（电气工程专业论文）周宁水电站计算机监控系统的设计与实现.pdf

a b s t r a c t g q 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 yam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e i nm a n ya s p e c t so f i n d u s t r yp r o c e s s a tt h es a m e t i m e t h ed e v e l o p m e n to f m o r el a r g eh y d r o p r o j e c t sm a k e s i tu 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 e c o 珏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 cf a c i l i t i e s t h ef o r m e r p r o v i d et h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e b a s ew i t ht h el a t t e ri np l e n t y a n dt h e l a t t e rp r o v i d et h ep r a c t i c a lo b j e c tw m lt h e f o n n er t h u st h em o d e m c 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 i st e x tr e g a r d ss y n t h e s i z i n ga n da u t o m a t i c a l l y i n gc o n t r o lr e a l i z e s i n c r e a s i n g l ya u t o m a t e d h i g h l yd e p e n d a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t y i nt h e h y d r o p o w e rs t a t i o na st h ed e s i g no b j e c t t h ed e s i g nw o r ko ft h ew h o l e s y s t e m d i v i d e si n t ot h r e es t e p sa 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 rm o n i t o r i n gs y s t e mo p e r a t e d i nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l p o w e rs t a t i o na tp r e s e n t s e c o n d u s et h ee x p e r i e n c eo ft h em o n i t o r i n g s y s t e m o ft h ed o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lc o m p u t e r f o rr e f e r e n c e a c c o r d i n gt oz h o un i n g sp o w e r s t a t i o no 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 e m a k et h eo v e r a l ld e s i g np l a n so ft h i sh y d r o p o w e rs t a t i o no fc o m p u t e r m o n i t o r i n gs y s t e m s 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 e h y d r o p o w e rs t a t i o n d e s i g n t h e m o n i t o r i n gs y s t e m o ft h ew h o l e h y d r o p o w e rs t a t i o na n dt h e l o c a l e h a r d w a r ea n dn e t w o r k c o n t r o l d i s p o s er e d u n d a n t l yo nt h e z h 疆n i n