（电气工程专业论文）九甸峡水电站综合自动化系统设计.pdf

h b s t r a c t d e s i g n0 fj i u d i a n x i ah y d r o p o w e rs t a t l o nc o m p r e h e n s l v e a u t o m a t i o ns y s t e m m a j o r ：e l e c t r i ce n g i n e e r i n g a u t h o r ：b i n gy a n g a c a d e m i ca d v i s o r ：r o n gj i a e n t e r p r i s ea d v i s o r ：y u n f e is o n g d a t af o r0 r a ld e f e n c e 订、弓飞， a b s t r a c t s i g n a t u r e ：严y s i g n a t u r e 了附 s i 印a t u r e ：斗吻 w i t h 吐l ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dn e tt e c h n o l o g y , t h e yp l a yam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei n m a n ya s p e c t so fi n d u s t r yp r o c e s s a tt h es a m et i m e ，t h ed e v e l o p m e n to fm o r el a r g eh y d r op r o j e c t sm a k e si t u r g e n tt ob ee q u i p p e dw i t hm o r ea d v a n c e da n dr e l i a b l ec o n t r o ls y s t e mt od r i v em o r ec o m p l i c a t e da u t o m a t i c f a c i l i t i e s t h u st h em o d e r nc o m p u t e rm o n i t o r i n go fh y d r op l a n tg e n e r a t e s t h ei m p o r t a n c eo fh y d r o p o w e rs t a t i o ni n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e mi s l c a l tw i t h , a n dt h ee x i s t i n g r e s e a r c hc o n d i t i o na n dd e v e l o p i n g 缸c n do fi n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e mi sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l s i t u a t i o n so fh y d r o p o w e rs t a t i o n , t h i sp a p e rs e l e c t sr e a s o n a b l yt h es y s t e ms t r u c t u r eo ft h es t a t i o n ，a n dt h e s y s t e mb l o c kd i a g r a mi sg i v e n f u n d a m e n t a lp r i n c i p l e sa n dm a i nf u n c t i o n so fs c a d as y s t e ma r ei l l u s t r a t e d a u t o m a t i o nd e s i g n so f h y d r o p o w e rp l a n ta r ea l s op r e s e n t e d b a s e do na b o v es e c t i o n s ，c o n f i g u r a t i o ns c h e m eo fs c a d as y s t e mo f j i u d i a n x i ah y d r o p o w e rp l a n ti sp r o p o s e d i n t e g r a t i n gt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，t h eh a r d w a r ea r r a n g e m e n t a n dl e c t o t y p eo fs y s t e ma r ed i s c u s s e di nd e t a i l t l l i ss y s t e mc a nb ed