浏览全文 第四章小型水电站计算机监控系统总述.doc

第二部分应用技术水电站计算机监控技术是一门应用型科学，它在应用中发展，在发展中应用。水电站计算机监控技术在水电站的应用中形成了多种结构类型和多个结构层次的监控系统。在后面的介绍中，首先介绍监控系统的基本结构和工作原理，然后在此基础上，逐步对系统的各个纵向层次进行剖析，包括数据库系统、软件系统、数据通信系统等，最后介绍几个具有横向特性的综合自动化系统，如水电站视频监控系统、水电站厂内经济运行系统、水电站微机调速系统以及发电机微机励磁系统等。 第4章水电站计算机监控系统总述4.1水电站计算机监控系统的结构第3章已经介绍了水电站计算机监控系统的基本结构，在实际应用中，可以根据水电站的不同情况对各种基本结构进行组合和扩充，形成符合水电站自身要求的计算机监控系统。4.1.1总体结构概述现有的水电站计算机监控系统的结构主要有两种：集中式监控系统和分层分布式监控系统。集中式监控系统结构比较简单，它由一台计算机承担人机接口和远动功能。分层分布式监控系统的结构相对比较复杂，它由上往下可分为电站主控层、通信网络层和现地控制单元层（LCU）三个层次，电站主控层由工作站、操作台和GPS同步时钟等设备组成；通信网络层由各种通信设备和通信接口组成；现地控制单元层由PLC、现地工业控制微机（简称现地工控机）以及现地智能化设备等组成。电站主控层和现地控制单元层由通信网络层进行联接而构成完整的水电站计算机分层分布式监控系统。本章将在后面详细介绍电站主控层和现地控制单元层的结构与工作原理，对于通信网络层详见第7章。集中式监控系统一般在总装机容量小于2000ｋＷ的小型水电站中应用较多，如某电站有两台机组，采用集中式监控系统，其网络拓扑结构简图如图4-1所示。该系统采用一台工业控制机实现整个电站的测量、控制、保护、调节和远动等功能，系统的结构简单，无需网络的投入，造价便宜，但一旦计算机出现故障，整个电站的运行受到重大影响，甚至影响到整个电网的安全。随着计算机和PLC的性能和可靠性的不断提高，价格的不断下降，而电网和电站对安全性要求的提高，集中式监控系统有不断被分层分布式监控系统所替代的趋势。图4-1集中式监控系统网络拓扑结构简图 目前，总装机容量为2000kW及以上的水电站多采用分层分布式监控系统，如某电站有两台机组，采用分层分布式监控系统，则其网络拓扑结构简图如图4-2所示。该系统的电站主控层由2台计算机作操作员工作站，并实施打印与报警等功能，保存历史数据；由1台计算机作为通讯工作站，完成与远程调度中心的通信；并设1台计算机作为培训工作站，完成员工技能和操作的培训。随着计算机水平的发展，电站主控层主要采用功能集中式的结构形式，即电厂控制的功能集中于2台操作员工作站，而与远程调度中心的通信集中于1台通讯工作站。现地控制单元(LCU)层主要包括机组LCU、公用设备LCU和升压站LCU。现地控制单元的结构普遍采用现地工控机(IPC)＋可编程控制器(PLC)＋自动化装置的形式。现地工控机主要承担数据处理、控制操作、历史事件记录、报警、人机联系、与电站主控层计算机通信以及与自动化设备联系的功能。PLC主要承担机组顺序操作和数据采集等功能。自动化装置包括：微机调速器、微机同期装置、智能电参数测量仪、温度巡检装置、微机励磁调节装置与微机测速装置以及微机保护装置等。这些自动化装置可以独立运行，也可与机组现地控制单元层的工控机进行数据通信、接收指令和反馈信息。总之，水电站计算机监控系统采用何种结构，由水电站的可靠性要求、安全性要求、造价要求以及功能要求等诸多因素综合考虑所决定。图4-2分层分布式监控系统网络拓扑结构简图4.1.2电站主控层结构由于集中式监控系统没有电站主控层和现地控制单元层之分，所以这里介绍电站主控层结构是针对分层分布式监控系统而言的。