《水电站自动化》教学的回顾与展望

水电站自动化水电站自动化 教学的回顾与展望教学的回顾与展望 朱文杰朱文杰 长沙理工大学电气与信息工程学院 Email zwj changsha 摘摘 要要 该文对 水电站自动化 教学进行了回顾 阐述了它的主要内容 还就 水电站自动化 的归口 内容更新 新世纪的任务 教材的规划等问题进行了论述展望 关键词关键词 电控水机集于一体 智能水电站 教材规划 Retrospect and prospect on teaching about automation of hydropower station Zhu Wenjie College of electrical and information engineering Changsha University of Science and Technology Email zwj changsha Abstract This paper reviews the teaching about automation of hydropower station expounds its main contents then discussed prospect on some of the problems about its attribution content updates the tasks of new century teaching materials planning Keywords Electric Control Hydraulic Mechanics in one set Intelligent hydropower station Teaching materials planning 1 1 引言引言 水电站自动化 课程是水电站自动化 水电 生产过程自动化 水电站机电设备 水电站动力设 备专业的一门具有综合性质的主干专业课程 是电 力系统自动化的一个重要分支 须先行掌握 水力 学 电路理论 现代控制理论 电力电子技 术 水轮机原理 电机学 水轮机调节原理 微机原理 及 可编程控制器原理 等方面的知 识 其任务是使学生掌握水轮发电机自动操作 调 节 监视 维护 事故分析及处理的基本理论 基 本知识和基本技能 保证机组安全正常运行 其主 要内容从横的角度来说包括水轮发电机的自动并列 水轮发电机励磁的自动调节 频率和有功功率的自 动控制 辅机的自动控制 水轮发电机组的自动操 作等 从纵的角度来说有电磁控制 半导体逻辑控 制 微机控制等发展过程 也是强电 弱电 微电 的发展过程 也是自动化程度从单机自动化 综合 自动化到全开放 分层分布式计算机监控系统发展 过程 是一门把电 控 水 机集于一体的应用针 对性很强的综合性学科 学生通过本课程的学习和 相应实习 应掌握水电站常用自动装置的工作原理 控制策略与思想 掌握国内外水电站自动化新技术 及其发展趋势 如全开放 分层分布式计算机监控 集散系统 DCS 还有基于现场总线的 FCS 为以后 从事水力发电站运行 设计和科研打下良好基础 2 2 水水电电站站自自动动化化 教教学学的的历历史史回回顾顾 2 12 1 清华的不足与华中工学院的新军突起清华的不足与华中工学院的新军突起 文革 中 水力发电被无情地分割成 水利 与 电力 元气损害极大 文革 后的恢复重建 虽然施嘉炀教授等满目青山夕照明 但清华对水轮 发机组的电气控制部分却没有专门涉及 1982 年 华中工学院 即华中理工大学 今华 中科技大学 电力工程系电力系统及自动化专业教 研室王定一教授总结中 俄等国水力发电生产实际 控制方案中的成功经验 由电力工业出版社出版 水电站自动化 这是中国历史上 也是中华人民 共和国成立后关于水力发电生产控制的第 1 部教材 主要研究了水力发电生产过程中所有设备的高度协 调与优化协同 把电 控 水 机的理论与实践集 于一体 是水力发电产业工人集体智慧的结晶 是 改革开放后指导有中国特色的水力发电生产控制的 纲领性文献 是中国水力发电史上的重要里程碑 是中国水力发电生产超越美国位居世界第 1 的行动 指南 空谈误国 实干兴邦 2001 年王定一教 授由中国电力出版社出版了 水电厂计算机监视与 控制 是一本全面和系统地反映了国内外在水电厂 计算机监视和控制方面科研成果和技术成就的电力 科技专著 体现系统性和整体性 2 22 2 