（机械电子工程专业论文）基于ge9030plc水电站现地控制的应用研究.pdf

浙江工业大学硕上学位论文 基于g e 9 0 - 3 0p l c 水电站现地控制系统的应用研究 摘要 近年来，为了促进小型水电站实现自动化控制，对已建水电站更 新技改，进行必要的增容，扩大效益，促进小型水电站的自动化水平 的提高。大多数小型水电站采用以常规控制装置与计算机监控相结合 的控制方式。由于每个小型水电站的工况、要求不同，使得不同水电 站的控制系统有较大的差异。浙江天台桐柏水电站是建于7 0 年代的坑 道式水电站，其采用常规设备，运行维护工作量大，安全性能较差。 我们用基于g e 9 0 3 0p l c 水电站控制系统进行改造。本文分析的是天 台桐柏水电站现地控制系统部分。 本文首先分析了国内外水电站控制系统发展概况，简述了水电站 控制系统的总体构架、p l c 数据采集处理、系统配置。然后，综合目 前国内外小型水电站中使用的各种p l c ，结合浙江天台桐柏水电站的 实际工况，确定现地控制系统由一体化工控机，g e 9 0 3 0p l c 和电量 交流采样装置等组成的高性能可编程控制器。依据功能分析，硬件部 分实现系统配置结构。软件的实现方面，采用流程方式进行编写，引 入了流程指针的方式进行顺序控制，同时在每一步流程中引入流程中 断的中继，最终实现水电站现地控制的要求，实现电站无人值班( 少 人值守) 的运行方式。最后本文针对水电站自动化系统的发展趋势进 行展望。 关键词：现地控制系统；水轮机调节系统；p l c 程序设计：通讯设置 浙江工业大学硕士学位论文 咖a p p i 肥a t i o ns m yo fi j o c a i 。c m 胍o i 。 s 1 蛾朔 匠md 呵h y d r o p d w e rs t a t i o nb a s e do nt h e i nr e c e n ty e a r s ，t h ea u t o m a t i cl e v e lo fs m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o n s i m p r o v e di n c r e a s i n g l yw i t ht h et e c h n i c a lr e f o r m e da n dn e c e s s a r yc a p a c i t y e n h a n c e d m o s ts m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o n sc o m b i n e dt h eg e n e r a lc o n t r o l d e v i c e sw i t hc o m p u t e rm o n i t o r e ds y s t e mt or e a l i z et h ea u t o m a t i cc o n t r 0 1 t h ec o n t r o l s y s t e mo fd i f f e r e n th y d r o p o w e rs t a t i o n s h a st h ed i s t i n c t c h a r a c t e r i s t i c sb e c a u s eo ft h ev a r i o u sw o r kc o n d i t i o n sa n do p e r a t i n g r e q u i r e m e n t s t h et o n g b a ip o w e rp l a n to ft i a n t a ic i t yw a sau n d e r m i n e d h y d r o e l e c t r i cs t a t i o nw h i c hw a sc o n s t r u c t e di n19 7 0 s t h et o n g b a is t a t i o n n e e d sm o r em a i n t e n a n c ew o r ka n dw h i c hs e c u r i t yi sw o r s ea tt h es a m et i m e b yr e a s o no ft h ea d o p t i o no ft h er o u t i n ee q u i p m e n t s t h i sp a p e rr e b u i l tt h e h y d r o p o w e rs t a t i o n b a s e do l lt h eg e 9 0 30p l cc o n t r o ls y s t e ma n d a n a l y z e dt h el o c a lc o n t r o lu n i tp a r to f t h ea a t i o n f i r s t l y ，t h et h e s i ss u m m a r i z e dg e n e r a ls i t u a t i o no ft h eh y d r o p o w e r s t a