（电力系统及其自动化专业论文）小水电综合自动化系统的研究与开发.pdf

a b s t r a c t t h ei n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e mo fh y d r o p o w e rs t a t i o ni sa n i m p o r t a n ta s s u r a n c ef o rt h es a f e ，s t a b l e ，h i l l ye f f i c i e n tw o r k i n go f p o w e rp l a n t t h eh y d r o p o w e rd e v e l o p m e n t o fo u r c o u n t r y i s c o m p a r a t i v e l yr a p i d ，b u tt h ea u t o m a t i o nl e v e li ss t i l ln o th i g h w j t l lt h e r a p i dd e v e l o p m e n ta n dm a t u r eo fc o m p u t e ra n de l e c t r o n i ci n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yi nt h e s ey e a r s ，a d v a n c e da n dr e l i a b l es y n t h e t i c a la u t o m a t i o n s y s t e mh a sb e e na p p l i e dw i d e l y c o m b i n i n gw i t hc h a r a c t e ro fp r o j e c t , t h ep a p e rh a sb e e nc o m p l e t e dd e s i g n , i n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n go f h r - 2 0 0 0s 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 ns y s t e m ，b a s e do n d e e p l yr e s e a r c hi n t oc o n t r o ls y s t e mf o rh y d r o p o w e rp l a n tb o t ha th o m e a n da b r o a d e n t i r es y s t e mi sao p e n , l a y e r e da n dd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m , w h i c hi sm a d eo f t h em a i nc o n t r o ll a y e ra n dt h el o c a lc o n t r o lu n i tq c u ) l a y e r c o m p a r e dw i t l lv a r i o u sp r o j e c t s t h ep a p e rp u t sf o r w a r dac o n t r o l p a t t e mo fh y d r a u l i ct u r b i n ew h i c hi sf i tf o rs m a l lh y d r o p o w e rb yu s i n g p l ca n dt o u c hs c r e e n ，a c c o m p l i s h e sp l ct y p es e l e c t i o na n di o a l l o c a t i o no nt h eb a s i so fu n d s t a n d i n gc o n t r o lf l o w , g i v e sd e t a i l e df l o w d i a g r a mo fa u t o m a t i co p e n i n ga n dp a r k i n g , r e a l i z e sd a t ae x c h a n g e b e t w e e np l ca n dt o u c hs c r e e nb y u s i n gm a c r oc o m m a n df u n c t i o n t h i s p a p e ra l s oi n t r o d u c e si n t e r l o c k i n gd e s i g ni nt h es y s t e ma n dm a k e sa n i m p r o v e m e n ti ns y n c h r o n i z a t