（电气工程专业论文）镜泊湖地下电站计算机监控系统的改造与设计.pdf

摘要 论文题目：镜泊湖地下电站计算机监控系统的改造与设计 学科专业：电气：i f 程 研究生：党华强签名：型! 垒 指导教师：张靠社副教授签名： 摘要 镜泊湖地下电站1 9 7 8 年建成，由4 台机组组成，装机容量6 0 m w ( 4 1 5 m w ) ，现水轮发 电机组已运行二十八年，设备陈旧且老化严重，近年来虽然对一些附属设备包括计算机监 控方面等进行了技术改造，但计算机监控系统始终没有全面完善。镜泊湖发电厂地下电站 虽然机组容量较小，但由于我省水电厂调峰机组较少，所以镜泊湖地下电站在黑龙江省电 网尤其省东部网中占有很重要地位，现在镜泊湖地下电站已不能满足机组快速开停机并 网、精确自动调整负荷的要求，也不能满足水电厂自动发电控制( a g o 的要求，随着国 家电网公司“三抓一创、一强三优”目标的提出，随着“厂网分开、竞价上网”的必然趋 势，今年对镜泊湖地下电站计算机监控系统进行了彻底改造，并满足了现场实际应用、达 到了预期目标。 本文通过分析水电厂计算机监控系统的模式，现地控制单元以及通信系统的发展情 况，结合镜泊湖地下电站的设备现状及地理结构特点，阐述了与之相适应的计算机监控系 统控制模式、结构配置，电厂级采用1 0 0 m b p s 快速以太网，现地控制单元通过s j - 3 0 通讯管 理装置相连接，并针对l c u 、上位机在监控系统及实际运行中的重要性，对l c u 、上位机开 停机流程图及人机界面进行了介绍。这套系统已成功应用于镜泊湖地下电站，效果较好， 系统在软、硬件配置及功能上均达到了运行人员实际需求，为镜泊湖地下电站实现真正意 义上的“无人值班、少人值守、梯调遥控”打下了坚实基础，提供了可靠保障。 关键词：镜泊湖地下电站；计算机监控系统；改造；设计 竺型里 t i t l e ：t h er e b u i l d & d e s i g no fj i n g p o h uh y d r o p o w e r p l a n t c o m p u t e rs u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls 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 n a m e = h u a q i a n gd a n gs i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f k a o s h ez h a n g s i g n a t u r e ： a b s t r a c t t h ej i n g p o h uh y d r o p o w e rp l a n tw a sb u i l ti n1 9 7 8 ，i tc o n s i s t s4g e n e r a t e r s t h ec a p a c i t yi s 6 锄研( 4 1 5 m w ) ，t h eg e n e r a t e r sh a v ew o r k e df o r2 8y e a r s ，t h em a c h i n e sa r eq u i t e l yo l d a l t h o u g h m a n ya d d i t i o n a le q u i p m e n t si n c l u d i n gt h ec o m p u t e rs u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e mh a sb e e n i m p r o v e d ，b u ti th a sn o tc o m p l e t e l yf i n i s h e d i ns p i t eo ft h ec a p a c i t yo fj i n g ：d o h uh y d r o p o w e r p l a n ti ss m a l l ，b u tt h e r ea r ef e wp l a n t st om e e tt h ep o w e rp e a k ，s oi tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nt h ee a s to fh e i l o n g j i a n gp o w e rg r i d b e c a u s et h ej i n g p o h uh y d r o p o w e rp l a n tc a nb eu s e d t og e n e r a t ep e a kp o w e r ，t h eo p e r a t es y s t e mc a n n o tb es h u td o w no rr e s t a r t e di ns h e r ti n t e r v a l s ， t h e ya l s ol a c kt h eo p e r a t i o n a lf i e x i b i l i t yt oa d j u s tl o a d s ot h e ya r eu n s a t i s f i e dt h ed e m a n d o fa