（水利工程专业论文）水电厂综合自动化系统结构分析与效益评估.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着我国水电事业的迅速发展和计算机应用技术日益普及和提高，全面实 施水电厂综合自动化工程始终是各水电厂十分紧迫的任务。急需建立一套符合 我国国情、适合不同规模水电厂自动化系统的结构模式及投资标准，为投资决 策和设计规范提供可靠依据。本课题就是为了有效解决这一问题。 本课题的研究，重点侧重于两个方面：一是水电厂综合自动化系统的投资 决策；另一方面是这一系统建立后预见效益的评估。首先，论文全面分析总结 了几种典型的水电厂综合自动化系统的结构模式，并从系统的观点分析指出了 各结构模式的适用对象范围；第二，提出了一套水电厂综合自动化系统的配置 与投资规模参考标准以及必须考虑现场自动化组件的投资比例的观点，并通过 对葛洲坝电厂综合自动化技术与经济问题的系统分析，提出了不同类型水电厂 综合自动化系统的结构配置和最佳投资规模，为规范各水电厂综合自动化系统 投资行为提供了较为实用的参考准则；同时，在总结前人研究成果的基础上， 全面而完整地建立了一套水电厂综合自动化系统效益评估指标体系，且在将安 全效益量化、调频调峰效益采用分时电度数据计算，使建立的指标体系更具可 操作性和准确性；通过对几个电厂实际资料的演算，验证了该指标体系，并利 用技术经济学理论对各系统的投资回收期进行了定量计算分析。 论文中初步建立的评估指标体系模型为更加全面科学地评价或计算一套 水电厂综合自动化系统的运行效益提供了较为实用的参考方法，并打开了用量 化手段全面评估水电厂综合自动化系统效益的指标体系研究的新局面。因此， 本课题所进行的研究客观上是具有较大的现实意义和经济价值。 关键词：电厂综合自动化结构配置效益评估 华中科技大学硕士学位论文 w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fh y d r o - p o w e ri n d u s t r ya n dw i d eu s eo fc o m p u t e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ，i ti sv e r yu r g e n tt h a te v e r yh y d r o - p o w e rp l a n ts h o u l dt a k e e f f e c t i v em e a s u r e si nt h ei n t e g r a t i o na u t o m a t i o np r o j e c ti nt h ep l a n t as e to f s t r u c t u r em o d ea n di n v e s t m e n ts t a n d a r dt h a ti s p r o p e rf o rt h es i t u a t i o no fo u r c o u n t r ya n dh y d r o p o w e rp l a n to fd i f f e r e n ts c a l e ss h o u l db es e tu pt op r o v i d e r e l i a b l ec r i t e r i o nf o ri n v e s t m e n ts t r a t e g ya n dd e s i g np r i n c i p l e i tw i l lb ed i s c u s s e d i nt h ep a p e r t h es t u d yf o c u s e so nt w op a r t s ：t h ei n v e s t m e n ts t r a t e g yo fi n t e g r a t i o ns y s t e m o ft h ea u t o m a t i o ni nh y d r o - p o w e rp l a n ta n dt h ee s t i m a t i o no ft h ep r i m i t i v ee f f e c t o ft h es y s t e m a tf i r s t ，s e v e r a lc l a s s i c a ls t r u c t u r em o d e so ft h ei n t e g r a t i o ns y s t e m o ft h ea u t o m a t i o ni nh y d r o - p o w e rp l a n ta r ea n a l y z e d ，a n dt h ea p p l i c a t i o na r e ao f e a c hm o d ei sa l s od i s c u s s e df r o mt h ev i e wo fs y s t e m a n dt h ep a p e rm a k e sa s y s t e m a t i c a n d t h r o u g hs t u d y o nb o t h t e c h n i q u e a n d e c o