（电气工程专业论文）太平哨水电厂计算机监控系统的设计与实现.pdf

厶i气p 鼍j，、一 1 y n l 螋煳 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( s k 平哨水电厂计算机监控系统的设计 与实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工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了谢意。 学位论文作者签名：期：砂p ：多! 堡 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：蚴 日 期：型丝：圣：! 墨 导师签名：塑壅盘暨 日期： ! ! ：，! 尹 、 囊 叠 ， 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 随着微机技术和局域网技术的发展，计算机已深入到工业生产过程的各个领域， 同时由于越来越多、越来越大的水电工程开发，迫切需要更为先进和可靠的控制系 统去操作日趋复杂的控制设备，由此便产生了当代的水电厂计算机监控系统。 整个系统设计工作分三步进行：一、对目前国内外水电厂正在运行的计算机监 控系统进行调研；二、根据太平哨水电厂自身结构特点，制定本水电厂计算机监控 系统的总体设计方案；三、根据电厂的规模和重要性，优化设计厂站级与现地级计 算机监控系统。 对于在现场改造过程中出现的电磁干扰等问题进行了分析，并提出了解决方 法，应用效果良好。 关键词：水电厂，计算机监控系统，设计 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o p r o c e s s o ra n di n t r a n e tt e c h n o l o g y ，c o m p u t e r sp l a ya m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nm 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 e d e v e l o p m e n to fm o r el a r g eh y d r op r o je c t sm a k e si tu r g e n tt ob ee q u i p p e dw i t hm o r e a d v a n c e d a n dr e l i a b l ec o n t r o l s y s t e m t 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 r d e nc o m p u t e rs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mo fh y d r o p o w e rp l a n t g e n e r a t e s t h ed e s i g nw o r ko ft h ew h o l es y s t e md e v i d e si n t ot h r e es t e ps a n dg o e so n ：f i r s t ， i n v e s t i g a t e t h e c o m p u t e rs u p e r v i s o r y c o n t r o l s y s t e mo p e r a t e d i nd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lp o w e rp l a n ta tp r e s e n t ；s e c o n d ， a c c o r d i n gt ot a i p i n g s h a oh y d r o p o w e r p l a n t o n e so w ns t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，m a k et h eo v e r a l l d e s i g np l a n s o ft h i s h y d r o p o w e rp l a n to fc o m p u t e rs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m ；t h i r d ，a c c o r d i n gt ot h es c a l e a n di m p o r t a n c eo ft h eh y d r o p o w e rp l a n t ，d e s i g nt h ec o m p u t e