（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的小水电站综合测控装置研究与开发.pdf

a b s t r a c t o nt h ef o u n d a t i o no ft h ef u r t h e rs t u d vo fs m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o n s i n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e ma th o m ea n da b r o a d ，a c c o r d i n gt ot h e c o n t r o ld e m a n do fs m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o n s ，t h es y n t h e t i cm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o le q u i p m e n t sd e s i g ns c h e m ea n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o dw e r e p r o p o s e db a s e do nd s p i nt h i st h e s i s ，t i s3 2 - b i tf i x e dp o i n td s p t m s 3 2 0 f 2 812w a ss e l e c t e da st h em a s t e r c o n t r o ld e v i c e c h i p s u p p l e m e n t e db ye m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g ya n dc p l dt e c h n o l o g y ， t h em o d u l a r i z a t i o na n di n t e l l i g e n c eo fh a r d w a r ew a sr e a l i z e d t h e h y d r a u l i c 。g e n e r a t o rs e tp r o t e c t i o n ，h y d r a u l i ct u r b i n er e g u l a t i n gc o n t r o l ， e x c i t a t i o n c o n t r o l ，r o t a t i n gs p e e dm e a s u r e m e n t ，t e m p e r a t u r ep a t r o l m e a s u r e m e n t ，p o w e ra c q u i s i t i o n ， n o n - e l e c t r i c c o l l e c t i o n ， q u a s i s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l ，s e q u e n c ec o n t r o l ，m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n ， s y s t e mm o n i t o r i n g ，c o m m u n i c a t i o n sa n ds oo nw e r ei n t e g r a t e d t h e d e s i g ns c h e m e so fh a r d w a r em o d u l es u c ha sa n a l o ga c q u i s i t i o nm o d u l e ， i om o d u l e sa n dt e m p e r a t u r ea n dr o t a t i n gs p e e dm e a s u r e m e n tm o d u l e s d e s i g n a t i o na n ds y s t e ms o f t w a r ea r ee l a b o r a t e di nd e t a i l a l s ot h e a n t i - i n t e r f e r e n c em e a s u r e so fs o f t w a r e h a r d w a r ea n dr e l i a b i l i t yd e s i g na r e s t u d i e d m a k i n gf u l lu s eo ft h es i m i l a r i t yo ft h ee l e c t r i cc o l l e c t i o nb yt h e i n t e g r a t e dm e a s u r i n ga n dc o n t r o ld e v i c e ，u t i l i z i n gc