统中得到的广泛的应用。 通过对国内l c u 现状及l c u 配置模式的分析来看，目前现地控制单元均以p l c 可编程 序逻辑控制器为基础，p l c 以其高可靠性、编程方便、配置灵活等优点在逻辑控制方面有 无可比拟的优越性。 图3 6 主辅冗余型删示意图 3 3 清水水电站对于机组及公用l c u 的功能要求 3 3 1 数据采集与处理功能 l c u 通过此功能对电站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，作为系统实时监控、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、数码量等。 a 模拟置 模拟量分为电气模拟量、非电气模拟量及温度量。 模拟量信号的采集为定时扫查方式。 对模拟量信号的处理包括回路断线监测、数字滤波、误差补偿、数据有效性合理性判 断、标度换算、梯度计算、越复限判断及越限告警，最后经工程及格式化处理后存入实时 数据库。 b 开关量 开关量包括事件顺序记录( s o e ) 开关量和普通开关量两种。 西安理工大学工程硕士学位论文 s o e 开关量指事故、断路器分合及重要继电保护的动作信号。监控系统采用中断方式 迅速响应这些动作信号并以毫秒级的时间分辨率进行记录。 普通开关量是指s o e 开关量以外的各类故障信号、报警信号、隔离开关位置、设备状 态等。监控系统对普通开关量的采集为定时扫查方式。 对开关量信号的处理包括光电隔离、硬件及软件滤波、基准时间补偿、数据有效性合 理性判断、启动相关量处理功能( 如启动事件顺序记录、事故报警、自动推出画面及自动 停机等) ，最后经格式化处理后存入数据库。 c 脉冲量 脉冲量主要指来自脉冲电度表的有功电度及无功电度等。 对脉冲量的处理包括硬件及软件滤波、脉冲累加、数据有效合理性判断、标度变换、 检错纠错处理，经格式化处理后存入实时数据库。电度量可以进行峰平谷分时累计。 d 数码量一。 数码量信号主要指水位b c d 码输入量。采用多点开关量并行采集，然后转换为相应模 拟量数值。 对数码量的处理包括光电隔离、数字滤波、码制变换、数据有效合理性判断、标度变 换等，经格式化处理后存入实时数据库。 e 综