【正文】 和信息傳輸設(shè)備的要求可適當(dāng)降低，需要傳送的信息量減少，敷設(shè)的電纜也大大減少，主計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)也減輕，這些均導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備投資的減少。 分層分布式控制方式有下列優(yōu)點(diǎn)： (1)凡是不涉及整個(gè)系統(tǒng)性質(zhì)的監(jiān)控功能，可安排在較低層實(shí)現(xiàn)，這不僅加速了控制過程的實(shí)現(xiàn)，即提高了響應(yīng)性能而且減輕了控制中心的負(fù)擔(dān)，減少了大量的信息傳輸，也提高了系統(tǒng)的可靠性。這也是今后大、中型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)模式發(fā)展的方向。這些年來新投運(yùn)的水電站監(jiān)控系統(tǒng)幾乎都采用分層分布式的，《水力發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定》 (DL／ T5065— 1996)明確指出：“監(jiān)控系統(tǒng)宜采用分層分布式結(jié)構(gòu)，分設(shè)負(fù)責(zé)全廠集中監(jiān)控任務(wù)的電廠級(jí)及完成機(jī)組、開關(guān)站和公用設(shè)備等監(jiān)控任 10 務(wù)的現(xiàn)地控制級(jí)。 基于對(duì)象技術(shù)的分布式監(jiān)控系統(tǒng) 基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編程語(yǔ)言選擇到用戶界面等一系列過程，都依據(jù)面向?qū)ο蟮睦砟?、原則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，都給用戶使用和維護(hù)帶來極大方便。由于各臺(tái)機(jī)組的信息由各臺(tái)機(jī)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，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性也得到顯著的提高。 以設(shè)備單元分布的分層分布式監(jiān)控系統(tǒng) 分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)在地域上是分散的，即按控制對(duì)象進(jìn)行分散。 集中式監(jiān)控系統(tǒng) 9 早期，計(jì)算機(jī)比較貴，只能設(shè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)全廠進(jìn)行集中監(jiān)控，只要計(jì)算機(jī)一出故障，整個(gè)控制系統(tǒng)就癱瘓，只能改為手動(dòng)控制運(yùn)行，性能大大降低；其次，由于所有信息都要送到這臺(tái)計(jì)算機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)需要敷設(shè)很多電纜，機(jī)組臺(tái)數(shù)越多，電纜也越多，這不但增加了投資，而且降低了系統(tǒng)的可靠性，電纜及其接頭容易發(fā)生故障，通信也是薄弱環(huán)節(jié)。機(jī)組測(cè)量、調(diào)節(jié)、控制、保護(hù)屏構(gòu)成機(jī)組當(dāng)?shù)乜刂茊卧?LCU；升壓站、線路、同期、公用設(shè)備測(cè)量控制保護(hù)屏構(gòu)成升壓站、線路、公用設(shè)備當(dāng)?shù)乜刂茊卧?LCU：水工測(cè)量、控制構(gòu)成水工現(xiàn)地控制單元 LCU。 8．水電站的事故處理 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的事故處理內(nèi)容主要分為機(jī)組事故處理和升壓站電氣設(shè)備事故處理，也還有水電站其他設(shè)備的事故處理。 7．水電站優(yōu)化運(yùn)行 在水電站實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行也是水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控的內(nèi)容，水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)利用中長(zhǎng)期洪水預(yù)報(bào)及實(shí)時(shí)雨量測(cè)報(bào)，可使水電站進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行，合理調(diào)整水電站的運(yùn)行，合理分配機(jī)組問的負(fù)荷，使整個(gè)水電站運(yùn)行的綜合效率最高，達(dá)到消耗盡量少的水發(fā)出盡量多的電的目的。 6．作為調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的遠(yuǎn)方終端 (Remote Terminal Unit，簡(jiǎn)稱 RTU) 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，能直接對(duì)水電站設(shè)備進(jìn)行控制操 作、數(shù)據(jù)采集，因此可以作為 RTU，通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的通信口與調(diào)度端的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。水電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)記錄、打印的內(nèi)容有：整個(gè)水電站的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)，水電站機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)，水電站升壓站的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)，水電站廠用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)。 4．水電站設(shè)備的監(jiān)測(cè) 水電站設(shè)備的監(jiān)測(cè)內(nèi)容一般有：水電站機(jī)組的監(jiān)測(cè)、水電站升壓站電氣設(shè)備的監(jiān)測(cè) 、 水電站進(jìn)水口攔污柵及上下游水位的監(jiān)測(cè)、水電站輔助設(shè)備的監(jiān)測(cè)、廠用電的監(jiān)測(cè)等。水電站機(jī)組的保護(hù)分為電氣保護(hù)和機(jī)械保護(hù)。 2．