（水利工程专业论文）青铜峡水电厂计算机监控系统的设计与开发.pdf

青铜峡水电厂计算机监控系统的 设计与开发 学科 水利工程 作者姓名 马玉犟 导师姓名 啪渺踢 答辩日期 硝 3 研究方向 水利电力自动化 签名 另盂器 签名 椎p 潞 摘要 宁夏青铜峡水电厂机组投运较早 设备陈旧且老化严重 近年来虽然也对一 些设备进行了技术改造 但均未形成厂级的监控系统 由于青铜峡水电厂担任宁 夏电网的调峰及调频厂 现地控制单元不能满足机组快速开停机并同及负荷调节 精度的要求 也不能满足水电厂自动发电控制 a g c 的要求 随着 厂同分开 竟价上网 的电力体制改革 对青铜峡水电厂进行计算机监控系统更新改造已是 势在必行 本文通过分析国内外水电厂计算机监控系统的模式 现地控制单元以及通信 系统的结构 给出了青铜峡水电厂计算机监控系统控制模式 结构配置 电厂级 采用l o o m b p s 快遗以太阿 现地控制单元级采用专为自动控制系统分敲i l o 设备设 计的p r o f i b u s d p 现场总线 并针对l c u 在监控系统中构重要作用 对l c u 开停机流 程匿及人机界面进行了设计 这套监控系统己成功应用于青钢峡水电厂9 机组 应用效果良好 系统在软硬件配置及功能上均达到了4 无人值班 少人值守 要 求 为青铜峡水电厂计算机监控系统的全面实施其定了良好基础和成功的经验 具有十分广泛的应用前景 关键词 青铜蛱水电站 计算机监控 设计与开发 l c u p r o f i b u s d p d e s i g n d e v e l o p m e n to f q i n g t o n g ah y d r o p o w e r p i a n tc o m p u t e rs u p e r v i s i o n s y s t e m s u b j e c t w a t e rc o n s e r v a n c ye n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y a u t o m a t i o no fh y d r o p o w e r s y s t e m a u t h o r 似c 鼢 a b s t r a o t t h eh y d r o u n i t si nq i n g t o n g x i ah y d r o p o w e rp l a n to fn i n g x i aa r es t i l l i ns e r v i c ee v e n3 0y e a r sa f t e rc o m m i s s i o n i n g t h ea u x i l i a r i e sa r eo l da n d a l w a y sd a m a g ef a u l t sb yf a i l u r eo fi n s u l a t i o n i nr a c e f l ty e a r s e q u i p m e n t s a r er e f o r m e di nq i n g t o n g x i ah y d r o p o w e r p l a n t b u tt h ec o m p u t e rs y s t e m i s n tu s e dt om o n i t o rt h ew h o l ep l a n t b e c a u s eq i n g t o n g x i ah y d r o p l a n tc a n b eu s e dt og e n e r a t ep e a kp o w e ra n da d j u s tf r e q u e n c yp o w e r t h el o c a lc o n t r o l u n i t sc a n n o tb es h u td o no rr e s t a r t e da ts h o r ti n t e r v a l s t h e ya l s ol a c k t h eo p e r a t i o n a lf l e x i b i l i t yt oa d j u s tl o a d s o t h e ya r eu n s a t i s f i e dt h e d e m a n do 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 ed e v e l o p m e n t o f h y d r o p l a n ta n dn e t w o r k a n dp r i c ec o m p e t i t i o ni ne l e c t r i cm a r k e t i no r d e r t om a t c ht h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e mr e f o r m q i n g t o n g x i ah y d r o p o w e rp l a n t r e q u i r e sc o m p u t e rm o n i t o t i n gs y s t e m t h 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 eo fc o m p u t e r m o n i t o r i n gs y s t e m t h el o c a lc o n t r o lu n i t l c u a sw e l la sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m d e m o n s t r a t e st h ec o m p u t e rm o n i t a r i n gs y s t e ma n dc o n f i g u r a t i o no f 西安理工大学工程硕士学位论文 q i n g t o n g x i ah y d r o p o w e rp l a n t p l a n tn 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 e s p e e do f1 0 0 m b p s l c uu s e sp r o f i b u s d pf i e l db u sn e t w o r kw h i c hs p e c i a l i z e d i na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e md i s