rs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m o ft h ew h o l eh y d r o p o w e rp l a n ta n dl o c a lc o n t r 0 1 w ea l s oa n a l y z es o m eq u e s t i o n so c c u r r e di nt h ef i e l d ，s u c ha se l e c t r o m a g n e t i s m e t c ，a n dp u tf o r w a r ds o l u t i o n s n o w ，w eh a v eg o t t e nag o o dr e s u l t w a n gf e n g l i ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f t i a nj i a n s h e k e yw o r d s ：h 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 o r yc o n t r o ls y s t e m ，d e s i g n d p s 。 ： 女 华北电力大学工程硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论l 1 1 水电厂计算机监控的意义及其重要性1 1 2 水电厂计算机监控的发展概况一一一h 一一叶一2 1 2 1 国外水电厂计算机监控的发展概况一一3 1 2 2 我国水电厂计算机监控的发展概况一一一r 什- 一一一一一3 1 3 电力系统及水力发电的特点t 一一一一4 1 4 水电厂自动控制系统简述一r 一一| - 5 1 5 水电厂计算机控制技术概述t t 一* - - - 6 1 6 本文的研究目的一一一9 1 7 本文的主要研究内容9 第二章太平哨水电厂计算机监控系统总体方案的设计叩p t 0 2 1 水电厂自动化装置简介一t o4 1 r q 1 0 2 2 太平哨水电厂计算机监控系统总体方案设计t 1 3 2 2 1 目前国内水电厂计算机监控系统的主要模式1 3 2 2 2 太平哨水电厂计算机监控系统总体方案设计一1 4 2 2 3 工程设计目标1 5 2 2 4 工程设计原则1 6 2 2 4 远程通讯方式设计1 6 2 3 太平哨水电厂计算机监控系统的技术指标的制订1 6 2 4 控制模式的确定1 8 2 5 网络总体设计方案简述1 8 第三章厂站级计算机监控系统的设计及实现2 0 3 1 厂站级计算机监控系统功能设计2 0 ， 3 2 厂站级计算机监控系统设计与实现2 2 3 2 1 网络设计”一2 2 3 2 2 厂站级计算机监控系统的硬件配置2 5 3 2 3 厂站级计算机监控系统软件的选择及配置2 6 3 2 4 上位机监控主画面的设计开发“2 8 i 华北电力大学工程硕士学位论文目录 3 2 5 人机界面的特点3 6 第四章本地控制单元的设计o o oo o o 3 7 4 1l c u 中p l c 型号的选择3 7 4 2 自动装置及自动化元件的接口设计3 8 4 3l c u 的功能及结构设计? ”3 9 4 4l c u 主要程序设计：+ 4 1 4 5 电源系统- ：j 4 6 4 6 系统抗干扰设计o _ o 4 7 4 6 1 干扰源的分类i 4 7 4 6 2 硬件电路抗干扰技术。e o e e 4 , 6eoeeeee e e 。4 8 4 6 3 软件抗干扰技术i “5 0 第五章结论小“：，”：一5 1 参考文献一5 2 致谢4 “j j 一5 4 在学期间发表的学术论文和参加科研情况“厶- 、_ m 5 5 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 水电厂计算机监控的意义及其重要性1 1 水电厂最根本的任务是实现安全经济运行。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，如刚建成的三峡水电厂，总装机容量高达 1 8 2 0 0 m w 。为了实现安全发供电，需要经常监测的量成千上万，需要实现的控制功 能也越来越复杂。特别是抽水蓄能电厂的出现，机组的工况不仅有发电、调相，还 有抽水，各种工况之间的相互转换，使控制功能进一步复杂。为了实现水电厂的经 济运行，需要进行大量复杂的计算。随着水电厂梯级的形成，协调这些电厂的运行 以期达到整体的经济运行，需要进行的计算更加复杂。以上一切使原来在水电厂上 广泛应用的布线逻辑型自动装置越来越难以胜任这些复杂的工作，需要采用更为先 进的技术。 与此同时，计算机技术这些年来有着迅猛的发展，其性能同趋完善，而价格日 益下降，这为取代常规的布线逻辑型自动装置提供了良好的物质基础。 