t i o nc o n t r o ls y s t e ma th o m ea n da b r o a d ，a n di l l u m i n a t e dt h eg e n e r a l f l a m eo fc o n t r o ls y s t e ma n dp l c sd a t ea c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n d c o n f i g u r a t i o n c o n s i d e r e da l lk i n d so fp l c i ns m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o n s a n dt h ep r a c t i c a lw o r kc o n d i t i o no ft o n g b a is t a t i o n ，t h el o c a lc o n t r o l s y s t e mw a sd e s i g n e d a sah i g h p o w e rp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e rw h i c h c o m p r i s e di n d u s t r yc o m p u t e r s ，g e 9 0 3 0p l ca n de l e c t r i ce n e r g ya c s a m p l i n gd e v i c e s a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o na n a l y s i s ，t h eh a r d w a r ep a r th a s n 浙江工业大学硕士学位论文 t h em o d u l a rs t r u c t u r e t h ep r o g r a mw a sc o m p i l e dw i t ht h ef l o wm a n n e r a n dt h ef l o wp o i n t e rw a si m p o r t e dt oi m p l e m e n tt h es e q u e n c ec o n t r 0 1 t h e r e l a yi n t e r r u p t i o nw a su s e di ne v e r yf l o ws t e ps i m u l t a n e o u s l yt oa c h i e v e t h er e q u i r e m e n t so fh y d r o p o w e rs t a t i o nl o c a lc o n t r o la n dt h eu n a t t e n d e d o p e r a t i o n m o d e t h et r e n do fd e v e l o p m e n to fh y d r o p o w e rs t a t i o n a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mw a sp r o s p e c t e da tl a s t k e yw o r d s ：l o c a lc o n t r o ls y s t e m ；r e g u l a t i n gs y s t e mo fw a t e rt u r b i n e ； p l c p r o g r a md e s i g n ；c o m m u n i c a t i o ns e t t i n g i i i 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签 日瓤伽矿年么月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“勾”) 作者签 期：枷萨6 月己日 新签孵p 枷沪儿日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 浙江省水能资源丰富，据1 9 7 8 年浙江省水电普查资料，各水系水能理论蕴藏 量为6 0 6 万千瓦，可开发利用的水能资源为5 3 0 万千瓦时。全省还有可开发潮汐 能8 2 5 万千瓦，蕴藏量居全国第二位。 经过多年实践与电力市场变化，电站顶峰调节作用日益提高，电站装机年利 用小时数己从3 0 0 0 3 5 0 0 小时降到2 5 0 0 小时左右i l 】，原普查电源点可开发装机容 量增大，新的电源点增加。同时，由于流域梯级规划的深化，普遍注重调节径流 和跨流域引水，提高水量水头利用程度，以及机组效率提高，自动控制技术应用， 电网吞吐能力增强等综合因素，全省可开发水电装机总量有了明显的提高。据测 算，目前总量约为7 9 5 6 5 万千瓦，其中大中型水电约计4 0 0 万千瓦，小型水电4 0 0 万千瓦。截止2 0 0 1 年底，拥有小型水电站2 7 6 9 个。 