i o nd e s i g n f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e ri n t r o d u c e ss o r w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g ni n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , l c uu s e sr s - 4 8 5a n dc a nf l e l d b u sa sd i g i t a l c o m m u n i c a t i o nw a y , m a i nc o n t r o ll a y e rc o n s t i t u t e sf a s te t h e r n e tb y u s i n g s w i t c h d i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o n w a y s a n d p r o t o c o l s a r e c o n v e r t e db yc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n dn e t w o r kc a p a b l ea p p l i c a t i o n p r o c e s s o r ( n c a p ) ，c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n dc o m p u t e ri s r e a l i z e dt h r o u g hf r e e p o r tc o m m u n i c a t i o na n dm o d b u s p r o t o c 0 1 a tl a s t , b a s e d0 1 1d e b u gr e s u l ti nt h ef i e l d ，t h ep a p e rp r o p o s e s s t r a t e g ya n dr e a l i z a t i o no ff u z z yc o n t r o lt ot h ed e f e c to fa u t o m a t i c s y n c h r o n i z a t i o nd e v i c e t h em a t l a bs i m u l a t i o ni sa l s og i v e di nt h i s p a p e r k e yw o r d ss m a l lh y d r o p o w e r , i n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e m s y n c h r o n i z a t i o n ，f u z z yc o n t r o l i h 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它单位的 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已在论 文中作了明确的说明。 作者签名：茸酶晕 日期：2 型年月互日 关于学位论文使用授权说明 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，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；学校可根据国家或湖南省有关部 门规定送交学位论文。 作者签名：茸盏垂导师签名 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 电是一个现代社会文明程度的重要标志，电力已成为一切生产部门最主要 的动力能源，对工农业生产和人民生活都有着很大的影响。水力发电是电力工 业的重要组成部分，而水力又是最廉价的、清洁的，且取之不尽、用之不竭的 可再生能源。因此，世界各国对于开发、利用水力资源，发展水电事业，一直 以来都是十分重视和支持的。 1 1 我国水电开发现状及发展 我国幅员辽阔，河流众多，其中所蕴藏的水电资源十分丰富。据最近的全 国水力资源普查成果，较可靠的数字是：我国大陆部分水电理论蕴藏量6 9 4 亿 k w ，可开发利用5 4 2 亿k w ，年发电量约2 4 7 4 0 亿k w h ，均居世界首位u - 3 l 。 其中小水电资源也非常丰富，据全国农村水电资源复查初步成果，5 万k w 及 以下的小水电资源技术可开发量达到1 2 8 亿k w ，年发电量为4 5 0 0 亿k w h 。 至2 0 0 4 年我国已开发小水电装机容量为3 4 6 6 万k w ，已开发的小水电资源占 可开发资源的2 7 ，已开发的小水电装机占全国水电总装机的3 5 ，超过世界 其它国家小水电装机的总和，也居世界首位由上可见，我国小水电发展的资 源空间是非常巨大的1 4 j 。 