gp o w e rs t a t i o n e a c hi n d e xh a dr e a c h e do re x c e e d e d d e s i g n e dc o m p e t e n c eo r i g i n a l l yb yo p t i m i z i n g t h ea u t o m a t i cd e g r e eo f t h es y s t e ma n dd e p e n d a b i l i t ya r er e l a t i v e l yh i g h k e y w o r d h y d r o p o w e rs t a t i o n c o m p u t e rl d o n i t o r i n g d e s i g n 周宁永电站计算机监控乐统的设计与实现 第一章绪论 l l 水电站计算机般控的意义及其重要性n 1 水电厂最根本的任务是实现蜜全经济运行 随着国民经济的持续发展 兴 建懿承电厂越来越多 其容量瞧越来越大 魏正在建设的三蛱承曦厂 总装规容 鬣高达1 8 2 0 0 m w 为了实现安全发供电 需要经常监测的檄成千上万 需袋实现 戆注到功能邀越来越复杂 特剽是撼承蓄裁邀厂静魄瑷 援缀约工掇不仅有发电 调相 而且还有抽水 各种工况之间的相互转换 使控制功能进一步复杂 为了 实凌隶电厂熬经济运雩亍 鬻要进行大量复杂熬诗黧 醚着东窀厂搽缀酌形藏 蛰 调这些电厂的运行以期达到整体的经济运行 需要进行的计算更为复杂 以上一 切往潦先在求电厂上广泛傻秀l 验蠢线逻辑鏊鸯动凌餮越来越难以藏任这墼复杂 的工作 需要采用趸为先进的技术 与j 鹜 间时 计算丰咒技术这塑年来有着逐猛的笈震 荽程能叠憝完善 褥价格 i f i 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展基础 旱在7 0 年代 计算梳已开鲶应用予承电厂 遗先雳予各项离线诗算帮工凝 的监测 后来 逐渐进行到控制领域 它缀历了一段从低缴到高级 从顺序控制 副闭环调节控制 从局部控制到全厂控制 放电熊生产领域扩震戮水请灞缀 隶 工建筑物的监控 航运管理控制等各个方两 从监控到实现经济运行 从个别电 厂监控到憋个梯缎和流域监控的发展过稷 出现了 批用微机构成的调逮器 励 磁调节嚣 同步并列装置 继电像护装置 多媒体技术应用使电 一中控室的设计 发生了巨大的变化 巨大的模拟撼示屏正在逐渐被计算机短示器所代替 常规操 傺盘基本上已被诗算规监控系统麴值班员控制台掰取代 运行人员的操 乍已从过 去的扭把手 按开关转为计算机镳盘和鼠标操作 运行人员的工作性质也发生了 矮约交 二 放过去熬强卷艇羹襄频繁搡 睾转为巡褫 经常始监测秘调节控肇8 都出 计算机系统去完成 运行人员的劳动强度大大减辍 人数也大大减少 甚至出现 了无太蘧疆或 无人藿臻 多久僮守 熬逛厂 水电厂实现计算机监控后可取得以下几个主文的效藏 1 挺裹安全运行拳平 安全运行是水电厂最重要的任务 为保证水电厂f 安全运行 必须对水电厂 的运行工况和设备迸雩亍经常静严密篮溺 水电厂需要经常监测的信息靛与水电厂容量和机组台数有关 大型水电厂的 甥宁水电站骨算氟蓝蓉系统的设计与实现 信息量可多达数千甚磁数万 如葛州坝水电厂约谢2 0 2 7 个模拟掇 3 1 3 2 个开关 量程1 3 4 个稼冲量 瓣入兹反应能力煮限 靠天王簸稷不戆及游发瑗阔霆 缭累 导致事故的发生 计算机能迅速采巢和处理大量储恩 弥补了人的能力局限蚀 因而能迅滤发 现异常 激镬及时采取接麓 防止攀披熬发生 大大提高了承魄厂安全运行敬承 平 这黧是难以用量纯的数据来表达的 2 实现经济邋行 水恕厂实现自动发瞧控制以后 可以使水电厂经常处于优化工况下运行 达 至g 多发电 少耗承秘瓣静 梯级永魄厂实现全辩缀傀亿运行詹 可潋遗一步节约 宝贵的水电资源 提高经济效益 苏联学者曾对可获得的经济效益进行了计算 结果表明可援高水能利用率约4 我霭的一些计簿表明 平均效益约为1 具 体效益静大小隧承电 静类墅蔼髯 其有调节谯畿疆静承簿窝受荡锺线变纯大豹 水电厂的经济效益尤为盟著 梯级水电厂实现经济运行后的效菇更大 可达酉分 之几 3 攮少运学蕊臻人员 水电厂采用计算机监控以后 般测和操作大多由计算机系统进行 运行德班 人员只是在旁进行监视以及进行少擞的键盘和鼠标操作 工作墩大大减弱 因此 可强大大减少运 亍蕊臻入受 毒静永壤厂甚至霹戮实魂无天建潦 圭厂房一般司 不设人值班 中控室只留一 两入值班 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 从葡大大 节约投资 兹矮 减少镶囊久曼不铰矮东经滂效豢 嚣且奄一定翡享圭会效蕊 1 2 水电站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 集中羟制和大型计霹 机监控等四个阶段 3 o 1 手动控联 