n o m y f o rt h e c o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o ns y s t e mo fh y d r o p o w e rp l a n t i tc o m p l e t e l yp u t s f o r w a r ds o m es t r u c t u r ed i s p o s e sa n db e s ti n v e s t m e n to fc o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o n s y s t e mf o rv a r i o u sk i n d so fh y d r o - p o w e rp l a n t ，a n di t a l s os e t s u pp r a c t i c a l r e f e r e n c es t a n d a r do n s t a n d a r d i z i n gt h ed e s i g na n di n v e s t m e n to fh y d r o - p o w e r p l a n t sc o m p r e h e n s i v e a u t o m a t i o n s y s t e m s m e a n w h i l e ，o n t h eb a s i so f s u m m a r i z i n gf o r e f a t h e r s r e s e a r c ha c h i e v e m e n t ，f o rt h ef i r s tt i m e ，ac o m p l e t e d i r e c t i v es y s t e mw a ss e tu pt os y n t h e t i c a l l ye v a l u a t et h ee c o n o m i cb e n e f i t so f h y d r o - p o w e rp l a n t sc o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o ns y s t e m ，e s p e c i a l l yo nq u a n t i f y i n g t h eb e n e f i t so fp l a n ts a f e t y ，m a i n t a i nf r e q u e n c ya n dr e g u l a rt h ep e a kl o a d ，e t c a f t e rc a l c u l a t i o n s ，i ti s p r o v e d t h a tt h eb e n e f i t so fh y d r o - p o w e rp l a n t s c o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o ns y s t e mi st r e m e n d o u s ，p a r t i c u l a r l yf o rt h ep l a n tw h i c h h a sab e t t e rr e g u l a rc a p a c i t yr e s e r v o i r i t sa l s op r o v e dt h a tt h ei n d i c a t o rs y s t e mi s c o r r e c ta n dv a l u a b l e k e y w o r d s ：t h ec o m p r e h e s i v ea u t o m a t i o ns y s t e mo fh y d r o - p o w e rp l a n t s t r u c t u r ed i s p o s e ：b e n e f i t se v a l u a t i o n n 独创性声明 本人声明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研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：忱魄 日期：伽口戽f 恫日 学位论文j 蔽权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 保密口，可年解密后适用本授权书。 本论文属于 ， 不保密q 。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：v 勺魄 指导教师签名： 日期：脚，惘占日 绷 日期：6 丁年r ，月5 日 华中科技大学硕士学位论文 前言 水电厂综合自动化系统是以水电厂发送电设备及其辅助设备为对象，实现 安全监控与优化运行为目标的计算机设备、外围设备、接口设备及现场自动化 设备、组件等的组合。水电厂综合自动化系统的核心是计算机监控系统。 随着我国水电事业的高速发展以及计算机技术的日益普及与提高，无论是 在建的还是已经投入运行的水电厂，全面实施综合自动化工程始终是一项迫在 眉睫的任务。