水電站設(shè)備的調(diào)節(jié) 水電站設(shè)備的調(diào)節(jié)有：水電站機(jī)組的調(diào)節(jié)、整個(gè)水電站的調(diào)節(jié)、水電站升壓站的調(diào)節(jié)。上述內(nèi)容中，有部分是水電站常規(guī)自動(dòng)控制系統(tǒng)同樣具有的，有部分內(nèi)容是水電站采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控后增加的。 7 第二章 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 總體方案設(shè)計(jì) 2． 1 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求分析 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能要求實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確 、有效的完成對(duì)本電站被控對(duì)象的安全監(jiān)控，包括：數(shù)據(jù)采集及處理功能；安全運(yùn)行監(jiān)視功能及事件報(bào)警：事故追憶：控制和操作功能；自動(dòng)發(fā)電控制 (AGC)、自動(dòng)電壓控制 (AVC)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行功能；定值、報(bào)表的生成與打印功能；設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計(jì)記錄及生產(chǎn)管理功能；遠(yuǎn)動(dòng)通訊功能：畫面顯示功能：人機(jī)接口；時(shí)鐘同步；軟件開發(fā)及維護(hù)功能：系統(tǒng)自診斷與自恢復(fù)功能；冗余容錯(cuò)功能；其它輔助功能 。 3．設(shè)計(jì)冉家壩水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中現(xiàn)地控制單元 (Location Control Unit，簡(jiǎn)稱 LCU)，完成 LCU的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件配置和應(yīng)用程序的開發(fā)，最終實(shí)現(xiàn) LCU的監(jiān)視和控制功能。本 課題內(nèi)容包括： 1．分析冉家壩水電站運(yùn)行監(jiān)控的技術(shù)要求。 1． 3 本論文的主要內(nèi)容 本論文針對(duì)我國(guó)小水電站豐富，自動(dòng)化水平低的特點(diǎn)，在考察、分析了國(guó)內(nèi)外水電站 (廠 )典型計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)國(guó)家電力公司目前對(duì)水電站(廠 )計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的有關(guān)規(guī)定，吸取他們先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，針對(duì)冉家壩水電站運(yùn)行監(jiān)控的技術(shù)特點(diǎn)，立足于工程實(shí)際，主要完成如下幾方面工作。這種以數(shù)字量的形式傳送控制信號(hào)，不但取消了“發(fā)電機(jī)負(fù)荷遙調(diào)接口裝置”，而且從根本上避免脈沖調(diào)節(jié)方式存在的缺點(diǎn)，提高機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)品質(zhì)和供電質(zhì)量。 2．提高電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 冉家壩水電站在計(jì)算機(jī)監(jiān)控的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)自動(dòng)發(fā)電控制，電網(wǎng)根據(jù)頻率的要求計(jì)算出冉家壩水電站實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)負(fù)荷或日負(fù)荷曲線，將此信息傳送到冉家壩水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控置，由電站的 AGC程序控制整個(gè)電站的有功功率來滿足系統(tǒng)的需要，從而實(shí)現(xiàn)了在電站負(fù)荷給定之后，所需的耗水量最小，或以最少的耗水發(fā)出最多的電能，為 冉家壩水電站創(chuàng)造出最大的經(jīng)濟(jì)效益。 冉家壩水電站實(shí)現(xiàn)全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控的意義在于： 1．提高電站安全運(yùn)行的可靠性 在硬件方面，由于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)集成度的提高，可以大大減少控制系統(tǒng)的元件數(shù)量，使得水電站機(jī)組等各種設(shè)備的控制柜的數(shù)量減少，從而減少了控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障的機(jī)會(huì)，使得系統(tǒng)的可利用率大大增加，提高控制系統(tǒng)工作的可靠性。電站以一回 220kV線路接入城口縣 22OkV變電所， 22OkV電壓側(cè)采用 單母線擴(kuò)大接線方式。水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)向無(wú)人化方向發(fā)展，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是極大地減少了電站運(yùn)行人員，減少了電站的運(yùn)行費(fèi)用，減少了電站的投資。使用組態(tài)軟件的優(yōu)點(diǎn)在于控制系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間短，軟件的可靠性高，因?yàn)檐浖墙?jīng)過在各種情況下測(cè)試的，軟件的維護(hù)簡(jiǎn)單方便。組態(tài)軟件最大的特點(diǎn)是使用方便，維護(hù)方便。組態(tài)化的軟件主要是指上位工控機(jī)和前置工控機(jī)的軟件。故而人性化也是水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)飛速發(fā)展，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)己能聽、說、看，并能識(shí)別中文手寫文字，除通過傳統(tǒng)的鍵盤、顯示器、打印機(jī)等外設(shè)與人進(jìn)行交流外，與人進(jìn)行交流、溝通的途徑、渠道已越來越多，并越來越便利，越來越具有人情味。