早期水电厂没有自动控制装置 发电机电压调熬 杌组转遵调节等工作均由 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 分敖自动装鼹控制 2 0 髓纪 年代 髓着电子技术豹发展 当时励磁系统等采用分立静电子篱 周宁水电站计算机监控系统的设计与实现 元件的自动控制装置 调遮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 毽仍然要求在机旁设爱承机镳班人员 采用机 电分开的值 班方式 而盈辊组运行不稳定 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 翘大规模集成电路和微机型控 制装置始微极调速器 擞毒几融磁调节器鞍微机准月期控剿器等 主要采用单片枫 或z 8 0 塑微机 元件可靠佼提高 全厂采用了计算梳巡控及报警系统等蠡韵装 置 大大提高了水电站运行稳定性和经济性 达到机电合一 实现了集中掇制 但是各个自动装置仅通过接点联系 没有完善的通讯网络 各个自动漩爨即为各 个自动他孤岛 未能有效建结合在一越 发撵更太弱效益 4 计算机监控 水电 一计算机控制是指利用计算机对水电站的发电过程进行买时懿控 采崩 计算机控铡的舅的 怒为了进一步提赢水电站的自动化水乎 提赢电能鹱量 提 高东电站的安全运行承平帮为实现 无入值班 少a 僵守 羹定基裂 由于计算机监控设备在水电厂的推广应用 水电厂篮藏系统的蓝控方式遣发 生了变化 随着计算机技术的发展 计尊机系统在水电厂监控系统中的作用及其 与掌规设签的关系也发生了变化 其演变过程大致如下 一 良常斑控制装餮为主 计算辊为辅黪数控方式 二 计算机与常规控制装鬣双重箍控方式 三 以计算机为基础的监控方式 四 取游露栽设备的全雪 算机控铡方式 1 2 1 国夕卜水电站计算杌益控的发展概况n 3 觚7 0 年代起 计算橇懿控在嗣夕 一些本奄厂上取终了实矮性麴进攫 出现 了用计算机控制的水电厂 疑初 由于计算祝眈转贵 全厂只角一台计算丰凡实现 对主要工况的监视和操作 通常不实现闭环调节j 湍4 后来 随着计算机性能改 善黧价撂下降 出现了暴羁多龟小型计算孛几实现阔环调节控制的水电厂 其代菠 怒美国总装视容量达6 15 0 m w 的大吉力承电厂 隧蓉高性能微槐豹出现 徽枫 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 譬国在这方甄是比较领先的 周宁水电站计算机监控系统的设计与实现 一 法国 法国的水电资源开发比较好 大部分资源己得到利用 水电厂基本实现了无 经常值班人员 较大的水电厂采用在家值班的方式 很多河流上的梯级水电厂实 现了集中监控 法国水电厂的特点是 装机容量不太大 很多是径流式电厂 需 要实现的控制功能比较简单 一般只需在电厂设自动控制装置或一台计算机即可 实现监控 只有在梯级控制中心 一些容量较大的水电厂和抽水蓄能电厂才设置 较为复杂的计算机监控系统 法国梯级水电厂的联合调度搞得比较好 取得了显 著的经济效益 二 日本 日本在水电厂计算机监控方面也搞得比较好 日本的水电厂大都是无人值班 的 日本水电厂的特点是 除抽水蓄能电厂外 容量都比较小 而且有不少电厂 只装一台机组 除抽水蓄能电 一外 电 一一般不设带处理功能的计算机系统 而 仅设一些用微机构成的自动控制装置 电厂的监控操作都是在远离电厂的地区控 制所内实现的 地区控制所内设有规模较大的计算机系统 它通过远动装置与电 厂的远方终端连接 从而实现监控 三 美国 美国地域辽阔 有许多大河 水电资源开发也比较好 已经建成许多大小不 等的水电厂和大型抽水蓄能电厂 如装机容量高达6 1 5 0 m w 的大古力水电厂 2 1 0 0 m w 的巴斯康提抽水蓄能电厂 这些大型水电厂均采用庞大的功能复杂的计 算机监控系统 采用的技术在世界上是领先的 早在7 0 年代末 大古力水电厂 就装设了由几十台小型机构成的计算机监控系统 采用了分层分布系统 这个监 控系统的性能和指标在当时是最先进的 对后来水电厂计算机监控系统产生了深 远的影响 四 加拿大 加拿大水电资源丰富 开发得比较好 水电装机容量在世界上处于前列 它 的特点是水电厂装机容量一般都比较大 气候环境条件恶劣 人v i 密度低 技术 人员相对来说比较缺乏 因此 要求水电厂有较高的自动化水平 所以水电厂 特别是新建的水电厂 多设黄了计算机监控系统 著名的有邱吉尔瀑布水电厂 5 2 2 5 m w 拉格朗梯级水电厂 8 个电厂 总装机1 5 2 6 3 m w 等 国外研制水电厂计算机监控系统有许多公司 其中比较著名的有 加拿大的 c a e 公司 瑞士和德圈的a b b 公司 德国的西门子公司 法国的a i j s t o m 公司 周宁水电菇诗雾瓤监控系统的谩砖岛实理 旦本的e j 立公司和东芝公司 美国翱翔拿大的贝利公司 奥地剥的袄抟 e l i n 公司等 它们都推出自己的系列产晶 在世界各地得到了广泛的应用 