【文章內(nèi)容簡介】 (2)LCU 自動(dòng)控制 水電站通過采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)機(jī)組在各種運(yùn)行工況間的轉(zhuǎn)變，如空載轉(zhuǎn)停機(jī)，發(fā)電轉(zhuǎn)調(diào)相等；可完成機(jī)組的自動(dòng)同期并網(wǎng)；可實(shí)現(xiàn)機(jī)組的 AGC（頻率和有功功率的控制）；可完成機(jī)組的 AVC（電壓和無功功率的控制 ） ；即在系統(tǒng)電壓或無功發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)能夠迅速 自動(dòng)地調(diào)整各臺(tái)機(jī)組的勵(lì)磁和所帶負(fù)荷，并調(diào)整變壓器的變壓比，以達(dá)到使電站高壓母線電壓處于規(guī)定的范圍內(nèi)的要求，同時(shí)在機(jī)組間合理的分配無功負(fù)荷；還可以根據(jù)壩區(qū)的水位的情況來實(shí)現(xiàn)溢洪閘的自動(dòng)開閉控制。 (3)最優(yōu)發(fā)電控制 計(jì)算機(jī)對(duì)水電站的控制，最直接的目的就是進(jìn)行最優(yōu)的發(fā)電控制?？刂频闹饕康娜缦拢? 根據(jù)電力系統(tǒng)對(duì)水電站有功功率的需要，調(diào)節(jié)水輪機(jī)導(dǎo)葉的開度，輸入所4 需的水量。 保證機(jī)組的最優(yōu)配合和負(fù)荷的最優(yōu)分配。當(dāng)水電站接受上一級(jí)調(diào)度下達(dá)的發(fā)電任務(wù)之后，水電站運(yùn)行人員必須根據(jù)本電站的機(jī)組數(shù)、各機(jī)組的技術(shù)性能，進(jìn)行合 理的組合，使各機(jī)組發(fā)揮最高的效率，使整個(gè)電站以最小的耗水量發(fā)出最多的電能。為了達(dá)到這個(gè)目的，必須制定合理的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，將各種可能運(yùn)行組合的結(jié)果進(jìn)好比較，篩選出最優(yōu)方案。 保證水電站的電壓質(zhì)量及無功功率的合理分配。這項(xiàng)工作，由運(yùn)行人員根據(jù)電力系統(tǒng)對(duì)本電站的要求，給計(jì)算機(jī)輸入控制電站母線電壓的上下限值，將無功功率分配給各發(fā)電機(jī)組。 (4)自動(dòng)事故處理 水電站出現(xiàn)的事故往往是突然的，時(shí)間很短促，運(yùn)行人員很難對(duì)事故的性質(zhì)作出準(zhǔn)確的分析判斷。在沒有計(jì)算機(jī)控制時(shí)，對(duì)事故的判斷和處理，在很大 程度上取決于值班人員的經(jīng)驗(yàn)。在設(shè)置了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)后，計(jì)算機(jī)便對(duì)水電站的設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)視，對(duì)運(yùn)行設(shè)備的各種參數(shù)進(jìn)行記錄和存貯，一旦發(fā)生事故，計(jì)算機(jī)便對(duì)事故進(jìn)行分析，然后再執(zhí)行有關(guān)的事故處理程序，使事故得到及時(shí)的處理，同時(shí)還記錄了事故的性質(zhì)、發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)。 計(jì)算機(jī)具有存儲(chǔ)信息量大、信息處理速度快和邏輯判斷力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此，成為了處理水電站事故的理想工具。他的實(shí)現(xiàn)對(duì)電站的安全運(yùn)行，具有不可估量的總要意義。 本課題的目的和內(nèi)容 在電力生產(chǎn)技術(shù)上，小型水電站的建設(shè)具有與大中型水電站不完全相同的特點(diǎn)，其也 是電力系統(tǒng)重要的組成部分，但在建設(shè)和管理上，小型水電站表現(xiàn)突出的地方性、群眾性、自主性及政策性等特點(diǎn)。因此對(duì)小水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控的設(shè)計(jì)與研究就有別于大中型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。 研究和設(shè)計(jì)一套性價(jià)比較高的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)小型水電站設(shè)備實(shí)施監(jiān)控、檢測(cè)、事故處理及數(shù)據(jù)管理，以及機(jī)組故障的智能診斷功能，以閉環(huán)控制方式對(duì)水5 電站設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)小型水電站的綜合自動(dòng)化，以充分利用當(dāng)?shù)氐乃Y源，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。 本課題是基于典型的某二級(jí)小型水電站建設(shè)的要求而設(shè)計(jì)的。在此基礎(chǔ)上，對(duì)該水電站的保護(hù)系統(tǒng)和機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行 了改造設(shè)計(jì)，完成了對(duì)蓋水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本的設(shè)計(jì)和研究工作，為實(shí)現(xiàn)小型水電站監(jiān)控綜合自動(dòng)化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?？