i v i d e di n t or e m o t eu n i ta n dl o c a lu n i t i nt h el o c a lc o n t r o lu n i t ( l c u ) ，w i t ht h e h e l p o fp l c , w ea e h i e v e d m a n ya s s i g n m e n t ，s u c h a st h ea u t o m a t i cc e n t r e lp r o g r a m 、p o w e r m o d u l a t i o n ，c o n n e c t i n gt ot h ep o w e rn e t w o r ka tt h es a m et e r m ，m o n i t o r i n gt h er o t a t es p e e do fg e n e r a t o r t h e l c uc a nr e c e i v ec o m m a n d sf r o mt h er e m o t eu n i ta n dr u na c c o r d i n gt ot h eg i v e nl o a dc l l r v eo rr n n 、】l ，i t ht h e o p t i m i z a t i o no ft h eu p w a r do rb a c k w a r dp o s i t i o n c o m b i n i n ga d v a n c e dt e c h n i q u e so fs o f t w a r ea n dn e t w o r k ，t h et h e s i se s p e c i a l l ye l a b o r a t e sc o l l e c t i v e d e s i g ni d e a s ，d e v e l o p i n gm e t h o d s ，b a s i cs t r u c t u r e ，m a i nf u n c t i o nr e a l i z a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fs o f t w a r e r u n n i n gb e h i n di n c l u d i n gd b m s ，a c t i v ep i c t u r eg e n e r a t i o ns y s t e m ，a n dt h e na p p l i c a t i o ns o , w a r es y s t e mo f i n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e mi sd e s c r i b e di nd e t a i l k e y w o r d s ：c o m p u t e r m o n i t o rs y s t e m ，l a y e r i n ga n dd i s t r i b u t i n g ，l o c a lc o n t r o lu n i t ，p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r 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是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果q 尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外i 论文中不包含其他人的研冗成果。j - 与我一同工作的同志对本文所研究的工 炸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o ， 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 论文作者签轹，熬： 。牌棚f 日 学位论文使用授权声明 本人：籀一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j 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r 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j 学校可以采用影印i 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；二，为 j ， 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) 论文作者签名犯，导师签名：呈蔓聋二_ 。g 年月，曰+ 1 综述 l 综述 1 1 水电站综合自动化的背景 我国二十世纪九十年代以前设计修建的水电厂基本上是建立在多人值班的基础上，其 特征是：自动化程度低，监控设备分散，用人众多，管理水平低。