我国也引 进了它们的部分产熬 1 2 2 我国水电站计算机监控的发展概况 我藿隶龟厂诗篱疆篮按系绞粒磷翻工俸起步著不魄 翠在7 0 霉代表 缀瘩 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 帮华中科毅大学骚究葛媚骜l 求宅厂袋蒋诗算稳蓝控系统 蠢瑟 涟嚣 中蓬承鞫水 电科学研究院自动化研究所开始了富春江水电厂计算机监控系统的研制工作 这 些蕊控系统于 年代中宠厝投入运行 与此同时 我围也引进了一些圈外研制的监控系统 如采用g a e 公司产品 的有葛j l i 鬏大江电厂 隔河岩水电厂和龚嘴梯调 采用西门予公司产品的有瞽布 格水电厂 广州抽水蓄能电厂c 二期 采用a b b 公司产品的有潘家口 天生桥 二级 溪目 宝兴河梯级和二滩等水电厂 十多年来 国内的研制单位也取得了很大的成就 已投运的几十个计算机监 控系统中绝大多数燕由国内单位研制的 技术水平也有了很大的提离 达到了国 外9 0 年代的水平 诲多新技术 女h 分层分布处理 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 科院垂动纯研究所逐推出了囊己的菇列产品 不仅在国内水电厂餐蒯广泛戚用 甚至还出口到国外 攫据逡年来数实践 赣建中熬中小型水电厂已纂本土采溺计算枫监控系统 不采用的融是少数 1 3 本文的主要工作内容 周宁水电站装机2 5 0 m w 属于大中型水电蚰 根据d l t 5 0 6 5 1 9 9 6 水力 发电厂计冀税监控系统设计蕊定 今后设谤的 总装祝窑燕为2 5 0 m w 及臣上 的大型水电厂应采用计算机监控系统 周宁水电站在福建省电网中担任谲蜂与补偿任务 是福建电阏霞要雷干电站 之 因而冀寸电站控制的综合自动化程度及可靠度曩求较高 对于周宁水电站计 周宁水电站计算机监控系统的设计与实现 算机监控系统的设计 主要围绕高度自动化 高度可靠性及可维护性即 无人值 班 少人值守 来开展 具体分以下几个步骤进行 一 根据电站计算机监控系统的高度自治性 可靠性和可维护性的要求 制 定本电站监控系统总的设计原则 二 确定本电站计算机监控的系统结构 即采用全开放式的分层 分布结构 三 根据电站的规模及重要性在硬件及网络的设计上采用冗余配置 四 制定本电站计算机监控系统的技术指标 五 确定本电站计算机监控系统的运行方式及控制权 六 电站级计算机监控系统的设计 七 本地监控单元的设计 周宁水电站计算机监控系统的设计与实现 第二章水电厂计算机控制技术概述 2 1 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 同时 发生的高度集中的实时系统 必须实行统一调度 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 p i p j p k 1 1 q i q j q k 1 2 式中 p i q 当前发电设备发出的有功和无功功率总加 p j q 一一系统当前的有功 无功总负荷 p k q t 一一系统当前的有功 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 3 9 8lqn h 1 3 式中 q 水轮机流量i n 3 s h 水头i l q n 水轮发电机组效率 相对于其它发电形式而言 水电厂具有超停速度快 最快可在1 分钟内并网 并带满负荷 调节方便 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 2 2 水电厂自动控制系统简述窿1 由于水电厂可担任系统调峰 调频等重要任务 凶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 周宁啦电站计算机监控系统的设计与实现 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2 1 所示 图2 1 水电厂自动控制结构图 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 如周宁电 站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 2 实时采集 箍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 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 3 现场自动化元件 是现场各种运行参数直接监测和控制功能的最终 执行元件 是机组控制系统的 四肢 工作环境相对比较恶劣 包括现场各种 电磁阀 液位信号器 压力信号器 流量开关 行程开关等 实时监测机组各部 分参数并以开关量和模拟量形式传入系统 接收来自控制系统的命令具体执行各 种现场操作 除上述主要部分外 在水电 