早在7 0 年代，计算机已经开始应用于水电厂，起先用于各项离线计算和工况 的监测，后来，逐渐进行到控制领域。它经历了一段从低级到高级，从顺序控制到 闭环调节控制，从局部控制到全厂控制，从电能生产领域到水情测报、水工建筑物 的监控，航运管理控制等各个方面。从监控到实现经济运行，从个别电厂监控到整 个梯级和流域监控的发展过程。出现了一批用微机构成的调速器、励磁调节器、同 步并列装置、继电保护装置。多媒体技术应用使电厂中控室的设计发生了巨大变化。 巨大的模拟显示屏正逐渐被计算机显示器所取代；常规操作盘基本上已经被计算机 监控系统的值班员控制台所代替；运行人员的操作已经从过去的拧把手、按开关转 为计算机的鼠标和键盘操作。运行人员的工作性质也发生了质的变化，从过去的日 常监盘和频繁操作转为巡视，经常的监测和调节控制都由计算机系统去完成。运行 人员的劳动强度大大减轻，人员也大大减少，甚至出现了很多无人值班或“无人值 班( 少人值守) ”的电厂。 水电厂实现计算机监控后可取的以下几个主要的效益： 1 提高安全运行水平 一 。安全运行是水电厂最重要的任务，为了保证水电厂的安全运行，必须对水电厂 的运行工况和设备进行经常的严密监测。 水电厂需要经常监测的信息量与水电厂的容量和装机台数有关，大型水电厂的 信息量可多达数千甚至数万。如葛洲坝水电厂约有2 0 2 7 个模拟量、3 1 3 2 个开关量 和1 3 4 个脉冲量。因人的反应能力有限，靠人工监视不能及时发现问题，容易导致 事故的发生。 l 华北电力大学_ f ：程硕士学位论文 计算机能迅速采集和处理大量信息，弥补了人的能力局限性，因而能迅速发现 异常，以便及时采取措施，防止事故的发生，大大提高了水电厂安全运行的水平。 这些是难以用量化的数据表达的。 2 实现经济运行 水电厂实现自动发电控制以后，可以使水电厂经常处于优化工况下运行，达到 多发电、少耗水的目的。梯级水电厂实现全梯级优化运行后，可以进一步节约宝贵 的水电资源，提高经济效益。苏联学者曾经对可获得的经济效益进行了计算，结果 表明可提高水能利用率约为4 。我国的一些计算表明，平均效益约为1 。具体效 益的大小随水电厂的类型而异，具有调节性能强的水库和负荷曲线变化大的水电厂 的经济效益尤为显著。梯级水电厂实现经济运行后的效益更大，可达百分之几。 3 减少运行值班人员 水电厂采用计算机监控以后，监测和操作大多由计算机系统进行，运行值班人 员只是在旁进行监视以及进行少量的键盘和鼠标操作，工作量大大减轻。因此，可 以大大减少运行值班人员，有的水电厂甚至可以实现无人值班，主厂房一般可以不 设值班人员，中控室只留一两个人值班。 运行值班人员减少后，相应的生活建筑和社会文化设施也可减少，从而大大节 约投资。此外，减少值班人员不仅具有经济效益，而且有一定的社会效益。 1 2 水电厂计算机监控的发展概况 水电厂的控制，从发展上经过了手动控制、自动控制、集中控制和大型计算机 监控等四个阶段。 l 手动控制 早期水电厂没有自动控制装置，发电机电压调整、机组转速调节等工作均由运 行值班人员手动调节，运行人员劳动强度大，误差也比较大，容易出现误操作，从 而导致事故的发生。 2 分散自动装置控制 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，但仍要求在机旁设置水机值班人员，采用机、电分开的值班方式， 而且机组运行不稳定，所以还谈不上经济运行。 。 3 集中控制 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，元件可靠性提高。全厂采用了计算机巡控及报警系统等自动装置，大大提 2 华北电力大学工程硕士学位论文 高了水电厂运行的稳定性和经济性，达到机电合一，实现了集中控制。但是各个自 动装置仅通过接点联系，没有完善的通讯网络，各个自动装置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 水电厂计算机控制是指利用计算机对水电厂的发电过程进行实时监控，采用计 算机控制的目的，是为了进一步提高水电厂的自动化水平，提高电能质量，提高水 电厂的安全运行水平和为实现“无人值班( 少人值守) ”奠定基础。? ： 由于计算机监控设备在水电厂的推广应用，水电厂监控系统的监控方式也发生 了变化，随着计算机技术的发展，计算机系统在水电厂监控系统中的作用及其与常 规设备的关系也发生了变化，其演变过程大致如下： + 。= 1 以常规控制装置为主、计算机为辅的监控方式； 2 计算机与常规控制装置双重监控方式； 3 以计算机为基础的监控方式； 4 取消常规设备的全计算机控制方式。 1 2 1国外水电厂计算机监控的发展概况 。 。 ， 水电厂计算机监控技术的发展始于二十世纪六十年代，当时由于计算机体积庞 大，性价比太低，未得到广泛应用。二十世纪七十年代末，随着计算机技术的迅猛 发展，性价比不断提高，开始广泛应用于水电厂自动化的各个领域。