水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)智能化主要體現(xiàn)在對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)診斷，對(duì)電站設(shè)備的自動(dòng)診斷和預(yù)防性維護(hù)，對(duì)運(yùn)行人員進(jìn)行操作指導(dǎo)，對(duì)事故、故障處理進(jìn)行指導(dǎo)。 b．智能化 計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，使人工智能技術(shù)得到了迅速發(fā)展，人工智能技術(shù)在機(jī)器人、汽車及其他領(lǐng)域得 到了廣泛應(yīng)用。因此，水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)勢(shì)必向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。 1． 1． 2 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)同樣也在迅速地發(fā)展，新的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、新的控制裝置、新的軟件等不斷涌現(xiàn)，目前水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)主 要朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、人性化、軟件組態(tài)化、控制無(wú)人化方向發(fā)展。 我國(guó)電力部門的科技人員從七十年代開始對(duì)計(jì)算機(jī)在水電站的應(yīng)用進(jìn)行了不懈的探索。在新建的 大型水電站，較多地采用了水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，中小型水電站或已運(yùn)行的許多老電站則采用常規(guī)自動(dòng)控制設(shè)備居多，技術(shù)稍先進(jìn)的中小型電站，或在常規(guī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上計(jì)算機(jī)功能控制單元，或用計(jì)算機(jī)功能控制單元改造常規(guī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，或在常規(guī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 1． 1． 1 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展概況 在歐美等一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)發(fā)展較快，也較先進(jìn)，自 80年代起，許多水電站實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值班或少人值班，提高了水電站設(shè)備運(yùn)行的可靠性，降低了水電站運(yùn)行費(fèi)用。而計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)正是基于以上理念，充分利用成熟的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通訊技術(shù)、可編程控制器水電廠生產(chǎn)過程 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 信號(hào)采集 3 (Programme Logic Controller，簡(jiǎn)稱 PLC)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將各機(jī)組 LCU、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、調(diào)速器等連接起來，集中監(jiān)控水電站各臺(tái)機(jī)組 的運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 現(xiàn)場(chǎng)干擾變量 ……… . 計(jì)算機(jī) ……… 人工控制或給定目標(biāo)值 圖 11水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)方框圖 水電站的中控室負(fù)責(zé)管理和控制整個(gè)電站的正常運(yùn)行，為了保證運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，必須收集全廠各設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行資料，以便及對(duì)做出響應(yīng)。它代替了常規(guī)控制設(shè)備，監(jiān)視測(cè)量表計(jì)，完成機(jī)組的開停機(jī)控制，斷路器等開關(guān)設(shè)備的控制，完成電站的優(yōu)化運(yùn)行，自動(dòng)發(fā)電控制 (AutomaticGeneration Control，簡(jiǎn)稱 AGC),自動(dòng)電壓控制 (Automatic Voltage Control，簡(jiǎn)稱 AVC)，電站機(jī)組、變壓器、線路等各種運(yùn)行設(shè)備參數(shù)的在線監(jiān)視，越限參數(shù)報(bào)警、記錄，歷史參數(shù)查詢，事故追憶，報(bào)表打印，完成監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的自檢，是實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電站所有設(shè)備進(jìn)行控制、測(cè)量、監(jiān)視和保護(hù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 1 題 目： 水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 袁 能 吉 指導(dǎo)教師： 林國(guó)松 學(xué)習(xí)中心： 四 川 大 學(xué) 網(wǎng) 絡(luò) 教 育 學(xué) 院 2021 年 12 月 24 日 2 第一單 概述 1． 