u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o l ( a g c ) w i t ht h ea i mo ft h ep o w e rg r i d “c a t c h i n g3s i d e sa n d c r e a t i n g1 ，s t r e n g t h e n i n g1s i d ea n dp r o d u c i n g3 ”，i ti se v i t a b l et h a tt h ep o w e rg r i da n dp l a n t d i v i d e da n dc o m p a r et h ep r i c ei ng r i d s ow er e f o r mt h ec o m p u t e rs u p e r v i s p r ya n dc o n t r o l s y s t e mc o m p l e t e l y ，t h er e q u i r e sa r es a t i s f i e d t b 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 e t h el o c a lc o n t r o lu n i t ( l c o ) a sw e l la sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n dc h o o s e sc o n f i g u r a t i o no fj i n g p o h uh y d r o p o w e rp l a n t p l a n t sn 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 n b p s l c uw a sc o n n e c t e da n dm a n a g e d b ys j 一3 0w h a ti st h es e r i a lp o r t sc o m m u n i c a t i o nd e v i c e a i ma tt h ei m p o r t a n c eo fl c ui nt h e c o m p u t e rs u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e m ，t h ef l o wc h a r ta n dp e r s o na n dm a c h i n e si n t e r f a c e b ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h es y s t e mh a sb e e na p p l i e di nj i n g p o h uh y d r o p o w e rp l a n t ，w e h a v eg o t t e nag o o dr e s u l t ith a sa c h i e v e dt h er e q u i r e m e n ti ns o f t - h a r d w a r ei n s t a l la n d f u n e t i o n s ，jta ls oh a sc r e a t e dt h ed e m a n df o rt h eo p e r a t o r s i th a sm a d eas t r o n gb a s ea n d r e l i a b i l i - t yf o r f e wm a nb e i n go nd u t ya n dr e m o t ec o n t r o l l i n g ” k e yw o r d s ：j i n g p o h uh 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 p r ya n dc o n t r o ls y s t e m ；r e b u i l d ； d e s i g n 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。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：堑垄 垒习年妒月佣 学位论文使用授权声明 本人 ! 量墟 塾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 f 已经在西安理i 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 西安理工大学据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人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) 论文作黼：私也名：率叩年川一日 第一章概述 1 概述 i 1 水电厂计算机监控的内容及意义 随着微型计算机技术突飞猛进的发展，计算机技术已渗透到各个应用领域，在水电 厂自然也不例外，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完成对水电站设备进行监控水电厂计算机监控系统“ “1 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 g 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 控制系统它的功能可用图卜l 来表示： 人工控制或给定目标值 圈i - - i水电厂计算机监控系统方框图 水电厂的中控室负责管理和控制整个电厂的正常运行，它统一指挥在正常或事故情 况下的系统运行，为了保证运行的可靠性、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开关站、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，实现厂内经济运行，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( 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 进行完善改造 西安理工大学工程硕士擘位论文 1 2 水电厂计算机监控系统的发展趋势2 m 1 1 2 1 我国水电站计算机监控系统的发展概况 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厂的应用进行了不懈的探 索。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，如：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 自动化系统等；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1 0 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 月电力企业联合会在成都召开的全国水电厂计算机监控 工作会议总结了前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，如太平湾长甸、 葛洲坝二江二期、李家峡、宝珠寺，隔河岩、莲花等十余个水电厂 改革开放以来，一些水电厂从国外引进了批监控系统，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。 经过多年孜孜不倦的努力，我国水电厂计算机监控技术已经有了很大的发展，不但国 内已有四十多个水电厂计算机监控系统投入运行，而且在技术水平、实用程度上已达到国 外八十年代水平，有的方面甚至己赶上了国际先进水平。 1 2 2 水电厂计算机监控系统的发展趋势n 1 lw 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” b 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，采用面向对象后， 处于检修状态设备的误报警信号就很容易处理，因为检修状态时该机组的各种信号均是登 入检修一览表，而不是事故一览表，避免了检修设备频繁发误报警信号 2 第一辛概迷 c 功能强大的组态工具 用户无需对操作系统命令深人了解，也不需要复杂的编程技巧，不论是在u n i x 系统 上还是在w i n d o w s 系统上，都可通过组态界面十分方便地完成诸如数据库测点、对象、l c u 的各种模件、处理算法、通信端口和通信协义的定义，以及顺序控制流程生成、检测、加 载等各种功能的应用定义及维护，很多功能只需点击鼠标进行选择，既快捷方便，又避免了 使用编辑程序产生的输人错误，真正体现主系统服务的面向对象、可靠、开放、友好、可 扩展和透明化。数据库是计算机监控系统的基础，监控系统与所有设备通讯及其交换的数 据都需要在数据库中组态。 n c 2 0 0 0 计算机监控系统功能块可实现数据库的创建、修改、查询、保存等功能，镜 泊湖地下电站采用南瑞公司开发的n c 2 0 0 0 组太工具。 1 3 水电厂自动发电控制a g o 1 3 1 水电站在电力系统中的作用“1 担负系统的调频、调蜂任务 电力系统的负荷是经常变化的，负荷的变化会带来频率的变化，为了保持系统的频率 在规定的范围内，系统中就必须由一部分发电站或发电机组随着负荷的变化而改变出力， 以维持系统内发出的有功功率和与所需负荷功率相平衡。由于水轮发电机组的控制调节灵 活，与火电厂相比，机组的启动和停止非常迅速，频繁增加和减少水电厂的出力是很容易实 现的，一般火电厂，特别是具有高温高压锅炉的大容量汽轮机组，为使其保持良好的工况和 高效率不宜于频繁进行负荷调节，由于上述原因，水电厂，特别是具有较大调节水库的水电 厂在电力系统中常担任尖峰负荷或腰荷，并且是执行电力系统频率控制任务的主要电厂 b 担负系统的事故备用容量 水轮发电机组通常一、二分钟即可完成启动带负荷操作，因而水电厂又是电力系统故 障时的重要后备电源 1 3 2 水轮发电机组的经济运行 a 水轮发电机组的高效率区控制 根据水轮机运行综合特性曲线，水轮机组在不同的水头下运行具有不同的效率，可在 8 6 9 2 之间变化( 镜泊湖地下电站最高水轮机效率达9 1 5 ) ，在同一水头下，不同 的导叶开度也具有不同的效率，即使是同类型同容量的机组，由于制造工艺上的差异和运 行时间长短的不同，它们的效率也不是完全相同的，而效率上的很小差异，则可能引起经 济效益的很大差别，例如，一台l o o m 的机组，效率提高1 ，按年运行2 0 0 0 h 计算，每年就 可多发2 0 0 万k w - h 电。