电站主控层一般由多个工作站、网络设备、语音报警设备、模拟返回屏、卫星同步时钟（GPS）以及防雷保护设备等组成，它的网络拓扑结构详图如图4-3所示。电站主控层的工作站按其功能和作用不同，可分为操作工作站、通讯工作站和培训工作站等。操作工作站对整个电站计算机监控系统进行数据计算和处理、数据库管理、在线及离线计算、各图表及曲线生成、事故故障信号分析处理等，同时供运行值班人员使用，它具有图像显示、全厂运行监视和控制、发布操作控制命令、定值修改、设定与变更工作方式等功能。全站所有的操作控制都可以通过鼠标器及键盘实现，通过显示器可以对全站的生产、设备运行作实时监视，并取得所需的各种信息。通讯工作站设在中控室，远动所需的各种信息量可以直接由通讯工作站经调制解调器上光缆发送，同时通讯工作站可预留将来与其他系统（如水情测报系统）交流信息的通道。培训工作站上一般安装有多个培训软件，如学习软件、正常操作软件、事故处理软件、监控系统开发训练软件、顺控流程的离线调试软件和学员成绩评价软件等。这些培训软件可使电站运行和维护人员通过交互式培训、学习并掌握对监控系统的操作和对电站运行以及事故处理等方面的知识。电站主控层工作站一般由工控机、显示器、键盘、鼠标和打印机等设备组成。显示器、键盘、鼠标、打印机以及其他等设备一般放在一个操作台上，我们称之为控制台。控制台实质上是一个由工作站中的人机接口等设备组成的操作和控制平台。 图4-3电站主控层网络拓扑结构详图4.1.3现地控制单元层结构现地控制单元层也是针对分层分布式监控系统而言，它一般由现地工控机、PLC、现场总线、微机调速器、温度巡检、微机保护装置、微机同期装置、智能电参数测量仪以及其他智能设备组成。现地控制单元的PLC和工控机完成机组的顺序控制、监视和调节功能，可以完成数据的采集及数据预处理。PLC与电站主控层的工控机脱离联系时，能通过一体化工控机的人机接口或操作开关而独立工作。升压站及公用设备控制单元的PLC和现地工控机主要负责主变、线路和厂内公用设备（如高/低压气机、球阀油泵、集水井排水泵、厂用电系统）等设备的控制和监视，并完成数据的采集及数据预处理功能。图4-4即为某水电站计算机监控系统的网络拓扑结构详图。图4-4现地控制单元网络拓扑结构详图由于现地控制单元的自动化装置种类繁多，在工程上一般把这些装置集中放置在柜子中，称为LCU屏，如图4-5即为某电站分层分布式监控系统 工程结构详图。从图中可以看出，该电站有两台机组，每台机组有两个LCU屏（A柜和B柜），外加公用设备有两个LCU屏（A柜和B柜），共六个LCU屏。在机组LCU屏（A柜）中放置了微机同期装置和智能电参数测量仪；在机组LCU屏（B柜）中放置了剪断销信号器、温度巡检装置、手动同期装置、变送器和双供电源等设备；有些不能放置在柜子中的装置如微机调速器、励磁装置、微机测速装置以及微机保护装置等，其数据通过现场总线与现地工控机进行连接，并与上位机进行通信。公用LCU（A柜）放置了微机同期装置和智能电参数测量仪等；公用LCU（B柜）放置了手动同期装置、变送器和双供电源等；有些不能放置在柜子中的公用智能化设备如变压器保护装置和线路保护装置等，其数据通过现场总线与现地工控机进行连接，并与上位机进行通信。图4-5分层分布式监控系统工程结构详图4.2水电站计算机监控系统的工作原理本节主要介绍水电站计算机监控系统的电站主控层和现地控制单元层的工作原理。4.2.1电站主控层的工作原理 在水电站主控层安装有水电站计算机监控系统的实时数据库、历史数据库、历史数据库管理平台、实时数据库管理平台、上位机（工作站中的工控机）软件系统和人机接口界面等。