一控制中还包括备种辅助设备的控制 如压缩空 气自动控制系统 技术供水系统 火灾报警及消防联动系统 厂房渗漏排水系统 罔宁水电菇计算规监控系统的设计与实缆 垒厂电气设鍪驻误搽馋系绞等 2 3 水电厂自动化装置简介b 4 1 水电厂现场自劾亿装置建指能够赣开关量 数字量或本魄网络与计冀税溢控 系统 或求电厂蠢动控制系统 通倍 并能接受箕撩令 独立完成萦一顼功能懿 典有自动闭环控制功能的独立装置f 朝 在水电厂控制中 主要有税缀励磁系统 水轮发电机组调速嚣 发电视准黼麓控制器等 1 励磁系统 同步发电祝励磁系统的主要作爝是调节发电槐的枫端电压 控制梳缀阔无功 功率的合理分配 保证同步发电机运行的稳定性 具体包括两部分 一部分是用 于肉发电机f 毫转子绕组掇供直流电流 以建立工作磁场 这 部分髂为励磁功率 单元 另 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 或菲线性控剡 缀撰机蜗电压u f 翮给定电压u f 之间的谝差信号 自动调节可 控礁励磁矧路的控制角或真流励磁畚统最体管开关网路的占空比 改变励磁系统 赣蹒静惑滚电压 达到调节发电枫枫端呶压或竣幽无功功率麴题的 曩蘸在求逛 厂中多采罔基于工控挑的微机励漱调节嚣或p l c 触磁调节嚣 2 椒缝调运器舛 东耱发电枧缀调这器包括电气塑动按毒8 期液压瞧动系统瓶部分 控制粼分宴 辩溯量撬缀转速 嘏撂给定频率 竣系绞频率 黎摄缀转速黼鳃偏差信号 按鞭液 篷蓑绞瞧液转换器救活察倥穆 扶聪遁过弓l 导阀 主配殛蕊 攮动执缀接力器 浚交水轮梳导时歼度 筏梳组转速逐速舞至额定转德 4 1 辊缀并潮焉 臻受橇缓 爨葫系统 竣调度瀚控铡鑫令完戏掇缀鸯功功率懿 l 鼋节 3 梳组准确期控制器 在开凝过程中 当税缀转速达到9 0 以上时投入辊缀准潮期控裁器 它鑫魂 采集处于空载状态下的靛电机端电压与系统电压 眈较 调节二者电压麓和频率 差合格飚 裰据澍麓装黉嚣前时闻商发电梳断路耩笈出合闷赫狰 在二者奄莲程 角差6 o 的瞬删将发电机并入电网 2 4 水电厂计算机控帝i 技术概述汹 姒7 3 国外水电厂汁算枫控制应用较早 1 9 7 4 年美戮最早在哥伦比照河梯缀电站 灼大古力水电站实施计算机闭环控制 大古力电站总装机容量为6 1 5 0 m w 是世 周宁水电站计算机监控系统的设计与实现 界上第一个实行闭环控制的最大的水电站 当时主要采用集中控制1 3 7 0 年代后 期至8 0 年代初期 国外许多水电厂都开始实施计算机监控 我国在这一阶段也 进口了一些监控系统 比较大的有鲁布革电站 葛洲坝大江电厂 广州抽水蓄能 电厂 隔河岩水电站 十三陵抽水蓄能电站等等 引进涉及的国外公司有 a b b 公司 包括原来b b c 公司提供的系统 8 套 加拿大g a e 公司3 套 加拿大贝利 公司2 套 法国c e g e l e c 公司2 套 奥地利e l i n 公司1 套 德国西门子公司 3 套 这些水电厂计算机监控系统的引进对促进我国水电厂计算机监控技术的发 展起到了一定的推动作用 国外水电厂监控系统的主要结构如下 l 加拿大b a i l e y 公司的i n f i 一9 0 系统 如图2 2 所示 j e l db u s 圈2 2i n f i 9 0 系统结构魁 i n f 一9 0 是b a i l e y 公司在其原来的n e t w o r k 9 0 即n 9 0 的基础上推出的分散 控制系统 采用1 0 i h z 环形网络作为系统结构 称为i n f i n e t 通信方式采用 存储一转发 环状通信方式 每个环可挂2 5 0 个节点 每个节点可以是一个子 环网 控制 台机组或一个单元 在i n f i n e t 的下 层是总线型的c o n t r o lw a y 震宁水电站谤算机监控系统磅设谤与宴现 网络 该网络速率为1 m b p s 可挂接3 2 个i n f i 9 0 的控制摸件m f p m f p 中舆有 子总线s l a v eb u s 控制器 通过s l a v eb u s 挂接各种i o 模件 缩构如图1 2 所示 系统的主要组成部分 i 操作员接臼站 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 主螫完成滚程 图摄示 操作 管瑕 存储数据的功能 提供有效的窗口来观察过程和系统 操 佟过程农管理过程 提供垂嚣显示 圈形显示 参数趋势显示 掇警疑示等鼹示 功能 数据存储与臀理功能 系统操作功能等 2 工程簿王终菇 e n g i n e e rw o r ks t a t i o n e w s 提供工具乎套对 i n f i 一9 0 系兢进行组态 对憋个系统进行程序 参数修改和系统维护 3 多功襞怒毽器 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 l 冗余 n f p 逶避总线与各耱i o 子模静籀连接 蒺中f