水电厂全面实现自动化监视与控制，逐步达到”无人值班、少人 值守”的目标，已成为水电战线的技术设计者与建设管理者的共识。自六十年 代以来，我国就开始着手研究水电厂综合自动化系统结构模式问题，并在许多 不同规模的电厂上进行了大量的工作实践，取得了许多宝贵的实际经验。七十 年代后期尤其是八十年代，随着大、中型水电站的不断兴建，我国又先后从国 外成套引进了不少水电站监控系统，这在很大程度上推动了我国水电厂综合自 动化系统技术的向前发展，使我国水电厂综合自动化工程技术日臻成熟。 但是，水电厂综合自动化系统是一个涉及面较广的复杂系统。由于我国水 电厂的设备条件、管理体制以及运行人员的传统习惯和技术水准等方面的原 因，按什么标准来进行水电厂综合自动化系统结构模式的设计，进行多大规模 的投资为效益最优，现有的设计规范、技术标准中都还没有这方面的内容，需 要进行研究总结，以便形成提出符合我国国情的、适应不同规模的水电厂综合 自动化系统结构模式及投资范围标准，为水电厂综合自动化系统设计规范标准 的编制提供依据。这是本课题研究的一个方面。 另外，对水电厂综合自动化系统投资效益在考虑技术问题的同时也要综合 考虑经济效益问题。单纯追求技术先进而忽视投资效益在当今市场经济条件下 显然是不全面的。 因此需要综合研究计算机监控技术与经济效益两方面的问题，而效益分析 评估是进行水电厂综合自动化系统最优配置设计的基本因素之一，因此值得进 行系统的研究。 为此，在吸收前人成果与经验的基础上，本文进行了一些新的探讨与研究， 主要工作包含在以下几方面： 一以葛洲坝电厂为主，分析总结了几种典型的水电厂综合自动化系统结 华中科技大学硕士学位论文 构模式，并从系统的观点分析指出了各结构模式的适用对象范围。 二 提出了水电厂综合自动化系统的配置与投资参考标准以及必须考虑 现场自动化组件的投资比例的观点。 三 结合我国现状，运用运筹学理论建立了一套水电厂综合自动化系统效 益评价指标体系。 四 演算验证了所提的指标体系，并利用技术经济学理论对各系统的投资 回收期进行了定量计算分析。 五 最后，在前几章的基础上，对我国水电厂综合自动化系统的发展方向 进行了分析探讨。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 国内外水电厂综合自动化系统发展概述 水电厂是在有来水的河流的合适河段，修建拦河大坝，将来水拦蓄形成水 库，再将形成一定水头落差的水流引入蜗壳，推动水轮发电机组而发电。 水电厂有如下特点：一是其一般建设在高山峡谷之中，远离经济文化发 达的城市，对无人值班提出了更追切的要求；二是水电厂的能源供应不能完全 按照电力系统负荷需要的原则来稳定供应，而是要受水库容量、长期气象水文 情况、短期降雨过程等因素的影响。在一定蓄水和来水量时，调度得当可以少 用水，多发电：第三，与火电厂相比，水轮发电机组的控制与调节相对灵活， 机组的启停非常迅速，频繁增加或减少水电厂出力也较易实现，更易担负电网 的调峰、调频任务：第四，水电厂( 特别是具有较大调节库容的水电厂) 通常 是综合利用的水利枢纽，它们除了发电以外，还要承担防洪、灌溉、航运、供 水等多项任务，因此使水库调度和水电厂运行方式显得比较复杂。 由于水电厂生产过程的上述特点，在实现水电厂自动化控制的时候，不仅 要实现机组一级的自动化，还要实现电站一级的自动化，即将全厂电力系统作 为个整体实现统一的监控，不仅要对电气系统进行自动监控，还要考虑水力 系统对运行方式的制约，以实现全水库优化调度，全面协调的优化控制。水电 厂实现机组和全厂两级自动化，就是人们通常所说的“水电厂综合自动化”。由 于对于水电厂综合自动化复杂多样的要求，一般说来人工操作是无法满足的。 在这种情况下，人们把目光逐渐转向计算机系统，计算机随之在国内外水电厂 中得到了很快的普及与推广1 u 。 1 1 国外水电厂综合自动化系统发展趋势 西方发达国家的水电厂综合自动化水平早在上世纪五、六十年代就已开始 起步实施，目前其总体水平已到了一个相当发达普及的阶段，几乎所有的水电 站都已全面采用了综合自动化控制系统。其技术水准已不再停留在如何配置一 套水电厂综合自动化系统的问题上，而是己全面步入“无人值班”的阶段。由于 电网有相当足够的备用容量，一个水电厂综合自动化计算机监控系统对机组的 控制重点己从保证机组经济运行转移到全面保证电网和机组设备安全上来。 3 华中科技大学硕士学位论文 在法国，国家电力公司管理的大小各类水电厂共有4 7 0 余座，总装机容量 高达2 2 9 0 0 m w ，约占全国电力总装机容量的2 3 ，其年发电量6 3 0 亿k w h ( 1 9 9 2 年) ，约占其全国总发电量的1 6 。这些水电厂全部采用了计算机监控综合自动 化系统，其中4 6 7 座电厂已实现了无人值班，这些电厂的运行控制全由计算机 监控系统自动完成，无人值班率高达9 9 4 。全国有1 0 个控制中心负责这4 7 0 座水电厂的集中监控【2 j 。在水电开发水平较先进的北欧国家中，挪威的全国电 力几乎1 0 0 由水电提供，火电装机不足1 。所有的水电厂均实现了无人值班 控制，综合自动化水平已到了一个相当的高度【3 】。 在北美，如加拿大和美国，所有的水电厂也均实现了综合自动化控制，其 无人值班水平亦居世界前列。 