偟膩碚f，論文立足于工程實(shí)際，主要完成如下幾方面工作： （ 1） 從水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控模式和監(jiān)控任務(wù)出發(fā)，具體分析了小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)的特殊性以及監(jiān)控設(shè)計(jì)的必要性； （ 2） 針對(duì)小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特殊性，在比較和分析大型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)給的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模式的基礎(chǔ)上確定了適用于中小型電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模式，并完成了對(duì)目標(biāo)水電站總體架構(gòu)的配置以及上位機(jī)監(jiān)控軟件的選擇； （ 3） 討論了機(jī)組 LCU 的各種結(jié)構(gòu)模式，確定了本設(shè)計(jì)中機(jī)組 LCU 采用 PLC+綜合自動(dòng)化裝置的結(jié)構(gòu)模式，并完成了對(duì) LCU 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件配置和應(yīng)用程序流程的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了 LCU 的手動(dòng)和自動(dòng)程序控制功能； （ 4） 基于組態(tài)王 中文通用版作出了基本的上位機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)，對(duì)開關(guān)站相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，電站相關(guān)參數(shù)歷史報(bào)表等功能作了一定了解。 小結(jié) 本章綜述了小型水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展史和現(xiàn)狀，分析了設(shè)計(jì)適用于小型水電站的綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的重要性和現(xiàn)實(shí)意義，并概述了本文的主要研究內(nèi)容。 6 2 小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的概述 某二級(jí)小水電站的基本情況 該水電站為 2 臺(tái) 1000kW 和 1 臺(tái) 800kW 的發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為 ，主變壓器（ 1B）的容量為 3150kVA。近區(qū)變壓器（ 2B） 的容量為 20xxkVA。下圖 是某電氣有限公司提供的有關(guān)該水電站設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主接線圖。 (注：由于受到畫圖軟件限制，系統(tǒng)主接線圖可進(jìn)一步查看論文附帶原圖 ) 圖中一號(hào)和三號(hào)機(jī)組即 1F 和 3F 的型號(hào)參數(shù)為： SFW100016/2150 1000kW kVVe ? cos ?? ，勵(lì)磁電機(jī)型號(hào)為： S945kVA 6300/90V △ /Y1；二號(hào)機(jī)組即 2F的型號(hào)參數(shù)為： SFW8006/1180 800kW kVVe ? cos ?? ，勵(lì)磁電機(jī)型號(hào)為： S930kVA 6300/50V △ /Y1。同時(shí)，相應(yīng)的 1B 主變型號(hào)參數(shù)為： S11315O/35 )( ? △/Y11； 2B主變的參數(shù)為： S920xx/35 )( ? △ /Y11。 7 圖 系統(tǒng)主接線圖 Main chart of the system 小型水電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 由于小型水電站在建設(shè)和管理上具有與中大型水電站不同的特點(diǎn)，因此必須根據(jù)小型水電站自身的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，而不能照搬大中型水電站的設(shè)計(jì)。 （ 1）小型水電站的特點(diǎn) a． 建設(shè)資金不富余，小水電站多為地方投資或集資興建，資金來源有限； b． 電壓變化大，小水電站為獨(dú)立供電且電 能輸送的距離較遠(yuǎn)，因此負(fù)荷8 變化幅度較大，從而導(dǎo)致電壓變化幅度也較大； c． 運(yùn)行方式變化較大，小水電站水庫容量小，受降雨量影響較大，用電無規(guī)律，機(jī)組的啟、停很頻繁； d． 技術(shù)更新費(fèi)用小，小水電站用于技術(shù)更新和維護(hù)的費(fèi)用甚少，很少更新相關(guān)設(shè)備； e． 技術(shù)力量薄弱，小水電站的運(yùn)行維護(hù)人員為專業(yè)技術(shù)人員的較少，無法維護(hù)好技術(shù)要求自動(dòng)化裝置的運(yùn)行。 （ 2）小型水電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則 ，根據(jù)小型水電站的特點(diǎn)，自動(dòng)化裝置首先要有良好的經(jīng)濟(jì)性，包括投資的經(jīng)濟(jì)性和維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性； ，小水電站由于技術(shù) 力量薄弱，技術(shù)支持不強(qiáng)，要求采用的自動(dòng)化裝置具有高可靠性、維護(hù)工作量小、壽命長的特點(diǎn)； ，水電站的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能地采用高可靠性、易維護(hù)的智能裝置； ，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要求主要功能完整，具有較高的自動(dòng)化程度，個(gè)自動(dòng)化裝置應(yīng)符合國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)； ，簡化設(shè)備以減少投資，向綜合自動(dòng)化方向發(fā)展以完善設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，為小水電站的綜合自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件； f． 