世界各国对水 电厂计算机监控系统的研究和开发都十分重视，理论研究和工程实旌十分活跃，一 些科学技术发达的国家在工程应用上做了大量的工作，水平较高。如：美国在大古 力和石河段等几座大型梯级水电厂已经实现了计算机控制；日本在实现中小型水电 厂和抽水蓄能电站计算机控制当面比较突出，最典型的有新高濑川和主原两座抽水 蓄能电站；法国在梯级水电厂的计算机控制方面已经处于领先地位，典型的有罗纳 河梯级水电厂和莱茵河梯级水电厂。目前国外监控在l c u 装置的设计上充分利用了 成熟的数字电子集成电路技术，将p l c 、p c c 、现场总线技术集成到l c u 中去，结合 他们先进的制造工艺、几十年规范化的管理以及对监控标准的制定、掌控上的优势， 使他们的l c u 装置具有高性能、高可靠性、标准化的特点；在主站的设计上充分发 挥其在u n i x 操作系统上的技术成熟度，设计出专业性很强的监控软件，可靠性也 很高，目前由于w i n d o w s 操作系统的迅猛发展势头，处于成本及应用范围的考虑， 国外也在大力发展基于w i n d o w s 平台的监控软件。总的来说，国外监控系统在硬件 制造、标准化程度上处于领先水平，但是由于电力行业的运行方式涉及各个国家自 身的经济运行特点，有其自身独特的运行规程，在国外使用良好的监控系统，照搬 到国内来就不一定运行的好，需要进行本土化改造，因此发展适合我国自身电力运 行特点的监控系统是非常必要的。 3 华北电力大学工程硕士学位论文 1 2 2 我国水电厂计算机监控的发展概况 我国的水电厂计算机监控系统经过水电行业科研、规划、设计、生产等部门几 代人的辛勤劳动，经历了从无到有，并逐步发展壮大，技术水平和研发能力已经逐 步赶上了国外先进水平。 j，：。 我国水电厂计算机监控系统的研制工作起步不晚。早在7 0 年代末，原水电部 就组织了南京自动化研究所( 现改为电力自动化研究院) 、长江水利委员会和华中 工学院研究葛洲坝水电厂采用计算机监控系统的问题。随后；中国水利水电科学研 究院自动化研究所开始研究富春江水电厂计算机监控系统的研制工作。这些监控系 统于8 0 年代中先后投入运行。 一： 与此同时，我国也引进了一些国外研制的监控系统。如采用g a e 公司产品的有 葛洲坝大江电厂、隔河岩水电厂和龚嘴梯调；采用西门子公司产品的有鲁布革水电 厂、广州抽水蓄能电厂二期；采用a b b 公司产品的有盘家口水电厂、天生桥二级、 溪口、宝兴河梯级和二滩水电厂等。 十多年来，国内的研制单位取得了很大的成就。已投运的几十个计算机监控系 统中绝大多数是由国内单位研制的。技术水平也有了很大的提高，达到了国外9 0 年代的水平。+ 许多新技术，如分层分布处理i 分布式数据库、开放式系统、网络结 构、多媒体、专家系统等，都得到了相应的应用。电力自动化研究院和水科院自动 化研究所还推出了自己的系列产品，不仅在国内水电厂得到广泛应用，甚至还出口 到国外。据不完全统计，一目前大多数大中型水电厂实现了计算机监控系统，不采用 的已是少数。 ： ： ： +、 7 ： 1 ：3 电力系统及水力发电的特点 。 众所周知，电力系统是指利用各种电压等级的输电线路把分布在不同地区的各 种发供电设备连接在一起构成的一个整体，具体包括发电、变电、输电、配电等部 分。同其它系统相比，电力系统具有如下显著特点： 1 电力系统是产、供、销同时完成，即“发、变、输、配、用力同时发生的高 度集中的实时系统，必须实行统一调度j 。 - 。 2 电力系统在任一时刻都必须保持有功功率和无功功率的平衡，即下列等式在 。 ， 任一时刻均成立： 只= p j + ； q ，= q ，- i - q 。 4 ( ! - 1 ) 0 - 2 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 式中：y 只、yq ，一当前发电设备发出的有功和无功功率总加； jj 一 p ，、q ，一系统当前的有功、无功总负荷； p i 、q ，一系统当前的有功、无功损耗总和。 水力发电是比较经济、常用的一种发电形式，是借助于各种形式的大坝把江河 水拦截起来蓄到水库里，通过引水系统利用水的势能推动水轮机并带动与之同轴的 发电机转动发电。水轮发电机所发出的功率如下： ： ， 。g ：9 8 1 qr lh 二， ，：， ( 1 3 ) 式中：q - 水轮机流量m 3 s ，h _ 水头i n ，i l _ 水轮发电机组效率。 相对于其它发电形式而言，水电厂具有启停速度快( 最快可在1 分钟内并网并 带满负荷) 、调节方便、能源清洁等特点，在电网中主要承担调峰、调频和事故备 用的任务。 。o - 二， ， “ r1 ， 1 4 水电厂自动控制系统简述1 由于水电厂可担任系统调峰、调频等重要任务，因此对其自动化程度要求较高。 水电厂自动控制系统的功能主要包括以下几个方面： 1 水轮发电机组开停机、运行的自动控制与故障、事故保护等： 2 机组转速和有功功率的自动控制； 3 发电机电压和无功功率的自动控制： 4 同期控制及压缩空气系统、技术供水系统、渗漏排水系统等辅助设备的 自动控制等； 5 电气设备防误操作。 