随着科学技术的飞速发展，国外水电厂综合自动化系统的功能配置也出现 了许多新的趋势和特点，主要有以下几点： 1 ) 控制功能由追求电厂现场无人值班转向全面实现区域乃至全国的统一 控制调度，网控、国家控制中心的直接控制发电机组的功能逐步加强。 2 ) 硬件质量大大改善，系统可靠性及无故障运行时间显著提高。同时系 统投资额在水电厂总投资中的比例有所加重。 3 ) 系统结构模式由分层分布式向全开放系统发展。 4 ) 综合自动化系统所追求的效益重点由经济调度运行转向全面保证电网 和机组设备安全上来。 1 2 我国水电厂综合自动化系统的发展状况 从七十年代开始，我国电力部门的科技人员即开始为计算机在水电站的应 用发展进行不懈的追求。经过多年孜孜不倦的努力，我国水电站计算机监控系 统技术得到很大的发展，不但在国内已有近四十个大中型水电厂计算机监控系 统投入了运行，而且在技术水准、实用化程度上己达到国外八十年代的水平， 有些方面甚至赶上了国际先进水平。 六五期间，在葛洲坝二江、富春江、浑江梯级、永定河梯级试点的基础上， 又在二十多个水电站开展了计算机监控系统的推广应用。改革开放以来，一些 水电站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，我国的水电厂综合自动化水平又 4 年中科技大学硕士学位论文 有了显著发展，技术理论和应用水平在许多方面都接近或超过了国外水平| 4j 。 水电厂综合自动化计算机监控技术的发展与计算机高新科技的进步密切 相关，八十年代微处理器、网络技术，九十年代工作站，开放系统，每一次高 新技术浪潮都使水电站计算机监控系统进入一个新的水平。而电力工业的发 展、改革开放的形势又对电厂自动化不断提出新要求，这二方面相辅相成互相 促进，使水电站计算机监控综合自动化技术水准不断提高，主要经历了以下阶 段【5 1 。 1 ) 以常规自动化装置为基础的计算机辅助监控系统( c a s c ) 这种系统出现在计算机应用的早期阶段，其主要特点是以常规继电器控制 为主，计算机仅作为设备监视的一种辅助手段，控制功能也不多。 2 、计算机和常规双重化配置的监控系统( c c s c ) 八十年代时，由于人们对计算机可靠性和计算机监控系统的作用有一个认 识过程，也考虑使老厂原有的常规监控设备还能发挥作用，因此在老厂改造以 及部分新建电厂的监控系统的配置中不少采用c c s c 系统。从监控系统已投 运的情况来看，c c s c 系统由于双重配置，虽然在监控系统故障时有常规设备 作为其后备，使电站可靠性有所提高，但也必须要考虑计算机和常规操作互相 闭锁的问题。在一些老厂由于原先设计中末考虑为计算机预留信号引入端口， 还要加装中间继电器，这样不但使配置复杂，也增加了在这些环节上出现故障 使监控系统不能正常运行的几率。另外，由于运行人员对常规设备比较熟悉， 一旦计算机系统出现问题往往会引起计算机系统的“退役”，因此在九十年代新 建的大、中型电厂大多已不再选用c c s c 系统1 6 】。 3 1 以计算机为基础的监控系统( c b s c ) c b s c 系统是电厂的生产过程监控主要用计算机进行，常规的部分仅作为 后备或辅助手段。进入九十年代后，由于计算机技术已相当成熟且控制过程的 应用己日益完善，因此，新建的大、中型电厂多选用c b s c 系统。随着时间 的推移，一些电厂原有的c c s c 和c a s c 系统也会在进一步的改造中向c b s c 系 统过渡【7 1 。 4 ) 水电厂实现全面计算机监控，达到无人值班，少人值守的目的 在计算机系统应用程度和技术水准高到一定阶段后，随着运行人员技术素 质的提高，水电厂综合自动化系统便开始彻底取消常规继电器逻辑控制，实现 全面计算机监控。于是一个水电厂的综合自动化运行水平便自然而然地可以逐 隼十科技大学项士学位论文 步实现运行“机电合一”、“少人值班”直至“无人值班、少人值守”。在我园目 前广州抽水蓄能电站等一批水电厂已经率先步入全国水电厂“无人值班，少人 值守”的行列。 1 3 国内外研究动态及本课题研究的意义 本课题集中围绕水电厂综合自动化系统的有关计算机监控技术评价和经 济效益问题开展研究。主要内容分为以下两个方面。 1 ) 水电厂综合自动化系统投资规模研究 根据掌握的有关技术文献，对不同装机规模的各类水电厂( 包括其在所在 电网中的地位) 的综合自动化系统结构模式进行研究总结，并在此基础上研究 不同模式的最佳投资规模( 结构模式、投资和运行效果均达到最优) ，以葛洲坝 电厂为例，探讨水电厂综合自动化系统设计的全面的理论和实践依据，使我国 的水电厂综合自动化系统设计有章可循，避免不必要的资金和资源上的浪费。 2 1 水电厂综合自动化系统投资效益评估指标体系研究 水电厂综合自动化系统投资涉及到计算机设备、外围设备、接口设备、现 场自动化设备与组件以及信号传感器变送器件等多方面，以往在设计水电厂综 合自动化系统时，由缺乏有效的投资效益评估手段，往往对一套水电厂综合自 动化系统投运后的效果确乏足够的考虑，如对该系统迅速采集和处理大量信息 从而提高电厂安全运行水平，优化运行工况而导致的节水增发电，自动化程度 的提高所减少的运行人员劳动强度等所创造的效益的评估工作。 对水电厂综合自动化系统投运后效益的评估不足，也不利于项目设计前期 的技术经济分析和论证，便难以实现投资的最优化。