因此要实现水电厂的经济运行，就要使水轮发电机组经常运行在最 佳工况下( 即高效率区) 西安理工大学工程硕士学位论文 b 水轮发电机组的水耗量特性 根据水轮发电机组的水耗量特性，机组的出力增大其消耗的水量也增大，如图1 - - 2 所示 图1 - 2 水耗量特性曲线 圈1 - - 3 弛耗量徽增事曲线 图l 一2 中，纵座标为单位时间内消耗的水量w ( m s ) ，横座标则为机组输出的有功功 率p 饵- ) 。机组耗量微增率可看作特性曲线上任意点切线的斜率。其物理意义为机组单位 时间耗水量的增量与输出有功的增量之比值即 = ? - ? p 。 即通常所说的水耗量微增率， 各点的切线斜率是一个递增的曲线如图1 3 ，因此，对于多机组的电站而言，还要根据系 统分配给电站的负荷和电站的具体条件，选择最佳的运行机组数。以便用较少的水生产较 多的电能 上述经济分配负荷一般 旨在已运行机组f 霹进行负荷的重新分配，这不一定是最佳的 运行工况，也许多开机组或少开机组才是最经济的，为了达到真正的最佳运行工况，实际 进行负荷分配时必须考虑机组的最佳运行组合、机组的出力限制( 最小出力尸。；最大出 力户。) 、机组运行时的振动区、气蚀区以及设备定期切换等约束条件因此合理地进行 调度，以保持高水头运行，并合理选择开机台数，使机组在高效率区运行，可获得很好的 经济效益。 1 3 3 自动发电控制( a g c ) 的原理 水电厂自动发电控制( a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o l ，简称a a c ) 是水电厂安全经济 运行的重要内容水电厂a 6 c 的主要任务是：是按照预定条件和要求，以迅速、经济的方 式自动控制水电厂有功功率来满足系统的需要。根据上游来水量或系统的要求，考虑电厂 及机组的运行限制条件，在保证电厂安全运行的前提下，以经济运行为原则，确定电厂 机组的运行台数、运行机组的组合和机组间的负荷分配，使机组运行在最优工况下，以最少 的耗水发出最多的电能，为电厂创造出最大的经济效益。 从一般意义上讲，a 6 c ( 自动发电控制) 的原理是：( 1 ) 针对无调节库容的径流电站， 最大限度她利用上游来水量，以不弃水或少弃水为原则，尽可能她保证电厂在较高水头 下运行，力求发电量最大：( 2 ) 对于有调节库容的蓄水电站，在电站负荷给定之后，要求耗 水量最小。 自动发电控制( a g c ) 是一项与电站运行实践关系极为密切的高级应用软件，对水电 4 第一幸概迷 站全面提高自动化水平，实现“无人值班”( 少人值守) 有着极为现实的意义a 6 c 按照其 控制的对象和范围分为电力系统a g c 和电厂a g c 两级，两者自动协调工作 a 电力系统a g o ( 1 ) 电力系统a g c 的控制原则 电力系统 g c 程序的控制目标是利用a g c 控制软件对整个电网的用电负荷情况，机组 运行情况进行监视，然后对掌握的数据进行分析，调整全电网发电出力与全电网负荷平 衡，使得电网频率偏差到零，保持电网频率为额定值并对电厂的机组进行负荷分配，产生 a g c 指令，a 6 c 指令通过信息传输通道将此指令传送到电厂的计算机监控装置通常采用 的控制原则是： 1 ) 按频率偏差f 控制 即根据实际电网频率与给定电网频率的差值来确定电网内机组是增负荷还是减负荷， 实现电网调频。 2 ) 按联络线功率偏差p 控制 根据售电合同电网间联络线的输送功率是给定的，如果出现偏差则应按合同要求来调 节电网内所属机组或电厂的负荷，以满足送电要求。 3 ) 综合考虑上述的a f 和a p 两偏差进行控制。 ( 2 ) 电力系统a g c 的调度方式 电力系统对水电厂的调度一般采用如下几种方式： 1 ) 按日负荷曲线的方式给定 调度一次性下达日负荷曲线，指定各时段电厂应带负荷的运行方式。此时常常是根据 电网负荷及水电厂来水情况，提前下达第二天整天的负荷曲线。电厂计算机监控系统在收 到日负荷给定曲线后，于第二天零时自动转换成实际控制曲线，即当日应执行负荷曲线， 并据此进行控制。此方式适用于容量不大或不承担电网的调频调峰任务的水电厂 2 ) 调度通过雕s 直接指令 在电网装设有e m s 系统且具备a g c 功能时，调度所可以根据运行a g c 计算的结果定时向 水电厂计算机监控系统发瞬时负荷设定值命令。后者即根据调度命令及机组状态合理分配， 并给定每台机组的瞬时给定值，使各台运行机组跟踪调度指令达到其要求的负荷值，此种 调节方式适用于电网的调频和调峰水电厂 b ，水电厂 水电厂a g c 是在电力系统 g c 运用后，随着水电厂计算机监控系统的出现而产生的一 项新的控制方式，它全面实现了水电厂发电的自动控制，完全取代了原来曾经使用过的有 功功率成组控制，按流量( 或水头) 调节装置等设备，并且在功能和性能上有明显的提高它 与电力系统 g c 有密切的关系，并在其给定的方式和参数下自主运行。通常水电厂a g c 包含 的功能有发电控制的各种决策，主要有最佳机组组合，机组负荷分配，短期经济调度以及上 级调度的负荷给定方式等，以满足全厂有功功率目标设定值的要求，保持系统频率在给定 5 西安理工大学工程硕士学位论文 的一个允许范围内，并使机组的有功出力在其运行限制以内，在完成这些功能时，避免由 于电力负荷短时波动而导致机组的频繁起、停。 