【文章內(nèi)容簡介】 ，電力系統(tǒng)是指利用各種電壓等級的輸電線路把分布在不同地區(qū)的各種發(fā)供電設(shè)備連接在一起構(gòu)成的一個整體，具體包括發(fā)電、變電、輸電、配電等部分。同其它系統(tǒng)相比，電力系統(tǒng)具有如下顯著特點:電力系統(tǒng)是產(chǎn)、供、銷同時完成，即“發(fā)、變、輸、配、用”同時發(fā)生的高度集中的實時系統(tǒng)，必須實行統(tǒng)一調(diào)度。電力系統(tǒng)在任一時刻都必須保持有功功率和無功功率的平衡，即下列等式在任一時刻均成立： = + （1）iP?jk = + （2）iQj式中 、 ~~~當(dāng)前發(fā)電設(shè)備發(fā)出的有功和無功功率總和；ii、 ~~~系統(tǒng)當(dāng)前的有功、無功總負(fù)荷；jP?j、 ~~~系統(tǒng)當(dāng)前的有功、無功損耗總和。kP?kQ水力發(fā)電是比較經(jīng)濟、常用的一種發(fā)電形式，是借助于各種形式的大壩把江河水?dāng)r截起來蓄到水庫里，通過引水系統(tǒng)利用水的勢能推動水輪機并帶動與之同軸的發(fā)電機轉(zhuǎn)動發(fā)電。水輪發(fā)電機所發(fā)出的功率如下： （3）HqG??式中 q——水輪機流量 H——水頭 m ——水輪機組發(fā)電效率Sm3 ?相對于其它發(fā)電形式而言，水力發(fā)電具有啟停速度快（最快可在 1 分鐘內(nèi)并網(wǎng)并帶滿負(fù)荷） 、調(diào)節(jié)方便、能源清潔等特點，在電網(wǎng)中主要承擔(dān)調(diào)峰、用的任務(wù)。 自動控制系統(tǒng)簡述由于水電廠可擔(dān)任系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻等重要任務(wù)，因此對其自動化程度要求較高。水電廠自動控制系統(tǒng)的功能主要包括以下幾個方面：水輪發(fā)電機組開停機、運行的自動控制與故障、事故保護(hù)等；機組轉(zhuǎn)速和有功功率的自動控制；發(fā)電機電壓和無功功率的自動控制；同期控制及壓縮空氣系統(tǒng)、技術(shù)供水系統(tǒng)、滲漏排水系統(tǒng)等輔助設(shè)備的自動控制等；電氣設(shè)備防誤操作；根據(jù)上述功能要求，水電廠自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 11 所示：水輪機控制及保護(hù)回路現(xiàn)場控制元件 同期系統(tǒng) 勵磁系統(tǒng) 現(xiàn)場控制元件調(diào)度遠(yuǎn)程通信 圖 11 水廠控制結(jié)構(gòu)各組成部分的功能和原理簡述如下：信號燈板面及控制開關(guān)水輪發(fā)電機組控制及保護(hù)回路：1） 接受運行值班員或調(diào)度指令，完成機組的各種狀態(tài)轉(zhuǎn)換:如西洱河一級電站的以下幾種狀態(tài)轉(zhuǎn)換：停機一空轉(zhuǎn)、空轉(zhuǎn)一空載、空載一發(fā)電、發(fā)電一空載、空載一空轉(zhuǎn)、空轉(zhuǎn)一停機等。2）實時采集、監(jiān)視機組各部分的運行參數(shù)如軸瓦溫度、機組轉(zhuǎn)速、軸承油位等，如有異常發(fā)信號報警或作用于停機。3）完成機組各種保護(hù)功能。如機組過速保護(hù)、事故低油壓保護(hù)等。機組調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)、同期系統(tǒng)是具有一定功能的相對獨立的自動裝置?，F(xiàn)場自動化元件：是現(xiàn)場各種運行參數(shù)直接監(jiān)測和控制功能的最終執(zhí)行元件，是機組控制系統(tǒng)的“四肢” ，工作環(huán)境相對比較惡劣，包括現(xiàn)場各種電磁閥、液位信號器、壓力信號器、流量開關(guān)、行程開關(guān)等，實時監(jiān)測機組各部分參數(shù)并以開關(guān)量和模擬量形式傳入系統(tǒng)，接收來自控制系統(tǒng)的命令具體執(zhí)行各種現(xiàn)場操作。除上述主要部分外，在水電廠控制中還包括各種輔助設(shè)備的控制，如壓縮空氣自動控制系統(tǒng)、技術(shù)供水系統(tǒng)、火災(zāi)報警及消防聯(lián)動系統(tǒng)、廠房滲漏排水系統(tǒng)、全廠電氣設(shè)備防誤操作系統(tǒng)等。 水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)概述國外水電廠計算機控制應(yīng)用較早，1974 年美國最早在哥倫比業(yè)河梯級電站的大古力水電站實施計算機閉環(huán)控制，大古力電站總裝機容量為 6150MW，是世界上第一個實行閉環(huán)控制的最大的水電站，當(dāng)時主要采用集中控制。