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水电站计算机监控综合自动化系统.doc

水电站计算机监控综合自动化系统

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2012-01-01 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《水电站计算机监控综合自动化系统doc》,可适用于高等教育领域

第章水电站计算机监控综合自动化系统前面章节所论述的水电站计算机监控系统主要针对水电站计算机状态监控系统事实上水电站计算机监控系统除了状态监控系统之外还包括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微机励磁系统等。本章就对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综合自动化系统进行着重介绍。水电站视频监控系统随着社会不断进步经济快速发展和技术突飞猛进公共秩序安全、生产安全、财产安全等越来越受到人们的重视从而使以视频信息为特征的视频监控更为广泛地被应用在各行业领域早期视频监控只在金融银行、道路交通和大型连锁超市的安全监控中应用后来发展到在管理和生产经营部门以及无人值守特定场合的应用。市场的强劲需求不断激励和催化视频监控技术的向前发展。从技术上视频监控经历了从模拟到数字、从分散定点到网络监控、从简单录像显示到智能化预警、从有线到无线、从近距离操作到远程控制等具有深远意义的变化相信未来随着标准化工作进程加快视频监控应用将不断普及视频监控行业将迎来新的发展机遇。视频监控系统的发展阶段视频监控发展至今经历了模拟视频监控、半数字监控和数字监控三个阶段。第一阶段是模拟视频监控阶段。该阶段主要特点是视频信号来自模拟摄像机传输采用同轴电缆存储用模拟录像机处理采用模拟控制主机(如模拟切换、矩阵主机等)。该阶段的视频监控系统称为闭路电视系统。第二阶段是半数字阶段。上世纪年代视频监控进入半数字阶段其特点是视频信源和视频传输仍以模拟方式为主信号到达监控中心后由数字控制主机或硬盘录像主机(DVR)进行数字处理与存储。该阶段的视频监控系统常称为数字硬盘录像系统。第三阶段是全数字阶段。全数字技术的支持、高度集成一体化的网络摄像机、数字摄像机的广泛使用标志着视频信源采集、压缩编码、信号处理进入数字化。通过Internet对网络摄像机中的IP地址进行访问实现了传输、控制、存储、显示等全数字化。对于视频监控数字化存储带来的是一场革命性的变化。数字化是世纪的时代特征视频监控的数字化也是监控技术发展的必然趋势。全数字视频监控系统通过基于TCPIP协议的以太网络真正实现了图像的远距离监控故称该阶段的视频监控系统为网络视频监控系统或远程视频监控系统。由于目前新建的水电站视频监控系统大多采用全数字的网络视频监控系统故在下面的论述中如未作特别说明视频监控系统即为网络视频监控系统。网络视频监控系统的组成视频监控系统由前端视频采集部分、网络通信部分和监控中心部分组成。前端视频采集部分包括摄像装置、视频编码器、报警输入输出设备等。所有监控点信息都由前端视频采集设备进行图像采集。摄像装置是前端视频采集部分的核心包括镜头、摄像机、防护罩及支撑设备等。根据被摄物体及摄像地点的不同摄像装置的具体配置也各不相同。摄像装置可以固定也可以采用云台控制如水电站视频监控系统需要清晰的视频来观测水位及闸门等情况则需要使用云台控制当操作人员需要开启闸门时可以通过云台控制调整观测角度使用控制系统来控制闸门并观测闸门的开合情况。