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【5 - 6 1 。 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，大大推近了小水电的发展。 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 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 央协调制定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i ，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 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1 7 j 。 1 2 水电站自动化发展概述 水电站自动化是一门涉及多种学科和新技术的综合科学技术，是改善电站 运行条件，提高电站综合经济效益的一项重要措施。水电站自动化一般是指在 水电站内通过应用自动控制技术、信息处理和传输技术、计算机硬软件技术实 现水电站生产、运行监测、协调、控制和管理任务，部分代替或取代水电站的 常规二次系统，减少或代替运行值班人员i t l 。 1 2 1 国外发展现状 在二次世界大战以前，早期水电站的控制全都是通过由人工操作的方式来 完成的。到上世纪五十年代，由于美国奠基人n w i e n e r 的工作和控制论的出现， 使得控制科学和控制技术得到了迅速的发展，自动控制技术开始应用在水电站 中。从二十世纪六十年代末至七十年代末，自动化技术经历了由模拟技术向数 字技术的转变，与此同时电子计算机也开始出现。英国最先将计算机技术应用 到水电站的综合自动化系统中，实行了电站的集中监控但由于当时计算机体 积庞大，性价比太低，并未得到广泛应用。到二十世纪八十年代中期，随着数 字电路技术和计算机技术发展的突飞猛进，微机、可编程逻辑控制器( p l c ) 、 基础自动化元件等性价比的提高，水电站的综合自动化水平得到了飞速的发展 和提高。进入二十世纪九十年代，计算机技术、控制技术、网络技术已成为水 2 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 电站自动化的重要特征，后台监控系统逐步向开放式、分布式和集成化、标准 化、网络化方向发展，数据采集与监控系统( s c a d a ) 、自动发电控制( a g c ) 、 自动电压控制( 魁，c ) 得到了广泛的应用，并通过高速网络可以方便的实现信 息交换与资源共享 9 - 1 0 1 一直以来，欧美日等发达国家凭借其在计算机、控制、信息等领域的领先 地位，采用最新的计算机系统以及先进的硬件设计和制造技术，并将它们开发 应用于水电站的自动控制中i l 卜”】，因此这些国家在水电站自动化方面始终走在 世界的前列。 目前法国、日本、美国、瑞典等国的水电站自动化率高达9 5 以上，在电 站这一级基本上都实现了综合自动化，达到了“无人值班、少人值守”的运行 管理水平。例如，法国具有代表性的g r a n dm a i s o n 抽水蓄能电站，它采用计算 机监视和控制技术，逻辑控制电子设备由法国的a l s t o m 公司提供，监控系统电 子设备由a p r i l 工厂提供，而全部应用软件由e d f 编制提供。全厂仅有职工4 0 人，分运行和维修两部分。电站白天为少人值班、夜间为无人值守。瑞典是世 界上水电发达的国家之一，位于其北部的t r a n g s l e t 水电站由a b b 公司提供全 套m a s t e r 自动装置设备。电站采用计算机监控为主的方式，由a b b 公司的h p c 系列实现。电站为少人值班，仅白天定期巡视。全站共7 0 人，负责运行、维修 和管理等工作0 4 q 5 】。而美国胡佛电站有工作人员2 0 0 人，其中1 2 0 人主要负责 旅游接待工作，其余8 0 人是电厂和大坝正常维护人员【旧。 1 2 2 国内发展现状 相对于水电资源的顺利开发，我国水电站自动化技术的发展。却走过了 条不平坦的道路，在相当长的一段时期内并没有取得太大的进展，都是在较低 层次上徘徊。但后经水电行业科研、规划、设计、施工等部门多年的不断努力， 水电站自动化技术历经摸索、试点、推广、提高4 个阶段，在近2 0 年的时间里 得到了飞速的发展，目前已开始步入世界先进行列。 1 9 7 3 年我国开始在广东流溪河、四川龙溪河、北京模式口等水电站进行试 点。虽然这几次尝试收效甚微，没有达到实际工程应用的目的，但却开创了我 国水电站自动化的先河，为以后的发展奠定了结实的基础。 1 9 7 9 年乘全国科学大会的东风，原电力部科技委在福建古田水电站主持召 开了。