o m p r e h e n s i v e l yo ft h e c o l l e c t e de l e c t r i cd a t ao n t h e s o f t w a r e ，i m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f e x c i t a t i o na n dh y d r a u l i ct u r b i n er e g u l a t i n g ，a c c e l e r a t i n gt h ep r o c e s so f q u a s i - s y n c h r o n i z a t i o n ，t h es m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o n ss t r u c t u r ew a s s i m p l i f i e d o nt h e g u a r a n t e e o f t h er e l i a b l e o p e r a t i o n o f h y d r a u l i c g e n e r a t o rs e t t h ed e s i g no fs y n c h r o n o u ss i g n a lc a p t u r eo ft h e e x c i t a t i o nc o n t r o la n d p h a s es h i f t e dp u l s et r i g g e rc i r c u i tc a nb es i m p l i f i e d b e c a u s eo ft h e 3 2 - b i ts p e c i a l c o n t r o l h i g h e n dd s po ft m s 3 2 0 f 2 8 l2 w a s a d o p t e d i nt h i st h e s i s ，t h ei n t e g r a t e dm e a s u r i n ga n dc o n t r 0 1d e v i c er e a l i z e d t h ec o m p o u n di n t e g r a t eo fs m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o n u n i ta u t o m a t i o n ， a v o i d i n gt h el i m i t a t i o n so fl o c a lo p t i m i z a t i o nw h i c ho n l yr e a l i z e db y i i s e p a r a t i n g d e v i c e q u a s i s y n c h r o n i z a t i o n ， o ft r a d i t i o n a l g o v e r n o r , e x c i t a t i o na n d d e c r e a s i n g t h e c o n v e r s i o no f v a r i o u s c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，s i m p l i f y i n g t h es t r u c t u r eo f i n t e g r a t e d a u t o m a t i o n ，r e d u c i n gt h ec o s to fs m a l lh y d r o p o w e ri n t e g r a t e da u t o m a t i o n ， a n db e n e f i c i a lt or e a l i z e “u n m a n n e do rp o o rm a n n e do nd u t y a n d i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tt os m a l lh y d r o p o w e i k e yw o r d ss m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o n ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l d e v i c e ，d s p , c a nb u s i l l 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：丝年上月丑e l 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：煎蛭新签名玉卑嗍塑年月丑日 硕七学位论文 第一章绪论 第一章绪论 据有关部门统计，我国煤炭、水能、石油、天然气四大能源资源在常规能源 中所占的比重分别为5 1 4 ，4 4 6 ，2 9 和1 1 ，可见水力资源是我国常规能 源的重要组成部分。