70 年代后期至 80 年代初期，國外許多水電廠都開始實施計算機監(jiān)控。我國在這一階段也進(jìn)口了一些監(jiān)控系統(tǒng)，比較大的有魯布革電站、葛洲壩大江電廠、廣州抽水蓄能電廠、隔河巖水電站、十二陵抽水蓄能電站等等。引進(jìn)涉及的國外公司有:ABB 公司(包括原來 BBC公司提供的系統(tǒng)))8 套、加拿大 GAE 公司 3 套、加拿大貝利公司 2 套、法國 Cegelec公司 2 套、奧地利 Elin 公司 1 套、德國 Siemens 公司 3 套。這些水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的引進(jìn)對促進(jìn)我國水電廠計算機監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展起到了一定的推動作用。國外水電廠監(jiān)控系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如下：加拿大 Bailey 公司的 INFI90 系統(tǒng)。INFI90 是 Bailey 公司在其原來的 Network90 即 N90 的基礎(chǔ)上推出的分散控制系統(tǒng)，采用 l0MHz 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，稱為 INFINET，通信方式采用“存儲一轉(zhuǎn)發(fā)”環(huán)狀通信方式，每個環(huán)可掛 250 個節(jié)點，每個節(jié)點可以是一個子環(huán)網(wǎng)（控制一臺機組或一個單元） ，在 INFINET 的下層是總線型的 CONTROLWAY 網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)速率為 1Mbps，可掛接 32 個 INFI90 的控制模件 MFP，MFP 中具有子總線SLAVE BUS 控制器，通過 SLAVE BUS 掛接各種 I/O 模件。結(jié)構(gòu)如圖 12 所示：OIS NIS EWSNISINFI—NETNPS NPMCONTROL—WAYMEP MEPDIS DSI ASI DSO ASO FBSSALVE BUSFIELD BUS…… 圖 12 INFI90 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的主要組成部分：1）操作員接口站(OPERATOR INTERFACE STATION，OIS)：主要完成流程圖顯示、操作、管理、存儲數(shù)據(jù)的功能。提供有效的窗口來觀察過程和系統(tǒng)、操作過程和管理過程，提供畫面顯示、圖形顯示、參數(shù)趨勢顯示、報警顯示等顯示功能、數(shù)據(jù)存儲與管理功能、系統(tǒng)操作功能等。2）工程師工作站(ENGINEER WORK STATION，EWS) ：提供工具平臺對INFI90 系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)、對整個系統(tǒng)進(jìn)行程序、參數(shù)修改和系統(tǒng)維護(hù)。3）多功能處理器(MULTIFUNCTION PROCESSOR，MFP)：是 INFI90 系統(tǒng)適應(yīng)過程控制的核心部件，它能完成回路控制、順序控制等功能，MFP 可以實現(xiàn) l：1冗余，MFP 通過總線與各種 I/O 子模件相連接，其中 FBS，CIS，ASO 等分別為模擬量輸入、控制 I/O 及模擬量輸出等直接與現(xiàn)場接口。INFI90 系統(tǒng)是一個封閉環(huán)路、緩沖器插入型的環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點類型包括過程控制單元、操作員接口站和計算機接口單元，網(wǎng)絡(luò)最大可支持 250 個節(jié)點，在網(wǎng)絡(luò)上的各個節(jié)點均可組成冗余配置，可靠性高，屬于分層、分散系統(tǒng)，但其開放性較差。西門子公司的 PROKONLSX 水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)：該系統(tǒng)是西門子公司采用先進(jìn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)近年來開發(fā)出來的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)。