由于靠近华东电力负荷中心，地理位置优越，利用良好的山地条件和已建水 库及众多的湖泊，开发抽水蓄能电站的前景十分广阔。1 9 9 7 年9 月省水利厅开展 了全省抽水蓄能资源的初步普查工作，优选可开发抽水蓄能站址有9 2 处。总装机 达6 0 0 0 余万千瓦之巨，是调整华东电网电源结构不可多得的宝贵自然资源。 已建水电站急需更新技改。目前仍在运行的中小型水电站中，1 9 8 0 年以前投 产的约为4 0 余万千瓦，急需通过更新技改，进行必要的增容，以展观新姿，扩大 效益【2 1 。许多以防洪、灌溉、供水为主结合发电的水库电站，通过多年水库运用实 践和调节性能较高的特点，结合实际运行所起的顶峰调节作用，电站年利用小时 数应该适当调减。为了充分利用电站水能资源，可以结合更新改造扩大电站装机 容量。其次，针对水电站超役运行，工程设施失修，机电设备老化，效率降低， 安全生产存在诸多隐患，发电效益下滑等情况，通过对水工和机电改造更新的可 行性论证，积极采用新设备新技术，实现安全经济运行，保持并扩大原有的经济 效益【3 l o 因缺油少煤，充分开发水电资源，对经济发展、社会进步起着积极作用。它 既是水利工程的重要组成部分，也是其他电力资源的必要补充调剂。对许多山区 县来说，水电开发对振兴山区经济，加快扶贫致富起着举足轻重的作用。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 水电站控制系统的发展概况 水电站最根本的任务是实现安全经济运行。随着国民经济的持续发展，电力 需求迅猛增长，兴建的水电站越来越多，其容量也越来越大，如正在建设的三峡 水电站，总装机容量高达1 8 2 0 0 m w 。为了实现安全发供电，需要经常监测的量成 千上万，需要实现的控制功能也越来越复杂。特别是抽水蓄能电厂的出现，机组 的工况不仅有发电、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。为了实现水电站的优化运行以期达到整个系统的经济运行，需要 进行的计算更为复杂。以上这些复杂的工作使原来在水电站上广泛使用的布线逻 辑型自动装置越来越难以胜任，因此采用更为先进的技术成了迫不及待的任务1 4 1 。 与此同时，计算机科学发展异常迅猛，技术日新月异，其性能日趋完善，而 价格日益下降，这为计算机监控取代常规的布线逻辑型自动装置提供了良好的物 质基础。 早在2 0 世纪7 0 年代，计算机已开始应用于水电站，起先用于各项离线计算 和工况的监测，后来，逐渐进入到控制领域。它经历了一段从低级到高级，从顺 序控制到闭环调节控制，从局部控制到全厂控制，从电能生产领域扩展到水情测 报、水工建筑物的监控、航运管理控制等各个方面，从监控到实现经济运行，从 个别电厂监控到整个梯级和流域监控的发展过程。出现了一批用微机构成的调速 器、励磁调节器、同期装置和继电保护装置等【5 】。多媒体技术应用使电厂中控室的 设计发生了巨大的变化。巨大的模拟显示屏正在逐渐被计算机显示器所代替；常 规操作盘基本上己被计算机监控系统的值班员控制台所取代；运行人员的操作已 从过去的扭把手、按开关转为计算机键盘和鼠标操作1 6 j 。运行人员的工作性质也发 生了质的变化，从过去的同常监控和频繁操作转变为巡视，经常的监测和控制调 节工作都由计算机系统去完成。运行人员的劳动强度大大减轻，人数也大大减少， 甚至出现了无人值班或“无人值班 ( 少人值守) 的水电站【7 l 。采用计算机监控已 成了水电站自动化的主流。 1 2 1 国内外发展现状 从2 0 世纪7 0 年代起，计算机监控在国外一些水电站上取得了实质性的进展， 2 浙江工业大学硕士学位论文 出现了用计算机控制的水电站。最初，由于计算机价格比较昂贵，全厂只用一台 计算机实现对主要工况的监视和操作，通常采用开环调节控制。后来，随着计算 机性能改善和价格下降，出现了采用多台计算机实现闭环调节控制的水电站。高 性能微机的出现使微机在水电站监控系统中得到普遍的应用l 引。现在，新投入的水 电站大都采用由多台计算机构成的计算机监控系统。世界各国的发展是不平衡的， 目前关于水电站实现计算机监控的情况还缺乏完整统计资料。就国家来说，美国、 法国、日本和加拿大等国在这方面是比较领先的。 国外研制水电站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、瑞士和德国的a b b 公司、德国的西门子公司、法国的a l s t o m 公司 ( 原c e g e l e c 公司) 、日本的日立公司和东芝公司、美国和加拿大的贝利公司、 奥地利的依林( e l i n ) 公司等。各公司都推出自己的系列产品，在世界各地得到 了广泛的应用。 我国水电站计算机监控系统的研制工作起步并不晚。早在7 0 年代末，原水电 部就组织了南京自动化研究所( 现改为电力自动化研究院) 、长江流域规划办公室 ( 现改为长江水利委员会) 和华中工学院( 现改为华中科技大学) 研究葛洲坝水 电站采用计算机监控系统问题。随后，中国水利水电科学院研究院( 简称水科院) 自动化研究所开始了富春江水电站计算机监控系统的研制工作。天津电气传动设 计研究所( 简称天传所) 也开始了永定河梯级水电站计算机监控系统的研制工作。 