由于煤炭、石油、天然气都属于化石能源，所以都将会有枯 竭的一天，而水能是可再生能源，虽然在计算能源总量时水电是按1 0 0 年的发电 量计算的，但实际上百年以后只要河流存在，水力资源仍然可以利用【1 1 。 按水电站装机容量的大小，可分为大型、中型和小型水电站。各国一般把装 机容量5 0 0 0 k w 以下的水电站定为小水电站，5 0 0 0 - 1 0 万k w 为中型水电站，1 0 万 - 1 0 0 万k w 为大型水电站，超过1 0 0 万k w 的为巨型水电站。国内规定将水电站 分为五等，其中：装机容量大于7 5 万k w 为一等( 大l 型水电站) ，7 5 万2 5 万k w 为 二等( 大2 型水电站) ，2 5 万2 5 万k w 为三等( 中型水电站) ，2 5 万o 0 5 万k w 为四 等( d x l 型水电站) ，小于0 0 5 万k w 为五等( 小2 型水电站) ，但统计上常将1 2 万k w 以下作为小水电站。我国现有水电站5 万余座，其中中小、微型机组数量约占总 数量的8 0 ，机组总数7 万多台。小水电的开发与利用占了水力资源开发很大的 比重，小水电是国际公认的可再生绿色能源。其开发利用有利于能源结构调整， 有利于人口、资源、环境的协调发展和经济社会的可持续发展。 我国小型水电站总体而言，装备水平及自动化程度不高，机电设备陈旧老化， 大多有1 0 年以上的运行时间，基本上是传统的常规操作，使用机电仪表、触点 保护，运行为眼看手动调节方式，社会效益显著但自身效益不高。农村小型水电 站存在运行水平低，经济效益不高，安全事故频繁，运行人员素质低，工作人员 多等问题。如何减少电站的运行人员，提高运行水平，增加电站出力，确保电站 安全，提高电站的技术水平与经济效益，是当前小型水电站急需解决的问题。另 一方面我国大量建于七八十年代的小水电站又面临技术改造和转制的任务。 随着计算机、微电子技术的飞速发展，近年来新建的小水电站很多也采用综 合自动化控制，由于电网容量的不断增大与对电能质量的提高，电力系统及发电 机组对调速、励磁、同期功能的快速性、可靠性、多功能性等方面提出了更高的 要求。 1 1 我国小水电开发现状及发展 小水电资源在我国分布广泛，全国各省( 市、区) 的1 6 0 0 多个县都有小水电 资源，但主要集中在西部、中部以及东部沿海地区，其中西部地区小水电技术可 开发量占全国的6 7 6 ；中部地区小水电可开发量占全国的1 6 8 ；东部地区小 硕十学位论文 第一章绪论 水电可开发量为1 5 6 ；我国西部小水电资源目前仅开发了约1 0 0 0 万k w ，占可 开发水电资源的1 1 6 。因此我国的小水电开发，无论是在当前还是在未来都存 在着极大的发展空间【2 吲。 我国小水电的发展大致可划分为以下3 个阶段： 第一阶段：上世纪5 0 , - , 7 0 年代，小水电主要是解决边远山区、贫困农村的照 明问题。各地政府和人民群众的热情很高，结合兴修农田水利，积极发展小水电。 7 0 年代初，随着大电网的延伸，水利电力部出台了“小水电与国家电网并网方法” 的规定，强调了以大扶小的政策，大大推进了小水电的发展。 第二阶段：上世纪8 0 - - - 9 0 年代末，小水电主要是解决贫困地区脱贫致富的问 题。从1 9 8 3 年起分3 批建设了以6 5 3 个以农村小水电为主的电气化县。由于这 阶段出现了上网电价低，小水电亏损严重，发展几乎陷入停顿。后来随着中央协 调制订最低上网保护电价以及提出小水电实行新电新价的政策，小水电的发展才 得以恢复和发展。 第三阶段：本世纪开始，小水电主要是改善生态环境，发展农村经济。中央 提出“把农村水电列为促进农民增收效果更为显著的中小型基础设施”，并启动了 “以电代薪”的生态保护工程。目前我国小水电资源开发量位居前6 位的省区是 广东、四川、福建、云南、湖南、浙江，开发量分别为4 7 4 、4 5 6 、4 1 5 、2 8 1 、 2 8 1 和2 2 9 万k w 。2 0 0 3 年开发率居前5 位的省区是广东、福建、浙江、广西 和湖北，开发率分别为7 5 、5 9 、5 3 、4 9 和4 8 【4 j 。 1 几十年来，我国一直非常重视农村发展和农村电气化建设，中央明确“农村 电气化是实现农村现代化的基础”，如1 9 9 5 年颁布的中华人民共和国电力法 第六章第四十八条规定“国家提倡农村开发水能资源，建设中、小型水电站，促 进农村电气化”。尤其是1 9 9 8 年以来，国务院为了从根本上解决制约农村电气化 发展的重大问题，全面启动了农村电力体制改革，建设与改造农村电网和实施城 乡用电同网同价，使我国农村电气化取得了实质性飞跃，大大促进了小水电的开 发【5 1 。 我国许多地区没有骨干输电网，而小水电站的数量则居世界之首，1 0 m w 或 更小些的小水电站的总装机容量达4 g w 。小水电的发展在中国越来越受到国家、 地方政府的重视，人们越来越认识n d , 水电建设关系到解决山区农村、特别是国 家骨干电网难以达到的贫困山区人民的用电问题和尽快脱贫致富的重要作用。由 于小水电具有规模小、工期短、施工期对环境影响小、开发技术成熟、投资风险 小、维护方便、运行费用低等优点，使小水电成为可大规模持续发展的农村能源。 