根据上述功能要求，水电厂自动控制系统结构如图卜1 所示： 图1 - 1 水电厂自动控制结构图 5 华北电力大学工程硕士学位论文 各组成部分的功能和原理简述如下 1 水轮发电机组控制及保护回路： 1 ) 接受运行值班员或调度指令，完成机组的各种状态转换：如太平哨水电厂的 以下几种状态转换：停机一空转、空转一空载、空载一发电、发电一空载、空载一 空转、空转一停机等j 一 ， 一一 2 ) 实时采集、监视机组各部分的运行参数如轴瓦温度、机组转速、轴承油位等， 如有异常发信号报警或作用于停机。“ t 、 。 3 ) 完成机组各种保护功能。如机组过速保护、事故低油压保护等。 2 机组调速器、励磁系统、同期系统是具有一定功能的相对独立的自动装置。 华北电力大学工程硕士学位论文 控制器，通过s l a v eb u s 挂接各种i o 模件。结构如图1 - 2 所示： 图1 2i n f i 9 0 系统结构瞄 系统的主要组成部分： 1 ) 操作员接口站( o p e r a t o ri n t e r f a c es t a t i o n ，o i s ) ：主要完成流程图显示、 操作、管理、存储数据的功能。提供有效的窗口来观察过程和系统、操作过程和管 理过程，提供画面显示、图形显示、参数趋势显示、报警显示等显示功能、数据存 储与管理功能、系统操作功能等。 2 ) 工程师工作站( e n g i n e e rw o r ks t a t i o n ，e w s ) ：提供工具平台对i n f i 一9 0 系 统进行组态、对整个系统进行程序、参数修改和系统维护。 3 ) 多功能处理器( m u l t i - f u n c t i o np r o c e s s o r ，m f p ) ：是i n f i 一9 0 系统适应过 程控制的核心部件，它能完成回路控制、顺序控制等功能，m f p 可以实现l ：1 冗余， m f p 通过总线与各种i o 子模件相连接，其中f b s 、c i s 、a s o 等分别为模拟量输入、 控制i o 及模拟量输出等直接与现场接口。 i n f i - 9 0 系统是一个封闭环路、缓冲器插入型的环形通信网络，网络上的节点 类型包括过程控制单元、操作员接口站和计算机接口单元，网络最大可支持2 5 0 个 节点，在网络上的各个节点均可组成冗余配置，可靠性高，属于分层、分散系统， 但其开放性较差。 一 7 华北电力人学。t ：程硕十学位论文 2 西门子公司的p r o k o n l s x 水电厂计算机监控系统： 该系统是西门子公司采用先进的系统结构和国际上通用的标准近年来开发出 来的水电厂监控系统。采用分布式结构，将所有功能分成三层，结构如图1 3 ： i 运行操作计算机 运行操作计算机 数据库计算机优化计算机 i l； 地区( 主) 计算机 地区( 主) 计算机 l l p l c l p l c 站控制单元 站控制单元 i 图i - 3 西门子公司p r o k o n l s x 系统 1 ) 本地自动层( t h el o c a la u t o m a t i o nl e v e l ) ：由p l c 和建立在p l c 上的电站 控制单元实时地实现数据采集、监视和控制功能，当数据、状态和处理参数发生变 化时，对它们设置一个时间标志，并且非周期性地将它们送到中央控制室内的中央 层系统。 2 ) 地区层( t h ea r e a l e v e l ) ：由本地自动层送来的数据经地区计算机进行采 集，根据数据的范围进行处理或向上一级计算机传送，一个或几个主地区计算机可 用来对系统数据库在几个单元内进行分配。例如对机组、开关站、闸门各自设置地 区计算机。： 3 ) 对话层( t h e d i a l o gl e v e l ) ：该层主要实现操作员对电厂的控制和监视的系 统，它包括用于运行和监视电厂生产过程的运行操作计算机，根据电厂规模大小可 设置单独的数据库管理机等。 西门子公司的p r o k o n l s x 水电厂计算机监控系统是一种分层分布式监控系统， 这种系统在地域上是分散的，即按控制对象进行分散。按控制对象设置单独的控制 单元，此时，某个机组控制单元发生故障，只影响这一台机组，而不影响整个电厂 2 华北电力大学工程硕士学位论文 的运行。另外，由于信息进行了分布处理，即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。 由于以上原因，整个系统的可靠性也得到了显著的提高。 这两个系统比较典型，都采用了分散式结构，前者是应用较早的系统，开放性 较差，后者是近期开发的系统，采用了当今普遍流行的分布式结构，可靠性高，为 本项目的设计提供了借鉴。 