这些监控系统于8 0 年代中期先后投入运行。 与此同时，我国也引进了一些国外研制的监控系统。采用c a e 公司产品的有 葛洲坝大江电厂【9 1 、隔河岩水电站【1 和龚嘴梯调；采用西门子公司产品的有鲁布格 水电站、广州抽水蓄能电厂c 二期f l l 】、龚嘴水电站：采用a b b 公司产品的有潘家 口、天生桥二级、溪口、宝兴河梯级和二滩【1 2 】等水电站；采用贝利公司产品的有 十三陵抽水蓄能电厂【1 3 l 和天荒坪抽水蓄能电厂；采用法国c e g e l e c 公司产品的 有广州抽水蓄能电厂( 一期) 、高坝洲水电站1 1 4 j ；采用依林公司产品的有小浪底水 电站。 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 控系统中绝大多数是由国内单位研制的。技术水平也有了很大的提高，达到了国 外9 0 年代的水平。许多新技术，如分层分布处理、分布式数据库、开放系统、网 络、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自 浙江工业大学硕士学位论文 动化研究所还推出了自己的系列产品，不仅在国内水电站得到广泛的应用，甚至 还出口到国外。 根据近年来的实践，新建的大中型水电站已基本采用计算机监控系统，不采 用的已是少数【1 5 】【1 6 】。 1 2 2 水电站控制方式的演变 随着计算机技术的不断发展，水电站监控的方式也随之改变，计算机系统在 水电站监控系统中的作用及其与常规设备的关系也发生了变化，其演变过程大致 如下。 1 以常规控制装置为主、计算机为辅的监控方式( c o m p u t e r - a i d e ds u p e r v i s o r y c o n t r o l ，简称c a s c ) 早期由于计算机价格比较昂贵，而且人们对它的可靠性不够信任，因此，计 算机只起监视、记录打印、经济运行计算、运行指导等作用，水电站的直接控制 功能仍由常规控制装置来完成。采用此方式时，对计算机可靠性的要求不是很高， 即使计算机局部发生故障，水电站的正常运行仍能维持，只是性能方面有所降低。 采用这种控制方式的典型例子是依泰普水电站运行的初期( 8 0 年代上半期) 。当时 采用这种控制方式的理由是，根据巴西和巴拉圭的国情，认为采用计算机监控系 统的经验还不够成熟，缺乏相应的技术力量，故而先采用能实现数据采集和监视 记录等功能的计算机系统，而水电站的控制仍由常规设备来完成。这样，可以为 将来可实现控制功能的系统作准备，同时可以减少前期的投资。后来，依泰普水 电站已将它更新为具有复杂控制功能的、比较完善的计算机监控系统n7 1 。 国内采用这种控制方式的典型例子是富春江水电站综合自动化的一期工程1 1 8 】 ( 8 0 年代上半期) 。一期工程是一个实时监测系统，实现数据的采集和处理、提供 机组经济运行指导和全厂运行状态的监视记录，计算机不直接作用于生产过程的 控制。这在当时是适合的，后来也被更新为能实现控制功能的比较完善的计算机 监控系统。 这种控制方式的缺点是，功能和性能都比较低，并对整个水电站自动化水平 的提高有一定的限制，目前新建水电站已很少采用。 对已运行的水电站，尤其是在中小型水电站，在常规监控系统的基础上，加 4 浙江工业大学硕士学位论文 一点专用功能的全厂自动化装置，如自动巡回检测和数据采集装置，按水流或负 荷调节经济运行装置等，也可取得很好的技术经济效益，投资也不大，对运行管 理水平要求不太高，这种c a s c 方式还是可以采用的。国外也有不少这样的例子。 2 计算机与常规控制装置双重监控方式( c o m p u t e r - c o n v e m i o n a ls u p e r v i s o r y c o n t r o l ，简称c c s c ) 随着计算机系统可靠性的提高和价格的下降以及人们对计算机实现监控的信 任度的提高，人们较容易接受让计算机直接参加控制，但对它还不是很放心，所 以出现了计算机与常规控制装置双重监控的方式。此时，水电站要设置两套完整 的控制系统，一套是以常规控制装置构成的系统，一套是以计算机构成的系统， 相互之间基本上是独立的。两套控制系统之间可以切换，互为备用，保证系统安 全可靠运行。采用这种方式的原因是： 有些用户，特别是大型水电站，对计算机系统的可靠性仍有较大的顾虑， 总觉得计算机系统没有常规系统可靠，心理上有障碍，要设一套常规系统作后备。 原来的水电站运行值班人员习惯于常规设备的操作，不熟悉计算机系统的 操作，需要一段适应过程。 计算机系统检修时，常规系统可以投入运行，不影响水电站的正常运行。 如果水电站已有常规系统，加设计算机监控系统可以减少干扰，不影响电 厂的正常运行。这一点对已运行水电站的改造是有现实意义的。 国外采用这种方式的典型例子是美国邦纳维尔第二电厂( 5 5 8 m w ) 1 1 9 1 和巴斯 康提抽水蓄能电厂( 2 1 0 0 m w ) 1 2 0 】。国内采用这种控制方式的典型例子是葛洲坝 大江电厂( 1 7 5 0 m w ) 和龙羊峡水电站( 1 2 8 0 m w ) 。 采用这种方式的缺点是：由于需要设置两套完整的控制系统，投资比较大； 由于两套系统并存，相互之间要切换，二次接线复杂，可靠性反而有所降低。 