2 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 小水电站综合测控装置研究现状 水电站机组综合自动化是指借助于自动化元件和装置，组成一个不问断进行 的操作过程，代替生产过程中的所有手动操作，即实现机组调速操作系统和油、 气、水辅助设备系统的逻辑控制和监视，从而实现单机生产流程的自动化，除了 完成上述基本的机组自动化任务外，机组的自动控制程序还应实现与水电站其他 控制设备联网通信，实现整个水电站的综合自动化。 目前我国小型水电厂自动化水平仍然处于比较落后的状态，国家从2 0 0 2 年开 始，对单机容量大于1 0 0 0k w 的小型水电站要求采用计算机控制，对2 0 世纪9 0 年 代以前建设的小电厂，按总体目标要求做出更新改造规划。我国小型水电厂自动 化发展的总体目标是：在2 0 1 0 年5 0 农村小型水电厂及配套电网达到现代化水 平；2 0 1 5 年农村水电行业全面实现现代化，其中总装机5m w 及以上的水电站调 速器，励磁和厂内油、水、气、闸门等设备应采用微机控制。 我国水电发展迅速，装机容量在不断扩大。但另一方面，我国小水电自动 化水平的发展仍然相对落后。许多新建小水电的设备配置和电气设计理念仍然是 模仿大中型水电站的模式，使得整套自动化系统价格昂贵、结构复杂，性价比不 高，并不适合小水电的实际情况。 1 2 1 国外发展现状 全世界水电占总发电量的2 0 左右，全世界当前的开发度是3 4 ，我国是 2 0 ，欧洲是7 2 ，整个亚洲是2 3 ，中国跟亚洲的开发水平是差不多的。非洲 只有8 ，南美洲3 5 ，中北美洲7 0 ，从目前发达国家平均开发量来看，美国 是8 2 ，日本是8 4 ，加拿大6 5 ，德国是7 3 ，法国、瑞士在8 0 以上。从 水电开发度来看我们有很大的开发量，从世界的水平来看我们还是比较落后。 美国已在中、小型电站上开始采用微机综合发电控制器，励磁装置、调速器、 同期装置、发电机和线路保护装置合并在一起，取代传统的调速器、励磁控制器、 同期装置等。其典型产品是i g c 2 0 0 0 型综合发电控制器，它采用i b m p c 机， 根据电站的具体要求进行编程，其调速部分的执行机构采用标准电磁阀和液压 缸，并采用断续控制方式。 在欧洲、澳洲等地区的小水电站中厢式变电站已有多年的应用历史，一般应 用在机组容量1 0 0 0 k w 、水头( 即水位落差) 2 5 0 m 以下。在计算时间上，各模型 采用p o a d p s a ( 逐步优化一逐次逼近混合优化) 算法进行优化程序的设计和计 算，在每一步的计算中引入逐步逼近算法，有效地解决了每一步中的多变量决策 问题，节省了计算量，在一般的计算机上运行时间短，完全满足实际工程的应用 硕士学位论文第一章绪论 要求。箱式整装小水电站的装机容量在数百千瓦左右，用标准金属箱代替庞大的 厂房可大大减少土建工程及其对植被的破坏；其次，由于采用自动化系统，可 减少人员的活动，从而减少人类活动对树木和小动物的影响；另外，它所需的流 量8 t 更d , ，近似小溪水流，更接近自然生态，是典型的绿色环保项目【6 】。 可编程控制器( p l c ) 、工业控制机( i p c ) 和所谓的的可编程微机控制器 ( p c c ) 都在小水电站的现地控制单元及监控系统中广泛应用。与常规p l c 相比 较，p c c 最大的特点在于其类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的 应用软件的设计，常规的p l c 大多采用单任务的时钟扫描或监控程序，来处理程 序本身的逻辑运算指令和外部的i o 通道的状态采集与刷新，这样处理，直接导 致了真正意义上的“控制速度”依赖于应用程序的大小，这一结果，无疑是同i o 通道中高实时性的控制要求相违背的。p c c 的系统软件完美地解决了这一问题， 它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台，这样应用程序的运行周期则 与程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定，由此，它将应用程序的扫描 周期同真正外部的控制周期区别开来，满足了真正实时控制的要求。当然，这种 控制周期可以在c p u 运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求可任意修改。 1 9 9 4 年奥地利b & r 公司生产了世界上第一台p c c 产品，与p l c 相对照，p c c 全称 为可编程计算机控f l i t 器( p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r ) 。作为新一代的新型工 业控制器，它融入- j 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 ) ，被认为是代 表了当今工业控制技术的一大趋势。它融合了p l c 和i p c 两者的特点，取长补短， 从而以较高的性能价格比，构成当今高水平的工业控制平台。p c c 在大中型水电 站监控系统及调速器中有成功应用，但在小水电站应用不多，自1 9 9 4 年问世以来， 至今仍只有一家公司生产。 