湖南省境内的水电站自动化高等教育湖南省境内的水电站自动化高等教育 1986 年 王定一教授的 1982 年版 水电站自动 化 在湖南得到翻印 根据湖南省情供 1984 级统招 水电站机电设备专科班使用 1987 1997 年 采购 刘忠源 徐睦书 合编的 1985 年由中国水利电 力出版社出版的 水电站自动化 供 1985 1995 级统招水电站机电设备专科班使用 此 间和此后 还为相近专业开设 水电站自动化 使 用过楼永仁 黄声先 李植鑫合编的 1995 年由中国 水利水电出版社出版的版本 教学中 把同期 励磁等装置的线路图 主机 辅机等控制的二次展开图 以及机械液压系统图等 制成教学挂图 在课堂上认真讲解原理及动作流程 分析指出调相压水系统控制电路的错误 并进行更 正性设计或其他控制设计 还奔赴水电站现场进行 实习讲解 帮助学生弄清所有设备的协调控制 做 到现场掌握机组细部结构及自动化元件 信号器 执 行器 的布置位置 以便能够准确判断 快速处理 可能的事故或故障 电 控 水 机的理论与实际 控制电路集于一体 深入浅出 庖丁解牛式的讲解 为这些机电专科班的水力发电生产操作与管理打下 了全面而良好的基础 是湖南省五强溪 江垭等一 大批水电站的生产主力军 3 3 水水电电站站自自动动化化 教教学学的的主主要要内内容容 3 13 1 自动并列的控制自动并列的控制 水轮发电机的自动并列略述同期概念 方式 条件 脉动电压检查策略后剖析一种自动同期装置 如电磁型的 ZZQ 1 或半导体型的 ZZQ 3A ZZQ 5 或 数字式并列装置 我国断路器自动同期装置多使用 原理粗糙的检同期 恒定导前时间者略优于恒定导 前相角者 很多不具备自动识别差频并网和合环并 网的功能 同期接线设计和布线复杂 给提高自动 化程度带来阻滞 值得指出 数字式并列装置微处理器 MPU 具 有高速运行和逻辑判断能力 指令周期以 s 计 这对于发电机 20ms 50Hz 的电压信号来说 有足够 充裕的时间进行相角差和滑差角频率近乎瞬时值的 运算 并按照频差的大小和方向 电压差的大小和 方向 确定相应的调节量 对机组进行精确调节 以达到满意的并列控制效果 3 23 2 发电机励磁的自动控制发电机励磁的自动控制 水电站一般在距离负荷中心较远的山区 必须 考虑长距离输电的稳定性和无功功率的控制问题 以及线损 水轮发电机励磁的自动调节应从电力系 统稳定性角度来阐述励磁调节器所起的光辉作用 介绍自 他 复电机励磁方式及自并励 各种自复 励可控硅励磁方式及无刷励磁方式后剖析自动励磁 调节器 电磁型的复励 相复励调节器及其原理缺 陷 可控硅励磁调节器辅助单元作简述 可控硅励 磁主电路及其调节器调差 测量 放大 移相 多 种移相法 诸主要单元相对作详述 还举例给出这 种闭环控制系统的函数方块图 并进行稳定性分析 可编程序控制器励磁系统可不断地对发电机定 子三相电压 励磁电流进行采样 从而计算出发电 机端电压 励磁电流当前值 测量并计算机组频率 当前值等 调节量经输入调理后进入 PLC PLC 进行 A D 转换 各种控制运算后设定 PLC 移相设定值 每 10ms 内计算控制角增量 一次 以更新控制角 数字移相触发是把算出的控制角 折算成对应 的延时 t T 360 T 为晶闸管交流电源周期 t 乘计数脉冲频率则得计数脉冲数 PLC 移相期间 独立于 CPU 工作 同步电压经输入调理后产生同步 脉冲 PLC 接受同步脉冲 响应中断后将延时 t 控制移相到设定值发出脉冲 即为同步移相脉冲 经脉冲分配 脉冲放大输出为六路双窄脉冲 脉宽 0 8ms 可调 去触发相应的可控硅 同时 PLC 接 受输入开关信号 操作指令 参与运算过程并根据 控制算法发出相应操作命令或信号输出 所有输入 输出均形成事件顺序记录 方便装置的故障检查 3 33 3 成组调节与系统调频成组调节与系统调频 系统调频离不开水轮发电机组 频率和有功功 率的自动控制所采用的主要方法可结合装设电液或 微机调速器的水电站采用的频率和有功成组调节装 置作介绍 现代电力系统调频的主要任务不仅要维 持频率在给定水平 还要考虑机组负荷的经济分配 和保持电钟准确性 被称为二次调节的系统调频可 自动改变功率给定值移动调速器之调节特性来实现 调速器的控制电机称为同步器或调频器 是个积分 环节 顺便指出 基于分层控制原理 梯级调度自 动发电控制与电站自动发电控制处于两个不同的层 次 梯调 AGC 主要是根据计划电量 