目前新建水电站已很少采用这种控制方式。 3 以计算机为基础的监控方式( c o m p u t e r - b a s e ds u p e r v i s o r yc o n t r o l ，简称c b s c ) 2 1 1 随着计算机系统的可靠性进一步提高和价格的进一步下降，出现了以计算机 为基础的监控系统。采用此方式时，常规控制部分可以大大简化，平时都采用计 算机控制。因此，对计算机系统的可靠性要求就比较高，这可以采用冗余技术来 解决，保证系统某一单元或局部环节发生故障时，整个系统和电厂运行还能继续 浙江t 业大学硕l ：学位论文 进行。 采用此种方式时，中控室仅设置计算机监控系统的值班员控制台，模拟屏己 成为辅助监控手段，可以简化甚至取消。 国外采用这种方式的典型例子是美国的大古力水电站( 6 1 5 0 m w ) 1 2 2 】，委内 瑞拉的古里水电站( 1 0 0 0 0 m w ) i 2 3 】、法国的孟德齐克抽水蓄能电厂( 9 2 0 m w ) 等。 国内采用这种方式的典型例子是漫湾水电站( 1 2 5 0 m w ) 2 4 l 。 这种控制方式是目前国内外水电站普遍采用的计算机控制方式【2 5 1 。 4 取消常规设备的全计算机控制方式 随着计算机技术的进一步发展和水电站计算机监控系统运行经验的累积，出 现了以计算机为唯一监控设备的全计算机控制方式，实际上它是c b s c 方式的延 伸。此时，取消了中控室常规的集中控制设备，机旁也取消了自动操作盘【2 6 1 。中 控室还保留模拟显示屏，但其信息取自计算机系统，不考虑在机组控制单元( 计 算机型的) 发生故障时进行机旁的自动操作。此时，对计算机系统的可靠性提出 更高的要求，冗余度也要进一步提高【2 7 1 。 采用这种方式的典型例子是我国隔河岩水电站( 1 2 0 0 m w ) ，采用c a e 公司的 产品。这种方式投资比较大，但它有良好的应用前景，将成为未来的水电站计算 机控制方式的主流1 2 引。 1 2 3 小型水电站计算机监控现状 由于早期的研制主要集中于大、中型水电站，对小型水电站监控系统的研究 较少，因此使得我国水电站自动化技术的发展出现了极不平衡的局面，小型水电 站的自动化水平目前还处于比较落后的状态。在小型水电站自动化装置的研究方 面，与国外的先进水平相比还有一段较大的差距。 针对小型水电站的特点而专门进行的一项研究是在2 0 世纪9 0 年代中期进行 的，是由国电自动化研究院与石景山发电总厂合作在下苇甸水电站容量均为 1 5 m w 的5 号和6 号机上进行的发电综合控制装置( g c u ) 的研究试验【2 9 1 。由于 g c u 的设计构想是集调速、励磁、顺控、同期、测量5 个功能于一体，因此又称 为“五合一”装置。经一段时间的试运行，甩1 0 0 负荷试验，从高井到下苇甸5 号机的远方控制等情况来看，该套装置运行正常，达到预期目的。 6 浙江工业人学硕上学位论文 为了促进小水电站实现自动化控制，水利部亚太小水电中心和国家电力公司 南京自动化股份有限公司都在小型水电站监控方式方面迸行了一些探讨。此外， 武汉华工电气自动化有限责任公司、南京自动化设备厂和许昌继电器集团有限公 司等科研、制造单位也做了不少工作，在我国已形成了s d j k 、d z w x 、s s j 3 0 0 0 、 c s c s 系列、s d 2 0 0 和s j k 3 0 0 0 等多种产品。 1 3 本课题来源 桐柏水电站位于浙江省天台县境内，电站装机容量2 4 0 0 0 k w ，多年平均发 电量3 0 0 0 万k w ，水轮机型号为h l 0 0 4 w j 7 0 ，水轮机额定水头3 0 0 m ，额定流 量1 7 1 9 m 3 s ，额定转速1 5 0 0 f f m i n ，发电机型号为t s w - 1 4 8 9 8 4 ，调速器为x t - 6 0 0 ， 主接线形式采用二机一变型式，一回3 5 k v 线路接城西变电所，二回1 0 k v 线路分 别接至北山和玻纤厂。其主接线如图1 1 所示： 图i - 1 桐柏水电站主接线图 天台桐柏水电站属于坑道式水电站，由于地处山洞，噪音大、环境潮湿，运 行环境极为恶劣。厂房的噪音指数为2 0 d b ，中控室的噪音指数为9 0 d b ，长期在这 样的噪音环境下值班运行，对人体的危害是显而易见的。因此，电站进行自动化 7 浙江t 业大学硕i j 学位论文 改造已是当务之急。 针对电站对投资及自动化程度的定位，整个电站监控系统按“无人值班、少 人值守的原则设计【3 0 l 。电站实施计算机监控系统工程后，将形成一个完整的开 放型分层分布的实时闭环过程控制系统1 3 1 】。近期，整个系统采用以计算机监控为 主、简易常规为辅( 逐步取消常规监控) 的监控方式，对电站的运行和主要设备 实施全面的自动监测和控制，电站计算机监控系统与调度中心之间，可实现遥信、 遥测的功能，并预留遥控、遥调、遥视的功能接口，且能稳定可靠地接受电力系 统调度端的调度管理命令，整个站内系统具备远方监控的一切必备条件，电站“现 地无人值班 ，在洞口中控室对电站设备实时监控。 远期，待调度中心计算机监控系统完成，打通调度中心至电站的通讯通道， 由站内计算机监控方式过渡到调度中心远方计算机监控方式，实现站内“无人值 班、少人值守”。 