1 6本文的研究目的 太平哨水电厂由于设备改造，控制设备越来越复杂，原有的监控系统已经不能 满足这些新设备的需要，加之安装时间早，设计理念相对落后，功能上也不具备扩 充性，在实际应用过程中已经越来越不能满足水电厂的运行要求，该课题的研究目 的就是为了设计一个能够满足太平哨水电厂目前应用的软硬件基础构架，并在此构 架上完成一个具有实用功能的应用软硬件产品，并希望在使用过程中不断总结现场 意见，在这个可扩充的软硬件基础构架上不断升级，不断完善，同时希望能在这一 系列过程中总结出一些经验，为国内其他水电厂的计算机监控系统改造提供借鉴。 1 7 本文的主要研究内容 本文在回顾国内外水电厂计算机监控系统发展过程和总结现有成果的基础上， 结合太平哨水电厂计算机监控系统建设，对水电机组计算机监控系统进行了深入的 研究，并根据国内外最新计算机硬件产品、软件产品、网络技术、实时工业控制产 品和未来的发展趋势，依据国家电力公司对水电厂计算机监控系统的有关规定，研 究制定了太平哨水电厂的控制方式、功能需求和技术指标，并对从厂站级计算机系 统到本地控制单元的计算机网络、设备选型、与各自动装置的接口方式等进行了实 施方案设计，对在现场中遇到的问题进行了分析，并提出了解决方法。 1 结合水力发电的特点对水电厂控制技术和计算机监控系统进行概述。 2 在对水电厂控制技术和计算机监控系统的发展现状分析研究的基础上，设计 出太平哨水电厂计算机监控系统总体方案。 3 对太平哨水电厂计算机监控系统的功能、网络设计、上位机应用程序的人机 交互界面、语音报警和历史记录等程序进行了设计。 。 4 对本地控制单元的模式、p l c 的选择及主要程序和电源系统进行了设计，并 对现场实施中说遇到的问题进行探讨，并提出了解决方法。 9 华北电力大学1 i 程硕十学位论文 第二章太平哨水电厂计算机监控系统总体方案的设计 2 1 水电厂自动化装置简介2 1 7 m 3 水电厂现场自动化装置是指能够以开关量、数字量或本地网络与计算机监控系 统( 或水电厂自动控制系统) 通信，并能接受其指令，独立完成某一项功能的、具有 自动闭环控制功能的独立装置。在水电厂控制中，主要有机组励磁系统、水轮发 电机组调速器、发电机准同期控制器等。 1 励磁系统 同步发电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流，以便建立磁场，这个电流称 为励磁电流，而供给电流的整个系统称为励磁系统。励磁系统包括两部分：一部分是 用于向发电机的转子绕组提供直流电流，以建立工作磁场，这一部分称为励磁功率 单元；另一部分为自动励磁控制部分，称为励磁调节器。现代励磁调节器采用p i d 或非线性控制，根据机端电压u 和给定电压u 之间的偏差信号，自动调节可控硅励 磁回路的控制角或直流励磁系统晶体管开关回路的占空比，改变励磁系统输出的直 流电压，达到调节发电机机端电压或输出无功功率的目的，目前在水电厂中多采用 基于工控机的微机励磁调节器或p l c 励磁调节器。同步发电机励磁系统的主要作用 是调节发电机的机端电压、控制机组间无功功率的合理分配、保证同步发电机运行 的稳定性。 1 ) 电压控制： 在同步发电机空载运行中，转子以同步转速n 旋转时，励磁电流产生的主磁通。 切割n 匝定子绕组感应出频率为f = p n 6 0 的三相基波电势，其有效值e o 同f 、n 、。 以及绕组系数k 的关系如下： e o = 4 4 4 f n k ( 1 ) o ( 2 - 1 ) 这样，改变励磁电流i f 以改变主磁通0 0 ，空载电势e 0 值也将改变，二者的关系就 是发电机的空载特性e 0 - - f ( i f ) 或发电机的磁化特性0 0 = f ( f 0 。在发电机空载状态下，空 载电势e 0 就等于发电机端电压u t ，改变励磁电流也就改变发电机端电压。 完成电压控制的设备是由励磁调节器，励磁电源，发电机等组成，同步发电机励磁 控制系统框图的一般形式如图2 1 所示 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 - l同步发电机励磁控制系统框图 对于一个励磁控制系统来说，电压控制就是维持发电机端电压在设定位置。为实现 这一目的，首先就要设定电压，要有一个给定信号u g ，以便明确电压控制值：其次要 测量电压，看发电机端电压是多少，这里由发电机电压互感器p t 和调节器中的测量板 组成，将u t 变为u c ；最后，由调节器比较给定值和测量值，当测量值小于给定值时， 励磁装置增加励磁电流i f ，使发电机端电压上升，当测量值大于给定值时，励磁装置减 少i f 使发电机端电压下降。 2 ) 无功分配 在发电机负载运行时，根据所带负载的性质，空载电势e o 同发电机端电压u t 的关系发生了变化。当发电机带感性负载时，电枢反应具有去磁性质，随着负载的 增加，u t 越来越小于e 0 ，这时为了维持u t 不变，必须增大励磁电流；当发电机带 容性负载时，电枢反应具有助磁性质，随着负载的增加，u t 越来越大于e o ，同样 为了维持u t 不变，必须减少励磁电流。 