随着计算机技术、人_ 【 智能、专家系统、网络通信技术、现代控制技术、智能测量传感技术等高新技术n 1 的不 断发展和在电力工业中越来越广泛的应用，采用自动化程度较高、安全可靠的水电厂计算 机监控系统已是大势所趋。 “十五 计划明确提出要求新建水电站都要按无人值班( 少人值守) 进行设计和建设， 二十世纪九十年代以前建设的水电厂，要按总体目标做出更新改造计划，在2 0 1 0 年前全 部实现无人值班( 少人值守) 比1 。 ， 近几年，我国电网中水电站的自动化水平发生着巨大的变化，大量采用先进自动化技 术的水电站正在兴建或己经并网发电，有些还实现了无人值班。随着电力系统自动化的发 展，对供电质量的要求不断提高，在水电站中，实现自动监控就尤其重要。老水电厂因起 点低( 基于多人值班) 、设备技术相对落后，资金少，其监控系统的改造只能采用以计算机 为主、简化常规为辅的模式“1 。 但目前国内中小水电站实现自动化和无人值班的设计，由于缺乏可供选用的性价比合 适的自动化设备“1 ，大多仍沿用大中型水电站微机监控模式，很多中小电站的二次设备包 括现地控制单元，同期装置，调速器，励磁调节器，保护等设备都是按功能划分的单个设 备再加上风，水，油，厂用电等辅助设备系统，为了实现电站无人值班，要实现多种设备 的接口与通讯，完成复杂的系统集成，其复杂程度与大型电站相差无几，结果是盘柜数多， 结线复杂，使用掌握困难，既大大增加了用户投资，也给电厂设备操作和维护增加了复杂 性钉。 1 2 水电站综合自动化的目的与意义 近年来随着电力科学技术的不断发展和微型计算机监控水平的不断提高，计算机技术 己渗透到各个应用领域，在水电站自然也不例外。自8 0 年代起，特别是进入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，或利用计算机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。水电厂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，完成电厂的优化运行、自动发电控制( a o c ) 、自动电压控制( 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，是实现对整个电厂所有设备进行控 制、测量、监视和保护的自动控制系统。其功能可用图1 1 来表示1 ： 西安理工大学工程硕士学位论文 人工授锐藏始蘑基撂值 图1 1 水电厂计算机监控系统方框图 f i g l - 1s t r u c t u r eo f h y d r o p o w e rp l a n tc o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m 水电厂的中控室负责管理和控制整个电厂的正常运行，为了保证运行可靠性和经济 性，必须收集全厂各设备的实时运行资料，以便及时作出响应。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，对电厂各控制点和监视点进行自动安全监测、 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 l c ) 、网络技术将各台 机组现地控制单元( l c u ) 、励磁调节器、调速器等连接起来，集中监控水电厂各台机组的 运行，以实现整个电厂的经济运行。 因此，水电厂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 电厂计算机综合自动化系统，既适用于新建电厂使用，也适用于老电厂对自动控制系统进 行技术改造。 采用水电站监控系统实现水电站的自动化，就是要使水电站生产过程的操作、控制以 及监视，能够在少人甚至无人直接参与的情况下，按预定的计划或程序自动的进行。 水电站实现自动化的目的在于提高工作的可靠性和运行的经济性；提高电能质量；改 善劳动环境和减少运行人员 7 1 0 1 3 水电站综合自动化系统的发展状况 随着现代社会政治、经济和文化生活的快速发展，日益剧增的电能需求己促使电力系 统进入了一个大机组、大电网和超高压时代，电网结构日趋复杂化。同时，电力工业的迅 速发展己促使越来越多的大容量或超大容量的发电机组投入电网中运行，使发电厂出力不 断提高，大型发电厂在现代电网中发挥着重要作用。电站计算机监控系统是电力调度自动 系统中的组成部分之一，全面监视、监测、控制厂站发电设备，是集通信技术、控制技术 和计算机技术为一体的综合自动化系统，并随时将发电厂的运行情况，以遥信的信息方式 送往调度中心，并同时接收调度中心的调度管理信息。因此，厂站计算机监控系统的开发、 研制和生产已受到各国电力公司的高度重视，不仅在计算机软硬件上得到更新换代，而且 在监控功能方面进行扩展。目前国内外电厂计算机监控系统多采用国际上流行的分布式开 2 1 综述 放系统结构，系统软件为多任务实时操作系统，从而保证监控系统结构的合理性、易扩性 和可靠性，使其充分发挥集测量、控制、保护、通信综合自动化的作用f $ - 1 0 。 从控制的角度来说，水电站的控制系统从发展上经过了手动控制、常规自动控制、计 算机控制和计算机监控( 监视与控制) 等四个阶段1 1 1 | 。 ( 1 ) 手动控制系统 早期水电站没有自动控制装置，发电机电压调整、机组转速调节等工作均由运行值班 员手动调节，运行人员劳动强度大、误差也比较大。 ( 2 ) 常规自动控制系统 2 0 世纪6 0 年代，随着电子技术的发展，当时励磁系统等采用分离的电子管元件的自 动控制装置，调速器采用机械式自动控制装置，在一定程度上减少了运行人员的劳动强度， 但是机组运行不稳定，更谈不上经济运行。 ( 3 ) 计算机控制系统 8 0 年代中后期，开始采用大规模集成电路、超大规模集成电路和微机型控制装置如 微机调速器、微机励磁调节器和微机准同期控制器等，主要采用单片机或z 8 0 型微机等， 这些自动装置大大提高了水电站运行稳定性和经济性。但是各个自动装置是互不联系的， 即为各个自动化孤岛，未能有效地结合在一起，发挥更大的效益。 ( 4 ) 计算机监控( 监视与控制) 系统 水电站计算机监控系统代替了常规控制设备、监视测量表计、记录设备和保护设备， 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 g c ，电站机组、变压器、线路等各种运行设备的参数的在线监视，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。 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，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完整改造。但是，目前水轮机微机调速器、发电 机微机励磁装置、电气设备微机保护装置等基础独立工作单元不包括在计算机监控系统功 能的任务中。 随着计算机技术的发展，计算机的性能日趋完善而价格日益下降，计算机技术己深入 到水电站自动化的各个领域 3 l o 首先主要用于监视电站工况和各种离线计算，后来逐渐发 展，进入电站的控制领域，从顺序控制到闭环调节控制，所实现的功能越来越复杂。计算 机不仅能监视整个水电站的运行，而且还可以构成控制调节装置( 这里的计算机主要是微 处理机) 来取代常规的用布线逻辑电路构成的机组基本控制装置，如调速器、励磁装置、 同期并列装置等。 近年来，计算机在水电站上的应用己超越了电能生产的范围。在水情测报、水工建筑 的监测等方面也出现了计算机监控系统。因此可见水电站的计算机监控将不容置疑地成为 水电站自动化发展的主要方向。 3 西安理工大学工程硕士学位论文 1 3 1 国外水电厂计算机监控系统 国外生产电站计算机监控系统的大公司，如瑞上a b b 公司、德国西门子公司、g e 公司都致力于水电站、火电厂和核电厂的计算机监控系统的研制、开发和生产工作。从上 世纪7 0 年代开始，各大公司均采用世界上最新的计算机系统并将它们开发应用于电站监 控系统中，使其推出的计算机监控系统始终处于世界领先地位。随着高性能微机的出现， 微机在水电厂监控系统中得到普遍的应用。就国家来说，美国、法国、日本和加拿大等国 在这方面是比较领先的乜1 0 g e 公司为委内瑞拉古里水电站生产的计算机监控系统就是很好的实例。古里水电厂 枢纽位于委内瑞拉，包括两个发电厂，每个发电厂包括十台水轮发电机组，第一电厂总装 机容量为3 0 0 万千瓦，第二电厂装机容量为7 3 0 万千瓦，是目前世界上最大的水电站之一。 电站采用分层分布式计算机监控系统，主站配有三台7 8 0 型计算机，其中二台计算机为在 线运行，它通过2 台前置通讯处理机与2 4 台远程终端相联。第三台计算机作为离线计算、 运行培训及程序维护和开发，以及生产管理和运行检修计划等。前置处理机为d e c 公司 的单片机智能监测单元。 位于美国西部哥伦比亚河上的大古力电站是一个拥有4 座厂房、装机容量为6 5 0 万千 瓦的梯级电站。电站采用分布式计算机监控系统，它集中调度和管理全厂2 4 台水轮机和 3 个变电站的全部设备，采集数据量有：模拟量2 5 0 0 个、开关量1 1 0 0 0 个、控制量输出 2 0 0 0 个，其数据量大，可靠性要求高，必须采用以计算机为主的监控系统。实现计算机 监控后，通过a g c 、a v c 控制程序，根据电网调度中心给定的总功率，古力电站合理地 在机组间分配有功及无功功率，使机组在最佳功率下，安全经济运行，同时实现了全厂房 无人值班，由上层工作站微机进行监控管理n 柏i t s 。 对于电站的计算机控制系统，各国都做了大量的研究工作，目前各国在电厂计算机监 控系统方面多采用分层分布开放式系统结构，该系统是把电厂的各项功能，按分层分布处 理的原则由功能模块和接口模块所组成计算机分布系统，整个系统统一协调，合理分工， 最佳运行。 1 3 2 国内水电厂计算机监控系统 从上世纪6 0 年代后期，随着国外开展电站计算机监控系统的研制与应用，我国开始 在电站自动化方面应用计算机技术。特别是在1 9 7 8 年以后，计算机技术和微处理单片机 的应用深入和推广，我国不仅引进国外先进的电站监控系统，而且还自行研制电站计算机 监控系统，使我国电站自动化水平有了很大的提高，由电站的单机自动、集中控制己转道 全厂计算机监控的综合自动化。