结合该工程实践，本论文在分析和总结以往的计算机监控系统设计原理的基 础上【3 2 1 ，采取全开放的设计思想，将工业控制领域里的一项新技术一一p l c 运用 到该控制系统中，并针对以p l c 为基础的现地控制单元设备装置原理、程序编制 等进行了详细论述。 1 4 本文研究的目的与意义 早期水电站计算机监控系统中，现地控制装置最早采用的是目前很多老水电 厂仍然在运行的是用继电器构成的机组自动屏，由于是触点装置，动作比较直观， 一般说来，还是可以完成基本功能要求的，但是由继电器构成的系统存在一系列 的严重不足，首先它能完成的功能比较有限，没有计算和存贮的功能：其次是装置 体积庞大，接线复杂，维护工作量大，可靠性差，与计算机连接需要许多中间接 口设备。基于上述缺点，它不宜于直接构成计算机监控系统的机组控制级。 随着计算机技术的高速发展和其性能价格比的不断提高，以及水电厂计算机 监控系统技术的r 益成熟，对于8 0 年代末以来新建的大型水电站，其控制系统的 现地控制装置相继采用了计算机结构，此时爿提出了现地控制单元这一专有名词。 从某种意义上讲，现地控制单元就是采用计算机结构的现地控制装置。 早期的现地控制单元般以单片机组成的微机控制装置为核心，在结构上采 8 浙江工业大学硕士学位论文 用并行总线扩展i o 模块，是一个单c p u 的数据采集及控制装置，与上位机的连 接多采用串行通讯方式。但这种结构很难满足水电站监控的实时性和快速性等要 求【3 3 1 。 目前采用较多的是以可编程控制器( p l c ) 为核心组成的现地控制装置。可编程 控制器适用于恶劣的工业环境，因此可靠性高，抗干扰性能力强，但它作为一种 通用的控制器，应用到水电站现地控制装置有其局限性，如事件分辨率不高，一 般只能达到5 0 1 0 0 m s ，差的甚至只能达到3 0 0 m s ，不能满足水电站事件高分辨率 的要求( 要求分辨率不大于5 m s ) ；另外在系统结构上，是p l c + i p c ( 工控机) 结构， 加一个工控机的原因是p l c 不能直接与网络通信，同时，由于p l c 模拟量输入模 板较贵，因此，用微机电量装置采集电气量信号，微机温度测量装置采集温度信 号，微机电量装置与微机温度装置之间与工控机之间采用数据通信接口。这种结 构的现地控制单元，不但结构复杂，成本较高，且多了工业微机这一中间环节， 当其故障时，将会导致现地控制单元失去与主站级计算机的联系，系统的利用率 和可靠性降低。随着p l c 技术的改进，这种技术己明显落后，g e 9 0 3 0 结合了p l c 和大型计算机的特点，可利用f r a m ed r i v e r 与任何串口协议进行通讯，充分体现了 通讯的灵活性，并具有模块式软硬件支持，构成了智能化分布式控制系统的基础。 本文以小型电站为参考点，以桐柏水电站为实例，一改过去监控系统中一个 现地控制单元配一套监控系统的做法。在现地控制单元的设计中，g e 9 0 3 0 作为顺 序控制的核心。利用f r a m ed r i v e r 功能通过r s 4 8 5 总线获取温度巡检仪装置、综 合电量装置、转速测量装置和各种保护装置的数据，并将数据上传给上位监控系 统，在现地层以w i n d o w sn t 实时多任务操作系统，多窗口显示人机交互界面，实 现人机对话。同时发挥g e 9 0 3 0 在通讯方面的优势，与现地层的各个辅机的p l c 通过通信连接在一起，使电站的现地控制级形成一个集散控制系统。现地控制单 元层由二个机组现地控制单元和一个公用设备现地控制单元组成。各现地控制单 元能对所管辖的生产过程进行完善的监控。通过各自的输入输出接口与生产过程 相连；通过通信接口及相关设备与主控制层交换信息。各现地控制单元对主控制 层具有相对独立性，能脱离主控制层直接完成生产过程实时数据的采集和预处理、 各设备状态监视、调整和控制等功能。主机和各现地控制单元之问的通讯连接采 用工业控制的以太网总线结构，具有高可靠性、传输速率高、抗电磁干扰等优良 性能。通讯接1 ：3 采用光电隔离，接1 3 标准符合i e e e 8 0 2 3 。除主机与各现地控制单 9 浙江工业人学硕k 学位论文 元之间采用光纤外，其他网络通信介质均采用高品质屏蔽双绞线。它具有的优点 就是今后在不更改监控系统的情况下，可实现电站的远期改造目标。 1 5 本课题的主要研究内容 第一章分析了水电站控制系统国内外发展概括和应用现状，简述了水电站计 算机监控方式的演变过程。综合国内外的研究应用现状，结合桐柏水电站的技改 项目，提出了小型水电站现地控制系统的可行性。 第二章阐述了水电站控制系统总体结构，分析了系统的功能，并在此基础上 提出了系统配置，介绍了以g e 9 卜3 0 系列p l c 为核心的现地控制单元层的基本组 成和功能。 第三章基于g e 9 卜3 0 的现地控制系统的硬件分析，首先分析了水轮机微机调 速器的控制规律，据此设计，选择了现地控制系统的控制设备、辅助设备，最后 对系统进行抗干扰设计分析。 第四章基于ge90 30 的现地控制系统软件的实现，本章先确定软件设计原 则，然后进行机组控制程序设计，最后进行保护装置通讯设计及编程。 