现地控制单元层的数据首先采集进实时数据库，一方面，上位机软件根据设定的时间，通过实时数据库管理平台定时访问实时数据库的数据，并定时刷新人机接口界面（如每5s刷新一次），这样便于操作运行人员了解整个电站的运行情况；另一方面，实时数据库的数据定时存储入历史数据库，历史数据库可以由历史数据库管理平台进行管理，操作运行人员可以依次通过人机接口界面、上位机软件和历史数据库管理平台对历史数据进行管理、修改和查询等操作。此外，实时数据库的数据可以通过上位机中的远程通讯软件与电网层进行数据交换。电站主控层的工作原理简图参见图4-6。图4-6电站主控层的工作原理简图4.2.2现地控制单元层的工作原理水电站计算机监控系统的现地控制单元主要包括机组现地控制单元和升压站及公用设备现地控制单元。机组现地控制单元主要完成对水电站水轮发电机组的计算机监控，而升压站及公用设备现地控制单元主要完成对升压站以及公用设备的计算机监控。目前在水电站中广泛应用的计算机监控系统现地控制单元是以可编程序控制器（PLC）和工控机为控制核心的。PLC的输入输出原理如图4-7所示。从图可知，PLC一般由CPU、开关量输入单元（DI）、模拟量输入单元（AD）、开关量输出单元（DO）、模拟量输出单元（DA）、脉冲量输入单元、脉冲量输出单元、电源单元以及通讯接口单元等组成。开关量输入单元（DI）采集机组各种开关（ON/OFF）信号，如事故信号、断路器分合信号以及重要继电保护的动作信号等；模拟量输入单元（AD）采集电站的电压、电流、水压、油压、水位等模拟信号，如机组励磁电压、励磁电流、调速器油压、蜗壳水压等；开关量输出单元（DO）用来执行各类操作控制指令，如机组的自动开停机控制、事故紧急停机控制等；模拟量输出 图4-7PLC的输入输出原理简图图4-8机组现地控制单元的工作原理简图单元（DA）用来执行各类调节指令，如机组有功和无功的调节、发电机出口电压的调整、系统频率的调节等。由于PLC通讯单元的RS-485或RS-232通讯接口只能与上位机进行串行通讯，而不能通过以太网进行通信，所以PLC对各种采集的信号通过程序进行分析和处理后，需要经现地工控机上网，最终把数据传送到电站主控层的上位机。由于PLC的模拟量输入单元价格比较贵，因此可以采用PLC的模拟量输入单元和现地工控机的微机装置共同采集模拟量信号，以减少PLC的模拟量输入单元的投资。现地工控机一般接显示器或触摸屏作为现地控制的人机接口。图4-8即为某水电站计算机监控系统的现地控制单元工作原理简图。4.2.2.1机组现地控制单元机组现地控制单元主要由现地工控机、可编程序控制器（PLC）、微机调速器、智能电参数测量仪、温度巡检仪、微机同期装置、微机保护装置等组成。这些设备完成了水轮发电机组的测量、控制与调节及保护等功能。 （1）水轮发电机组的测量水轮发电机组的测量包括电量参数的测量和非电量参数的测量，电量参数的测量又包括交流电参数的测量和直流电参数的测量。1）电量参数的测量早期电参数的测量由各种电量变送器，经过远程终端采集单元（RTU）的A/D采集板采集和预处理后传给计算机监控系统，由于电量变送器存在温漂和零漂，需要定期校验，并且具有监测精度不高、系统设计复杂和运行维护困难等缺点。随着计算机技术、数字通讯技术、自动控制技术和智能仪表技术的快速发展，智能电参数测量仪广泛应用于电站、机械和化工等领域。在水电站计算机监控系统中，智能电参数测量仪逐步代替了电量变送器的使用。早期的智能电参数测量仪主要用来测量发电机组的交流电参数，包括输出电压、输出电流有效值、有功功率有效值、无功功率有效值、有功电度、无功电度频率以及其他交流电参数。随着微电子技术和集成技术的发展，智能电参数测量仪除了能测量发电机组的交流电参数以外，还可以测量发电机励磁电压、励磁电流等直流电参数。