p e r s i o ni oe q u i p m e n td e s i g n a i m e da tt h e i m p o r t a n tf u n c t i o no fl c ui nm o n i t o r i n gs y s t e m t h ef l o wc h a r ta n dm a n m a c h i n ei n t e r f a c eb ed e s i g n e d t h em o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e na p p l i e di n 9 h y d r o u n i to fq i n g t o n g x i ah y d r o p o w e rp l a n t a ne x c e l l e n t r e s u l ti s o b t a i n e d w h i c hh a sa c h i e v e dt h eu n m a n n e do rf e wm a n n e dr e q u i r e m e n ti ns o f t a n dh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n df u n c t i o n s oa l s oe s t a b l i s h e st h eg o o d f o u n d a t i o na n ds u c c e s s f u le x p e r i e n c ef o r t h eo v e r a l li m p l e m e n to f q i n g t e n g x i ah y d r op o w e rp l a n t k e yw o r d s q i n g t o n g x i ah y d r o p o w c rp l a n t c o m p u t e rm o n i t o r i n g d e s i g na n dd e v e l o p m e n t l c u p r o f i b u s d p 独创性申明 y 8 4 3 4 2 2 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 墨土塑挈蜱3 月t 目 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定 即 研究生在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有 本人保证 发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学 无论何时何地 未经学校许可 决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果 学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件 允许论文被查阅 或借阅 学校可以公布本论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或 其他手段复制傈存本论文 加密学位论文解密之前后 以上申明同样适用 论文作者签名 垄 出导师签名 童狰i 5 o 型f 年 月喀日 第一章概述 i i i i 一i 1 概述 1 1 水电厂计算机监控系统概述 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 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 其功能可用图卜1 来表示 人工控制硪蛤定目标幢 田i 一1水电厂计篁机监控墓统方艋圈 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t 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 西安理工大学工程硕士学位论文 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 1 1 1 水电站计算机监控系统的发展概况n 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 太平湾一长甸 葛洲坝二江二期 李家峡 宝珠寺 大峡 隔河岩等十 余个水电厂 第一章概述 i i 目i i l 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清楚的 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 从开始的摸索到初步形成工业化生产 达到实用水平 并形 成几种成熟的模式 在技术水平 实用程度上已达到国外目前水平 有 的方面甚至已赶上了国际先进水平 i i 2 计算机监控系统的发展趋势 1 a 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 b 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 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 3 西安理i 大学i 程硕士学位论支 定义以及维护 很多功能只需点击鼠标进行选择 既快捷方便 又避免 了使用编辑程序难免产生的输人错误 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 1 2 水电厂自动发电控制a g o 1 2 1 水电站在电力系统中的作用 1 a 担任系统的调频 调峰任务 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 特别是其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 担任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 2 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 0 之间变化 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 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 4 第一辛概述 的很小差异 则可能引起经济效益的很大差别 例如 