集中監(jiān)控，并逐步實(shí)現(xiàn)無人值守，通過對(duì)小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)集中控制，并嘗試由少人值守向無人 值守，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低運(yùn)行費(fèi)用和電能成本。 小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大體上分為集中式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和分布式計(jì)算監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)又分為全分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)構(gòu)和分層9 分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 目前計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)均采用分層分布式結(jié)構(gòu)。小型水電站所具有的特點(diǎn)決定了其結(jié)構(gòu)不能照搬大中型水電站的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和配置，而應(yīng)根據(jù)自身?xiàng)l件設(shè)計(jì)出符合小水電站本身特點(diǎn)和要求的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)于其結(jié)構(gòu)的選擇目前主要有兩類結(jié)構(gòu)可供選擇：一類兩級(jí)分布式結(jié)構(gòu)，下級(jí)是現(xiàn) 地控制級(jí)，完全按設(shè)備單元分布，控制網(wǎng)絡(luò)可以使以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線或 RS485 網(wǎng)絡(luò)；自動(dòng)化系統(tǒng)配置是基于 PC 的模塊化控制系統(tǒng)。另一類也是兩級(jí)分布式網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)地控制級(jí)是按設(shè)備單元和功能單元混合分布，如保護(hù)單元、測(cè)量單元是按功能分布的，控制單元是按機(jī)組、輔機(jī)等設(shè)備分布的，控制網(wǎng)絡(luò)基本上同第一類，主要是由 PLC、智能控制單元或檢測(cè)單元、智能保護(hù)單元組成的（如圖 ）所示。為了減少投資，系統(tǒng)的功能又不能減少。為達(dá)到此目的，確定以第二種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完成設(shè)計(jì)，以推動(dòng)水電站建設(shè)向綜合自動(dòng)化方向發(fā)展。 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的 組成 通過對(duì)小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中常見的兩種光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式的分析，并根據(jù)國家電力公司對(duì)水電站監(jiān)控設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定，針對(duì)目標(biāo)水電站運(yùn)行實(shí)際技術(shù)特點(diǎn)，論文中確定的小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如下圖 所示。 本監(jiān)控系統(tǒng)采用兩級(jí)分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，第一層又稱電站層，有監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成，主要對(duì)全站三臺(tái)本地機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況進(jìn)行在線監(jiān)控并完成對(duì)各種采集參數(shù)的處理及打印輸出等功能；同時(shí)還具有 RTU 通信接口，可與上級(jí)調(diào)度進(jìn)行通信，組成一個(gè)綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。 第二層即機(jī)組控制層，由四臺(tái)現(xiàn)地控制單元 LCU 組成。每臺(tái)機(jī) 組為一個(gè)現(xiàn)地控制單元（ LCU） ,發(fā)電機(jī)的自動(dòng)程序控制完全由 LCU 完成，機(jī)組的保護(hù)、信號(hào)顯示、測(cè)量、計(jì)量全部由智能保護(hù)單元和智能電子儀表來實(shí)現(xiàn)。在每個(gè) LCU 中， PLC 實(shí)時(shí)采集機(jī)組狀態(tài)和參數(shù)，接收上位機(jī)發(fā)出的各種控制調(diào)節(jié)指令，對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、調(diào)速器和同期裝置作為執(zhí)行裝置進(jìn)行調(diào)速、調(diào)壓和同期并網(wǎng)的功能。 10 基礎(chǔ)層 基礎(chǔ)層的控制包括機(jī)組的開、停機(jī)順序控制，勵(lì)磁機(jī)的調(diào)節(jié)器、機(jī)組的自動(dòng)調(diào)節(jié)與穩(wěn)定。其中順序控制部分采用 PLC 進(jìn)行邏輯控制。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和機(jī)組調(diào)速器均為微型計(jì)算 機(jī)控制的智能單元。 機(jī)組現(xiàn)地單元（ LCU）的結(jié)構(gòu)和功能 機(jī)組現(xiàn)地單元 LCU 結(jié)構(gòu)框圖如圖 23 所示，機(jī)組 LCU 由 PLC、調(diào)速器勵(lì)磁調(diào)節(jié)器等組成。 