为适合夜间监控的要求可在监控点附近安装大功率的探照灯系统可远程控制灯光电源开关保证人员清楚的监控到夜间的情况。网络通信部分由路由器、交换机、无线网桥、防火墙、通信线路等设备组成。通信线路可以采用多种方式:双绞线、光纤、有线电缆、专线、帧中继、XDSL、无线局域网、卫星、微波、GPRS、CDMA等。网络通信可采用标准的TCPIP协议可直接应用在局域网或者广域网上。具体的通道方式可根据现场的实际情况进行选择。监控中心部分一般采用BrowerServer(简称BS)结构即由管理服务器(Server)和监视终端(Brower)组成。管理服务器由监控管理软件、服务器硬件、资源数据库等组成。监控管理软件能够实现完整的监控管理功能是网络视频监控系统的核心。管理服务器主要完成现场图像接收用户登录管理优先权的分配控制信号的协调图像的实时监控录像的存储、检索、回放、备份、恢复等功能。监视终端由监控工作站和电视墙等终端显示设备组成。监视终端可采用普通的PC机通过客户端软件或标准浏览器访问监控管理服务器。一般采用用户登录的方式登录监控系统根据管理的权限使用系统功能。对于中心监控室通常会配置高性能的PC机作为监控工作站并建立电视墙系统。在监视终端上还可实现多画面实时监控远程控制摄像机云台、灯光控制、制订录像计划等操作。网络视频监控系统的特点网络视频监控系统同其他视频监控系统如闭路电视系统和数字硬盘录像系统相比较而言它具有以下一些特点:()网络视频监控系统不需要PC来处理模拟视频信号而是把摄像机输出的模拟视频信号通过独立的嵌入式视频服务器直接转换成IP数字信号通过网络进行传输。()网络视频服务器采用专用操作系统工作稳定、安全可靠并且外形小巧非常便于在有限空间安装。()网络视频服务器具备视频处理、网络通信、自动控制等强大功能不仅完全替代数字硬盘录像系统采用PC机加多媒体卡的方式而且减少了故障点大大提高了系统整体可靠性。()网络视频监控系统是一种完全基于IP网络采用BrowserServer结构设计的新一代综合视频监控系统可方便地通过以太网接入水电站已存在信息网络系统中除了可以满足现场实时监控的要求外还能通过光纤、无线等通讯方式实现远程集中监控。()网络视频监控系统具有模块化结构的特点所有扩容监控点和监控设备均可在原有系统不作任何改动的前提下直接接入系统大大降低了扩容成本和保护了已有投资。视频监控系统的应用视频监控系统在水电站中的应用主要包括以下几个方面:.水库大坝管理()通过视频监控系统可监测水库蓄水水位情况。()操作人员在使用控制系统操作闸门时可通过视频监控系统监视闸门和水流情况。()在某些环境下如水库的溢洪道等地方大部分时间属于无人值守状态需要设置监控摄像机实时监控。()监测水库、坝区的周边环境。.设备监控对站区重要室内设备:水轮机室、水车室、GIS室、母线廊道、发电机层、蝶阀层、技术供水室、电气层、开关室、尾水廊道等进行监控对站区重要室外设备如主变压器、副厂房、避雷器群、断路器、接地刀闸等进行监控监控应达到以下效果:清楚地监视场地内的人员活动情况、设备的具体运行状况和仪表盘上的读数。.安全防范保障水电站空间范围内的建筑和设备的安全起到防盗、防火的作用。在围墙、大门等处通过摄像、微波、红外探头以防止非法闯入在建筑物门窗安装报警探头如门磁、红外、玻璃破碎探测器等并在重点部位安装摄像机进行小时不间断视频监控实现报警联动录像的作用。由于各个水电站对视频监控系统要求的不同以上只是简单地对视频监控系统所能应用的范围作一个简单的介绍。在实际应用中应根据水电站的实际情况在满足运行管理要求的基础上进行监控应用范围的确定。网络视频监控系统的设计与实现视频监控系统的设计方案多种多样以下举例说明视频监控系统的设计与实现。