本课题所进行的研究，旨 在建立一套较为科学实用的水电厂综合自动化系统投资效益评估指标体系，为 科学的分析各水电厂综合自动化系统的投资效益提供有效的依据。 3 1 目前的研究现状 自我国七十年代开始着手探索水电厂综合自动化系统以来，科技人员就一 直在进行水电厂综合自动化系统配置规模的研究。通过三十多年的研究和不断 探索实践，先后形成了集中式系统结构模式、分布式系统结构模式及分层分布 网络式系统结构模式等。但这些理论均局限于水电厂综合自动化系统中的计算 机监控系统部分，没有涉及现场自动化组件与设备的配置，更没有对投资规模 6 华中科技大学硕士学位论文 及各种不同容量的水电厂的具体应用进行探讨。事实证明：一套水电厂综合 自动化系统的设计若仅限于对计算机系统进行充分考虑，忽视对现场自动化组 件与设备的配套考虑和全面规划，最后整个综合自动化系统的效益就不可能全 面发挥出来的。而且，随着计算机技术的高速发展，计算机设备的成本逐渐降 低，计算机监控系统的投资幅度在整个水电厂综合自动化系统投资中所占的比 例日趋减少，而现场自动化组件与设备的投资成分却越来越重，因此全面研究 不同装机容量的水电厂综合自动化系统的规模配置和最佳投资额度已成为一 种必然要求，具有很大的现实意义和经济价值。 关于水电厂综合自动化系统效益评估指标体系的研究，随着我国水电站建 设的高速发展，有些单位也开始在黄手进行。并有了一些阶段性的成果，如水 电部昆明勘测设计院针对云南鲁布革电厂计算机监控系统所作的技术经济效 益评估分析等。但这些评估成果大都采用框算加估算的计算方法，分析计算的 量化程度不够，评估项目指标的分解也不统一。本课题也正是在已有成果的基 础上，根据几个具有典型代表意义的水电厂( 所选电厂有高水头，也有低水头； 各电厂的水库调节性能也有较大差别) 多年的运行情况和数据记录，结合自己 长期以来的工作实践总结，研究制定出一套较为科学和实用的、具有普遍应用 价值、全面的水电厂综合自动化系统效益评估指标体系模型和指针参数。 4 ) 课题研究的意义 本课题的研究，重点侧重于两个方面：一是水电厂综合自动化系统的投资 决策；另一方面是这一系统建立后预期效益的评估。这两方面的研究成果，是 对立的统一体，相辅相承。综合研究监控技术与经济效益两方面的问题，对我 国今后新建水电厂的综合自动化系统的规模配置和投资决策将具有一定的指 导作用。初步建立的评估指标体系模型则为更加全面科学地评价或计算一套水 电厂综合自动化系统的运行效益提供了较为实用的参考方法，采用量化方法全 面评估水电厂综合自动化系统效益，从而为我国水电厂的综合自动化投资控制 建立更科学的评价平台，因此，本课题所进行的研究将有较大的现实意义和经 济价值的。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 适用于不同类型水电厂的计算机监控系统的结构模式 水电厂计算机监控系统的结构和配置，一般由电厂的机组台数、单机容量、 常规设备配置情况、电厂在电网中的重要性、乃至电厂建设的资金来源等因素 确定。不同的结构模式，功能有别，系统投资额也有较大差别。对于现场自动 化组件和设备，是水电厂生产过程最基础的部件，其配置一般与计算机监控系 统的结构没有太多的直接联系。这一部分的叙述将在第四章中进行。 2 1 适用于大型水电厂的监控系统模式 1 ) 分层分布式系统 分布式监控系统是以控制对象分散为主要特征。就水电厂而言，控制对象 主要是水轮发电机组、开关站、公用设备、过水闸门等。以控制对象为单元设 置多套相应的装置，每套装置便构成了水电厂的现场控制单元。每个控制单元 均能独立完成对控制对象的数据采集与处理、控制调节、与上位机的通信等多 项功能【l 】。由于水电厂的生产过程和管理体制都是一个垂直的调度系统，层次 分明，任务明确，关系清楚。为适应这样一种生产方式和分级管理体制，水电 厂计算机系统采用分布式处理一般都与电厂分层控制结合起来，形成了当今最 流行的一种计算机监控系统结构模式一一分层分布式结构模式。 这种配景方式的优点是： 系统可成为相对独立的多层结构，考虑到系统的安全性，各层设备可以适 当配置成双机冗余系统。 ( 1 1 可以很灵活地依靠网络系统技术实现系统内各计算机设备间的通讯。 ( 2 ) 可以根据系统具体情况配置通讯前置机。机组较多的电厂应考虑前置 机，以协助主机进行与各r t u 的通讯，减轻主机处理负担，提商主机c p u 效率。 这种模式目前已被多数大型水电厂所采用，如葛洲坝、丹江口、漫湾等。 2 ) 开放式全分布系统 以分布式数据库为特征的全分布系统是监控系统最新的一种结构模式。在 全分布监控系统中，网络上的各结点具有一定的功能，而且在各结点上分布着 与该结点功能相关的数据库，该系统中的厂级计算机也只是网络上的一个结 华中科技大学硕士学位论文 点，其数据库只是为了实现该结点对应的全厂统计或a g c 、a v c 高级功能，而 不是全厂的唯一的总数据库。这样在网络上的各结点之间可进行所需信息的交 换而不再依赖于厂级计算主机。从八十年代中期以来，计算机硬件的飞速发展 使得新推出的产品很快就面临淘汰的危险，这不但意味着硬件上的备品备件难 以再买到，而且将导致计算机软件开发和应用系统上积累的成熟经验将丢失。 为了保护用户的投资，使用户的计算机系统发展继承性，投资分阶段性，国际 上提出了开放系统的概念。