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3 1 。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；永定河梯级电站微机 4 1 综述 过程控制、信息处理系统。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，在试点工程中初步形成使用推广模 式，使科研试点迅速走上实用推广阶段。 1 9 8 5 年l o 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 技术总结和规划落实 工作会议，又规划了2 6 - 3 3 个水电厂实现无人( 或少人) 值班试点。 1 9 9 3 年5 月电力部科技司、生产安全协调司会同水电规划设计总院、中国电力企业联合 会在成都召开了全国水电厂计算机监控工作会议。会上总结了前1 0 年计算机监控系统在 水电厂的应用经验，并指定“八五 及2 0 0 0 年水电厂监控系统推广应用规划。成都会议 后，又有一批大、中型电站计算机监控系统全部或部分投入运行使用，既有老厂改造，也 有随新厂基建同步投入的项目，如太平湾一长甸、葛洲坝二江二期、大广坝、沙田、九甸 峡、宝珠寺、大峡、隔河岩等十余个水电厂。 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。 目前国内从事水电厂计算机监控系统开发的单位主要有： ( 1 ) 电力部南京自动化研究院，主要面向大、中型水电厂，已经投入运行的典型监控系统 的有s s j 3 0 3 l ( 九甸峡) 、s j - 4 0 0 ( 葛洲坝) 、g e t - 6 0 0 0 ( 三门峡) 等； ( 2 ) 水利水电科学研究院自动化所，主要面向大i 中型水电厂，投入运行的监控系统有 s m c 6 0 0 ( 富春江) 、d a c 一8 6 0 1 ( 龙羊峡) 、h 9 0 0 0 ( 宝珠寺、风滩、紧水滩、白山) 等； ( 3 ) 南瑞集团公司，主要面向大、中型水电厂； ( 4 ) 烟台东方电子股份有限公司，主要从事变电站监控及水电厂的远程通讯单元( r t u ) 开 发，在水电厂监控方面则起步不久； ( 5 ) 许继集团公司，主要面向大、中型水电厂； ( 6 ) 一些高校，主要有华中科技大学( 原华中理工大学) 、武汉大学( 指原武汉水利电力大 学) 、西安理工大学等等。 二十多年来，我国在火电、水电、核电站实施计算机监控已做了大量工作，并取得很 大的进步和成果，电站计算机监控系统在硬件、软件，以及功能方面已达到世界先进水平。 1 3 3 国内外相关技术发展趋势 随着计算机技术的发展，水电站计算机监控技术同样也在迅速发展，新的系统结构、 控制装置、软件等不断涌现。使得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。 a 网络化 ( 1 ) 数据共享水电站计算机监控系统是由上位机、现地控制单元等计算机装置组成， 这些计算机均能独立运行，完成各自的控制功能，但要让这些计算机协调工作，充分挖掘 出计算机监控系统的潜能，就必须通过网络数据交换，实现数据共享，更好地对整个电站 气 西安理工大学工程硕士学位论文 各个设备进行协调控制，实现电站的优化运行。 ( 2 ) 装置共享水电站计算机监控系统采用网络后，可以共享计算机硬件设备、装置， 以减少控制系统的设备投资，和维护工作量。 ( 3 ) 调度自动化要对水电站进行自动调度，除水电站内部计算机及装置组成网络外， 水电站计算机监控系统应与调度自动化系统网络连接，进行数据交换。通过网络通信，调 度计算机将调度命令送至计算机监控系统，水电站计算机监控系统将电站各设备运行参 数、状态传输到调度计算机，并按调度的命令进行调峰、调荷运行。网络化是实现水电站 调度自动化的必要前提。 b 智能化 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，对运行人员进行 操作指导，对事故、故障处理进行的指导。 d 软件组态化 软件组态化也是水电站计算机监控系统的发展方向之一，是一种模块化的软件，它具 有实时数据库、动画显示、上下限设置、状态设置、各种实时趋势图和历史趋势图、各种 输入输出接口等功能。 组态软件实际上是利用组态语言，通过控制算法构成的软件程序，而不需要用一条条 语句或者指令来编写程序。从本质上讲组态软件是一种可重用的软件，是将原有可重用的 程序整合成新的程序。事实上，组态软件就是为适应这种需要而开发的。对于不同的应用 对象，只需要改变数据实体即可。从目前发展的情况看，组态软件在水电站监控系统中的 使用是必然的，它的便捷性、实用性已得到水电站监控系统开发和应用人员的青睐。 正控制无人化 现在工业发达国家，无论是大型水电站还是小型水电站，许多电站都在实行无人值守， 或称为一人操作电站，即只需一个值班员就可以进行电站的开停机控制、运行操作。控制 无人化的最大优点就是极大地减少了电站的运行人员，减少了电站的运行费用等。 