在介绍该例之前首先需要了解一些关键技术。()MPEG标准。MPEG系列标准包括MPEG、MPEG、MPEG等MPEG标淮利用很窄的带宽通过帧重建技术压缩和传输数据以求用最少的数据获得最佳的图像质量。与MPEG和MPEG标准相比MPEG除了传统的编码功能之外还加入了更多引人注目的功能包括基于对象的压缩编码方法、空域和时域的存取性和可扩展性以及很好的纠错能力等。MPEG标准不仅可以提供一个具有更高压缩效率的新多媒体信息传输标准同时也可以达到更好的多媒体互动性以及全方位的存取性。MPEG编码系统是开放的可随时加入新的编码算法模块它能支持多种多媒体应用可根据不同的应用需求现场配置解码器。由于MPEG采用了基于对象的压缩编码方法它把图像和视频分割成不同的对象分别处理除了能提高数据压缩还能实现基于内容的交互功能。MPEG能有效地处理基于对象的多媒体压缩、存取与交互因此被广泛地应用到发电厂及电力系统的远程监控、可视电话和远程教学等领域。()IP组播技术。在了解组播技术之前需要首先了解IP通信中另外两个技术即IP单播和IP广播。采用IP单播方式进行通信发送信息的源主机必须向每个希望接收此数据包的IP主机发送一份单独的数据包拷贝这种巨大的冗余会给发送数据的源主机带来沉重的负担因为它必须对每个IP主机的要求都做出响应这使得主机的负担过于沉重响应时间会大大延长。而采用IP广播方式进行通信则源主机向一个网段中的所有IP主机发送IP信息包该网段中的所有IP主机都接收该信息包。IP广播的主要缺点就是每个广播都要发送数据至一个网段中的所有机器消耗了该网段中所有IP主机的资源而且数据要被该网段中大多数IP主机所丢弃由于大多数IP主机不希望接收此数据包。在实时的监控系统中由于视频数据量很大采用IP单播方式和IP广播方式都是不可取的前者会耗尽源主机的资源而后者会耗费多数IP主机的资源。为解决这个问题IP组播技术应运而生。IP组播通信介于IP单播和IP广播通信之间它能使源主机发送IP信息包到IP网络中任何一组特定的主机上。IP组播是指一个IP报文向一个“主机组”的传送这个包含零个或多个主机的主机组由一个单独的D类IP地址标识在IP地址的“小数点”表示法中组播地址范围是从到除了目的地址部分组播报文与普通报文没有区别网络尽力传送组播报文但是并不保证一定送达。主机组的成员可以动态变化主机有权选择加入或者退出某个主机组主机可以加入多个主机组也可以向自己没有加入的主机组发送数据。采用IP组播方式进行通信源主机只需发送数据的一个拷贝多个接收者则都可以接收到网络在每个接收者的最后一个路由器或主机复制它在一个给定的网络上每一个包只传送一次。这样就大大节约了数据传送所需要耗费的资源。()多线程通信与同步技术。众所周知Windows是多任务处理系统线程的应用大大减少了程序运行的开销线程间存在一定逻辑关系要访问相同资源就需要实现多线程间的通信与同步如果两个以上线程同时访问同一缓冲区就可能产生读写数据错误的问题所以必须通过一定的机制来达到线程处理中的读写同步。Windows提供了灵活的线程通信与同步方案包括利用全局变量、用户自定义消息、事件对象和临界区等。为了提高系统运行效率使得各个功能模块之间能够并行工作在视频监控系统的软件设计中大多采用了多线程编程方式其中服务器端软件主要包含主线程、数据采集、压缩、传输、报警及云台控制等多个线程客户端软件主要包括主线程、接收、解压缩以及控制命令发送等多个线程。了解了以上几个关键技术后我们就可以看一个基于BS构架模型的网络视频监控系统的例子。该例是某水电站采用的网络视频监控系统它同样由前端视频采集部分、网络通信部分和监控中心部分组成前端视频采集部分由摄像装置、音频装置、报警装置、控制信号输出装置以及XviD编解码器等组成完成图像采集、音频采集和播放、出错报警和控制等功能。