c 电力系统 与水电厂 的数据交换 a c , c 指令是电网调度中心的计算机产生的被控机组的目标功率，它通过信息传输通 道将此指令传送到电厂的计算机监控装置。当电厂计算机监控系统接收到梯调或运行人员 的负荷设定值、或按日负荷曲线来调节机组的有功负荷时，电厂级通过a g c 程序检查是否 有必要开机或停杌，以满足系统负荷要求，并确定启动机组的组合，经济分配各启动机组所 带的有功负荷，电厂级将启动信号和负荷值通过上下位机的通讯接口传送给各机组的l c u 。 当机组l c u 接到电厂级的负荷设定值后即按此设定值要求，增加或减小该机组的出力。水电 厂自动发电控制流程如图1 4 所示 电厂级a g c 作为一个子系统，一方面能满足电力系统a g c 提出的实时性要求，执行有关 的控制命令，另一方面它又为电力系统控制中心提供各种实对信息和反馈信息，以便使下 一步的决策更准确，更有预见性，更能满足整个系统的安全经济运行要求。 由于a c , c 可以大大提高频率的稳定性，实现无差调节。因此，国内外很早就重视对它的 研究，目前，在 g c 控制算法中，通常采用的有功率反馈法、动态规划法、等微增率法及遗 传算法等。 f 最 电厂的负荷分配 上游水位_ r 。- r - l 帆组状杏 下游水位叫自动发电控制卜二- o 其它r 叫程序a g cf r 帆组出力 电厂控制级 4 i i ：了7 l 咿l 组 i 一 现地k 制级 i 吲： ： 开停机控制0 调速器 一一一 l i l l i f - l l i l i i i i 一一i 习厄玎一一一j 图l - - 4 自动发电控制交换流程图 1 3 4 自动发电控制( a g c ) 的意义 6 随着电网调度实时控制系统的不断完善，电力市场的开放及竞价上网的实行，具备 蓦一 一 一 第一幸概速 自动发电控制( a g c ) 功能的机组在电网中的作用越来越大，自动发电控制技术已成为现 代电网运行中不可缺少的手段，它对于维持电力系统的稳定运行和电厂的安全经济运行 都将发挥重要作用。系统也需要调节容量大、调节速率快、调节精度高的电厂为系统的稳 定做贡献。作为电网调度来说，只要掌握电厂机组的大概运行情况采用控制全厂出力的 方式，将a c , c 指令发送到电厂的监控系统，至于每台机组的负荷分配由电厂a g c 软件控制， 可根据机组设备条件和经济性能，运用合理的优化策略，分配各机组的负荷，同时将所 有机组的负荷之和通过信息传输通道送到电网调度系统作为反馈，从而实现水电厂的经济 运行 i 4 镜泊湖地下电站现状n ”1 镜泊湖地下电站( 以下简称镜电站) 于1 9 6 8 年1 1 月破土兴建，1 9 7 6 年1 0 月4 日开始安 装第一台机组( 6 号机，镜泊湖发电厂蓝筹电站1 、2 号机1 9 4 2 年己建) ，1 9 7 7 年1 2 月2 9 日， 5 、6 号机组起动，1 2 月3 1 日并网发电3 、4 号两台机于1 9 7 8 年9 月2 5 日起动，l o 月1 6 日并 入系统发电全部工程历经十年。总装机容量为6 0 唧，机组均为天津发电设备厂制造 镜电站系引水式电站，大坝总长2 6 3 4 m ，其中重力式砼非溢流坝长1 8 6 m ，坝项宽2 i m , 平均坝高5 m ；重力式砼溢流坝长1 5 3 0 m ，坝顶宽0 g i n , 平均坝高4 m ；砼面板过水堆石坝长 9 1 8 m ，坝顶宽1 4 m ，平均坝高3 - 3 5 m , 水库最高蓄水位3 5 3 5 m ，相应库容1 6 2 5 亿皿，相 应的水库面积为1 2 7 2 k 一，相应的水库长为4 5 k m ，是黑龙江省境内第二大水电站，为黑龙 江省主要调峰电站之一，是以发电为主并承担系统的调峰、调频和事故备用，兼顾灌溉、 防洪等多种效益的综合性水电站 镜电站机组投运较早，电站按常规设计，虽然近些年来逐渐加大改造力度，但部分 设备还采用继电器常规控制，运行时问己久，设备陈旧且老化严重，没有或缺少在线检测 元件，存在很大事故隐患，给机组的安全生产带来巨大威胁，检修的维护量和运行的操作 量繁重而复杂。针对镜电站现状，目前主要存在以下问题： 1 4 1 计算机监控系统存在的问题 - 机组l 叫微机监控装置 镜电站始建于7 0 年代为常规控制，自动化水平比较落后自2 0 0 2 年1 0 月开始，由 哈尔滨光宇公司对镜电站3 6 机下位机进行基础自动化元件的改造，下位机采用德国施耐 德公司的m o d i c o nt s xp r e m i u m 系列可编程控制器，增加了对油系统、水系统和气系统的 检测，机组的附属设备也采用了欧姆龙的p l c 进行控制。但未形成全开放的分布式监控网 络，也无法满足梯调的技术要求。采用的现地监控单元，结构为p l c 加工控机模式，此次 改造设计延用德国施酎德公司的现地监控单元，但需要重新编制机组起停、并网发电、解 7 西安理工大学工程硕士学位论文 列停机等监控程序，以合理和符合实际，且需解决现地智能仪表设备和上位机存在的通讯 联系问题。 