e 、面向对象技术 面向对象技术的基本概念是将客观事物即对象，根据其共性进行抽象，采用面向对象 技术时只关注其本质的特征，操作人员面对的是他们熟悉的设备对象( 发电机、变压器、 开关、刀闸等符号) ，打开这些对象可以看到有关的参数，如与发电机有关的参数有机组 转速、机端电压、有功功率、无功功率等1 1 4 1 。 w e b 、j a v a 等新技术的应用 w e b 以及面向对象的j a v a 等新技术将越来越多地引入计算机监控系统。全面采用面 向对象的开发技术，人机界面采用跨平台的j a v a 实现，它不仅给用户提供了更方便地进 行二次开发的丰富多彩功能及生动的界面，而且由于w e b ，j a v a 等技术的采用，前台操 作员站的应用支撑软件大大减少，可以实现真正意义上的“瘦客户机 。 6 1 综述 1 4 计算机监控模式与结构功能 1 4 1 计算机监控模式 随着计算机监控系统在水电站的推广应用，计算机在水电站监控系统中的作用也发生 了变化，其监控方式有如下四种n 5 1 ： ( 1 ) 以常规控制装置为主、计算机为辅的监控方式( c o m p u t e r - a i d e ds u p e r v i s o r yc o n t r o l ， c a s c ) 早期水电站的直接控制功能由常规控制装置来完成，计算机只起监视、记录打印、经 济运行计算、运行指导等作用。采用这种方式时，即使计算机发生故障，水电站的正常运 行仍能维持，只是性能方面有所降低。但是这种方式对整个水电厂自动化水平的提高有一 定的限制，新建水电厂目前己很少采用。 ( 2 ) 计算机与常规控制装置双重监控方式( c o m p u t e r - c o n v e n t i o n as u p e r v i s o r yc o n t r o l ， c c s c ) 在水电厂设置两套完整的控制系统，一套是以常现控制装置构成的系统，一套是以计 算机构成的系统，相互之间基本上是独立的。但设置两套完整的控制系统投资比较大，两 套系统相互之间要切换二次接线复杂，可靠性反而有所降低。 ( 3 ) 以计算机为基础的监控方式( c o m p u t e r - b a s e ds u p e r v i s o r yc o n t r o l ，c b s c ) 随着计算机系统的可靠性进一步提高和价格的进一步下降，出现了以计算机为基础的 监控系统。采用此方式时常规控制部分可以大大简化，因此对计算机系统的可靠性要求就 比较高，这可以采用冗余技术来解决，采用此种方式时，中控室仅设置计算机监控系统的 值班员控制台，模拟屏己成为辅助监控手段可以简化甚至取消。 ( 4 ) 取消常规设备的全计算机控制方式 随着计算机技术的进一步发展和水电厂计算机监控系统运行经验的累积，出现了以计 算机为唯一监控设备的全计算机控制方式，这种控制方式实际上是c b s c 方式的延伸。 它取消了中控室常规的集中控制设备，也取消了自动操作盘，不考虑在机组控制单元发生 故障时进行机旁的自动操作。此时对计算机系统的可靠性及冗余度提出了更高的要求。 1 4 2 计算机监控系统结构类型 水电站采用的计算机监控系统结构类型大体可分为集中式计算机监控系统和分布式 计算机监控系统。 ( 1 ) 集中式计算机监控系统的结构 在集中式计算机监控系统中，一台计算机承担整个水电站的全部监控任务，数据采集 和处理均在全站计算机系统中进行。系统运行参数和状态的监视、运行方式的计算，机组 的启停和负荷调整，事故报警，运行状态的显示和记录等任务，都由一台计算机执行。只 要计算机出了故障，整个系统就会瘫痪，只能改为手动操作，控制性能大大降低，这种系 7 西安理工大学工程硕士学位论文 统结构在大中型水电站己不采用，但用于以常规控制为主计算机监控为辅的水电站改造还 是使用的。 ( 2 ) 功能分散式监控系统 随着计算机价格的下降和水电厂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、功能分散、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，构成了现地控制单元( 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。 ( 4 ) 基于开放系统的分布式监控系统 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，软件开发的投入也 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。 1 4 3 计算机监控系统主要功能 ( 1 ) 数据的采集与处理 自动采集各现地控制单元的各类实时数据、来自调度级的数据、外接系统的数据信息、 操作员手动登录的数据信息1 1 6 1 。通过现地控制单元( l c u ) 和现场智能控制单元对实时数 据( 全厂的开关量、模拟量、脉冲量、电气量、温度量等) 进行采集、运算并以一定的格式 存入实时数据库，供计算机系统实现画面显示及更新、控制调节、记录检索、操作指导、 事故记录分析、制表打印及完成各种计算、控制等设计功能时使用。系统不仅将各类信息 汇总到简报窗口，而且根据信息的不同类型进行分类，自动完成事件顺序记录、故障信息 记录、开关量变位记录、越限报警记录、系统自诊断记录等，形成定期的历史存盘，以备 查询mn 盯。 ( 2 ) 实时运行监视 操作员工作站作为运行人员和计算机系统的人机接口，完成实时的监视、控制调节和 参数设置。监控系统实时监视电厂各类设备的运行状态和参数，根据采集的数据，系统通 过更新显示器画面的数据实时显示机组的运行状态、设备的操作动态过程，当运行状态发 生变更或参数超越设定限值等时，监控系统立即报警，并推出相应事故、故障显示画面， r 1 综述 供运行人员分析参考n 。 ( 3 ) 控制和调节 监控系统的控制权管理采取现地优先的原则 2 0 1 。电厂的控制和调节功能主要有：单台 机组的开、停机操作；机组的负荷调节；各类开关站和机组的断路器、机组隔离开关的合 分操作；公用设备、机组油、气、水等辅助设备工作状态切换启、停操作：机组有功功 率、无功功率的调节、设置和修改各项给定值和限值等。监控系统根据预定的原则和运行 人员输入( 或自中调发来) 的命令，发出开停机命令，进行各断路器、隔离开关分合闸操作， 以及和机组运行有关的闸门操作。 ( 4 ) 统计记录和制表打印 所有监控对象的操作、报警事件及实时参数报表等都予以记录，对事故、故障信号及 重要的位置信号进行事件顺序记录，并能在监视器上显示，打印机上按预定表格打印出来 ( 采用中文格式) 。 ( 5 ) 自动发电控制( a o c ) 计算机监控系统可根据调度给定或本厂运行策略给定的总有功功率的设定值，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，进行电厂机组处理的闭环调节，并自动开、停机组；或在显示器上显示供运行人员 参考，确定每一台机组的启、停和有功设定值2 u 。 ( 6 ) 自动电压控制( a v c ) 根据给定的高压母线的电压控制曲线，监视高压母线的电压变化，合理分配机组间的 无功功率，确定机组无功功率设定值，自动调节机组的无功功率，使母线电压维持在给定 的控制范围内；或在显示器上显示上述数据供运行人员操作参考1 2 2 1 。 ( 7 ) 系统授权 可根据不同用户如系统管理员、运行操作员、一般监视人员进行授权管理，有利于追 踪分析操作的责任人，防止未经授权的人员进行非法操作，提高系统的安全性。 ( 8 ) 系统自诊断 系统设备硬件故障诊断包括对计算机、外围设备、通讯接口、通道等的运行情况进行 在线和离线诊断，故障点能诊断到各模板；软件故障诊断能以计算机系统的软件进行在线 诊断，诊断出故障软件功能块并应发出报警信息。 1 5 本文的主要内容 本文在分析研究国内外水电站计算机监控系统现状的基础上，针对九甸峡水电站的实 际情况，进行了该电站监控系统的设计研究，做了以下工作： 第一章介绍了水电站综合自动化的意义、目的和国内外发展状况和趋势、相关技术 发展趋势等。 第二章根据九甸峡电站的实际情况，对其监控系统进行了总体结构的设计，包括主 9 西安理工大学工程硕士学位论文 1 0 机监控系统、辅机及公用设备监控系统和枢纽设备监控系统的大体方案。 第三章根据九甸峡电站的实际情况，对其监控系统进行了功能设计，包括详细的监 控系统功能和设计要求。 第四章根据九甸峡电站监控系统的设计要求及功能，对设计的监控系统设备进行了 硬件选型，包括中控室、网络和现地控制单元的硬件选型配置。 第五章根据电站水轮发电机组实际情况，进行了机组自动发电控制设计，实现了机 组的顺序控制，提高了电站的综合自动化水平。 第六章根据水电站综合自动化的需要，进行了监控软件设计，给出了具体设计的方 案结构，完成了电站监控的功能，并给出了具体的监控系统软件界面。 2 九甸峡水电站监控系统的总体结构设计 2 九甸峡水电站监控系统的总体结构设计 水电厂运行设备多，分布范围广，运行环境恶劣，生产过程中安全可靠性要求 高，监视严密，数据要求实时处理性强，数据处理量大，控制对象复杂，自动化操 作程度高。因此，水电厂计算机监控系统是个复杂的系统。但是由于水电厂自动 化监控系统的功能比较固定，应用需求相对较稳定，以往水电厂计算机监控系统都 是较为专用的实时控制系统，在设计上，对系统中采用的计算机技术，特别是其技 术的发展考虑得较少。设计的系统投入运行后生命周期较短，由于新技术的出现和 发展，旧系统性能的相对降低，系统往往过早报废，不得不重新设计和开发新的系 统。因此，选择好适合水电厂的计算机网络体系结构及其具有硬件和软件发展潜力 的技术是水电厂计算机监控系统投运后，能够长期成功运行的基本可靠的保证2 。 由于水电站基本条件不同，水电站计算机监控系统必须根据不同水电站的具体 要求进行设计和开发，虽然为水电站配置统一的计算机监控系统是比较困难也是不 太现实的，但在具体的工程设计、开发过程中总结规律和方法，对于现阶段我国水 电建设事业中提高水电站综合自动化水平具有一定的借鉴和指导意义。本文通过对 九甸峡水电站计算机监控系统的设计、开发工作过程进行总结，并对重点问题进行 分析和研究，力求总结出一定的规律和模式，以求更好地实现水电站计算机监控系 统的功能。 2 1 九甸峡水电站概况 九甸峡水利枢纽工程是洮河九甸峡水利枢纽工程的一部分，位于甘肃省卓尼、临 潭县交界处，现场距兰州市约1 8 5 k m ，有九甸峡专用公路通往电站；铁路运输可至兰 州火车站，兰州火车站距电站厂房约1 8 5 k m ；电站通讯联络由电信公用网连通。