亦即要在开放环境下来开发计算机应用系统，不管 计算机怎样发展，硬件如何迅速更新，开放环境还在，应用系统还在，从而形 成开放式全分布系统。 这种方式在我国首先是由岩滩水电厂和水口水电厂通过国际招标从美国 s i 公司引进的，在这两项工程中我国南京自动化研究院参加了与s i 公司的技术 合作。后来又被以该院自控所为基础与美国s i 公司及香港科林公司三方合资成 立的“南瑞国际系统工程有限公司在大广坝水电厂国际招标工程和新丰江水电 厂、葛洲坝二江电厂改造工程中所采用并结合我国国情开发了相应的应用软 件。以大广坝水电厂计算机系统为例，该系统的主控级配置了五台d e c 5 0 0 0 1 3 3 工作台，其中二台作为主机，主要承担外部通讯、统计及历史数据保存、 a g c a v c 、打印驱动等功能；二台作为操作员工作台，主要完成人机接口功 能；还有一台作为工程师工作站，主要用于维修、培训和口令修改等。其单元 绂每个l c u 各自都有较完整的数据库。主控级各设备之间及与单元级之间以双 光纤以太网相连，相互之间可以达到资源共享。该系统以u n i x 、t c p i p 、及 x - w i n d o w 运行， 也即运行在符合目前国际上通行的开放式环境中。该系统的 优点是： ( 1 ) 采用了全分布式系统结构，进一步提高了可靠性等性能指标。 ( 2 ) 由于是开放式系统，其软件有很强的可移植性，有利于设备的更新换 代和扩充，进一步保护了用户的利益。 ( 3 、工作台采用了多窗口技术，加强了人机接口功能。 当然，开放式系统的投资比分层分布式要多一些，但其后续效益较好，更 新换代容易，改造成本就相对较低，对于大型电厂，实为一种可取的选择方式。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 2 适用于中型水电厂的监控系统模式 1 )以工业微机为主机的分层分布式系统 这种方式又俗称为小分层分布式系统，其主机采用价格性能较低的工业控 制机，其它配置与结构基本上与分层分布式系统相同。这种方式已被范厝、池 潭、良浅、青溪、铜街子及沙溪口等水电厂采用，并已先后投入运行，其中青 溪和铜街予水电厂的计算机监控系统是电厂基建同步投运的，取得了比较好的 效果。在这种系统中，主控级采用i n t e l 3 1 0 或其它工业微机作为主机，根据电 厂的具体要求不同，可以采用双机冗余配置( 铜街子、池潭、青溪) ，也可以 只配一台主机( 如范厝、良浅) ；其人机接口可以用图形工作站方式实现( 如 铜街予、青溪) 也可以用主机直接带c r t 的图形终端方式实现( 如池潭、范 厝、良浅) 。这种系统的主机与单元级各l c u 之间通过b i t b u s 或星形网相连 接在上述的五个电站中，仅范厝、良浅两个水电厂是以计算机为辅的方式 ( c a s c ) ，其余三个水电厂都是以计算机为主的方式( c b s c ) 。各电厂的计 算机监控系统都具有数据采集、控制、调节、a g c a v c 及与外部通讯等全部 功能。其中，池潭水电厂的计算机监控系统已通过福建省级鉴定。这种系统的 优点是配置灵活、投资较少，适合于中型水电厂或水电厂群的需要。 2 ) 以工业p c 机为主机的分层分布式系统 这种方式是作为适用于中型水电厂的换代产品于近几年向用户推荐的。由 于与工业微机相比，工业级p c 机具有更多的优点，所以用工业级p c 机取代了 工业微机，使之在性能价格比上得到了较大幅度的提高。这种模式推出后，很 快就被水东，太平驿、渔子溪、耿达、沙田等水电厂和固原、顺德、孙河等2 2 0 k v 以上等级的变电站所采用。这种系统的配置方式基本上与第一节所介绍的系统 相似，其中主控级与单元级之间可以采用以太网相连( 如水东) ，也可以采用 星形网( 如渔子溪) 或其它规约的网络( 如太平驿) 。 2 3 适用于小型水电厂的监控系统模式集中式模式 在这种系统中，整个系统配置一台控制计算机，电厂机组设备所有监视和 控制回路均通过一信号转接柜引入该计算机，以实现全厂集中监测或监控功 能。这种模式的特点是结构简单，投资较少，但系统的安全性稍差，比较适合 于机组台数少、容量小、在电网中地位不高、信号监视与操作控制功能较为简 单的小型水电厂或小电厂群的全厂综合自动化监视与控制。这种方式已被车岭 华中科技大学硕士学位论文 等小型水电厂采用，并列入高砂水电厂的改造规划。图2 - 1 是一个典型的集中 式计算机监控系统模式结构。 图2 1 一个典型的集中式计算机监控系统模式结构 华中科技大学硕士学位论文 3 葛洲坝大江电厂综合自动化的历史沿革与现状 大江电厂位于葛洲坝枢纽的右岸，装有1 4 台1 2 5 万千瓦立式轴流转桨式水 轮发电机组，总容量为1 7 5 万千瓦，对华中电网系统的安全稳定有着极其重要 的作用。多年来，大江电厂通过对计算机监控系统的改造和完善，以及对基础 自动化组件和辅助设备的技术改造，使设备在运行可靠性上稳定性显著提高， 主设备在整体监测、控制功能方面得到了完善，为“无人值班，少人值守”创 造了良好的设备条件，在“创一流”工作中起到了重要的作用。 3 1 机组控制系统改造过程 葛洲坝大江电厂的机组控制系统最初由发电机厂家选型的常规系统，即用 继电器、分离电子元器件构成的二次测控系统，系统复杂，可靠性差。