全国水电站自动化技术经验交流会”，会议认为当时我国水电站自动化的 技术水平只相当于国际上5 0 年代至6 0 年代初期的水平，由此提出了1 9 7 9 年 1 9 8 5 年的奋斗目标，制定了水电站自动化技术发展的七年规划，同时要求认真 抓好基础自动化工作，提高主、辅机和自动化产品的制造质量，开展大型电厂 和梯级电厂自动化的试点工作，加强和充实原南京自动化研究所及中国水利水 3 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 电科学研究院2 个水电站自动化研制基地，并建议尽快引进国外先进技术，加 强基础理论研究，建立技术交流情报网等。 会后在“六五”期间，4 个试点工程葛洲坝、富春江、浑江梯级和永 定河梯级的科研工作随即启动，并取得了可喜的成绩。如富春江水电站采用多 微机分布系统，该系统由运行方式机、管理机、安全监测装置等组成，执行安 全监测和经济运行的任务。浑江、永定河梯级水电站实现了全梯级电站的集中 调度控制、自动发电控制和水库群的联合经济调度。而葛洲坝水电站则尝试采 用了国内研制和国外引进相结合的方法。从当时实际投运的情况来看，虽然距 。无人值班、少人值守”运行管理水平的要求还有较大差距，却拉开了我国水 电站自动化技术的序幕。 1 9 8 7 年原水电部科技司、生产司、水电规划管理局等部门在南京召开了“全 国水电厂自动化技术总结和落实”工作会议。会议充分总结并肯定了“六五” 期间4 个试点工程所取得的经验和成绩，制定了r 七五”水电厂自动化计算机 应用规划，并确定“七五”期间的总目标逐步建立和完善计算机监控系统 的应用模式，形成系列定型产品，充分发挥其安全经济效益，将水电站自动化 工作在深度和广度上提高到经济发达国家7 0 年代末到8 0 年代初的水平，使科 研试点进入推广实用阶段。 “无人值班、少人值守”是推动电站实行减人增效、提高管理水平的一项 重要举措。它必须以优良的主、辅机设备和先进的监控技术为基础，对水电站 的设备状况、人员素质、管理标准等方面都有很高的要求。因此，“无人值班、 少人值守”是衡量一个国家的水电站自动化水平是否达到高水平的一个重要标 志。 1 9 9 4 年1 0 月原电力部安全生产司、科技司会同水电站运行管理专委会和 水电站自动化专委会在太平湾召开了“无人值班、少人值守”专题研讨会。会 上总结了水电站自动化从试点到逐步推广应用过程中的经验和教训，特别是其 设备全部引进并套用国外运行管理模式的广州抽水蓄能水电站和采用国产设备 进行改造的沙田水电站在减人增效方面的运行管理经验。认识到要达到“无人 值班、少人值守”，必须进行以提高自动化水平为主并与运行机制相结合的改革， 确定永定河、浑江、太平湾长甸梯级水电站和葛洲坝二江水电站为我国第 一批“无人值班、少人值守”的科研示范工程【”】。 到2 0 0 0 年底，我国已有1 6 个水电站达到“无人值班、少人值守”要求，并 通过了国家电力公司组织的验收，这大大提高了水电站的安全性、可靠性和经 济性，取得了良好的社会效益和经济效益。而天生桥( 高坝) 、小浪底、二滩、 三峡等一批世界级水电站的建设，标志着中国已逐步进入世界水电建设前列。 4 中南大学硕士学位论文 第i 章绪论 目前，我国是世界上水电工程在建规模最大的国家，也是水电发展速度最快的 国家。因此，完全可以有把握地说：2 0 1 0 年以前，中国将成为世界水电第一强 国【埘 伴随着大中型水电站自动化水平的不断提高，我国的小水电自动化也随之 得到了发展，先后经历了早期的继电器常规自动控制系统、中期的晶体管集成 电路控制系统及目前的计算机数字控制系统。由于继电器和晶体管集成电路控 制系统都存在着元器件多、结构复杂、可靠性低和灵活性差等问题，现在已相 继被淘汰。而早期的计算机数字控制系统由于价格昂贵，结构复杂，普及率不 是很高【5 1 9 1 。但随着计算机的迅速发展，芯片的价格已大幅回落，而且我国不 少企业在借鉴大中型水电站自动化经验的基础上，结合小水电的特点进行简化、 整合和改进，研究开发出了各具特色的适合小水电的自动化系统。如南瑞自动 化控制公司的e c 2 0 0 0 系统、水利部亚太小水电中心的s d j k 系统、中国水科 院的h 9 0 0 0 系统、许继公司的s j k - 3 0 0 0 系统、南望公司的n j k 系统等，呈现 出百花齐放的格局1 2 0 。 1 3 课题研究的意义及来源 我国现有小水电站4 1 5 万余座，总装机1 9 2 0 万k w ，每年还以1 0 0 万k w 左右的幅度进一步新建和扩容，随着国家能源政策的调整和可持续发展战略的 实施，更为小水电的发展提供了新的发展机遇和空间。但另一方面，我国小水 电自动化水平的发展仍然相对滞后。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。 因此在借鉴大中型水电站自动化经验的基础上，结合小水电的特点进行简 化、整合和改进，研究和设计出一套经济、可靠且操作简单、技术先进的小水 电综合自动化系统，对于提高小水电的经济效益、降低工作人员的劳动强度具 有重要的实际意义。 本课题来源于甘肃地区的一个小水电项目，属于双塔水库总干渠水利工程 的一个重要组成部分，是由地方及单位职工共同集资兴建的新电站。