i o 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 总体结构 第二章水电站控制系统总体构架 该计算机监控系统采用分层分布、开放式的可配置结构，以保证系统的互操 作性、可扩展性和可移植性。主要设备选用进口设备，操作系统软件采用9 0 年代 最新推出的w i n d o w sn t 实时多任务操作系统，多窗口显示人机界面，适用于电站 实时数据库管理系统。系统的总体结构图参见图2 1 。 l 硼l 组 l # 机组2 # 机纽2 # 机组 公用公用 l c u 屏( b 柜)l c u 屏( a 柜) l c u 屏( b 柜) l c u 群( a 柜) l c u 肼( b 柜)l c u 屏( a 柜) e ：嬲滋茎置e i 戮黝麟置 主变保护装置卜l # 机组励磁装置卜- 2 # 机组励磁装置一一 l l # 机组微机保护装置 l 一2 # 机组微机保护装置 l3 5 k v 线路保护装置 图2 1 桐柏水电站计算机监控系统总体结构图 整个系统共分两层：电站主控制层以及现地控制单元层，是一个完整的实时 闭坏控制系统，既可独立完成各种现地闭环控制功能，也可通过与调度中心计算 机监控系统联网实现远方监控。 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 1 电站主控制层 电站主控制层作为电站的实时控制中心，主要是负责全厂的自动化功能、采 集和处理来自现地控制单元层的数据、全站的人机对话、与现地控制单元层和调 度中心计算机、电厂管理系统、水情测报系统等进行通讯。 2 1 2 现地控制单元层 现地控制单元层由两个机组现地控制单元( 机组l c u 屏a 柜、b 柜) 和一个公 用设备现地控制单元( 公用l c u 屏) 组成。 现地控制单元层能对所管辖的生产过程进行完善的监控，通过各自的输入输 出接口与生产过程相连；通过通讯接口及相关设备与主控制层交换信息。各现地 控制单元对主控制层具有相对独立性，能脱离主控制层直接完成生产过程中实时 数据的采集和预处理、完成对各设备状态的监视、调整和控制等功能。现地控制 单元层结构图参见图2 - 2 。 l c u 单元实现对各生产对象的过程监控。l c u 选用美国g e 公司生产的g e 9 0 - 3 0 系列p l c 构成现地控制单元。能保证当l c u 单元与主控制层脱离后仍能实现对各 生产对象进行必要的监控功能。而当其与主控制层恢复联系后又能自动服从主控 制层的控制和管理。 系统采用g b s 全球卫星时钟系统。g p s 是消化采用美国军方技术构成的高精度 卫星时钟装置，在国内电力系统广泛采用，具有精度高、负载能力大、接口扩充 能力强等特点1 。 g e 9 0 3 0 调速器 ii 励磁装置 il 同期 il 全厂油 ll 保护 武汉三联s l t 系列li 广科所l t w 6 2 0 0ll 深圳智能s i d 2 hil 处理设备ll 装置 图2 - 2 现地控制单元层 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 功能分析 2 2 1 数据采集处理 系统对电站主要设备的运行状态和运行参数等实时数据进行自动采集，并作 必要的预处理，存于实时数据库5 1 ，供计算机系统实现画面显示、制表打印以及 完成各种计算、控制等设计功能使用。 电站现场各种数据的采集基本上由各自的l c u 单元来完成，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。不同性质的数据其采集与 处理的方法各不相同。 模拟量的采集与处理，模拟量包括电量模拟量、非电量模拟量。对不同类型 的实时量的采集范围、处理方式以及各量的变化规律各不相同，所要求的采样周 期也各不相同。 开关量的采集与处理，对事故信号、断路器及重要继电保护的动作信号，计 算机监控系统能以中断方式迅速响应这些信号并作出一系列必要的反应及自动操 作。中断开关量信号输入为无源接点输入，中断方式接收。 对各类故障信号、隔离开关的位置信号、排水泵设备运行状态信号，手动自 动方式选择的位置信号等非中断开关量信号，计算机监控系统对这些信号的采集 方法为定期扫查。对信号的处理包括光电隔离、接点防抖动处理、硬件及软件滤 波、基准时间补偿、数据有效性合理性判断、启动相关量功能( 如启动事故顺序 记录、发事故报警音响、画面自动推出以及自动停机等) ，最后经格式化处理后存 入实时数据库。 脉冲量、数字量的采集与处理，脉冲量信号主要指有功无功电度量、机组过 水流量、冷却水流量等的累加。脉冲量的输入为无源接点或有源电脉冲，即时采 集。对脉冲量的采集处理包括接点防抖动处理、数据有效性合理性判断、标度变 换、检错纠错处理，经格式化处理后存入实时数据库。 数字量信号指水位等输入量。对数字量的采集处理有光电隔离、数字滤波、 码制变换、数据有效性合理性判断、标度变换、检错纠错处理，经格式化处理后 存入实时数据库。 开关量输出，特指各类操作控制指令。计算机在输出这些信号前进行校验， 浙江工业大学硕士学位论文 经判断无误后才能送至执行机构。为保证信号的电气独立性及准确性，开关输出 信号也经光电隔离、接点防抖动处理后发出。 