b 开关站、公用l 伽徽机监控装置 镜电站2 0 0 2 年开始进行计算机监控系统改造，逐步实现了4 台机组计算机监控系统的 部分功能，但作为地下电站，要想实现“无人值班、少人值守”，变压器、排水泵等公用 系统监控单元和地面网控开关站监控单元也由为重要，这些必须实现中控上位机的全面监 视或控制，而公用和开关站l c u 监控系统还没有形成 c 厂级计算机监控系统 近年来，镜电站虽然也对一些设备进行了技术改造如3 6 号机实现了计算机监控， 保护、励磁、调速装置微机化等项目。大大提高了设备自动化及安全运行水平，为镜电站 实施“无人值班、少人值守”运行方式建立了技术及设备基础，但技改均以局部的独立单 元的控制设备微机化配置实施，未形成厂级的监控系统，没有和牡丹江梯调实现互联，限 制了机组运行信息综合分析管理，集中监视控制以及厂级管理功能，不利于运行人员操作 和事故处理更不利于维护人员对系统的维护，对整个监控系统的安全稳定运行造成一定 的影响阻碍了梯调遥控的实现。 1 4 2 站内经济运行存在问置 随着水电厂计算机监控系统的发展，水电厂 g c 运行经验日渐成熟，并在某些电厂已 经发挥出巨大的作用，水电厂a g c 可在给定的方式和参数下自主运行。通常水电厂 g c 包含 有最佳机组组合，机组负荷分配，短期经济调度以及上级调度的负荷给定方式等，以满足全 厂有功功率目标设定值的要求，并使机组的有功出力在其运行限制以内，充分利用机组自 身优点，充分发挥机组的最大效率，以达到经济运行，但现在由于镜电站没有完善的计算 机监控系统，故没有形成a g c 的经济运行 1 5 镜电站实现计算机监控的意义 随着时代的发展，计算机、网络通信、工业控制、多媒体、电力电子等技术有了长 足的进步，以“厂网分开、竟价上网”为基础的电力体制改革也在紧锣密鼓地进行之中， 无人值班、状态检修、电力的市场化运营将成为发展趋势。这些都对“水电厂自动化”提 出了越来越高的要求。水电厂的值班方式必将逐步从多人值班向少人、无人值班方式过渡， 在这种形势下，为了适应电力工业发展的需要，必须提高我厂设备安全运行和自动化水平， 改变我厂管理用人多。效率低的落后局面，尽快实现无人值班( 少人值守) 及远方控制的 目标，就必须加快水电厂的技术改造，采用计算机监控技术以闭环控制方式对电厂设备进 行控制、监测、事故处理及数据处理，从而减轻运行人员及检修人员操作和监视的工作量， i 第一幸概迷 整体性的提高全厂的综合自动化水平在镜电站实现计算机监控的意义在于： 1 5 1 提高电厂安全运行的可靠性 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。 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厂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，使电厂运行的安全可靠性大大提高。 1 5 2 提高镜电站的经济运行 镜电站在计算机监控的基础上实现厂内自动发电控制( g c ) ，将镜电站的自动发电 控制作为牡丹江梯调自动发电控制的一个子系统，由梯调根据频率的要求计算出镜电站实 时调节负荷或日负荷曲线，并将此信息通过远动通道传送到镜电站的计算机监控装置。由 镜电站的a g c 程序实现需发功率的任务，即在满足机组的各项限制条件的前提下，在保证 电厂安全运行的前提下，以经济运行为准则，确定电厂机组的运行台数、运行机组的组合 和机组问的负荷分配，使机组运行在最优工况下，控制整个电厂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 电能为镜电站创造出最大的经济效益。 1 5 3 提高供电质量 镜电站在进行监控系统改造后，根据系统分配给的总负荷，由厂内a f , c 经过经济运算 后，a g c 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，调速器根据其自身调节原理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”，而且通过直接整定调速器的出力设定值，由调速器完成机组的功率 调节任务，从根本上避免脉冲调节方式存在的缺点，提高负荷调节品质提高供电质量 1 5 4 提高劳动生产率 由于计算机监控系统可以监测水电站设备运行情况，可以减少运行人员，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，逐渐转变为运行管理人员，进 一步提高了电厂的科学管理水平，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。 ， 西安理工大学工程硕士学位论文 综上所述，在镜电站实施计算机监控是提高设备安全、可靠、经济运行，保证供电 质量，提高劳动生产率，实现无人值班的必要条件， 因此，研究和开发一套技术先进、 功能完善、工作可靠、开放性好的新型计算机监控系统，整体性的提高全厂综合自动化水 平，以实现全厂设备的集中运行监控，使机组运行在最优工况区，提高机组运行小时和提 高水能利用率，提高劳动生产率，减轻运行人员操作和监视工作量，提高电厂的经济效益， 尽快实现无人值班或少人值守，是摆在工程技术人员面前的一项迫切任务，它对实现调度 的远方集中控制也具有深远的现实意义。 