一台1 0 0 m w 的机组 效率提高1 按年运行3 0 0 0 h 计算 每年就可多发3 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 b 水轮发电机组的耗水量特性 1 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l 一2 所示 圈l 一2 机姐水韩量特性曲线 田1 3 机蛆韩量徽增奉曲蛾 图l 一2 中 纵座标为单位时间内消耗的水量以一 s 横座标则为 机组输出的有功功率p m w 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 量之比值即入 a w a p 即通常所说的水耗量微增率 各点的切线斜率 是 个递增的曲线 如图i 一3 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指在已运行机组间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p 机组运 行对的振动区 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 西安理工大学工程硕士学位论文 1 2 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 g c 是水电厂安全经济运行的重要内容 水电厂a g c 的主要任务是按照预 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闻的负荷分配 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 g c 自动发电控制 的原理是 针对无调节 库容的径流电站 最大限度地利用上游来水量 以不弃水或少弃水为原 则 尽可能地保证电厂在较高水头下运行 力求发电量最大 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 对水电站全面提高自动化水平 实现 无人值班 或少人值守 有着极为现实的意义 a g 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 c 1 电力系统a g c 的控制原则 电力系统a 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 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a 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 6 第一章概迷 蕾 鼍毒 高田 圈ii 墨 暑曹 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 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e m 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a g c 水电厂a g c 是水电厂计算机监控系统的一项重要内容 它全面实现 了水电厂发电的自动控制 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 水电厂a g c 能够在电力系统a g c 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 保持系统频率在绘定的一个允许范围 7 西安理工大学工程硕士学位论文 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启 停 c 电力系统a g o 与水电厂a g c 的数据交换 a g 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 机监控系统接收到中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机 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l 一4 所示 i 2 il l 电广的盎葡分配i 系统调度级 o 上游水1 苴 1l 11 机蛆状态 下游水1 立 i 自动搜电控制r 一 其它i r 程序a o c 臣 机蠛出力 屯厂控制缀 现地 畦糨7p 开停机控制5 调遵器 陌砷 图l 一4 水电厂自动发电控制流程图 电厂级a g c 作为电力系统a g c 的一个子系统 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时信息和反馈信息 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 由于水电厂计算机监控装置安装a g c 软件后 可以大大提高频率的稳 第一章概速 定性 实现无差调节的重要作用 因此 国内外很早就重视对它的研究 目前 在a 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 1 2 4 自动发电控制 a g c 的意义 随着电网调度实时控制系统的不断完善 电力市场的开放及竟价上 网的实行 具各自动发电控制 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 出贡献 作为电网调度来说 只要了解电厂机组的大概运行情况 采用 控制全厂出力的方式 将a g 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 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 从而为梯级电站或全电网经济运 行创造条件 1 3 宁夏青铜峡水电厂概述 9 1 宁夏青铜峡水利枢纽于1 9 5 8 年8 月破土兴建 次年8 月截流发挥灌溉 效益 1 9 6 7 年4 月枢纽建成蓄水 同年1 2 月第一台机组投产发电 1 9 7 8 年1 2 月八台转浆式水轮发电机全部投产发电 为了充分利用水能资源 1 9 9 3 年与地方政府合资兴建容量为3 万千瓦时的9 机组 唐渠水电站 目前青电厂9 台机总装机容量为3 0 2 万千瓦 除8 机为苏制2 万千瓦机 组 9 机为3 万千瓦机组 其它七台3 6 万千瓦机组均为哈尔滨电机厂制 造 青铜峡水电站系河床闸墩式低水头电站 大坝总长为6 8 7 3 米 坝高 4 2 7 米 坝宽为4 6 7 米 水库在正常水位l t 5 6 米时 相应的设计库容为 9 西安理工大学工程硕士学位论文 