日本富士公司在上世纪九十代就开发并推广发电机自适应式励磁及调速多 变量综合控制器。发展此综合控制器的目的是使发电机的励磁与调速控制系统集 中于一体。传统上的控制方式是发电机的无功功率由励磁调节器控制，而有功功 率则由调速器予以控制。考虑到过去机械式调速器自身的惯性时间常数较大，为 此在有功功率发生振荡时，多利用发电机的励磁控制，如电力系统稳定器p s s 的 附加信号予以抑制，调速系统才能进行适时调节。在近年来由于调速系统的数字 化，其惯性时间常数已经大大的缩短，由此为通过调速系统直接抑制有功功率的 振荡已提供了可能。t a g e c ( t o t a la u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ) 综合控制器依 据现代控制理论中的线性平方积分l q i ( l i n e a rq u a d r a t i ci n t e g r a l ) 偏差为最小作 为性能指标，用以设计综合控制器。 加拿大p o w e r b a s e 公司的装备提供全套从取水口到输电线路的全套组件， 包括基本控制和保护模块、开关柜、液压装置和励磁系统。p o w e r b a s e 平台有必 4 硕上学位论文第一章绪论 备和可选模块，用户根据需要来选择，既能灵活提供更多特定的控制又能降低投 资费用，运行控制独立于保护控制提供了冗余的保护。每一个p o w e r b a s e 平台 模块包含一系列高速微处理器和容错安全电路，预编码的必要运行软件来控制运 行功能。p o w e r b a s e 平台采用简便的优先菜单系统，允许p o w e r b a s e 模块能凭少量 的附加编程自动把新的输入连接到编程结构里。其水轮机控制模块j m e p b 3 0 、 j m e p b 4 0 型水电站自动控制系统是当前国际上最先进的小水电监控系统之一， t c m 3 0 是无调速控制水轮机系统的水轮机控制模块。t c m 4 0 提供t c m 3 0 相同 的性能，还提供内置的p i d 调速控制。这两模块是p o w e r b a s e 平台的核心。其代替 传统的例如p l c 的水力发电控制系统。p l c 系统往往需要大量的集成其它元器件 工作，增加硬件和软件的费用。t c m 3 0 用p o w e r b a s e 整定指导软件编程。软件是 视窗兼容，逐步引导编程，在线帮助和规则检查。规则检查能防止用户输入错误 的参数。软件已包含在g d i 一2 0 内，t c m 3 0 4 0 的设计易于配置和设定。“专家模 式”软件已作为嵌入式控制设计为大多数水轮机类型和其周边设备。 t c m 3 0 4 0 是具有模块化、高集成度的自动控制系统。将水能机组、调速器、 励磁机、油开关、阀门、闸门等设备的监控运行综合为一体进行调节控制的多功 能智能化系统。水轮机、发电机控制模块t c m 3 0 具有自动调频功能，完成机组 自动开停机、同期并网、运行工况转换、事故停机等逻辑操作功能，故障、事故 信号报警功能，完成对导叶开度、转速、前池水位的测量并在现地显示，完成机 组调频及负荷调整功甜7 1 。 国外在实际应用的综合自动化系统中，技术成熟，性能良好，基本上都是基 于p l c 、工控机的控制系统。近二十年来，电力电子技术、微电子技术、控制理 论的不断发展，综合控制器的研究开发越来越受到重视，各种各样的现代控制理 论也逐渐引入到发电机的综合控制应用中。如模糊变结构控制【8 1 、非线性控制【9 1 、 h o o 鲁棒控制【l o 】等。 1 2 2 国内发展现状 传统的水电站辅助设备控制系统中一般采用大量的中间继电器和部分的时 间继电器实现其基本控制要求。其缺点是占地面积大及闭锁不完善，对主设备的 安全监视性能差，控制系统本身没有自检功能。近年来，许多老站的改造及新建 的小水电站机组综合自动化采用了单片机、p l c 、工控机等几种工业控制平台。 基于单片机的控制器，其硬件系统通常是各个厂商独自开发设计制造，没有统一 的标准，没有一定的规模，因而其工艺及质量得不到保障，控制系统的快速性、 可靠性、稳定性不同程度上都存在问题；基于p l c 的综合自动化虽然具有较高的 可靠性，但其运算速度不够快，水轮发电机组励磁控制器与调速控制器分离控制， 5 硕士学位论文 第一章绪论 互相并不能通讯，实际的物理系统中频率与电压、有功与无功是彼此耦合互为扰 动的，而且对于小水电站这种分离控制的模式硬件成本较高；基于工控机的控制 系统，硬件标准化、模块化程度高，运算速度快，软件资源丰富，但系统的硬件 访问时间长，软件的可靠性差，同时系统成本高。 因此，研发高性能、低成本的小水电机组自动化具有很强的实用价值。国内 对于不同结构和功能的小水电综合自动化系统已有开发，如初步研究探讨水轮发 电机组综合控制器理论设计及控制策略【1 1 1 2 】；我国与加拿大p o w e r b a s e 公司共 同开发的t c m 2 0 3 0 d 、水电自动控制系统；亚太地区小水电研究培i ) j l ( 相关产品) 中心于1 9 9 6 年申请了水利部“9 4 8 ”项目，引进加拿大p o w e r b a s e 无人值班控制系 统，项目于2 0 0 1 年完成，通过水利部组织验收。