1 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)概 述 進(jìn)入 90年代后，國(guó)內(nèi)外在水電站自動(dòng)控制上普遍采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)，或利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與電站常規(guī)控制系統(tǒng)相結(jié)合對(duì)水電站設(shè)備進(jìn)行控制，或利用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)直接對(duì)水電站設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是指整個(gè)水電站設(shè)備的控制、測(cè)量、監(jiān)視和保護(hù)均由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來完成。其功能可用圖 11來表示。譬如說：實(shí)時(shí)采集發(fā)電機(jī)組和全廠公用設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行參數(shù)，對(duì)電站各控制點(diǎn)和監(jiān)視點(diǎn)迸行自動(dòng)安全監(jiān)測(cè)、越限報(bào)警，實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)自動(dòng)發(fā)電控制和自動(dòng)電壓調(diào)整等。 因此，水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的性能大大優(yōu)于常規(guī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，所以又被稱為水電站計(jì)算機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，既適用于新建電站使用，也適用于老電站對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。 國(guó)內(nèi)水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)主要以常規(guī)設(shè)備為主，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在水電站的應(yīng)用尚屬研發(fā)完善階段。目前中小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，其開發(fā)的軟件有的基于 DOS系統(tǒng)，而基于Windows平臺(tái)的軟件又往往針對(duì)大型水電站設(shè)計(jì)，不適于小型水電站應(yīng)用。經(jīng)過多年孜孜不倦的 努力，我國(guó)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，從開始的摸索到初步形成工業(yè)化生產(chǎn)，達(dá)到實(shí)用水平，并形成幾種成熟的模式，技術(shù)水平、實(shí)用程度上已達(dá)到國(guó)外目前水平，有的方面甚至已趕上了國(guó)際先進(jìn)水平。 a．網(wǎng)絡(luò)化 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的快速發(fā)展也是立足于計(jì) 算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，有上位機(jī)、現(xiàn)地控制單元等各種各樣的計(jì)算機(jī)及計(jì)算機(jī)控制裝置，若它們不形成網(wǎng)絡(luò)，則這些計(jì)算機(jī)及裝置只能獨(dú)立運(yùn)行，不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，不 4 能充分發(fā)揮出計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性，只起到了代替常規(guī)自動(dòng)控制設(shè)備的作用。水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展是數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享的需要；裝置共享的需要；調(diào)度自動(dòng)化的需要；系統(tǒng)擴(kuò)展的需要。智能化也是水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的一大發(fā)展方向。 c．人性化 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的人性化就是使得冷冰冰、硬梆梆的計(jì)算機(jī)具有人情味、通人性。將多媒體 技術(shù)用于水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)也就具備了聽、說、看、寫的能力。 d．軟件組態(tài)化 軟件組態(tài)化也是水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)一大發(fā)展方向。組態(tài)化軟件通常也是一種模塊化的軟件，有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、動(dòng)畫、上下限設(shè)置、狀態(tài)控制、各種實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖和歷史趨勢(shì)圖、各種輸入輸出接口程序等等功能。在使用方面通常使用菜單及各種圖形界面操作方式，操作使用直觀：在維護(hù)方面，其優(yōu)點(diǎn)明顯突出， 組態(tài)軟件都提供有工具軟件，使得控制系統(tǒng)的開發(fā)者不必為每個(gè)控制系統(tǒng)編制源程序，只需根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)的要求，對(duì)軟件的功能進(jìn)行設(shè)置組合，就完成了控制系統(tǒng)的軟件的組態(tài)，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)有設(shè)備或功能增減時(shí)，同樣可以方便地完成軟件的維護(hù)。 e．控制無(wú)人化 5 無(wú)人值班電站有時(shí)也被稱之為一人操作電站，即只需一個(gè)值班員就可進(jìn)行電站的開停機(jī)控制、運(yùn)行操作，這些操作完成后，自動(dòng)控制系統(tǒng)就可自動(dòng)控制電站設(shè)備運(yùn)行，當(dāng)電站自動(dòng)控制系 統(tǒng)具有遠(yuǎn)方遙控功能時(shí)，可由一人在遠(yuǎn)方進(jìn)行遙控操作。 1． 2 冉家壩水電站概述 冉家壩水電站位于重慶市最北端的城口縣境內(nèi)的任河干流上，是一座引水式 水電站，裝機(jī)容量 14MW，年平均發(fā)電量 kW． h，年利用小時(shí)數(shù) 3213h，保證出力 。 環(huán)境條件：海拔高度，