6 0 6 亿立方米 相应的水库面积为11 3 平方公里 相应的水库长为4 4 7 5 公里 是宁夏境内难一的一座以灌溉 发电为主 兼预防 防凌等多 种效益的综合性水利枢纽工程 1 3 1 宁夏青铜峡水电厂现状 宁夏青铜峡水电厂 以下简称青电厂 机组投运较早 电站按常规设 计 部分设备仍采用继电器常规控制 运行时间已久 设备陈旧且老化 严重 并且有的设备存在重大隐患 没有或缺少在线检测元件 故障事 故率逐年升高 给机组的安全生产带来巨大威胁 检修的维护量和运行 的操作量极其繁重而复杂 针对青电厂现状 近年来也对部分设备进行 了技术改造 如4 醚机微机监控 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 但目前仍存在以下几方面 的问题 a 现有计算机监控存在的问题 1 机组l c u 微机监控装置 我厂9 机采用南瑞公司生产的s j 一4 0 0 微机监控装置 4 6 机采 用s j 一5 0 0 微机监控装置 s j 一5 0 0 监控装置受当时技术条件的限制 结 构为p l c 加工控机模式 由于多加了工控机这一中间环节 导致整个l c u 的通信速度及可靠性降低 不能满足机组在任何时候要迅速 准确地完 成开停机并网操作的要求 s j 4 0 0 监控装置的主机板目前厂家已停产 设备得不到后续技术保障 9 机监控装置于2 0 0 1 年由于主机板损坏而 被迫停运 对其进行计算机监控系统的改造已是追在眉睫 2 厂级计算机监控系统 近年来 青电厂虽然也对一些设备进行了技术改造 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 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的实 现 不利于运行人员操作和事赦处理 更不利于维护人员对监控系统的 1 0 第一章概述 维护 对整个电厂的安全稳定运行造成很大的影响 b 厂内经济运行存在的问题 由于青电厂担任宁夏电网的调峰及调频厂 1 9 9 6 年 宁夏电网调度 自动化二期系统引进加拿大c a e 电子有限公司的能量管理 f m s 系统 作为其高层应用的自动发电控制 a g c 要求对青电厂机组进行远方遥 调 当 个电厂全部或几台机组被指定为一个电源时 系统a g c 在进行发 电分配时只给该电源发一个总的调节指令 该指令通过当地的a g c 子系统 按经济分配的原则分配给该电源所属的各台机组l 3 1j 当时青电厂尚未建 立计算机监控系统 因此青电厂的每台河床式机组均为 个电源点 宁 夏电网根据a g c 软件计算出某台机组的最优负荷分配值 通过远动通道发 送4 2 0 m a 的电流信号 在青电厂经过一套 发电机负荷遥调接口装置 将此电流信号转换为机组调速器可以接受的脉冲信号 直接向调速器发 送 增 减 负荷脉冲信号 调速器根据脉冲宽度和脉冲个数来 调整机组出力的设定值 从而进行机组有功功率的调整 实现a g c 的目的 这种控制方式存在以下两个问题 1 电网a g c 主要是通过网调的自动化系统直接控制厂内各台机组运 行 一旦当电厂的一些实际工况发生变化 而向调度中心传送的信息有 限 网调不能及时调整电厂负荷或电网系统a g c 异常 电站与网调通讯中 断等情况下 将不利于电厂实现经济运行 另外 假设没有发生上述可 能性 参加调频的机组在系统的统一调度下可以实现经济运行 而对于 没有参加调频的机组 机组问的负荷分配是粗放型的 有很大的随机性 很难根据节水 多发电的目标 按经济合理的原则在机组间进行最优负荷 分配 随着电力体制的改革 在厂内实现a g c 控制已是发展趋势 2 当系统对调速器的控制处于 脉冲 方式时 a g c 计算出某台 机组的最优负荷分配值 通过 发电机负荷遥调接口装置 将4 2 0 m a 的电流信号 转换为脉冲信号后 向调速器发出一持续开关导叶的脉冲 直到机组出力达到设定值 在这种方式下 由于脉冲的宽度和连续发送 西安理工大学工程硕士学位论文 脉冲的时间间隔是固定不变的 必须通过改变程序里的设定才能改变其 宽度和时间间隔1 而不能根据机组有功调节速度的变化而改变脉冲的宽 度和时间间隔 因此 如果设定的脉冲较宽或时间间隔较短 则调速器 在调节机组的出力时往往易造成超调 当设定的脉冲较短或脉冲间隔较 长时 则使机组调节负荷缓慢或造成调节不足 即调节精度难以保证 而不能使水轮发电机组充分发挥其快速启动和迅速带满负荷的优点 因 此脉冲调节方式难以同时满足负荷调节精度和响应速度的要求 1 3 2 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 竞价上网 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 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 整体性地提高全厂的综合 自动化水平 在青电厂实现计算机监控的意义在于 a 提离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 1 2 第一章概迷 i i i i i 一i ii i 故限制在最小范围内 使电厂运行的安全可靠性大大提高 b 提高电厂的经济运行 青电厂在计算机监控的基础上实现厂内自动发电控制 电网根据频 率的要求计算出青电厂实时调节负荷或日负荷曲线 将此信息传送到青 电厂的计算机监控装置 由电厂的a g c 程序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 为青电厂创造出最大的经济效益 c 提高供电质量 青电厂在进彳子监控系统改造后 根据系统分配给的总负荷 由厂内 a g c 经过经济运算后 将计算所得的单台机组的负荷分配值通过串行通信 1 3 直接下达给调速器的控制装置 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t 2 1 装置 而且从根本 上避免脉冲调节方式存在的缺点 提高机组负荷调节品质和供电质量a d 提高劳动生产率 由于计算机监控系统能够实时监控水电站设备运行情况 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运行和科学管理水平 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 1 4 本文的主要工作 综上所述 在青电厂实施计算机监控是保证设备安全 可靠 经济 运行的重要条件 也为将来实现 无人值班 少人值守 打下良好的基 础 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 