在引进成功的基础上，中心继续 与p o w e r b a s e 公司合作，组织国产化和技术推广，目前该技术已在国内十多座 电站推广运用，取得了良好的效益。p o w e r b a s e 无人值班控制系统采用分层分布 结构，分为上位机和现地控制单元l c u z 个层次。上位机主要完成全厂运行自动 化及其管理，历史数据存档、归档、检索、报表生成、运行操作记录、故障报警、 各种画面显示及与县级调度自动化系统联网等功能。当地控制单元包括机组自动 控制、保护、测量单元和主变、线路及电站辅助系统控制、保护单元。机组控制 单元由可选的各个模块组成，每个模块包括一个高速的微处理机和容错安全回 路，每台机组的控制模块都固定在一个标准的控制柜内，一个显示模块固定在控 制柜面板上并与柜内的每个模块通信，提供操作、保护和测量参数数据显示。 水利水电科学研究所研制的分布式小水电综合参数微机监测系统【1 4 1 。该系 统运用多台8 0 c 1 9 6 单片机系统组成的远动柜对现场多种被测信号进行采集，运 用多台微机组成的局域网络对远动装置传送来的数据进行计数、处理、显示、打 印、入库等操作，从而使系统完成对小水电各种参数的监测功能。 重庆大学金沙电气研究所研发的小型水电站组合智能发变电系统【l5 1 。组合 智能发变电系统按面向控制对象的单元式设计，各智能单元硬件结构基本相同， 但功能相互独立，任一单元故障不影响其它单元运行。机组的核心单元是小型水 轮发电机保护、监控系统，线路变压器的核心单元就是保护、监控升压变压器及 输电线的自动化系统，水机控制单元就是完成水机及辅机设备及自动控制的独立 系统。主控芯片选用自带c a n 通信接口的嵌入式单片机构成上述的自动化单元。 国电南京自动化研究院自行研制的新一代综合自动化装置s j 1 0 0 型水电站 综合自动化装置，全系统于2 0 0 6 年7 月投运完成，全系统运行稳定可靠，具有实 时性好、操作方便、易用性好、维护简单等特点。s j 1 0 0 型水电站综合自动化装 置采用南瑞自控自产的m b 4 0 系列智能可编程控制器作为监控核心，保护部分采 用南瑞自控新一代基于高档d s p 的保护硬件平台。监控模块和保护模块之间采用 6 硕士学位论文第一章绪论 成熟的现场总线相连，监控主模块和上位机之间采用1 0m 1 0 0m 光纤以太网相 连。与典型的监控系统相比，s j 1 0 0 型水电站综合自动化装置不但具备小水电监 控系统的全部功能，还具备了小水电所需的全部保护功能。考虑到尽量节省用户 的投资，在保护装置中还实现了交流量的采集，监控和保护之间通过充分的信息 交换，实现了以往需要单独配置交流量采集装置才能实现的交流量采集功能，无 需再单独购买交流量采集装置。另外，在每套装置中都安装了一个触摸屏。该触 摸屏通过和对应的装置中的p l c 进行通信，可完成现地单元的监视和控制功能。 s j 1 0 0 型水电站综合自动化装置既作为全厂监控系统的现地控制层，向电厂级上 行发送采集的各种数据和事件信息，接受电厂级的下行命令对设备进行监控，又 能脱离电厂级独立工作。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s j 1 0 0 型水电站综合自动化装置完成。它符合国际开放系统标准的全 开放全分布式网络系统结构，而且装置集监控、保护、励磁、调速、测控、同期 等功能于一体；不但具有体积小、工艺先进、界面友好，而且具有成本更低、配 置更灵活、性能更可靠的诸多特点。 水利部农村电气化研究所从澳大利亚引进的箱式整装小水电站技术与设备， 并结合自主开发的小水电站自动控制技术，已完成试点和初步国产化，为该项技 术在国内的推广创造了条件【6 】。由水利部农村电气化研究所承担的水利部“9 4 8 项目箱式整装小水电站关键技术研究，经过两年的引进和消化吸收，于2 0 0 6 年6 月在金华双龙洞水电站成功地投入运行，电站容量1 6 0 k w ，目前运行情况良 好。水利部农村电气化研究所于2 0 0 4 年起执行该项目，并从澳大利亚t y c ot a m a r 公司引进设备和技术。除了箱式整装小水电站所具有的优点外，该设备还利用电 站的水压力操作机组的进水主阀和喷针，实现无油化操作，避免了油源对环境的 影响；利用电子负荷调节装置，很方便地调节部份机组出力，电站不仅能并网而 且能孤立运行。 1 3 课题来源及意义 本课题来源于西北地区的一个小水电项目。本文在满足设计院要求的基础 上，结合工程资金有限、现场环境比较恶劣等具体情况，根据小型水电站自动化 设计的特点，从现有水电站综合自动化系统的几种模式入手，在技术性与经济性 之间选取最佳的平衡点，从而寻找出一种适合该电站并具有较高性价比的设计方 案。 我国的小型水电站自动化水平低，机电设备陈旧老化，工作人员技术水平低、 新技术应用少，导致运行水平低、经济效益差、事故频繁等问题。国内还没有国 产的集成度很高应用很广的成熟的综合自动化控制器，原水利部农村电气化研究 7 硕士学位论文第一章绪论 所2 0 0 4 年起从澳大利亚t y e ot a m a r 公司引进设备和技术，实现无人值班的小水电 监控系统。1 9 9 8 年我国开始引进了加拿大p o w e r b a s e 水电自动控制设备公司 j m e p b 2 0 、j m e p b 3 0 型水电站自动控制系统，设备的技术性能好，但成本高， 售后服务很难及时到位。 