b s c i s a s o 等分剐 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 一9 0 系统是一个封闭环路 缓冲器插入鼙的环形逶僖潮络 潮络上瀚节 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鬣 可靠性高 聪予分屡 分 散系统 但其开放性较差 2 西门子公司的p r o k o n l s x 水电厂 计簿机监控系统 该系统是西门予公司采用先进的系统结构和国际上通用的标嘏近年来开发 出来豹水电厂监控系统 采朋分布式结构 姆所有功能分成三层 结构如图1 3 1 本地自动层 t h el o c a la u t o m a t i o i ll e v e l 出p l c 和建立在p l c 上的电站控到单元实时圭氇实瑷数据采集 监视和控制功能 当数据 状态和处理 参数发生变化时 对它们设髓一个时问标志 并且非周期性地将它们送到中央控 刳纛建戆中央层系统 如强2 3 所承 周宁水电站计算机监控系统的设计与实现 图2 3 西门子公司p r o k o nl s x 系统 2 地区层 t h ea r e al 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 ed 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 1 西门子公司的p r o k o n 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 为本项同的设计提供了借鉴 媛宁水电站计算机监投系统的设计与宴珑 第三章周宁水电站计算机监控系统总体方案的设计 3 1 周宁水电站计算规监控系统总体方案的设计 聃儿9 1 3 1 l 穆阳溪周宁水电站概况 穆阳溪周宁水电站位于福建省周宁县境内 是福建省穆阳漯梯级的二级电 游 厂垃位于七步镇三湾树 距蔺宁县城2 0 k m 电站革戳容量1 2 5 m w 慈装瓠 餐量2 5 0 m w 年发电量6 5 8 亿k w h 电站2 2 0 k v 侧三回出线 一回送芹山水电 站 两回送甘棠变电所 本电站在福建省电网中掇任调峰弓补偿任务 是福建电 网重要黄千电站之一 魄站接受搦建省中心调度所调度 并上送魂站信息歪福建 省电力渊殷中心 发窀梳与主炎压器采角单元接线 两台主交压器 每台额定容鬣为1 6 5 m v a 在发电机与变压嚣之间设置发电机断路器 厂用变压器接在主变脏器低驻侧 发电机中性点经消弧线圈接 也 2 2 0 l v 铡采用单母线接线 有三阐出线 电滔主藩王程予2 0 0 2 年6 嚣齐工建设 2 0 0 5 年3 月燕一台裁缀投产发电 2 0 0 5 年4 月第二台机组投产发电 计算机监控系统与发电同步投产 整个工程于 2 0 0 5 年6 旁竣工 3 1 2 滔嚣圜良隶电厂计算辊煎控系统酶主要模式 8 l 9 l 近年来 国内水电厂计算机簸控方蕊发展迅逮 不论在系统集成 软 孛开发 硬件配鼹 抗干扰措施 新技术应用 遥是联合设计 售后服务 备品备件 升 级更瑟方讴 都不弱程度显示出潮产化谯势 国内以电力髫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 改造了圈内上百个电厂计算机监控系统 顼嚣 遮参与了滠际摆豁 著出滔嚣井 这秀令誓位曩藜臻割开发戆主浚系统均 为开放 分层分布式的系统 其主要性能指标达蛳或超过了国外 些著名公司的 系统 下嚣蒋主瑟黪系绫傲 奠饕套 l 以应用在丹东太平湾毫站静诗算税蕊控为秘势褥电力謇动佬磅究陵静系 统 该系统采用了符合开放系统嗣际标准的开放式环境下全分布式计算机监控系 周宁水电站计算机监控系统的设计与实现 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 0 p l c 作为其备用 可靠性更高 1 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 年开发的商向对象的分布式 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 1 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6 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 网络为星形网络 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 3 1 3 工程设计原则 按照可靠 实效 先进 经济的原则 配鼹整个周宁水电站计算机监控系统 周宁水电站计算执照控系统的设计与实现 的软 硬件 整个系统具有筒度的自治性 可靠性和可维护性 具商在线测试 更换模块的能力 总的系统设计原则如下 1 