网络通信部分由交换机(SwitchHub)、IP网络以及数字矩阵等组成完成数据传输、交换和模数信号衔接等功能。监控中心部分由监控中心服务器(由多台视频服务器和磁盘阵列组成)、视频工作站以及电视墙等组成其中监控中心服务器为服务器(Server)端视频工作站为客户(Brower)端形成BS构架模型服务器端对前端视频采集部分提供的数据进行处理如数据压缩、数据传输、图像报警检测、视频存储等。同时客户端有选择性地加入IP组播主机组并经过身份验证可以访问中央监控服务器查询监控视频资源系统中的客户端可以随时加人或退出网络整个系统的规模可以动态改变具有很强的适应性。为了能够加强客户端的图像显示功能还引入了电视墙。其结构图如图所示。在MPEG标准方面为了既能满足性能要求又能降低成本该系统采用纯软件编解码和MPEG压缩技术。该系统采用XviD编解码器。目前XviD是PC机MPEG编码内核中可选模式最多的视频编解码器。XviD不仅提供了标准的MPEG量化方式还特别提供了更适合低码流压缩的h量化方式并且XviD还可以在双重(pass)运算时根据对画面信息的综合分析动态地决定某段场景的画面量化方式。XviD的主要特点还包括运动侦测和曲线平衡分配、动态关键帧距、心理视觉亮度修正、B帧技术等这些技术在此不作一一论述。图某水电站网络视频监控系统结构图在IP组播方面服务器将视频数据按组播地址发送出去并且可以同时进行视频存储以便以后查询客户端有选择性地加入一个或多个组播组接收视频数据并播放出来以达到远程监控的目的。服务器端首先将实时采集到的数据存放在缓冲区中当缓冲区满时立即启动与之对应的发送线程将数据发送到相应的组播地址然后清空缓冲区等待接收下一批数据。路由器通过Internet的组管理协议IGMP来管理组中的成员在IGMP中增加了对成员离开的及时响应功能当组中没有成员时可以及时停止该组的组播减小了网络负担。与此同时当客户端加入某个组时也同时创建一个连接字符串该字符串连接相应的监听字符串来保持联系当组中的成员数量不为时继续发送若为则停止发送线程以提高系统的效率。在多线程通信与同步技术方面该系统同时利用MicrosoftFoundationClass(即MSVisualC的类库简称MFC)中的Event对象和一些全局变量来实现线程间的通信利用MFC中的信号量(Semaphore)来保证线程间的同步并且根据各个线程占用CPU的时间来设置线程优先级较好地解决了线程间通信、同步及通信效率问题。视频监控系统的维护为确保视频监控系统发挥应有的功效应加强对系统运行的管理工作克服重建设轻管理的弊病。应根据系统管理办法和管理规程应做好系统的管理和维护。如定期线路及设备检查维护、定期光盘更换、监控服务器维护及监控终端及摄像设备的维护等。水电站厂内经济运行系统水电站采用计算机监控系统后以往采用的功率成组调节装置、按流量调节装置和按水位调节装置等就不能满足水电站负荷分配和负荷调节及控制的实时性要求需要实行水电站厂内经济运行。水电站厂内经济运行经济负荷分配、机组开停机决策及运行机组最佳组合、主接线连接状态分析、出现故障时自动选择并切换机组、自动发电控制AGC(AutomaticGenerationControl)、自动电压控制AVC(AutomaticVoltageControl)等内容。水电站厂内经济运行概述在电网运行中由于水电站调节性能好调节速度快一般情况下是由水电站来承担电力系统日负荷中的峰荷和腰荷电网负荷给定的方式有两种一是瞬间负荷给定值方式即按电网AGC定时计算出的给定值即时下达给水电站执行。