信号量值及状态设定，对在监控系统实施时无法采集到的信号，或某些由于 设备原因而造成的信号出错以及在必要时要进行人工设定值分析处理的信号量， 计算机监控系统应允许运行值班人员和系统操作人员对其进行人工设定，并在处 理时把它们与其它正常采集到的信号等同对待，计算机监控系统可以区分它们并 给出相应标志m 】。 2 2 2 安全监视和事件报警 运行安全监视和事件报警口力包括：运行实时监视：监控系统可以使运行人员 通过c r t 对全站各主设备进行实时监视。所有要监视的内容包括当前各设备的运 行及停运情况，并对各运行参数实时显示。参数越限报警与记录：监控系统将 对某些参数以及计算数据进行监视。事件顺序记录与报警：当电站发生事故造成 断路器跳闸、重合闸动作等情况时，监控系统立即以中断方式响应，并自动显示、 记录和打印事故名称及时问、相关设备的动作情况以及自动推出相关画面，作事 故原因分析及提示处理的方法。故障状态显示记录：监控系统定时扫描和监测各 故障状态信号，一旦发生状态变化将在c r t 上即时显示出来，同时记录故障及其 发生的时间，并用语音报警。事故追忆及相关量记录：当电站发生事故时，需对 事故发生前后的某些重要参数及相关量进行追忆记录，以供运行人员事后分析。 过程监视：包括机组现地控制单元的过程监视、开关站及公用设备现地控制单 元的过程监视和现地控制单元异常监视等。 2 2 3 控制与调节 系统的控制与调节包含以下内容：控制与调节的对象：# 1 、# 2 机组及其辅 助设备和线路等。控制与调节方式：包括远方控制方式和现地控制方式。远方 控制方式能完成自动开停机、自动准同期并网、增减负荷、调节频率和电压、给 定负荷或负荷曲线、给定发电机出1 3 电压、给定系统频率等。现地控制方式完成 自动开停机、自动准同期并网、工况转换、负荷调整等操作。自动发电控制( a g c ) 和自动电压控制( a r c ) 啪1 。 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 现地控制单元层控制方式，当监控系统切换到现地控制时，电站的设备可通 过现地控制单元的人机接口部件进行手动操作控制。机组现地控制单元( l c u i 、 l c u 2 ) 设有控制权切换开关，当开关置于“远方”时，机组受控于主控制层；置 于“现地 时，由运行人员通过人机接口部件对机组进行控制，控制方式按“全 自动方式 进行，各操作完成后，现地控制单元均有返回信息。 机组现地控制单元的控制和调节内容有：( 但不限于此) 接受来自主控制层的控制调节命令： 自动完成机组的工况转换； 机组开、停机操作； 机组紧急停机和事故停机操作； 机组有功、无功调节； 自动停机方式：发电至正常停机、发电至事故停机、发电至事故紧急停机： 根据事故紧急程度分别作用到不同的自动停机程序。反映主设备的继电保护 信号，除作用于事故停机外，还直接作用于断路器和灭磁开关的跳闸回路。 机组同期并网方式：自动准同期、手动准同期； 其它功能。 公用设备现地控制单元l c u 3 各设有控制权切换开关。当开关置于“远方 时， 开关站及公用设备受控于主控制层；置于“现地 时，由运行人员通过人机接口 或控制开关等部件对开关站及公用设备进行控制，控制方式按“全自动方式 进 行，各操作完成后，现地控制单元均有返回信息。 开关站及公用设备现地控制单元的控制和调节内容有：( 但不限于此) 对线路断路器和主变压器断路器的分合闸操作； 接受来自主控制层的控制调节命令； 根据集水井水位信号自动控制排水泵的工作； 根据压缩空气系统压力信号自动控制空压机的工作； 根据厂用电备用电源自投功能，在厂用电工作电源失电或故障时，自动投 入厂用电备用电源；一旦厂用电工作电源恢复，能自动切回工作电源供电； 将直流系统发生的故障报警信号送至上位机； 将上、下游水位信号送至上位机； 其它功能。 浙江丁业人学硕j ：学位论文 人机界面，在线显示实时图形，使运行人员对全厂生产过程进行安全监视， 并通过主控制站计算机功能键盘或现地控制单元控制面板，运行人员可以在线调 整画面，显示数据和状态，投退测点，修改参数，控制操作等。监控系统根据工 作人员职权不同，设置不同的操作权限。 画面显示是计算机监控系统的主要功能。画面调用将允许以自动及召唤方式 实现。自动方式指当有事故发生时或进行某些操作时有关画面的自动推出。召唤 方式指操作某些功能键或以菜单方式调出所需画面。画面种类包括单线图、电站 剖面图、棒形图、曲线、表格等。要求画面显示清晰稳定，画面结构合理，刷新 速度快且操作简单。 数据通讯，包括监控系统与调度中心的通讯和监控系统内部主机与各现地控 制单元的数据通讯p 引。 2 3 系统配置 2 3 i 现地控制单元配置 现地控制单元由2 套机组设备控制单元l c u i 、l c u 2 和1 套公用设备控制单元 l c u 3 组成。每套l c u 设2 面控制机柜。 现地控制单元采用高性能的可编程控制器，各单元均由一体化工控机、p l c 和 电量交流采样装置等组成。p l c 完成生产过程的顺序控制、监视、调节功能并带有 人机接口，完成数据的采集及数据预处理功能，直接与相应的保护装置通讯，完 成启停或分合闸控制操作。在与主控站工控机脱离联系时，能通过一体化工控 机或操作元件进行独立操作m ，。 2 3 2 监控系统软