实际运行的小水电综合自动化系统中，绝大部分是采用基于p l c 的工控机分 层监控系统，目前国内外广泛采用以嵌入式单片机或工业控制计算机作为发电机 组综合控制器的核心，本文所研究与设计的控制系统主要针对水轮机组的单机容 。量为4 0 0 k w 至2 0 0 0 k w ，出口电压为4 0 0 v 或6 3 0 0 v 的小型水轮机组，提出了一种 基于d s p 的小型机组综合测控自动化装置，将水轮机调速、发电机励磁、同期控 制、测温测速、顺序控制、电量与非电量采集、设备参数设置、运行参数监视等 功能集于一体，采用触摸屏作为人机界面，若水电站有多台机组时，通过c a n 通信，采用工控机作为后台监控。 本文针对小型水电厂设备投资不大、人员素质难以很快提高的实际情况，提 出一种结构简洁、可靠性高、易于维护的综合控制方案，实现了小水电站的“无 人值班、少人值守”和“信息化管理”。 1 4 论文的结构安排 论文共分六章。第一章是绪论部分，主要阐述国内外小水电站自动化发展现 状以及课题研究的来源和现实意义。第二章介绍小水电站综合测控装置总体方案 设计，提出综合测控装置的总体设计原则及功能特点。第三章是综合测控装置的 硬件电路设计，详细阐述了各单元的电路设计。第四章主要介绍综合测控装置的 软件设计及其通信网络的特点、各模块的程序流程图。第五章介绍测控装置的硬 件软件抗干扰措施以及分析了装置的可靠性。第六章总结论文的研究工作和创新 点，并对以后研究的工作方向做了展望。 硕上学位论文第二章小水电站综合测控装置总体方案设计 第二章小水电站综合测控装置总体设计方案 从输入检测方面看，调速器、励磁调节器和同期装置的典型应用中，其检测 的模拟量参数和运行状态开关量有许多是相同的，或者某些是可经过相应的变换 后得到，因此，如果将三者组合起来成为综合测控装置时，需要检测的参数可大 大减少；从输出执行部分来看，励磁系统采用的是可控硅整流装置，而调速器采 用的是液压随动系统，两者有本质的区别，它们不可能进行综合，必须单独设置。 在综合测控装置设计时，放大和执行部分仍然考虑采用传统方式构成；从核心控 制单元来看，同期的功能要综合进来，实现起来不会很复杂。而励磁和调速的综 合可有三种方式进行，第一种是找出励磁与调速之间的内在联系，采用一个统一 的控制结构实现其控制功能；第二种是采用大系统理论推导出以调速为主加附加 励磁控制的控制算法；第三种方法是保持它们的传统控制算法结构，增加一个控 制决策单元协调它们的工作【1 2 1 。在上述三种方法中，控制算法方面，由于水轮 发电机组及其控制系统模型复杂，第一和第二种方式目前还需要进一步的研究， 而第三种方法中保留了传统结构，其算法已趋成熟，而且还有许多研究成果如自 适应【1 6 1 、模糊控制【1 7 ，18 】等可直接借鉴。本文采用第三种控制方式实现综合测控的 相应功能。 2 1 小水电站综合自动化系统结构和工作原理 小水电站的综合自动化的重点不在于高性能，也不能像大型水电厂那样去追 求功能完善化，其重点应在实现基本的控制、操作和保护的功能基础上，提高系 统运行的可靠性。也就是说，关键是要抓好调速、励磁、机组自动化控制及保护 等设备的工作可靠性。对于基于p l c 的水电站综合自动化，机组台数不超过4 台 的小型水电站，通用的全厂综合自动化系统可按图2 1 系统配置。 温度巡检单元用于全厂机组导轴承和发电机定子温度的监测，并通过r s 4 8 5 送工业控制计算机，智能电气量采集单元用于对全厂各机组与线路的三相电压、 三相电流、有功、无功、功率因数、有功电度、无功电度等电气参数进行监测和 s o e ( s e q u e n c eo f e v e n t ) 事件记录，并通过r s 4 8 5 送工控主机。同时各机组可以共 同设置一套微机自动准同期装置，用于实现在全厂各机组的同期并网。 非电量采集单元主要是对冷却水压力、调速器油压、集水井水位等进行监测， 采用冷却水系统信号器接点、压力信号器接点、液压开关、温度高或过高接点、 水轮机转速接点、导叶行程接点等开关量信号取代，并把这些信号送到相应机组 p l c 单元，不需要通过工控机后再去控$ 1 j p l c ，尤其是在紧急停机故障的情况下， 9 硕士学位论文第二章小水电站综合测控装置总体方案设计 直接由p l c 控制机组紧急停机。 大屏幕显示器 ( 主) c r t l c d 大屏幕显示器 ( 备) c r t l c d h 工訾鬻机l i 工觜秽h 删一通讯 电 目 卑 采 集 堕 兀 1 号机组 p l c 单元 测 温 测 速 装 置 鍪l 差l 萋l 一一一一一_ _ 电 最 采 集 单 兀 n 号机组 p l c 单元 测 温 测 速 装 置 励i 调i 其 磁i 速i 他 设i 设l 设 备l 备l 备 电 量 采 集 重 一 兀 公 用 p l c 蓖 兀 手 动 同 期 装 置 线 路- 保 护 堕 兀 厂 变 保 护 茧 兀 主 变 保 护 单 兀 图2 - 1 典型小水电站综合自动化系统方案 机组p l c 单元主要用于完成水轮机及辅助设备的自动化控制操作。具体来 说，就是完成机组自动开停机、同期并网、运行工况转换、事故停机等逻辑操作 功能，故障报警、事故保护操作功能，以及机组及辅助设备运行状态现地显示等。 