水库大调节性能好机组容量大在电网中承担调峰、调频的水电站一般采用这种方式。另一种则是日负荷给定曲线的方式即电网调度中心前一日即下达某水电站一天的负荷给定值曲线到当天零时计算机监控系统即自动将此预先给定的日负荷曲线存于当天该执行的日负荷曲线存放区以便水电站实行厂内经济运行。无论采用那种方式电网下达给电站执行的负荷(即总负荷)需要在水电站各机组间进行分配。如何进行负荷分配确定最优工作机组台数和组合如何执行自动发电控制AGC和自动电压控制AVC等问题就是水电站厂内经济运行所要解决的。水电站实行厂内经济运行就是在给定系统负荷条件下水电站在某一水头下运行对水电站各机组的动力特性曲线、最优工作机组台数和组合、机组的合理启停以及在各运行机组间有功负荷的最优分配方案进行分析和研究得到水电站厂内最优运行方式用以指导水电站的实际运行并执行自动发电控制AGC和自动电压控制AVC以获得水电站运行的最大效益。国内外资料表明水电站实行厂内经济运行可增发电能或节约耗水达%~%。水电站采用计算机监控系统后实行厂内经济运行可采用水电站厂内经济运行系统。一般情况下把水电站厂内经济运行系统集成到水电站计算机监控系统中成为水电站计算机监控系统的一部分。水电站厂内经济运行系统一般由经济负荷分配程序ED(EcomoningDispatch)机组开停机决策及运行机组最佳组合程序UC(UnitCommitment)以及主接线连接状态分析程序CA(ConnectivityAnalyser)出现故障时切换机组自动选择程序GR(GenerationRejection)自动发电控制程序AGC(AutomaticGenerationControl)、自动电压控制程序AVC(AutomaticVoltageControl)等组成。本节着重论述厂内经济运行的短期调度和实时控制问题而对水库调度中、长期经济计算不作论述。水电站动力特性分析当水电站计算机监控系统执行厂内经济运行功能时不论是ED、UC、CA、GR还是AGC和AVC都离不开机组动力特性曲线。因此机组动力特性分析是一项非常重要的内容其分析精度直接影响到水电站实行厂内经济运行的效益。水电站动力特性分析的数据最好是真机试验的实测数据若水电站没有做过真机试验或实测数据不全则可以采用水轮机模型试验数据。由实测数据或模型试验数据可以整理得到动力特性数据。根据已知的动力特性数据就可以对水电站进行动力特性分析动力特性分析的主要目的是绘制动力特性曲线获取动力特性曲线方程找出水电站生产运行过程中的能量转换规律以便制定水电站最优运行方式。水电站机组动力特性曲线包括流量出力特性曲线、耗水率特性曲线、流量微增率曲线、出力微增率特性曲线等。图为黄河下游山西保德境内天桥水电站号机组的动力特性曲线平铺图它们从左到右、从上到下依次为流量出力特性曲线、耗水率特性曲线、流量微增率曲线和出力微增率曲线。如果某一水头的动力特性数据未知则可以通过插值的方法得到插值特性曲线图为黄河上游甘肃兰州境内的刘家峡水电站第号机组流量出力特性曲线m的曲线即为插值流量出力特性曲线。水电站动力特性曲线方程将自动保存到监控系统的数据库中可供ED、UC、CA、GR、AGC和AVC等程序的调用。图天桥水电站号机组动力特性曲线平铺图水电站日负荷特性曲线前面已经讲到电网负荷给定的方式有两种一是瞬间负荷给定值方式另一种则是日负荷给定曲线的方式。对于瞬间负荷给定值方式不能事先确定日负荷曲线只有日负荷给定曲线的方式才可以事先确定。事先确定的日负荷曲线称为日负荷计划。日负荷计划是调度部门根据电力系统能量平衡、水电站来水、防洪、灌溉以及上下游梯级水电站短期调度等诸多因素而制定的制定后下达给水电站计算机监控系统监控系统将在当天零时开始自动执行该日负荷计划。