在发电厂中数台发电机并网运行时，调节一台发电机的励磁电流，不仅会改变 这台机的无功，还要影响其他发电机的无功稳定性。为此，励磁系统分配并联运行 的发电机无功时，还要考虑其稳定性和合理性，这就要求励磁调节器具有调差功能， 图2 2 描述了励磁装置调差的基本原理： 图2 - 2 励磁装置调差原理图 华北电力大学r 程硕士学位论文 3 ) 有利于电力设备的稳定运行 在短路故障期间以及故障切除后，性能良好的励磁控制系统可以尽量维持电力 系统的电压、加速电压的恢复，从而改善了系统中电动机的运行条件，有利于电力 设备的运行。类似地，它改善了并列运行的同步发电机在失磁后转入异步运行时电 力系统的工作条件。此外，励磁系统还可以提高带时限的继电保护装置的工作灵敏 性和动作准确性。 2 机组调速器” 水轮机组调速器是由调速系统和调节对象组成的闭环系统，调速系统包括电气 自动控制和液压随动系统两部分，调节对象包括水轮机及其有压过水系统、发电机 及电网，其结构如图2 3 所示。控制部分实时测量机组转速，根据给定频率( 或系 统频率) 和机组转速间的偏差信号，控制液压系统电液转换器的活塞位移，从而通 过引导阀、主配压阀，操作机组接力器，改变水轮机导叶开度，使机组转速迅速升 至额定转速川；机组并网后，接受机组自动系统( 或调度) 的控制命令完成机组有功 功率的调节”。水轮机调速器是水电站运行的重要组成部分之一，是具有开机i 停 机、并网等机组控制和转速、功率调节等功能的机一电系统。 图2 3 水轮机组调速器系统方框图 水轮机的数学模型 根据水力学方程建立导叶开度和机组有功功率的关系，即典型原动机模型： 一而1 - t w s 觚 。一c _ 式中，巧为等值水锤效应时间常数。其物理意义为：水头h o 将压力水管中的 水从静止状态加速到流速为q o 所需要的时间。通常满载情况下，设计时一般使巧的 值在0 5 4 s 之间。 。 调速系统的数学模型 以机械液压式调速系统的原理和微机调节器组成的模拟型自动调速器为例，建 1 2 华北电力大学r 程硕十学位论文 立其数学模型如图2 4 。可以清楚地看出配压阀活塞位移0 、导叶开度u 和位移传 感器毛之间的典型传递函数的关系。 调频器 图2 4水轮机自动调速系统传递函数框图 3 机组准同期控制器 在开机过程中，当机组转速达到9 5 以上时投入机组准同期控制器，它自动采 集处于空载状态下的发电机端电压与系统电压，比较、调节二者电压差和频率和差 合格后，根据同期装置导前时间向发电机断路器发出合闸脉冲，在二者电压相角差 6 = 0 的瞬间将发电机并入电网。 2 2 太平哨水电厂计算机监控系统总体方案设计4 1 9 0 1 2 2 1 目前国内水电厂计算机监控系统的主要模式” 近年来，国内水电厂计算机监控方面发展迅速，不论在系统集成、软件开发、 硬件配置、抗干扰措施、新技术应用，还是联合设计、售后服务、备品备件、升级 更新等方面，都不同程度显示出国产化的优势，国内以电力自动化研究院和水科院 为代表的一大批科研院所不仅承担建设、改造了国内上百个电厂计算机监控系统项 目，还参与了国际招标，并出口国外。这两个单位目前研制开发的主流系统均为开 放、分层分布式的系统。，。其主要性能指标达到或超过了国外一些著名公司的系统。 下面将其主要的系统做以简介j 1 以应用在丹东太平湾电站的计算机监控系统为例分析电力自动化研究院的 系统。该系统采用了符合开放系统国际标准的开放式环境下全分布式计算机监控系 统，系统高度冗余、可靠，分为2 层结构：电站控制级和现地控制单元，网络协议 为i e e e 8 0 2 3e t h e r n e t 标准。网络介质采用光纤或双绞线。操作系统为u n i x ，图 i b 华北电力大学工程硕士学位论文 形系统符合x - w i n d o w 标准，高层网络协议为t c p i p 。采用了时钟同步系统一g p s 与 各计算机和l c u 相联，保证整个系统的时钟同步。按机组设备单元设置若干台l c u ， l c u 采用南瑞公司的s j 系列产品，并利用c 2 0 0p l c 作为其备用，可靠性更高w 。 系统通过双机自动切换装置实现双主机热备用及与其它系统的通信。该系统秉 承了国外同类系统的优点，在太平湾电厂投入运行3 年以来，系统运行可靠，各项 指标均达到了设计要求。 2 水科院的h 9 0 0 0 系统：该系统是1 9 9 4 年开发的面向对象的分布式、开放的 计算机监控系统。位于吉林省境内的特大型水电厂一白山发电厂于1 9 9 7 年开始采 用此系统进行改造。白山电厂总装机容量为1 7 0 0 m w ，包括两坝三站，单机容量分别 为3 0 0 m w 和5 0 m w 两种。该系统亦采用了分层分布式结构，整个系统按功能分为三 层：调度层、电站层、本地控制单元层。系统采用了远程互联、快速以太网技术， 把相距i o o k m 的两个系统连成一个1 0 0 m 的网络。