交换功率 系 统频率及水能最优利用的等微增率原则 在各个梯 级电站 或母线 分配有功 使区域频率 交换功 率 累积计划电量偏差控制在一定范围 而电站 AGC 主要是根据梯调下达的有功值 按等微增率原则分 配到水电站每个机组 3 43 4 自动化基础元件与辅机的自动控制自动化基础元件与辅机的自动控制 水电站自动化元件有转速 压力 温度 液位 示流 油混水 剪断销剪断等信号元件以及电磁阀 电磁配压阀 电磁空气阀等执行元件 是水电站自 动化的基础 被称为耳目和手脚 在计算机监控系 统中演化为传感器和执行器 成为 I O 设备 与控 制硬件 控制软件 人机接口及与信息系统连成完 整的计算机监控系统 辅机的自动控制实际上是异 步电动机起停控制 控制目标及控制策略简单易掌 握 在可编程序控制器中指令条数也很少 这里自 保持的概念与实现是个基础 3 53 5 水轮发电机组的自动操作水轮发电机组的自动操作 水轮发电机组的自动操作实质上是个开环程序 控制 可结合水力机械结构与工作原理 调速器工 作原理 油水气引入条件 发电机投励要求 自动 同期装置参与条件给出开机 停机 调相等工况互 转流程图 从而导出继电控制二次展开图 半导体 逻辑控制线路图 并改绘成可编程序控制器识别的 梯形图 可以说水电站自动化是一门涉及多方面理论和 新技术的综合性科学技术 从最早的机旁监视控制 发展到现在的成套计算机网络监控系统 经历了一 定的时间 我国 一流水力发电厂 使用 H9000 全 开放分布式计算机监控系统 实现了机组的自动开 停 主辅设备的监视和 AGC AVC 等功能 还满足了 电网调度自动化要求 同时 计算机管理系统也由 集中 封闭模式向开放 分层分布网络方式发展 MIS 管理信息系统 与 OAS 办公自动化系统 相结合 为水电站群进行网络管理奠定了技术基础 通过局 域网和广域网与 INTRANET 及 INTERNET 网连接 管 理人员可通过远程工作站对所负责管理的部门进行 数据交换和远程管理 4 4 水水电电站站自自动动化化 教教学学的的展展望望 4 4 1 1 水水电电站站自自动动化化的的归归口口问问题题 水电站动力设备专业往水电站机电设备专业方 向发展是个进步 水电站自动化研究水电站所有设 备及它们的高度协调与优化协同 是水电站机电设 备的最高层次 1952 年院系调整时电力工程系的 发电厂和输 配电教研室 就是后来的 电力系统及其自动化教 研室 还是把 发电厂 放在前面 水电站自动化 的根本任务是安全 经济 友好地自动发电 是电 力系统自动化的重要组成部分 前进方向是与智能 电网相适应的智能化 所以水电站自动化的教学与 科研归口 电力系统及其自动化教研室 或者 电 气工程及其自动化教研室 顺便指出 把电力网自动化等同于甚至涵盖电 力系统自动化是片面的 4 24 2 电力系统安全运行与水轮发电机组黑启动电力系统安全运行与水轮发电机组黑启动 当整个电力系统因故障停运 处于全 黑 状 态时 不依赖外来电源帮助 仅仅利用系统中的水 轮发电机组所储存的两种能量 直流系统蓄电池 储存的电能量和液压系统储存的液压能量 就完成 机组自启动 之后由它带动无自启动能力的发电机 组 逐渐扩大系统恢复范围 最终实现整个电力系 统的恢复 可以说一个没有水电站的电力系统是一 个不完整的电力系统 调峰 调频 调相 事故备 用与旋转备用都是水电站的特殊作用 4 34 3 更新教学内容更新教学内容 王定一教授是留苏专家 早在 1950 1960 年代 就坚持课堂教学和指导现场实习 2001 年出版有新 著 水电厂计算机监视与控制 现代控制系统的一 个目标是源代码重用 当代科学技术日新月异 一日千里 使所有领 域的知识不断更新 水电站自动化等专业课所涉及 的知识则发展更快 为了适应这种新形势 必须迅 速更新相关教学内容 包括新材料 新装置 新技 术 新动向 为此 2007 年以来我做了以下工作 a 编著 S7 200PLC 编程设计与案例分析 2010 年 1 月机械工业出版社 b 编著 S7 300 400PLC 编程设计与案例分析 2010 年 1 月机械工业出版社 c 编著 S7 1200PLC 编程设计与案例分析 2011 年 5 月机械工业出版社 d 编著 S7 200PLC 编程及应用 2012 年 9 月 中国电力出版社 e 编著 三菱 FX 系列 PLC 编程与应用 2013 年 7 月中国电力出版社 这几本书除全面介绍西门子 