整体性地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 时数和提高水能利用率 提高劳动生产率 减轻运行人员操作和监视工 西安理工大学工程硕士学位论文 作量 提高电厂的经济效益 尽快实现无人值班或少人值守 是摆在我 厂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 本论文在考察 分析了国内外水电厂典型计算机监控系统的应用经 验的基础上 吸取他们先进的系统设计思想 针对青电厂运行监控的技 术特点和在宁夏电网中的作用 立足子工程实际 主要完成如下几方面 工作 1 通过分析目前水电厂计算机监控系统的结构模式以及通信系统 的发展情况 对青电厂计算机监控系统的控制模式及结构配置进行设计 并分析了该系统所实现的功能 2 针对l c u 在监控系统中的重要性 对l c u 的硬件进行了配置 3 针对青电厂实际情况 从工程实际应用出发 编制机组顺控流 程软件 实现机组的控制调节功能 4 从使用者的角度出发 对l c u 的人机界面进行了设计和开发 实 现了现地单元的监视和控制功能 1 4 第二章计算机监控系统总体方案设计 2 计算机监控系统总体方案设计 2 1 计算机监控系统的结构模式 2 1 1 计算机监控模式 1 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 i 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 d s u p e r v i s o r yc o n t r 0 1 简称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 水电厂目前已很少采用 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 a l s u p e r v i s o r yc o n t r 0 1 简称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 但设暨 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 y c o n t r 0 1 简称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 西安理工大学工程硕士擘位论文 屏已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 随着计算机技术的迸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 计算机监控系统结构 1 自2 0 世纪7 0 年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 年代典型的系统结构应用实例 7 0 年代集中式监控系统 8 0 年代初功能分散式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 9 0 年代中基于开放系统的分布式监控系统葛洲坝二江 富春江 2 1 世纪初基于对象技术的分布式监控系统红枫梯级 青溪 表2 一i计算机监控系统结构的发展 1 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 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 1 6 第二章计算机监控系统总体方案设计 一ii 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 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 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 系统结构进行了说明 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 b s c 这种控制方式是目前国内外水电站采 1 7 西安理工大学工程硕士学位论文 用的主要计算机监控方式 从系统结构来看 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i 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 监控系统宣采用分层 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 0 i e e e i e c 等国际标准规约 其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 2 凡是不涉及整个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 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 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 第二章计算机监控系统总体方案设计 担也减轻 这些均导致监控系统设备投资的减少 可以灵活地适应被控制生产过程的变更和扩大 可实施分阶段投 资 这些都提高了系统的灵活性和经济性 2 2 网络结构的设计 2 2 1 网络的结构模式 a 网络的拓扑结构 网络拓扑结构是指网络中节点的互连形式 目前网络拓扑结构主要 有以下几种类型 1 总线拓扑 在总线型拓扑中 各计算机通过电缆顺序连接 其形态是在一条直线 状的电缆上分别连接着许多节点 计算机等设备 如 图2 2 所示 布线的两端是截止端 需接有终结器 比较 简洁 比较典型的是采用同轴电缆连接的以太网 图2 2 总线拓扑 2 星型拓扑 在星形拓扑结构中 网络中的每个节点通过一个中央设备 h u b 或交 换机 连接在一起 如图2 3 所示 中央设备不仅是 所有导线的汇集点 也具有管理网络通信的功能 网络 的可靠性较高 3 环形拓扑 图2 3 星形拓扑 在一个环形拓扑结构中 每个节点与两个最近的节点相连接以使整个 网络形成一个环状 如图2 4 数据绕着环向一个方向 发送 单向的 每个工作站接收并响应发送给它的数 据包 然后将其它数据包转发到环中的下一个工作站 圈2 4 环形拓扑 b 网络通信介质的选择 传输介质是网络中连接收发双方的物理通路 也是通信中实际传送 1 9 西安理工大学工程硕士学位论文 信道的载体 目前使用较多的传输介质包括三种类型 同轴电缆 双绞 线 光缆 1 同轴电缆 同轴电缆是通信介质