电站中的直流电参数也可以通过变送器，经机组现地控制单元中的可编程序控制器（PLC）进行采集和预处理；也可以直接通过微机励磁装置的通讯接口进行读取。对于大中型水电站，大多采用智能电参数测量仪进行采集和预处理；而对于小型水电站由于其直流电参数较少，以上三种方式各电站均有采用，具体采用何种方式进行采集和预处理，要视水电站对数据的精度要求、布线要求以及经济性等方面综合考虑决定。2）非电量参数的测量水电站中的非电量参数包括油压、油位、气压、水压、水位以及温度等。油压、油位、气压、水压、水位等非电量参数一般通过变送器，经机组现地控制单元中的可编程序控制器（PLC）的A/D转换模块进行采集和预处理，而温度参数如轴瓦温度、定子铁芯温度、风冷温度等一般由温度巡检仪进行测量。温度巡检仪除了可以测量温度参数外，有些温度巡检仪还具有越限报警、重要瓦温的变化率趋势报警以及实时显示当前最高瓦温和温度的平均值，并通过RS-232C通讯接口或RS-485C通讯接口与机组现地控制单元交换信息。（2）水轮发电机组的控制与调节水轮发电机组的控制与调节对象包括水电站各机组及其辅助设备等。如水轮机、发电机、调速器以及励磁系统等。控制与调节方式包括远程控制方式和现地控制方式两种。远程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、给定发电机出口电压、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、机组工况转换、机组负荷调整等。（3）水轮发电机组的保护为了保证水电站安全可靠地连续运行，水电站要求设立各种保护装置等。第3章已经提到，水轮发电机组的保护分为电气保护和机械保护两种。但无论是电气保护装置还是机械保护装置都是为了系统不正常运行和事故等情况的紧急处理。随着计算机技术的发展，以微处理器为核心的微机型保护装置在水电站中广泛使用。它的结构根据保护功能的不同有很大的差别，这里不作累述。微机保护装置的配置要考虑的基本性能有绝缘性能、机械性能、抗电气干扰性能以及抗电源影响性能等。微机保护装置按功能可以分为水轮发电机组微机保护装置、主变压器微机保护装置和线路微机保护装置。 微机保护装置所具备的一些基本功能举例如下：1）装置具有独立性、完整性和成套性；2）装置的保护模块配置合理。当装置出现单个硬件故障退出运行时，被保护设备能允许继续运行；3）非电气量保护可经装置触点转换出口或经装置延时后出口反映其信号；4）装置中不同种类保护具有方便的投退功能；5）装置具有必要的参数显示功能；6）装置具有必要的自动检测功能。当装置自检出元器件损坏时，能发出装置异常信号，而装置不会误动；7）装置具有自复位功能。当软件工作不正常时能通过自复位电路自动恢复正常工作；8）装置的各保护软件在任何情况下都不会相互影响；9）装置可记录必要的信息，并通过接口送出；信息可重复输出，而不会丢失；信息的内容及输出的方式由企业标准规定；10）装置具有独立的内部时钟，其误差每24h不应超过±5s，并能够提供外部时钟同步接口。除了以上一些基本功能之外，对于水轮发电机组微机保护装置、主变压器微机保护装置和线路微机保护装置还应具有与保护对象相匹配的功能。例如水轮发电机组的微机保护装置还应配置以下一些功能：1）纵联差动保护：动作于停机、解列；2）定子绕组过电压保护：经延时动作于停机、解列；3）复合电压闭锁过电流保护：经延时动作于停机、解列；4）发电机失磁保护：经延时动作于停机、解列；5）定子绕组一点接地保护：动作于信号；6）定子绕组过负荷保护：动作于信号；7）转子一点接地保护：动作于信号。