i o 第二章镜泊湖地下电站计算机监控系统的设计 2 镜电站计算机监控系统的设计 2 1 计算机监控系统结构模式的分析比较 2 1 1 水电站计算机监控方式的发展n 1 随着计算机技术的发展和计算机监控系统在水电站的推广应用计算机在水电站监 控系统中的作用及其与常规设备的关系也发生了变化，其监控方式有如下四种： - 以常规控制装置为主、计算机为辅的监控方式( 简称以) 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，并对整个水电厂自动化水平的提高有一定的限制， 新建水电厂目前已很少采用。 b 计算机与常规控制装置双重监控方式( 简称o 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。两套控制系统之问可以切换互为备用，但 设置两套完整的控制系统投资比较大，对于两套系统并存，相互之间要切换二次接线复杂， 可靠性反而有所降低。目前新建水电厂已很少采用这种控制方式 c 以计算机为基础的监控方式( 简称) 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平时都采用计算机控制。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，要保证系统某一单元或某 局部环节发生故障时整个系统和电厂运行还能继续进行。 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，模拟屏已成为辅助 监控手段可以简化甚至取消。 d 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更高的要求 2 1 2 水电站计算机监控系统结构的发展乜1 自2 0 世纪7 睥代水电站采用计算机监控系统以来，计算机监控系统的发展过程以及典 型的应用如表2 1 所示 西安理工大学工程硕士学位论文 表2 1 计算机监控系统结构发展过程 年代典型的系统结构 应用实倒 7 0 年代 集中式监控系统 8 0 年代初 单功能多徽机监控装置葛洲坝一期、富春江 8 0 年代末以设备为单元的分层分布式监控系统 丹江口、龙羊峡一期、莲花 9 0 年代中基于开放系统的分布式监控系统 墓洲坝二江、寓孝江 2 i 世纪初基于对象技术的分布式监控系统红枫梯级、青溪 a 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 b 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 c 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 ) 。某个机组控制单元发生 故障，只影响这一台机组，而不影响整个电厂的运行。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，可以节省投资，整个系 统的可靠性也得到显著的提高。但l c u 无法直接接入以太网，只能以微机作为前置机，尚 不能形成理想的开放系统环境。 d 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 e 基于对象技术的分布式监控系统 与传统的程序设计方法不同，面向对象技术把数据与方法封装在一起，统一描述对象 的属性和行为，水电厂运行设备如机组、主变、开关等均可抽象为对象，它直观、方便， 信息更加理性和实际，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 2 第二幸镜泊湖地下电站计算机监控系统的设计 2 1 3 计算机监控系统的分析 以上对计算机监控系统的监控方式、系统结构进行了比较分析，从监控方式上来看， 根据目前监控系统的发展，新建的大、中型水电厂为避免重复投资，均采用取消常规设备 的全计算机控制方式；而对于老厂改造，由于已具备常规控制，从避免资金浪费及节省资 金的角度来说，采用以计算机为基础的监控方式即c k s c ，这种控制方式是目前国内外水电 站采用的主要计算机控制方式。 从系统结构上来看，集中式监控系统主要应用在机组台数少，机组容量小和主接线 简单的小型水电厂，采用这种结构模式可以节省投资；由于水电厂生产过程的特点，许多 功能不可能截然分开，因此，功能分散式监控系统目前已经很少采用；随着计算机网络通 信技术的发展，一般大、中型水电厂机组台数多，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厂监控系 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( 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、中型水电厂计算机监控系 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 ) 凡是不涉及全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，对控制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，可实旋分阶段投资，这些都提高 了系统的灵活性和经济性。 ( 5 ) 由于分层控制方式通常采用多机系统，各级计算机容量和配置可以与要实现的功 能更为紧密地配合，使最低一层的计算机更为实用，整个系统的工作效率更加提高 西安理工大学工程硕士学位论文 2 2 网络通信的选择 由上一节分析可知，计算机