采用分布式結(jié)構(gòu)，將所有功能分成二層，結(jié)構(gòu)如圖 13 所示：運行操作計算機 …… 運行操作計算機 優(yōu)化計算機優(yōu)化計算機本地計算機 本地計算機PLC PLC 站控制單元 站控制單元 圖 13 PROKONLSX 結(jié)構(gòu)1）本地自動層(The Local Automation Level)：由 PLC 和建立在 PLC 上的電站控制單元實時地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制，當(dāng)數(shù)據(jù)、狀態(tài)和處理參數(shù)發(fā)生變化時，對它們設(shè)置一個時間標(biāo)志，并且非周期性地將它們送到中央控制室內(nèi)的中央層系統(tǒng)。2）地區(qū)層(The Area Level)：由本地自動層送來的數(shù)據(jù)經(jīng)本地計算機進(jìn)行采集，根據(jù)數(shù)據(jù)的范圍進(jìn)行處理或向上一級計算機傳送，一個或幾個主地區(qū)計算機可用來對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫在幾個單元內(nèi)進(jìn)行分配。例如對機組、開關(guān)站、閘門各自設(shè)置地區(qū)計算機。3）對話層(The Dialog Level)：該層主要實現(xiàn)操作員對電廠的控制和監(jiān)視的系統(tǒng)，它包括用于運行和監(jiān)視電廠生產(chǎn)過程的運行操作計算機，根據(jù)電廠規(guī)模大小可設(shè)置單獨的數(shù)據(jù)庫管理機等。4）西門子公司的 PROKONLSX 水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)是一種分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在地域上是分散的，即按控制對象進(jìn)行分散。按控制對象設(shè)置單獨的控制單元，此時，某個機組控制單元發(fā)生故障，只影響這一臺機組，而不影響整個電廠的運行。另外，由于信息進(jìn)行了分布處理，即各臺機組的信息由各臺機組控制單元進(jìn)行處理，就不必敷設(shè)許多電纜將信息送到一處集中處理，可以節(jié)省相應(yīng)的投資。由于以上原因，整個系統(tǒng)的可靠性也得到了顯著的提高。這兩個系統(tǒng)比較典型，都采用了分散式結(jié)構(gòu)，前者是應(yīng)用較早的系統(tǒng)，開放性較差，后者是近期開發(fā)的系統(tǒng)，采用了當(dāng)今普遍流行的分布式結(jié)構(gòu)，可靠性高，為本項目的設(shè)計提供了借鑒。 本文的研究目的及意義 監(jiān)控組態(tài)軟件若按照應(yīng)用的領(lǐng)域可以被劃分為通用組態(tài)軟件和專用組態(tài)軟件。通用組態(tài)軟件可用于多個領(lǐng)域，如電力、化工、石油、交通、樓宇等，由于應(yīng)用領(lǐng)域不同則監(jiān)測點各異，但是對于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本原理都是一樣的。只要在實際運用時根據(jù)不同系統(tǒng)的具體特點設(shè)計具體的解決方案就可以了。而專用組態(tài)軟件則是。而且各種關(guān)聯(lián)關(guān)系也是很有針對性的。長期以來，我國的組態(tài)軟件市場都是由國外產(chǎn)品占主角，國內(nèi)組態(tài)軟件所占比重并不高。發(fā)展自己的組態(tài)軟件既要借鑒他人之長，也要有自己的思路，盡量減少效仿，突出特色，以客戶需求為中心，積極創(chuàng)新。因此，進(jìn)行變配電所組態(tài)軟件設(shè)計方面的研究，開發(fā)系統(tǒng)組態(tài)軟件是有實際意義的。本文研究目的和意義是利用面向?qū)ο蟮慕：驮O(shè)計方法，設(shè)計并實現(xiàn)出一套專用在變配電所綜合自動化領(lǐng)域，具有工程畫面快速生成、圖形編輯和撤銷功能，具有動畫屬性的，支持與實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)連接，支持工程畫面間切換的快速更新，支持腳本編程，可視化、中文界面、高度開放性、功能強大的組態(tài)軟件系統(tǒng)。多個功能模塊共同構(gòu)成變配電所自動化組態(tài)軟件系統(tǒng)，能夠在類似的變配電所的監(jiān)控軟件中發(fā)揮組態(tài)軟件應(yīng)用的功能，更好的復(fù)用軟件。通過新技術(shù)、新規(guī)范的引入，為監(jiān)控組態(tài)軟件的研制、開發(fā)提供了更好的支持。這將影響現(xiàn)有監(jiān)控組態(tài)軟件的體系結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變軟件的某些使用模式，滿足更為靈活的實際需求。第二章 底層硬件設(shè)計及 PLC 選型 四遙的概念所謂“四遙”是指， “遙測、遙信、遙控、遙調(diào)”的簡稱。