11 全站設(shè) 4 套 LCU，其中機(jī)組 LCU 3 套，升壓開關(guān)站和公用設(shè)備用 1 套 LCU。各LCU 均為能獨(dú)立運(yùn)行的控制系統(tǒng)個(gè)（ PLC） ,具備現(xiàn)地監(jiān)控功能。 機(jī)組 LCU LCU LCU3 完成機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)的采集處理及自動(dòng)程序控制、調(diào)節(jié)。自動(dòng)程序控制的基本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自動(dòng)開停機(jī)，運(yùn)行工況的轉(zhuǎn)變，自動(dòng)并網(wǎng)，機(jī)組的安全監(jiān)視和水輪機(jī)水力機(jī)械的保護(hù)等。 機(jī)組自動(dòng)操作回路與機(jī)組的調(diào)節(jié)器、控制器等均有良好的接口，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)電站的微機(jī)實(shí)時(shí)控制。 至于本地公用單元 LCU4，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線路、主變、機(jī)組智能綜合保護(hù)單元運(yùn)行狀態(tài)指示；對(duì)油、氣、水壓系統(tǒng)設(shè)備，廠、站用電設(shè)備等的監(jiān)控；對(duì)上下游水位的監(jiān)測(cè)等等。 機(jī)組現(xiàn)地單元中 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) LCU 采用了可編程邏輯控制器（ PLC） ,不但可以克服常規(guī)繼電器邏輯電路接線復(fù)雜、工作可靠性低、反應(yīng)速度慢、檢修維護(hù)量大等缺點(diǎn)，還具有設(shè)計(jì)簡單、動(dòng)作可靠、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)。目前該技術(shù)已在大型水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)中得 到了廣泛應(yīng)用 ，在小型水電站中的應(yīng)用也越來越廣。 12 本系統(tǒng) LCU 采用可編程邏輯控制器（ PLC）和小型驅(qū)動(dòng)繼電器相結(jié)合的方式，應(yīng)用于小型水電站控制系統(tǒng)中。在硬件上，所有的輸入觸點(diǎn)都通過隔離處理后，進(jìn)入PLC 內(nèi)部，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。由 PLC 直接控制高可靠性繼電器，再控制現(xiàn)場(chǎng)電磁閥，接線簡單，維護(hù)方便。在軟件方面，采用梯形圖程序設(shè)計(jì)方法。原理圖與常規(guī)電氣圖一致，節(jié)點(diǎn)、標(biāo)號(hào)地址一一對(duì)應(yīng)，因此易于調(diào)試，可在線編輯、監(jiān)視、調(diào)試，設(shè)計(jì)周期短，功率高。 電站層的監(jiān)控部分設(shè)計(jì) 電站層的主要功 能是完成中央監(jiān)控和相關(guān)數(shù)據(jù)處理。通過站內(nèi)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，將各機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)、各智能控制保護(hù)單元采集到的變壓器及發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，在上位機(jī)中形成年、月、日格式的數(shù)據(jù)報(bào)表。同時(shí)將中控室發(fā)出的操作指令傳送到各個(gè)現(xiàn)地控制單元，完成相應(yīng)的控制和狀態(tài)顯示的功能。 監(jiān)控工作臺(tái)（ 2 臺(tái) ） 選用臺(tái)灣研華工控機(jī)，其相關(guān)型號(hào)及性能參數(shù)為：IPC610MB30LC， AIMB766VG，雙核 5200，內(nèi)存 1G、硬盤 160G/DVD 光驅(qū)，配備標(biāo)準(zhǔn)鼠標(biāo)和鍵盤，顯示器采用三星的 22 寸液晶顯示器。相應(yīng)的打印機(jī)采用的是惠普 HP1008,同 時(shí)配備配套音響一對(duì)。 電站保護(hù)部分的設(shè)計(jì) 電站保護(hù)的任務(wù)主要包括對(duì)機(jī)組、變壓器、線路的繼電器保護(hù) （ 1） 發(fā)電機(jī)的保護(hù) 對(duì)發(fā)電機(jī)要實(shí)施的保護(hù)有過壓保護(hù)、縱差動(dòng)保護(hù)、過負(fù)荷發(fā)信、復(fù)合電壓啟動(dòng)過電流保護(hù)。本系統(tǒng)采用的是重慶新世紀(jì)電氣公司的 EDCS8130 系列中的EDCS81302 智能發(fā)電機(jī)主保護(hù)裝置，完成發(fā)電機(jī)保護(hù)任務(wù)，一旦發(fā)電機(jī)發(fā)生故障、裝置就直接驅(qū)動(dòng)斷路器的跳閘線圈，使該發(fā)電機(jī)與相應(yīng)的母線解列。 （ 2） 主變壓器的保護(hù) 13 在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們選用的是重慶新世紀(jì)電氣有限公司的 EDCS7220 系列 智能變壓器主保護(hù)裝置和 EDCS7230 系列智能變壓器后備保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)主變壓器的速斷保護(hù)、重瓦斯保護(hù)、輕瓦斯保護(hù)、油溫過高保護(hù)和復(fù)合電壓啟動(dòng)過電流保護(hù)等。 （ 3） 線路的保護(hù) 對(duì)于線路的綜合保護(hù)，我們選用的重慶新世紀(jì)電氣有限公司的 EDCS8110 系列線路保護(hù)裝置，此裝置可對(duì) 35kV 線路實(shí)施過電流保護(hù)和電流速斷保護(hù)。 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)