同时在机组p l c 单元的控制屏上还设有常规控制操作按钮或把手，以及简易的常 规控制，保护信号设备。公用p l c 单元主要用于变压器线路开关状态监测和操 作控制，以及电站公用设备的状态监视和事故报警等。保护单元包括发电机组、 主变和线路保护。小型机组可考虑发电机变压器组保护，并采用纵联差动( 瞬 时) 保护断开高压侧断路器和灭磁开关，执行事故紧急停机和重瓦斯( 瞬时) 断开 高压侧断路器和灭磁开关，亦可用作停机，作为主保护。后备保护着重于复合电 压闭锁过电流、过电压和失磁等经延时作用于跳高压侧断路器，灭磁开关，亦可 停机。对过负荷、低电压、定子绕组单相接地、励磁绕组一点接地、轻瓦斯、变 压器温度升高等故障则作用于故障报警信号。线路( 3 5k v 以下) 的主保护采用电 流闭锁电压速断作用于跳闸，后备保护采用带时限过电流保护作用于跳闸，线路 过负荷只作用于信号设备【l3 1 。 1 0 硕士学位论文 第二章小水电站综合测控装置总体方案设计 2 2 综合测控装置的功能 p l c 虽然具有很高的可靠性，但其运算精度不高，且原有的综合自动化方案 中励磁调速不能互相通讯，控制协调不够理想，尤其在并网的过程当中，当水轮 机的转速不满足频率条件时，同期装置需要给调速器发均频脉冲，待并发电机在 并网前通过调速器调节水轮机的转速，使其满足了并网的频率条件；当发电机的 机端电压不满足并网条件时，同期装置需要给励磁装置发均压脉冲，调节励磁电 流，使其满足并网的电压条件。实际应用中转速调节会有超调现象，励磁调节也 会出现超调现象，影响发电机的快速并网。 小水电站发电机组主要由水轮机和发电机组成，机组的主要控制器是指水轮 机的调速器、发电机的励磁机控制器、同期并网控制，主要完成频率、电压、有 功、无功的调节以及与电网的并网操作。目前国内外的控制方式都采用调速与励 磁分开的控制模式，互相没有通信功能，将统一协调的实际的物理系统分开控制。 本文所研究设计的综合测控装置根据机组的运行状态，实现对励磁、调速、同期 的协调优化控制，综合测控装置可以现场独立运行操作，实现测量、控制、监控 的功能。当水电站有多台机组时，也可以根据需要配置上位机，构成上位机监控 系统，更加完善的实现现场控制功能、站级操作监控、远方调度管理等功能。 本文采用高性能数字信号处理器( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 快速采集发电机的电压、 电流值，以快速傅立叶算法计算当前的电流、电压、相位、频率，自动调节调速 器、励磁单元，快速跟踪系统电网的电压、频率以及相位的变化，自动并网，并 按机组负荷要求自动加载。同时该综合测控装置能完成现场控制功能、监控管理 功能、远方管理功能。其功能结构如图2 2 所示。本装置有以下功能： 人 机 交 互 界 面 主 控 监 控 模 块 c a n 总线 输 入 输 出 模 块 非 电 量 采 集 模 块 温 度 巡 检 模 块 图2 - 2 测控装置功能结构图 l l 转 速 测 量 模 块 硕士学位论文 第二章小水电站综合测控装置总体方案设计 1 ) 控制功能 机组的开机控制、机组的正常停机控制以及机组的紧急停机控制。开机时符 合并网条件时的同期并网功能，运行中电气事故的断开出口断路器的功能。 2 ) 调节功能 按给定值自动调节机组有功功率、无功功率，或手动控制指令来增加减少有 功、无功功率。 。 3 ) 测量及保护功能 测量水轮机的转速，并判断转速机组转速达8 0 的额定转速时即可投励磁装 置；转速大于1 1 5 且小于1 5 0 额定转速时发出机组过速信号；转速大于1 5 0 额 定转速时，提示机组过速并紧急停机控制；关机时速度下降到3 5 额定转速时， 投入制动电磁阀。 轴承温度及发电机温度测量，测量前导、中导、后导的温度以及发电机定子 温度的采集。 对机组的三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因素、频率、励 磁电流、励磁电压进行测量采集。 4 ) 状态监控功能 对蝶阀的实时运行状态、水轮机故障、集水井水位、轴温及定子温度的升高 及过高状态、调速器油压的过低降低及升高过高状态、机组过速、冷却水压力状 态、剪断销状态、出口断路器的分合状态、灭磁开关的分合状态、继电保护动作 状态等进行实时监控o 5 ) 事件记录功能 对水轮发电机组发生的事故的事件性质和时间顺序进行实时记录，以方便系 统的维护管理。 6 ) 通讯功能 能与上位机通信，即能接收上位机的控制指令，并向上位机传送机组运行的 实时数据、监控的状态、事件记录的预处理数据。并能提供远程通讯接口，方便 扩充远方电力调度管理功能。 由综合测控装置构成的小水电综合自动化控制系统，结构简单、功能齐全。 本装置系统可以简化操作过程，实现“一键开机”、“一键关机”，高自动化设 计适用于小型水电站的运行管理，有效防止人为误操作，提高运行的安全性，有 效实现无人值班少人值守。 2 3 综合测控装置总体设计原则 二十世纪八十年代以后，随着以小水电为主的农村电气化计划的实施，小水 1 2 硕士学位论文第二章小水电站综合测控装置总体方案设计 电的建设规模迅速扩大，小电站定义也扩大到2 5 万千瓦，九十年代小电站定义 又扩大n 5 万千瓦。事实上，当水电站的发电量达n 2