4.2.2.2升压站及公用设备控制单元升压站及公用设备现地控制单元主要由工控机、可编程序控制器（PLC）、智能电参数测量仪、微机同期装置、微机保护装置、稳压电源、后备设备、测量表计和机柜等组成。这些设备完成了主变、厂变以及线路的断路器控制、升压站设备的监控、公用辅助设备的监控以及电站事故和安全报警等功能。（1）数据的采集与预处理升压站的数据采集与处理主要有升压站电气量的采集与预处理和升压站中断量的采集与预处理。升压站电气量一般由PLC或微机电量测量装置采集和预处理，经RS-232或RS-485串行通讯口输入到现地工控机（IPC）。微机电量测量装置可测得的电量包括：线路电压/电流、有功/无功功率、有功/无功电度和频率等。升压站中断量采用高速中断输入模块，事件顺序记录(SequenceOfEven，简称SOE)点分辨率需要达到的实时性要求，并与系统时钟同步。 厂用变压器电气量也由PLC或微机电量测量装置进行采集和预处理，并经过串行口输入到现地工控机（IPC）。可测量的量包括：厂用变压器电压/电流、有功功率/无功功率、有功电度/无功电度和频率等。（2）控制与调节升压站现地控制主要包括线路断路器控制、主变压器断路器控制、隔离开关控制、微机自动同期等部分。公用设备现地控制主要包括厂用电系统、厂内检修排水系统、渗漏排水系统、气系统等的自动控制与单步操作、厂用电备用电源自动切换以及安全故障报警等。升压站及公用设备现地控制单元的控制和调节的主要内容举例如下：1）接受来自电站主控层或现地控制层的控制调节命令。一般升压站及公用设备现地控制单元设有控制权切换开关，当开关置于“远程”时，升压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升压站及公用设备进行控制，各操作功能完成后，现地控制单元将返回信息。2）对线路断路器、主变压器断路器和隔离开关的分合闸操作。为了保证控制的安全可靠，对断路器和隔离开关的控制可考虑采用后备手动，并保障断路器和隔离开关的防误操作装置。3）升压站LCU一般应有一套多对象双CPU自动同期装置，可以实现各同期点的同期合闸，同期方式有自动准同期和无压检查合闸。4）完成电站的油、气、水系统控制。如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等。为了保证公用设备和辅助设备运行与控制的安全可靠性，根据设计与运行经验，电站的油、气、水系统设计配置相对独立，可以采用可编程控制器PLC实现分散控制，单独构成子系统，所有设备的故障、状态信号均引入LCU，进行安全监视。5）完成厂用电备用电源自动切换功能。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。6）完成安全与故障报警功能。如将直流系统发生的故障报警信号、油、气、水系统的状态信号以及其他安全信号送至上位机。4.3小结本章在第3章的基础上，更深一层地介绍水电站计算机监控系统的层次结构与工作原理。一般监控系统分为电站主控层、现地控制单元层和通信网络层，这里主要对电站主控层和现地控制单元层结构与工作原理进行剖析，而通信网络层将在第7章独立进行介绍。对于水电站计算机监控系统的层次结构首先介绍了集中式监控系统和分层分布式系统的优缺点和应用范围；然后对电站主控层和现地控制单元层的结构进行具体分析和举例，以便能够更加清晰的了解监控系统的典型内部结构；最后，对电站主控层和现地控制单元层的工作原理进行分别介绍，这里的介绍只涉及到功能的层面，而对内部数据的传输、处理和交换等深层次技术将在后面的章节中作进一步介绍。思考题1．试比较集中式监控系统和分层分布式监控系统的优缺点？2．电站主控层和现地控制单元层分别由哪些设备组成？3．试述电站主控层的工作原理?4．试述现地控制单元层的工作原理?