酒泉水利 水电勘测设计院对该电站的综合自动化系统提出了设计原则，同时也对电站的 电气设备配置及保护、运行监视、控制等功能提出了具体的要求。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 中南大学硕士学位论文 第1 章绪论 具有较高性价比的设计方案。 整个系统设计采用分层、分布式结构，现场控制单元层采用基于工业 r s - 4 8 5 和c a n 现场总线的结构，工作站之间采用快速以太网构成电站监控层， 两者可经过网络适配器组成一个实时控制网络，保证整个系统的可靠性、实时 性和可扩展性【2 l 】。同时针对现有自动准同期装置的缺点和不足，提出了基于模 糊控制的控制策略和设计方案，并进行了m a t l a b 仿真研究，为今后研制新型 自动准同期装置打下了结实的基础。 通过近一年的工作以及多次现场实际调查，绘制了系统电气原理图、安装 图及系统间的联络图，完成了对水电站发电机组、变压器和线路的二次保护、 厂用电、直流系统、计算机监控系统的设计、安装和调试任务，实现了机组的 自动化程序控制、上位机与下位机的数据交换、计算机对整个电站的监视与控 制，全部机组目前均已成功并网发电。 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。第二章介绍水电站的基本情况和总体设计 原则，提出综合自动化系统的总体方案。第三章是现场控制单元层的设计与研 究。通过仔细了解水电站的生产流程，完成对p l c 软硬件的模块化设计，给出 机组自动控制流程图，并利用宏指令实现触摸屏和p l c 的数据交换。此外还对 系统中采用的联锁设计作了介绍，对同期接线设计进行详细的阐述并进行一些 改进。第四章主要介绍系统通信网络的通信方式和软硬件结构设计，利用$ 7 - 2 0 0 的自由口通信和m o d b u s 规约实现p l c 与上位机的通讯。第五章通过对准同期 并列条件的分析，完成自动准同期模糊控制器的设计，并进行m a t l a b 仿真研 究。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和方向做了展 望。 6 中南大学士学位论文 第2 章水电站综台自动化系统总体方案设计 第2 章水电站综合自动化系统总体方案设计 2 1 水电站概述 双塔水电站位于甘肃省境内，是利用双塔水库与坝后输水洞之间的落差兴 建的坝后水库电站。该水库为灌溉用水库，主要是保证下游农业地区的生产和 生活用水因此电站发电量不受电力系统负荷大小的影响，而只取决于水库向 灌区输送的供水量。 电站内安装三台s f 1 3 0 0 1 4 2 1 5 0 6 3 0 0 v 型立式水轮发电机组，设计水头 1 8 7 m ，设计流量单台机组8 7 m 3 s ，装机容量3 1 3 0 0 k w ，年利用小时4 0 0 0 h 。 电站主接线采用三机一变的接线方式，三台机组发出的电能经6 - 3 l 【v 母线 汇流，通过升压站将电压升至3 5 k v ，全部电能经由一条3 5 k v 专用线路送入距 电站2 0 k m 的县城3 5 k v 变电所。升压站设3 5 k v 出线一回，主变容量为5 0 0 0 k v a 。 厂用电仅设一台1 0 0 k v a 、6 3 0 4 k v 变压器。由于站区内及大坝已有供电网。 所以不考虑近区和生活区供电。电站主接线如图2 - 1 所示。 2 2 系统总体设计原则 我国的小水电自动化与大中型水电相比有其自己的特点，由于小水电的主 要任务是发电，季节性长期满负荷运行时不能出事故或故障，所以必须以提高 电站的经济效益为中心，要求设备完好率高，运行稳定可靠。另外小水电一般 都地处偏僻，建设资金多为自筹或贷款，而电站运行维护人员一般均为非专业 学校教育的技术人员，不可能去面对复杂、繁多的自动化装置和应付复杂的运 行方式阎。所以小水电自动化设计应多考虑价格因素，防止因盲目追求自动化 而不顾成本，并能适应电站运行人员的知识水平同时小水电的技术更新费用 少。不可能象大中型水电站那样有计划的去进行设备的更新和完善，设计时也 就应避免“过粗、过差、过低”，技术上保持一定的先进性，以免建成不久后 即需改造。 因此本文在进行系统总体方案设计时，根据小水电的实际情况和设计院提 出的具体要求，制定了如下原则： ( 1 ) 系统采用最新的计算机硬件、软件、网络技术，全站按自动化总体设 计和配置，达到国内同类水电站综合自动化系统的先进水平，系统投入运行后， 使全站运行管理达到无人值班( 少人值守) ： 7 中南大学士学位论文 第2 章水电站综合自动化系统总体方案设计 ( 2 ) 系统高度可靠，各项技术性能指标均达到部颁d l t 5 7 8 9 5 水电站 计算机监控系统基本技术条件及d l t 5 0 6 5 1 9 9 9 水力发电厂计算机监控系 统设计技术规定的要求； ( 3 ) 系统配置和设备选型符合计算机发展迅速的特点，硬件、软件采用模 块化、结构化设计，既便于硬件设备的扩充，又能适应功能的增加和系统规模 的扩展； ( 4 ) 系统实时性要好，抗干扰能力强，能适应电站现场环境； ，5 h 母襄 图2 - 1 电站一次主接线 中南大学士学位论文第2 章水电站综合自动化系统总体方案设计 ( 5 ) 人机接口功能要强，操作控制简洁、方便、灵活； ( 6 ) 在保证系统实时性和可靠性等技术指标的同时，系统可维护性要好， 保证较小m t b f 指标； ( 7 ) 可与上级调度中心计算机系统进行通讯，实现遥信、遥测、遥控、遥 调等功能； ( 8 ) 预留与工业电视监控系统迸行通信的接口。