实现在距电站i o o k m 外的桦甸市 梯级调度中心对电站机组的实时监控u ”。各项技术指标均达到或超过了d l t 5 7 8 9 5 水电厂计算机监控系统基本技术条件的要求，1 9 9 9 年通过了国家电力公司组织 的鉴定，达到了很高的水平。该系统的主要特点是， 1 ) 开放的硬件及系统配置：对于计算机、数据采集、网络等硬件设备立足于采 用国外质量可靠、具有实用经验的产品，上位操作员工作站及数据库管理机为 c o m p a q 的a l p h a 系列计算机及网络设备，l c u 采用了g e 9 0 - 7 0p l c ，整个系统为双 以太网冗余结构，网络介质为光纤和双绞线，高层网络协议为t c p i p ，网络为星型 网络。 2 ) 网络结构灵活，根据电厂的规模及重要性选用不同的网络结构。 3 ) 系统具有完善的授权管理、远方诊断等功能，运行稳定。投入运行以来，现 地及远方开停机成功率均达到了1 0 0 。 2 2 2 太平哨水电厂计算机监控系统总体方案设计 儿“。 通过上述国内外典型系统的结构分析，可以得出以下几点结论，作为我们设计 本工程的依据之一： 1 目前水电厂计算机监控系统主流结构均为全开放式的，并按控制对象或设备 分层、分布式的结构。根据电厂的规模及重要性在硬件及网络上可采用冗余配置。 2 国产系统在软件设计上更适合我国电站运行管理模式，实用性更强。国外由 于电网大、机组容量所占比例小，对机组停机的限制小，与国内电站的运行方式是 有差别的，同时还存在由于运行人员多年的习惯所造成的差异。 3 国产水电厂监控系统已经达到或超过了国外的水平。本工程立足于采用国内 外先进的软、硬件设备，采用自行设计软件、系统集成的开发策略i f + 太平哨水电厂处于浑江各水电厂的最下游，与桓仁水电厂、回龙水电厂组成梯 1 4 华北电力大学t 程硕士学位论文 级水电厂，由独立的梯调中心负责调度，故计算机监控系统的设计需要与整个梯级 水电厂的整体规划相配合，目前梯级水电厂控制方式一般有以下几种： 1 在各梯级电站中的一个电站控制室内设置调度计算机( 或站级计算机兼作调 度机) ，实现对本电站的监控和对其它梯级电站的远方监控。 2 由上级调度部门( 包括网、省、地调等) 直接监控。 3 设置单独的梯级电站调度中心，调度级计算机放在调度中心内。 由于浑江梯级水电厂己经有单独的调度中心，故采用第三种方式，太平哨水电 厂的计算机监控系统做为厂站级监控，在软件、硬件、通讯接口上要与整个梯级水 电厂达到无缝结合。 根据调研和充分的研究，设计整个系统采用开放、分层分布式计算机监控系统， 按水电厂控制机组对象设置多台计算机装置，它们连接到资源共享的网络上实现分 布处理。系统分两层：厂站级控制层以及现地控制单元层( 以下简称l c u ) 。设计总 体结构如图2 5 所示。采用远程、快速以太网互联技术与梯级调度中心计算机系统 联成一个网络。 厂站级计算机监控 0 姗儿u s n00o00 l 撑t 机组l c u 撑2 机组l c u撑3 机组l c u撑4 机组l c u公用l c u调压井l c u 图2 5 太平哨水电厂计算机监控系统结构图 根据目前计算机监控系统的运行经验和考察结果，在厂站级采用计算机为主、 取消常规设备的设计方案，即在电站中央控制室设置计算机监控系统的电厂值班员 控制台( 不设常规监控设备的控制台) ，通过显示器及其鼠标、键盘等实现对水电厂 ， 全广的集中控制。考虑到检修和试验方便，仅在机组旁边的控制屏上设置少量的、 必要的控制开关如紧急关闭快速闸门、紧急停机等。 。 2 2 3 工程设计目标 通过对太平哨水电厂进行计算机监控系统改造，使计算机监控系统具有综合监 控的能力，实现电厂自动发电控制( a g c ) 、自动电压控制( a v c ) 及经济调度运行等 1 5 华北电力大学工程硕+ 学位论文 功能，并实现流域内远方监控、自动发电控制及经济调度运行等功能，有效地保证 机组调频和事故备用能力，实现电厂的“无人值班( 少人值守) ”。 2 2 4 工程设计原则 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【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太平哨水电厂的自身特点， 其监控系统按下列原则进行设计： 1 监控系统本着安全、可靠、经济、实用的原则，以计算机监控为主、常规控 制为辅进行总体设计和系统配置，做到投资少、功能全、可靠性高、安全、实用， 以达到很高的性能价格比。 2 在梯调中心与太平哨水电厂之间进行计算机系统通讯，实现遥信、遥测、遥 控和遥调的功能，为集中调度和控制具备条件。 3 系统高度可靠，在主站计算机故障时，现地控制单元能独立工作，完成与之 相联设备的自动监控，保证电站设备的安全运行，并且系统的m t b f ，m t t r 及各项 可用性指标均达到部颁“水电站计算机监控系统设备技术要求”的规定。 4