S7 200 300 400 1200 及三菱 FX 系列等几种 PLC 的原 理 组成模块及丰富的操作控制指令以外 还在每 本书的最后一章 提供了较多的控制水电站辅机 主机的各种 PLC 控制系统的设计方案 特别针对 治理甩负荷抬机 形成了引水管 尾水管水击正 波相叠造成抬机的新认识 提出了各种 PLC 控制 不延时自动补入适量压缩空气治理甩负荷抬机 的系列创新方案 深信对预防萨彦 舒申斯克惨案在 我国重演具有重要意义 结合实际水电站分析机组启动条件和方法 设 计机组启停步骤 或者对典型的故障案例进行事故 分析 这是一项基本功 另外 以 MATLAB 软件为基 础 构建单元自动控制模型 仿真模拟机组自动控 制特点 总结机组运行注意事项 也是值得开展的 4 44 4 精稳控制西电东送工程的绿色不竭源泉精稳控制西电东送工程的绿色不竭源泉 我国水力资源理论蕴藏量 6 90 亿 KW 西部 5 693 亿占 82 5 技术可开发装机容量 5 42 亿 KW 西部 4 417 亿占 81 5 经济可开发装机容量 4 02 亿 KW 西部 3 063 亿占 81 5 目前 2013 我国已开发 2 60 亿 KW 西部 1 40 亿约占 53 8 在中国西部大开发战略中 电力工业的首要任务是 积极开发西部水电资源 重点开发黄河 长江中下 游及其干支流的水电 实行梯级滚动开发 智能水电站是智能电网的要求 新技术控制是 水电站自动化的前进方向 建设分布式控制系统是 整体上经济运行 安全运行 友好运行的根本保障 是分布分层控制的基石 4 54 5 培养对大型现代水电站厂的解读能力 促培养对大型现代水电站厂的解读能力 促 进引进技术中国化进引进技术中国化 我国改革开放以后 水电站尤其是大中型建设 如雨后春笋 控制设备与控制技术也是成批引进 只有对这些引进技术认真吸收 认真消化 提高解 读能力 促进引进技术中国化 才能真正提高我们 的综合国力 4 64 6 培养卓越工程师 引导传统中小型水电站培养卓越工程师 引导传统中小型水电站 自行完成自动化水平提升自行完成自动化水平提升 我国传统水电站控制以继电器控制系统为主 农村电气化县的建设有一大批中小水电站需要技术 更新换代 如果也引进国外水电站自动控制设备 一方面价格太高 另一方面技术上存在与国产机械 设备不匹配 影响性能发挥并有软件不自主问题 难以满足农村电力低价 可靠的要求 因此应培养 卓越工程师 引导传统中小型水电站自行完成自动 化水平提升 4 74 7 以电力系统 含水电站 自动化引领中国以电力系统 含水电站 自动化引领中国 新型工业化新型工业化 如前所述 推广 普及 应用新技术是势在必 行的 电力工业应积极发挥先锋作用 龙头作用和 示范作用 为我国新型工业化开山铺路 4 84 8 教材规划教材规划 在新技术方面 我编著的 S7 1200PLC 编程设 计与案例分析 机械工业出版社 2011 年 S7 200PLC 编程及应用 中国电力出版社 2012 年 三菱 FX 系列 PLC 编程与应用 中国电力出版社 2013 年 都可作为掌握新型控制器及与水电站结合 的试用教材 我编著的 S7 200PLC 编程设计与案例 分析 机械工业出版社 2010 年 S7 300 400PLC 编程设计与案例分析 机械工业出版社 2010 年 可作为参考书 里面有不少例子是和电力系统相关 的 整合以上新技术设计方案 精减编程指令的介 绍 补充增加同期装置 励磁系统 AGC AVC MATLAB 模型与仿真等的新技术应用方案 形成一本 新型水电站自动化 5 5 结语结语 水力发电工厂不是血栓 是疏堵结合 以疏为 主的治水方案 它吸能发电 平顺江河 是强国复 兴 造福人民 泽荫后世的可持续性措施 是对大 禹的崭新超越 其自动化的根本任务是实现安全 经济和友好地自动发电 前进方向是实现与智能电 网相和谐的智能化 参考文献参考文献 01 王定一主编 水电站自动化 M 北京 电力工业出版社 1982 02 机电设计手册编写组 水电站机电设计手册 电气二次 M 北京 水利电力出版社 1984 12 03 刘忠源 徐睦书合编 水电站自动化 M 北京 水利电力出版社 1985 04 朱文杰 水轮机防抬措施探讨 水利水电技术 J 北京 水利电力出版社 1994 09 05 楼永仁 黄声先 李植鑫合编 水电站自动化 M 北京 水利水电出版社 1995 06 王定一等编