以便将来实现遥视功能。 2 3 系统功能与特点 2 3 1 系统功能 系统在物理上采用屏式结构，共设有机组自动化屏、公用同期屏、主变线 路保护屏、厂用电屏、直流充馈电屏和电池屏，配置两台系统监控主机，以通 讯为核心，将各功能单元联成一个完整系统，能实时、准确、有效的完成对本 站被控对象的保护、控制与监视，实现的功能主要有 2 3 - 2 4 ： ( 1 ) 通过数据采集、数据处理、数据计算，对全站安全运行进行监控； ( 2 ) 机组按顺序( 遥控、就地) 控制，实现机组启、停，断路器的合闸、 分闸等操作，并具有误操作闭锁功能； ( 3 ) 具有事故语音报警、事故追忆、报表生成与打印以及事件顺序记录 ( s o e ) 功能； ( 4 ) 能自动对机组进行有功、无功调节，自动发电控制( a g e ) 、自动电 压控制( a v c ) 2 5 - 2 6 1 ，通过g p s 实现时钟同步，就地控制单元、上位机设计有分 同步信号接口，可以接受各设备的分同步信号，能与上级调度通讯，实现四遥 功能； ( 5 ) 具备较高的运行可靠性和较强的抗干扰能力，能够进行自诊断，有自 动恢复功能。 2 3 2 系统特点 整个系统的设计规范和基本条件遵循i e e e 和i e c 等有关国际标准，符合 国家、部颁标准，具有以下特点； ( 1 ) 系统采用分层分布式开放式系统机构，主机兼工作站使用w m d o w s 2 0 0 0 开放式操作系统，网络协议为t c p i p ，全图形化人机接口界面。监控系统 的全部微机智能设备都接入网络，可获得高速通讯能力和资源共享能力。各设 备的运行信息可直接在工作站的c r t 上显示。控制命令可直接由工作站下达到 各现地l ( u ； ( 2 ) 网络上接入的每一个现地l c u 都具有自己特定的功能，实现了功能 9 中南大学士学位论文 第2 章水电站综合自动化系统总体方案设计 的分布。即使某个现地l c u 出现故障，都不会影响整个系统的正常运行，大大 提高了系统的可靠性； ( 3 ) 为了满足系统无人值班( 少人值班) 对系统可靠性的要求，整个系统 的重要设备都采用了冗余技术； ( 4 ) 支持本系统与远程调度系统，水情测报系统、大坝监测系统、电视监 控系统等系统的通讯； ( 5 ) 两台互为热备用的工作站主机的切换由软件自动实现，取消了硬件切 换装置，将硬件故障率降低至最低点： ( 6 ) 工作站之间采用l o o m b p s 快速以太网构成的电站级网络，保证了整 个系统的可靠性、实时性和可扩充性。 2 4 系统总体方案设计 总体方案设计主要由硬件设计和软件设计两部分构成，两者共同组成一个 完整的水电站综合自动化系统。 2 4 1 硬件方案设计 目前，我国水电站自动化模式多种多样，但大致可分为以下3 种： ( 1 ) 以常规保护为主，微机保护为辅的自动化模式； ( 2 ) 以微机保护为主，常规保护为辅的自动化模式； ( 3 ) 全微机保护自动化模式。 现在国内以常规为主，微机为辅的自动化模式已逐步趋于淘汰，全微机模 式对系统要求高，投资大，一般多用于大中型水电站，而以微机为主，常规为 辅的自动化模式相对而言，系统要求不高，投资较少，能够满足小水电对自动 化水平的要求。根据系统的总体设计原则，本文决定整个系统采用以微机保护 为主，简化常规控制为辅的自动化模式，在功能上采用分层分布式的开放系统 结构 2 7 - 2 9 j ，所谓分层分布是相对于以前的集中式控制而言的，它以功能的分散 为主要特征，不需要依赖通讯网络，具有自治性、模块性、并行性三大特性， 可有效降低整个系统瘫痪的风险，提高了系统的可靠性。 系统由管理层、主控层、现场控制单元( l c u ) 层、连接网络、g p s 同步 时钟、交直流系统等组成。 主控层采用两台研华工业控制计算机作为中控室的主机操作员工作站，通 过快速以太网实现资源共享，并互为热备用。主控层是整个电站的实时监控中 心，负责全厂的自动化、历史数据处理( 各种运行报表、重要设备的运行档案、 各种运行参数特征值等) 、全厂的人机对话、设备的运行监视、事故和故障报警， 中南大学士学位论文 第2 章水电站综合自动化系统总体方案设计 对运行设备的进行人工干预及监控系统各种参数的修改和设置等【3 0 1 。 现场l c u 层按被控对象性质分为机组l c u 、升压站l c u 及公用设备l c u 水电站共设置5 套现地控制单元( l c u ) ，即3 台机组各设置l 套、升压站及公 用设备各设置l 套。