随着技 术的发展及运行值班方式要求的臼益提高，机组的自动控制水平已不能满足现 代化水电厂的要求。为了迅速赶上先进的国外水电站计算机监控水平，提高水 电站计算机监视和自动控制水平，大江计算机监控系统经过多年的不断改造与 完善，使大江电厂的运行自动化水平有了很大的提高。其改造过程经历了下面 几个阶段 9 1 。 1 ) 机组r t u 只监不控 1 9 8 6 年开始逐步投运的8 一l l fr t u 采用南京自动化研究所( 现南瑞公司) _ _ 丌：发研制的w d k 一2 型水轮发电机组远方终端设备。考虑到当时国内水电站尚无 计算机监控的成熟经验，因此为了保险起见，决定“只监不控”，只进行一些 模拟量、开关量的采集及报警，并进行打印记录，将部分报警引到中控室返回 屏，机组的安全监控仍依赖原来的常规系统完成。在这个阶段虽增加了一定的 变送器、传感器，控制命令仍通过常规继电器出口执行。 此阶段自动化设备及自动化元器件不断暴露出问题，自动开停机成功率极 低，常常只能进行人工手动操作，机组故障、事故率较高，运行人员操作、检 查工作量大，劳动强度极大，直接威胁着发电机组设备的安全稳定运行。 2 ) 计算机监控与常规控制并存 1 9 8 5 年底，大江电厂与加拿大c a e 公司签订合同，从c a e 公司引进一套计算 华中科技大学硕士学位论文 机监控系统。这套计算机监控系统于1 9 9 1 年开始进行安装调试，1 9 9 2 年进行现 场初步验收及投运，1 9 9 3 年正式投运。整个监控系统包含l o 台机组r t u ( 1 2 2 l f r t u ) ，公用设备r t u ，模拟屏r t u 及开关站r t u 共十三台r t u ，双v a x f t 一3 0 0 0 主 机、双前置机、双控制台、双以太网互为热备用或联机运行，它在一机或一系 统故障时不中断监控系统的运行。r t u 通过串行通讯方式与前置机通讯，c c m 2 规约将8 f 一“fr t u 与该监控系统联为一体，站级设备通过双以太网通讯，整个 监控系统为全分层分布式结构( 如图3 1 ) ，采用集中式数据库。 i 主机，i 医困i 操作台z ii 曲曲 图3 一lc a e 监控系统结构图 在这个阶段采用常规控制与计算机监控并存的模式，并以常规为主，计算机为辅 i l 。在机组发电运行中，因现场设备与计算机配合困难，现场设备、回路改造困难， 改造效果并不理想，只好改为两套系统并存，相互独立，可互相切换，这样就减少了 计算机监控系统对原常规系统的依赖程度，机组自动化水平有了一定的提高。同时在 此期间进行了现场设备、元器件及二次回路的改造，使计算机的监控功能得以全面实 现，可进行机组的当地远方开、停机，有无功调节，自动抄表、打印，开关站母线 开关、隔离刀闸可远方投切，a g c a v c 功能也得以实现，使大江电厂的自动化水平得 到很大提高，为机组的安全运行创造了条件，也减速轻了运行人员的劳动强度。 3 ) 计算机控制为主、保留部分常规保护控制 1 9 9 4 年底开始，为迸一步提高机组自动化水平，更加方便操作与维护，提 高效率，大江电厂对8 1 1 fr t u 进行改造，采用南瑞公司的s j 一4 0 0l c u 取代了 原常规系统和w d k 一2 型r t u 装置。整套装置由s j 一4 0 0l c u 、工控机、水系统p l c 、 华中科技大学硕士学位论文 同期装置、测速装置等构成，以计算机控制为主，仅保留了部分常规紧急控制 回路。s j 一4 0 0l c u 采用冗余结构i 由硬件、软件及功能完全相同的互为备用的 两块盘构成，它通过工控机上以太网与主机通信。水系统p l c 作为机组l c u 的下 位机，负责发电机冷却水和顶盖排水系统的监测与控制，减轻了l c u 的负担。 经过改造后，可对机组及其辅助设备进行计算机监视、控制和调节，提供了设 备的智慧控制，并增加了机组的保护自动停机功能，有效地保证l c u 的正常运 行和发电机的安全运行。 3 2 大江计算机监控系统的逐步完善 1 ) 监控系统主站的完善 由于计算机监控系统的主机局限了自动化水平的提高，在总结c a e 监控系 统的基础上，大江电厂采用南瑞公司的s s j 一3 0 0 0 监控系统更换了原c a e 的主机 系统。该系统采用全分布开放式结构，系统配置框图如3 2 。 监控系统主站功能设计是根据长远规划，按照“无人值班，少人值守”要 求进行，具体功能如下：在中控室控制台完全实现了对全厂机组主设备、辅助 设备、开关站设备、公用设备的数据信息采集、状态监视、单步控制和顺序控 制；能进行有、无功的死循环调节，并具有a g c 、a v c 功能；能自动生成报表， 进行设备运行管理、统计及趋势分析与处理；能进行设备的智慧控制，中调的 远方开、停机，并可进行智能报警、语音报警，可根据故障、事故的严重程度 启动有关人员的电话召唤值守人员；具有事故分析处理专家系统，智能操作票 系统及设备操作安全分析功能。 图3 - 2大江s s j - 3 0 0 0 监控系统结构图 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 现地控制单元( l c u ) 的全面改造 随着电力系统的发展，提高供电质量和电力系统运行的经济性、可靠性都 对自动化控制提出了更新更高的要求。