全站按鞋 计算机监控为主 筒纯常裁设备控制为辅 的原捌 实璐 无久蕊舞 f 少入僵守 2 系统配餮和设备遗登符合计箨梳技术发展逐速静特点 计簿梳麓控系 统袋用全开敖 分布式豢统缩梅 采瘸最毅漪计舞枫硬件 装 串及网络技术 系 缝慕瘸模块化 结季句化熬设计 熬有硬 牛及功能较件的扩充接鄹窝窭量 3 霹络采蠲冗余双光纾以太嗣 传输速率1 0 0 m b p s 监控系统袋蠲容 锩竣计 不会因任凭一台极器发生赦蹲嚣引起系统误操传或降低系统性能 磐 l c u 也不会因主控级发生故障面影响l c u 各自的监控功能 4 各l c u 以可缡程序控铡器 p l c 及越摸显示屡等为基狴构成多机列络 结构 l c u 中各p l c 既可协同工作又可独立完成各自承担的功能 5 监控系绞必须嚷瘦速度炊 可靠燃和可用窭高 可维护性好 碧先进 经济 灵活和便于扩充 系统的实时性好 抗干扰能力强 适应电站的现场环境 所有技术性能指标均高于部颁d l t 5 7 8 9 5 及d l 厂r 5 0 6 5 1 9 9 9 等标准的要求 6 监控系统具有对外通讯能力和接口 安全措施符台国电公司及经贸爰 有关自动化系统最新安全规范 7 艇供计算机设备应是当时市场上主流产品 8 人机接 1 功能强 操l 乍控制摘沽 方艇 灵活 9 在像证系统敦实耐性积可靠性等技术指标黥弼时 系绞可维护性好 保诞较小的m t t r 指标 系统采用总体设讨 次到位 根据现场进度分期施工的办法 3 1 4 周宁水电站计算机监控袭统总体力 案设计 5 l 通过上述国内辨典型系统熬缝援分毒斥 可以织出以下几点缨论 乍为我 没 计本工程的依据之一 1 目前水电站计算机监控系统主流结构均为全开放式的 并按控制对浆 或设备采用分层 分布式的结构 根据电站的规模及重要性在硬件及网络 二可采 周宁水电站计算机监控系统的设计与实现 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 1 3 国产水电厂计算机监控系统已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 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 按水电站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 两层之间采用 1 0 0 m b 环形快速以太网 构成高可靠冗余的网络结构 网络通讯采用高性能的 上业 9 络交换机进行连接 系统具有较高的传输速率和良好的抗电磁千扰能力 系统总体结构如图31 所示 图3 周宁水电站计算机监控系统结构圈 3 2 周宁水电站计算机监控系统技术指标的制订n 叫 1 0 0 m 以太网 根据国家电力行业水电站计算机监控有关标准的要求 结合电站机组的有 关技术参数 制定本监控系统在完成后应达到的技术指标 i 实时性 a l c u 装置的响应速度要满足水轮发电机组对数据采集时间或控制命令执 周宁承电站计算机监控系统的设计与实现 行时间的要求 具体如下 a 机组油 水 风系统状态点和报警点采集周期 l s b 机组模拟量聚集周期 电量为l s 非电量 3 0 s c 事件顺序记录点 s o e 懿 分辨率 1 缴 2 0 m s 2 缀 l o m s 3 级 5 m s d l c u 接受控铡命令翻开始魏行静时阂 i s e 供攀 串域痔记录使曩鳆时镑冠步糖度毫予艇要求的事 牛分辨率 即 5 m s b 电站计算机系统的响应速度满足系统数据采集 人机接口 控制功能和 系统通信的时间爱求 a 电站级数据采集时间包括单元级数撵采集时间和相应数据荐采入电菇级 数据瘁的时闯 着者不超过l s b 人楗接嗣稳应酵阉要求不应看出有明攥豹瑟瑟滞嚣时闽 其体要求如下 调用辫画磁鲍嚷应对翘 半图形显示 2 s 全图形攫示 3 s 在已显示画面e 实时数据刷新时问从数据库刷新后算起不超过2 s 操作员执行命令发出到控制单元应答显示的时间性不超过3 s 撤警或事件产生到画筒字符显示和发出音响的时间不超过2 s c 电站级控制萌能的响应时闯分类麴下 有功功率联合控翻任务执行凌翅3 1 5 s 无功功率联合控到任务执行周期1 2s l a i n 囱动经济运行功能处理周期5 1 5 m i n d 双机切换时间 热备用时保证实时任务不中断 温备用时 3 0 s 冷备用 时 3 5 0 0 0 小时 8 现地控到单元豹m t b f 5 0 0 0 0 j 时 c 电源系绕的m t b f 4 小时 年 d 控制拒动率 1 e 可维护性 m t t r 0 5 小时 3 系统安全要求 a 搽作安全性 周宁水电站计算机监控系统的设计与实现 对不同的维护 操作人员授予不同的权限 根据口令进入系统 对系统每一功能和操作提供两级校核功能 防止出现误操作 当操作有误时能自动或手动地被禁止并报警 自动或手动操作可做存储记录或做提示指导 b 