各现地控制单元直接完成生产过程的实时数据采集及预处 理，单元保护、监视、调整和控制，通过现场总线和网络将采集到的数据上传 至主控层，而主控层将机组控制命令直接下传至就地控制单元，两者之间既相 对独立，又联系紧密。 管理层由水库站长工作站和县调度系统组成，水库站长工作站位于水库管 理局办公大楼内，距离电站主控室大约有5 0 0 m ，通过r s - 4 8 5 总线通讯。县调 度系统位于县城的电力局办公大楼内，与主控室大约有2 0 k m 的距离，利用微 波网络实现与电站的通讯。 整个系统设置一套卫星全球定位系统( g p s ) 作为同步时钟，通过网络与 后台监控系统对时，监控系统再通过现场总线与各现地控制单元对时这样保 证了监控系统、现地控制单元和上级调度系统时钟的一致性。 全站的交流系统有两条独立的交流电源进线，通过备用电源自动投入装置 ( b z r ) ，可实现两条交流电源的自动切换，从而保证整个电站厂用电的不间断供 应。 电站的直流系统由高频开关直流电源控制柜和电池柜两块屏组成控制柜 主要由高频开关充电模块、监控模块、交直流电压采样模块、降压硅链、绝缘 监察继电器等组成，为全站提供合闸电源和控制电源，并对蓄电池进行充电。 另外控制柜还配置了两台2 k v a 逆变电源模块，当厂用电完全消失时为工作站 主机提供交流电源。电池柜由1 8 节6 0 a h 的铅酸免维护蓄电池和电池巡检仪 组成。 2 4 2 软件方案设计 系统软件方案的设计主要包括p l c 的程序设计、触摸屏的软件设计以及后 台计算机监控系统s c a d a ( s u p e n r i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 的设计。 水电站计算机监控系统的设计是软件方案设计的重点，本文参照水力发 电厂计算机监控系统设计技术规定和水电站计算机监控系统基本技术条件， 认为监控系统应具有安全性、可靠性以及一定的先进性和开放性同时结合小 水电的实际情况，监控系统还应具有操作简单、控制方便、人机界面友好的特 点。 基于以上原则，本文确定系统采用功能分块、结构分层的设计思想，这种 模块化的设计，使得系统易于维护。调试简单，扩展方便。监控系统的软件结 构如图2 - 2 所示 n 中南大学士学位论文第2 章水电站综合自动化系统总体方案设计 报表通 事 参数权信 圊 曲线讯件 查询 限息面 查询模报 管 编 监 打印块警整定 理辑控 飞 飞矿歹矿百飞 组态软件 j 历史实时 数据库 数据库 j 、z e 操作系统 图2 - 2 计算机监控系统软件结构图 系统软件是上位机软件能安全、正常运行的基础，本课题采用实时性好、 多任务、多线程、安全稳定的w m d o w s2 0 0 0 开放式操作系统。 实时数据库描述了电力自动化系统监控、管理数据点的集合，它的基本单 位为变量( 点) ，从这种意义上讲，实时数据库就是按一定方式组织的监控和管 理点( 变量) 的集合。实时数据库一般已包含在组态软件中。历史数据库可以 是一个合适的商用数据库系统，如a c c e s s ，s q ls e r v e r ，s y b a s e 或o r a c l e 等。 组态软件的历史数据库通过开放数据库互连o d b c ( o p e nd a t a b a s e c o n n e c t i v i t y ) 转储实现，并按商用数据库的格式存储。这种存储模式可提高历 史数据库的存储、查询速度，同时也是一个通用历史数据库接口，方便其他系 统调用。 组态软件的出现，使人们有可能在较短的时间内开发出完整的、性能先进 的控制系统。这大大缩短了软件开发的周期，节省了人力，降低了工程造价。 本课题选用北京太力e p s y n a l l 水电站自动化软件作为后台监控软件，该软件拥 有符合相关电力标准及行业习惯的专业功能，具有很好的可靠性和易用性。 整套综合自动化系统具有可靠、经济，实用的特点，可减轻运行人员的劳 动强度，降低运行费用，保证水电站高效、安全的运行1 3 n 。虽然目前由于资金 等种种原因，电站暂时没有配备工业电视监控系统，无法实现遥视，不具有防 火、防盗等功能。从严格的意义上来说，电站还无法达到完全“无人值班”的 中南大学士学位论文第2 章水电站综合自动化系统总体方案设计 要求。但是小水电的主要任务是发电，主要目标是提高设备完好率、利用率与 电站效益，“无人值班”并不是小水电当前所追求的关键目标系统预留与工业 电视监控系统进行通信的接口，以后时机一旦成熟，电站可方便地过渡到“无 人值班” 。 2 5 本章小结 本章主要对水电站综合自动化系统的设计提出总体方案。首先对水电站作 总体的概况，提出系统的总体设计原则。然后通过方案的比较，并结合项目的 实际情况，确定整个系统在模式上采用以微机保护为主，简化常规控制为辅的 控制模式，在功能上采用分层分布式的开放系统结构。现场控制单元层采用基 于工业r s - - 4 8 5 和c a n 现场总线的结构，工作站之问采用快速以太网构成电站 主控层，满足水电站对于经济性、先进性和可靠性的要求。 