遙信量——是指遠(yuǎn)方監(jiān)視電氣開關(guān)和設(shè)備、機械設(shè)備的工作狀態(tài)和運轉(zhuǎn)情況狀態(tài)等。分為軟接點信號與硬接點信號。軟接點信號，它由保護(hù)裝置發(fā)出數(shù)據(jù)包，經(jīng)過數(shù)據(jù)線形式傳送到測控裝置(包括 VFC、I/O、CPU 等)。硬接點信號，它由間隔層的設(shè)備繼電器位置接點發(fā)出 DC 110V 電壓信號，采用 0 或 1 計位。一般來說， “0”表示未動作， “1”表示動作。信號經(jīng)電纜傳送到測控裝置的光藕盒上。光禍盒進(jìn)行光電隔離，能提高抗干擾能力。光電隔離后，轉(zhuǎn)變變?yōu)?DC 24V 電壓信號輸入測控裝置使用。遙調(diào)量——是指遠(yuǎn)方設(shè)定及調(diào)整所控設(shè)備的工作參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)等。它由測控裝置發(fā)出 DC 110V 控制信號，經(jīng)過電纜實現(xiàn)控制變電站的主變檔位的。遙測量——是指利用電子技術(shù)遠(yuǎn)方測量集中顯示諸如電流、電壓、功率、壓力、溫度等模擬量的系統(tǒng)技術(shù)。變電站一般由 PT 或 CT 上采集，經(jīng)過電纜輸入到測控裝置，經(jīng)過數(shù)模 A/D 轉(zhuǎn)換，供測控系統(tǒng)使用。遙控量——遙控是指遠(yuǎn)方控制或保護(hù)電氣設(shè)備及電氣化機械設(shè)備的分、合、起、停等工作狀態(tài)。在變電站里，它由測控裝置發(fā)出 DC 110V 控制信號，經(jīng)過電纜實現(xiàn)控制變電站的所有開關(guān)、刀閘。 硬件模塊單元 模擬量輸入模塊在電力系統(tǒng)中，常常需要采集各種電壓、電流、功率、頻率和功率因數(shù)等電參量數(shù)據(jù)，完成統(tǒng)計、分析和現(xiàn)場的實時控制；工作現(xiàn)場往往存在著較強的干擾；各待測點離散地分布在不同的區(qū)域，并且與中央控制系統(tǒng)之間有較遠(yuǎn)距離。因此，實現(xiàn)高電壓、大電流信號以及傳感器輸出弱電信號間的隔離變換，并采用 DSP(數(shù)字信號處理器) 技術(shù)計算處理數(shù)據(jù)，獲得高精度的數(shù)字化信息，最后以總線化的數(shù)字通信方式完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳，是電力系統(tǒng)特定環(huán)境下對模擬量采集輸入模塊的特殊要求。三相交流數(shù)字化智能變送器主要由隔離傳感測量、DSP 數(shù)據(jù)處理和通信控制三部分組成。輸入的三相交流電壓和電流經(jīng)隔離模塊隔離變換，可編程增益放大器放大，形成標(biāo)準(zhǔn)模擬信號輸出，并經(jīng)高速 A/D 轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，由 DSP 按交流參數(shù)直接采樣算法原理對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波和數(shù)字相差補償，計算出被檢測量的交流電壓、電流的真有效值和相關(guān)導(dǎo)出量值。再由通信管理控制機將處理完的數(shù)據(jù)標(biāo)玄化并有效的組織起來，當(dāng)上一級通信機來讀取數(shù)據(jù)時就可及時發(fā)出，用戶只需將其中的部分?jǐn)?shù)據(jù)乘以互感器變比就能獲得實際工程物理量數(shù)據(jù)。原理上的先進(jìn)性真實反映了被測的交流電參量與現(xiàn)場的工程物理量之間的直接關(guān)系，并且達(dá)到了較高的精確度，與傳統(tǒng)的各類模擬變送器比較，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，克服了傳統(tǒng)模擬變送器溫漂大和預(yù)熱時間長的缺點。其原理結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。隔離傳感器可編程放大器采樣保持電路多路開關(guān)高速A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字濾波器數(shù)字相差補償器數(shù)據(jù)標(biāo)幺化通信協(xié)議RS485隔離傳感器測量 DSP 數(shù)據(jù)處理 通信控制三相電壓三相電流 圖 21 三相交流變送器結(jié)構(gòu)圖 開關(guān)量輸入輸出模塊裝置引入的輸入開關(guān)量和輸出的開關(guān)量均為無源常開節(jié)點，在電力系統(tǒng)大電流強電磁干擾的惡劣環(huán)境中，需要對所有輸入輸出通道進(jìn)行光電隔離和高壓隔離。