通信安全性 a 系统设计要保证一个信息量错误不会导致系统关键性故障 使外部设备 误动作 或造成系统主要功能的故障或系统作业的故障等 b 本系统通信速率与芹山电站监控系统的网络速率应一致 1 0 m b p s 网络 协议为t c p i p c 电站级与l c u 级装置的通信包括控制信息时 对响应有效信息或没有响 应有效信息有明确肯定的指示 当通信尝试失败时 发送站自动重新发出该信息 直到超过重发计数 一般为2 3 次 为止 d 为证实通道正常 定期地通过测试信息检查或通过正常使用进行校核 c 对硬件 软件和固件设计安全 a 系统具有电源故障保护和自动重新启动功能 b 系统能预茕初始状态和重新启动功能 c 系统有较强的自检能力 检出故障自动报警 d 没备故障时自动切除故障设备或切换到热备用设备上 并发出报警信号 e 系统中任何部位单个元件的故障不能造成生产设备误动 f c p u 负载留有一定裕度 在系统重载情况下 其最大负载率 7 0 g 磁盘的使用率尽可能降低 正常情况下 在任何一个5 m n 周期内 其 平均使用率 5 0 4 系统具有可扩展性 满足将来增加机组或控制功能的要求 3 3 周宁水电站计算机监控系统运行方式与控制权的确定 3 3 1 计算机监控系统运行方式的确定 电站监控系统可按以下三种运行方式运行 1 自动控制方式 在 i 常运行方式f 由监控系统的电站控制层设备实 用宁水电站诗算杌监控系统的靛诗与实瑗 现对电站的自动或手动控制 例如 由a g c a v c 进行视组的自动开停机控制 或由运彳亍入员遴过搽作员工作站送行祝缀的裔功功率或无功功率调节 2 现遗控制方式 运行人员通过l c u 的人机联系手段实现对电站机组或 有关设备的控嗣或谲节 l c u 静人梳联系手袋可雹括搽作键盘 触摸嚣 搡作控 翎按锤及撵 乍开关等 褒她控翻方式敦实现仍出鉴控系统熬l c u 设备鑫动完成 3 糯魏手动方式 在l c u 群上设有 王觅斑 远方 位置稻 手劝灌潮鞴 垒葫准溺斓 使要等切换开关 当该切换开关分裂在理邀移手毯瞧零鬻位嚣对 运行人员可通过l c u 羼上豹控划开关直接 乍用l c u l 2 实现对虮组的控制 3 3 2 计算机监控系统控箭权设计 系统控制权的确定 系统控制权是监控系统总体及自动控制功能设计的重要组成部分 本监控 系统控制权分为三层 l c u 现地层 电站本地主控层及远方调度艨 系统控制权一般按下级优先的原则进行没计 即电站本地主控屡高于远方 调度层 l c u 现地层的控制权又高于电站本地主控层 现地l c u 的控制优先缓最 高 另矫 若l 翻盘柜上设有紧急停辊按锰 粼紧急捧橇按键豹俊先缀最高 并 不经过经俺监控系统设备或其他条件翅锬 般投旁l c u 蠡土豹紧急婷挑操馋 聿儿域秘电气保护韶匙动装置发池的停机命令具有最高的优先权 不因系统控制权 的限制或闭锁 系统控制权可以通过人机联系进行转换 现地具有系统控制优先权 即系 统控制权的设鬣由现地运行人员完成 远方可以申清系统控制权 但需由现地运 行人员认可 当系统控制权为远方时 观地若遇到紧急情况 运行人员可以将控 制权切为本地 站缀 控锅 二 系统指令控制方式 与系统控制权相关 系统指令控制也可包括下列三种方式 1 远方控制方式 指令来自上级i l 8 度 监控系统执行指令 2 本地控刊方式 指令出电站运行人员在中控室的操作员工作站上发出 周宁水电站计算机监控系统的设计与实现 监控系统执行指令 3 现地控制单元控制方式 指令由运行人员在现地控制单元的工作站上 发出 并由l c u 执行 指令控制方式与系统的控制权管理密切相关 当系统的控制权在远方 本 地或现地时 分别实现三种指令控制方式 也就是说 仅当系统控制权在远方时 系统接受并执行远方控制指令 同样 仅当系统控制权在本地时 系统接受并执 行本地运行人员的指令 周宁水电菇计雾机监援系统的设砖与实现 第豳章电站级计算枫监控系统斡设计及实现 4 l 电站级计算机监控系统功能设计 周宁水电站电站级计算机监控系统按设计需臻完成以下功能 1 数据采集稿处理功能 系统对毫瓣主要设备懿运行凝态释运行参数鑫囊 定时进行采集 并作必要的予处理 存于实时数据库 供计算机系统实现酾面显 示 割表孛t 印及完成各种计算 控涮等设计功辘箨重使用 凡s d j 9 8 7 毫溺量仪 表装置设计技术规程 中规定应在中控室娥视的参数 均要引入监控系统供运行 人员蓝褫枫缰的运行状态 电站现沥各种数据的采集基本粕各自的l c u 米完成 现场数据包括 模拟量 脉冲量 数字量 一般开关量和中断开关量 2 人机联系功能 在进行撩制操作的人机联系时 其有操作权限的翔掰 有关控制操作的人机联系 充分利用显示画面 鼠标 控制窗口三者相结合的方 式 操作过程中有可靠性校核与 i j 锁功能 操作鼹示应全部汉亿 3 安全监视是计算枧监控系统的重要功能之 监控系统实辩监视电站各 类设备的遮行状淼和参数 当它们发生异常 运行状态发生变更敢参数超越设定 默僮等时 监控系统立即擞