中南大学硕士学位论文 第3 章现场控制单元层的设计与研究 第3 章现场控制单元层的设计与研究 3 1 现场控制单元层功能概述 现场控制单元( l c u ) 层由机组l c u 、升压站l c u 及公用设备l c u 组成， 是电站综合自动化的重要组成部分。 机组l c u 取消常规的机组自动盘，机组自动操作控制由可编程控制器构成 的机组顺控装置来实现。正常时可编程逻辑控制器p l c 作为机组l c u 的一部 分，与微机励磁调节器和微机电液调速器一同接受由上位机或中控室运行人员 通过后台计算机键盘手动发出的命令，通过执行机构对机组实行控制和调节。 各机组l c u 都带有智能液晶触摸屏作为现地人机接口l c u 可脱离计算机网 络系统独立运行，亦可以通过按钮、万能转换开关和指示灯构成的简化常规回 路实现机组手动操作，与微机励磁调节器和微机电液调速器一起实现机组的开 停机控制和功率调节。同时机组l c u 还设有一套发电机保护测控装置，实现系 统对发电机组的保护、监视和控制。由于水轮发电机组厂家配备的机旁屏已带 有温度巡检仪和转速信号装置，因此机组l c u 不再需要重复配备。 升压站l c u 由主变、站用变和3 5 k v 线路保护测控装置构成，并配有主变 档位控制仪和主变温度仪，实现对主变的有载调压和油温监视。 对于不适于并入机组l c u 进行控制的辅助设备、全厂公用设备的控制( 如 空压机、集水井排水泵等) 可由公用设备l c u 中的p l c 完成。由于电站大坝 总闸门与中控室距离较近，总闸门也由公用设备l c u 进行监控。此外，公用设 备l c u 还分别设有一套手动、自动准同期装置，运行人员可分别手动或自动对 三台发电机组进行同期并网操作。 现场l c u 层取消了计量屏。电度表采用分布式安装。每个机组l c u 都配 置了一块w a s i o n 的d s s c x ) 3 3 3 - 2 型( 3 1 0 0 v ，1 5 ( 6 ) a ) 三相电子式多功能电 能表。有功l 级，无功2 级，作为每台机组的电能计量。公用设备l c u 单元配 置了一块w a s i o n 的d s s d 3 3 1 1 t h 型( 3 x 1 0 0 v ，1 5 ( 6 ) a ) 三相电子式多功能电 能表，有功正向0 5 级，反向l 级，无功2 级，作为电站的关口总计量电度表。 3 , 2 现场控制单元层的任务 现场控制单元层应能自动周期性地采集电站的各种电气量、开关量、模拟 量及脉冲量等实时运行参数和状态，对采集的数据进行检查，运算和处理，并 中南大学硕士学位论文第3 章现场控制单元层的设计与研究 控制输出完成的主要任务说明以下。 3 2 1 数据采集 本系统需要采集的数据主要包括以下几类： 电气量采集：采集发电机、变压器及线路的有功功率和无功功率、三相电 流、电压、频率、电度等： 开关量采集：采集断路器、隔离开关及接地刀闸的状态；蝶阀状态；油、 气、水系统的工作状态及示流状态：保护动作信号：励磁系统和调速器工作状 态及报警信号等； 模拟量采集：主要采集坝前、坝后和集水井的水位； 脉冲量采集：对于脉冲电度表的输出脉冲，可以进行计数累计，并转换为 电度表读数。由于系统已采用了数字式电能表，电度值可以通过r s - 4 8 5 通讯直 接送至后台计算机，因此对电能表的输出脉冲不再需要采集【3 2 j 。 3 2 2 数据处理 对采集的数据进行分析、处理和计算，形成主控层各种监控及管理功能所 需的数据； 对模拟量进行限值检查，当超过规定限值时可进行报警并根据需要产生相 应的控制； 对各种中断输入进行逻辑处理并立即记下时标，经检查确定后，存入现地 单元数据库，同时立即传入至后台监控系统并报警。 3 2 3 人机接口 运行人员可通过机组l c u 单元的智能液晶触摸屏等人机接口设备实现人 机接口功能。它包括以下内容： ( 1 )系统控制权的设置和切换 ( 2 )参数整定值和限值的修改 ( 3 )机组及重要设备的状态设置 ( 4 )故障和事件报警处理 ( 5 )机组启停和工况转换操作 ( 6 )各种画面的切换 ( 7 )预留打印机接口，必要时可进行召唤打印 3 2 4 数据通讯 通过网络向后台监控系统传送电站设备的运行信息，包括模拟量、数字量 ( 状态量及事件顺序数字量s o e ) 、开关状态量等实时数据信息。 中南大学硕士学位论文第3 章现场控制单元层的设计与研究 接受后台监控系统的各种监控命令或设定，包括对电站设备的操作命令、 调节命令及对定值的设定。 向后台监控系统传送现场控制单元对主站各种监控命令或设定的执行信 息，包括电站设备控制过程信息、机组l c u 状态信息。 3 2 5 自诊断和自恢复 现场控制单元中各模块能自检，实现接口故障、通信故障以及出口误动等 故障的自诊断，并通过液晶屏显示和报警； 当系统出现供电电源故障或其它一些电源故障时，在故障消除之后各模块 能自行启动； 各模块具有自恢复功能，当出现软件死锁时，能在保留历史数据的前提下 进行热启动后，模块能重新正常运行 3 2 6 控制和调整 接受后台监控系统或现场控制单元的控制命令。对电站