这就要求监控系统具备更完善的功能， 更快的监控响应，更好的电磁兼容性和更强的环境适应能力。从2 0 0 0 年底开始， 大江电厂采用了南瑞公司的s j 一6 0 0 型l c u ，对机组r t u 进行了全面改造，到2 0 0 3 年初，已完成了1 0 台机组的r t u 改造。 ( 1 )s j 一6 0 0 型l c u 的系统结构 s j 一6 0 0 型l c u 主要由三部分组成：主控模件c c u 、智慧i o 模件、连接主控 模件上各种模件的现场总线网络c a n 网。其结构如图3 3 所示。 以太网 主控模件 c a n 网 智能i o 模件 上位机 i l c c u aia 叫bl j i i i 哔毕肖哔 现场信号 图3 - 3s j 一6 0 0l c u 结构图 从图中可以看出，新的l c u 取消了前置机和工控机，采用的是两层网络结 构，第一层是厂级网，采用l o o m 以太网，连接l c u 及上位机；第二层是i o 总线 网，采用的是c a n 现场总线网络，连接主控模件上智能i o 模件。从而构成了分 层分布式控制系统，具有层次清晰、简单的特点。 为保证可靠性，机组l c u 全部采用冗余配置：主控模件c c ua 和c c ub 互为 备用，主c c u 有控制和监视权，而从c c u 只有监视权；以太网、c a n 网都配有双 网，在任何一条网络出故障失效的情况下，系统都不会因此而受影响，大大提 高了网络的可靠性：所有模件都采用了冗余的电源，一旦双路电源中一路发生 华中科技大学硕士学位论文 故障，模件会无扰动切换到另路电源，从而保证系统正常工作。 ( 2 ) 机组l c u 的功能 s j 一6 0 0 既作为全厂监控系统的现地控制层，向厂级计算机发送采集的各种 数据和事件信息，并接收厂级的下行命令对设备进行监控，又能脱离厂级独立 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l c u 完成，可对全厂主要设备的运行状态和参数自动定时进行采集，作出相应的处 理，并接收当地或上位机的命令，完成对被控设备的操作。所有测点均可进行 质量辨别、投退操作、人工设值。 l c u 还具备强大的外部通讯功能，实现与外部系统数据交换。主要包括： 与水系统p l c 通讯，读取p l c 开入、模入上报警信息缓冲区，并下发控制令和对 象码；与温度巡检装置s j 一4 0 c 通讯，读取温度量测值及越复限报警信息；与智 能交流量检渊装置b i t r o n i c s 通讯，读取交流量测值及电度量累计值。 此外，l c u 还具有主从切换，当地人机界砸，自诊断，事故追忆，表达式 计算，温度保护报警，对机组有功、无功进行p i d 死循环调节等功能。顺控流 程可进行机组正常开停机控制、机组紧急停机控制、断路器合闸控制、压油泵 控制、水系统控制等所有操作。 1 6 华中科技大掌硕士学位论文 4 葛洲坝电厂综合自动化系统投资规模分析 多年的应用实践表明：水电厂采用计算机监控系统全面实现其生产过程的 综合自动化是技术发展的必然趋势，因而对于是否投资的回答始终是肯定的。 但针对不同类型的电厂，其投资规模的取向却是值得深入研究的。 4 1 确定投资规模的基本思路 一套水电厂综合自动化系统的配置通常涉及多方面的内容，包括计算机监 控系统的结构配置、现场自动化设备、组件的配置以及相互之间的联系与通讯 等。对于不同装机规模的水电厂，由于其机组台数、总装机容量、单机容量以 及其在电网中所处的地位均有所不同，因而所需的信号采集量、控制量、控制 性能要求等也相应有较大的差别，其计算机系统结构、主机的选型、现场自动 化设备和组件的配置需要针对具体情况进行分析设计。不同结构的系统配置， 其投资规模是有较大区别的，最优的投资规模是在全面满足技术要求、结构上 先进合理的基础上求得水电厂综合自动化系统投资额与整个电厂投资总额的 百分比最小值【”i 。 这里特别值得注意的是，水电厂综合自动化系统的投资应与电厂设备的原 有投资区别开来，这里提到的投资是在电厂原有设备的基础上，为实现电厂生 产过程计算机监控，而新增的部分投资，主要包括计算机系统投资；接口部分 投资：为达到计算机集中监控而新增的现场器件的投资，如非电量传感器，信 号变送器等：以及为提高操作可靠性和成功率而对机组调速器，励磁调节器、 电磁阀等设备改造所产生的新增投资部分等。 水电厂在综合自动化系统结构模式主要取决于计算机监控系统的结构。而 计算机监控系统的结构不仅与计算机技术、网络技术的发展阶段有关，而且与 具体电厂的应用有关。目前，各国水电厂计算机监控系统的结构模式从控制方 式上看，大致有集中式监控系统和分布式监控系统等两大主要类型。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 4 2 分层分布网络结构的配置与投资 分布式监控系统是监控系统的一种方式，它是在克服分布式系统缺点的基 础上提出来的。分布式监控系统是以控制对象分散为主要特征。就水电厂而言， 控制对象主要是水轮发电机组、开关站、公用设备、闸门等。以控制对象为单 元设置多套相应的装置，每套装置便构成了水电厂的现场控制单元。每个控制 单元均能独立完成对控制对象的数据采集与处理、控制调节、与上位机的通信 等多项功