电站 安装3 台立轴混流式水轮发电机组，单机容量1 0 0 m w ，总装机容量3 0 0 m w 。电站水 头范围9 8 6 1 0 1 3 5 0 5 m ，额定水头1 2 5 0 0 m ，保证出力5 8 9 m w ，年平均发电量1 0 0 2 亿k w h 。电站设有3 3 0 k v 电压级出线l 回，接入临洮3 3 0 k v 开关站的3 3 0 k v 母线。3 3 0 k v 电压侧采用单母线接线。 发电机电压侧由三组单元接线组成，三台1 0 0 0 0 0 k w 水轮发电机与三台 1 2 0 0 0 0 k v a 主变压器组成单元接线；1 3 8 k v 隔离厂用变采用三台变压器，容量为 6 3 0 0 k v a ，三台1 3 8 k v 隔离厂用变压器分别接至由三组单元经断路器后组成的1 0 k v 发电机电压母线，采用单母线分段接线，另从保留的3 5 k v 施工变电所引一回1 0 k v 线路作外来电源。两台1 0 0 4 k v 厂用变压器及两台1 0 0 4 k v 厂用照明变压器分别接 至1 0 k v 电压的l 段、3 段母线。1 0 k v 电压l 段母线引出三回1 0 k v 线路，一回至生 活区，一回至坝区1 0 k v 变电所，另一回备用；1 0 k v 电压2 段母线引出一回1 0 k v 线 路至漾水崖电站；1 0 k v 电压3 段母线引出三回1 0 k v 线路，一回至坝区1 0 k v 变电所， 两回备用。两台厂用变压器，容量为1 2 5 0 k v a ，两台厂用照明变压器，容量为2 5 0 k v a 。 西安理工大学工程硕士学位论文 由于具体九甸峡水电站电气主接线图较为复杂，限于篇幅，下面图2 - 1 给出了九 甸峡水电站电气主接线简图以示意。 j d , j i x v 母线 譬 虏 萋| 萋囊密 嘲 。 器l睡姆l 埔分毋2 哐徊3 b 分甲 卓_ 9 ， 毛。 9 如。7 姒嚣岫猁螂岫删栅| 幽霉 r 母纬母线 母线 图2 1 九甸峡水电站电气主接线 f i 9 2 - 1t h em a i ne l e c t r i cc o n n e c t i o no fj i u d i a n x i ah y d r o p o w c rp l a n t 2 2 水电站计算机监控系统的主要功能 水电站计算机监控系统按“无人值班，少人值守 的原则设计，系统按照综合自 动化的要求实现对全厂机电设备的监控，具有以下主要功能： ( 1 ) 对机组、开关站、厂用电及公用设备系统的运行参数进行检测并处理。 ( 2 ) 对全厂主要设备的状态、主要设备的机电保护动作状态以及事故和故障信号等 各种开关量进行监视，对其状态的变化，进行事故顺序记录。 ( 3 ) 存储事故发生前和事故发生后的主要参数和数据采集值。 ( 4 ) 控制及调节功能。控制功能主要指发出开停机令、进行断路器的跳闸和合闸、 隔离开关的分合闸以及机组运行有关的闸门操作。调节功能主要是指调节机组 的有功和无功出力，保持机组的频率和电压在规定范围内。 ( 5 ) 人机联系的功能。主要应具有输入功能、显示功能、打印功能。 1 2 2 九句峡水电站监控系统的总体结构设计 ( 6 ) 自动统计主要设备的运行小时数、动作次数、事故和故障次数等数据，建立设 备运行档案，为合理安排设备的运行和维护提供依据。 ( 7 ) 根据监控系统所存储的信息以及适时采集的信息，正常操作和发生事故时，可 自动和由运行人员提出操作的指导意见。 ( 8 ) 根据局调度提供的通讯协议，与局自动化系统实现数据通讯，发送规定的电站 运行信息，并接受和执行局下达的命令。 ( 9 ) 统计和制表打印功能。 ( 1 0 ) 故障自诊断和自恢复功能。 2 3 九甸峡水电站计算机监控系统特点 由武汉华工电气自动化有限责任公司独立开发的c s c s 水电站计算机监控保护系 统本着安全、可靠、经济、实用的原则，按无人值班( 少人值守) 的要求进行设计， 全面采用后可实现减人增效的目的。该系统具有以下特点： ( 1 ) 技术先进，结构合理 采用分层分布式结构( 现地层和主控层两层，功能和数据库分布) ，先进的冗余光 纤环形以太网络通讯技术，主控层采用原装工业以太网络交换机，所有的现地l c u 单 元直接联在网上，层次简化，可靠性高，扩展性强，通讯速度快。 ( 2 ) 安全性和高可靠性 针对九甸峡水电站的自然条件特点，c s c s 计算机监控系统主要硬件采用国外进口 原装设备，包括可编程控制器( p l c ) 、网络交换机、工业控制机等，在同条件下投运 电站的使用经验来看，该系统具有较高的可靠性和安全性。在网络结构上主控工作站 采用双机热备，网络交换机采用原装进口品牌，现地l c u 单元p l c 采用双以太网卡直 接上网，传输介质为光纤，组成1 0 0 m 光纤以太环网结构，另外除了微机操作外，保留 手动操作把手及一些常规表计，在计算机网络系统瘫痪情况下，机组仍然可以照常开 停机，不影响发电生产，以上这些措施有效的保证了监控系统的安全可靠的运行。 ( 3 ) 维护方便 综合设计思想合理，集中组屏，集监测、控制系统、计量保护的通讯与一体