水电站某天的日负荷计划可以由日负荷特性曲线表示把一天分为个时段其日负荷特性如图所示。图分别描述了天桥水电站年月日和刘家峡水电站年月日的日负荷特性曲线。图日负荷特性曲线水电站负荷分配算法水电站厂内经济运行负荷分配方法很多这里只介绍最近研究和应用较多的两种算法:动态规划法和遗传算法。.动态规划法动态规划法的数学模型为:目标函数:       式中时段组合下的发电用水量从时段的组合转移到时段的组合产生的转换耗水量。约束条件:          式中:时段电力系统给定的发电任务时段第台机组的出力第台机组的出力范围。上述数学模型是一个在时域上和空间上同时进行优化计算的复杂问题。模型不但描述了水电站各台机组在时段上开停机状态的最优组合而且也描述了机组的空间最优组合及各个时段内负荷的空间最优分配问题。可将该问题的求解过程分解为:空间上机组间负荷优化分配的子模块(经济负荷分配程序即ED)和时域上机组优化运行的主模块(开停机决策及机组最佳组合程序即UC)()。空间上机组间负荷优化分配子模块的计算机程序流程图如图(a)所示时域上机组优化运行主模块的计算机程序流程图如图(b)所示。可以采用高级语言按照计算机程序流程图分别编译为经济负荷分配程序ED和开停机决策及机组最佳组合程序UC。.遗传算法遗传算法数学模型为:           其中机组在时段内的平均流量水电站机组的台数机组在时刻开停机状态变量运行为检修或停机为开机过程中的耗水量停机过程中的耗水量时段给定的负荷机组在时段内的平均出力机组检修状态变量检修为不检修为第台机组的出力范围(不包含空蚀区和振区)。同样可将该模型描述的问题的求解过程分解为:空间上机组间负荷优化分配的子模块(经济负荷分配程序即ED)和时域上机组优化运行的主模块(开停机决策及机组最佳组合程序即UC)()。把遗传算法分为主模块和子模块不仅为了层次清楚而且还有一个重要的用处:因计划日负荷和实际需要的负荷有时是有出入的。如某一时段调度部门电话通知需在原计划的基础上增发电量较大负荷需在此时段重新分配时只调用子模块即可解决问题。这样大大缩短了计算机运算速度能更好地体现实时性。子模块需解决的问题是:在保证电能质量和安全生产的前提下在某一时段某一水头下如何在台机组间最优分配电力系统给定的负荷任务使得耗流量最小。主模块需解决的问题是:在保证电能质量和安全生产的前提下在某一水头下如何在台机组间最优分配电力系统给定的负荷任务使得日耗水量最小。遗传算法的求解有个体编码、个体评价、优劣排序、选种杂交、变异解码、收敛准则等步骤遗传算法计算机程序流程图如图所示其中(a)为主模块计算机程序流程图(b)为子模块计算机程序流程图。同样可以采用高级语言按照计算机程序流程图分别编译为经济负荷分配程序ED和开停机决策及机组最佳组合程序UC。.两种算法的比较在优化求解方法上动态规划法较为通用但是动态规划法需要映射空间或函数的连续性需要在整个解空间上作全面的搜索当水电站机组台数和解空间维数增多时其速度较慢往往达不到实时性要求。遗传算法不需要映射空间或函数的连续性它可以多点出发同时在整个空间上作快速搜索有较大把握获得全局最优解且速度较快。但采用遗传算法时对不同的水电站其个体编码、评价函数以及收敛准则等将有很大区别这影响了遗传算法的通用性在遗传算法的计算过程中若杂交率、变异率、评价函数和收敛准则等选取不当可能会引起求解“早熟”、“进化迟钝”或不收敛(发散)等。到底采用何种算法要视水电站的机组台数、求解维数以及对实时性的要求等方面而确定。图遗传算法经济负荷分配计算机程序流程图水电站自动发电控制(AGC)电力系统的负荷是经常变化的变化的负荷会带来频率及电压的变化为了维持系统的频率和电压在期望值上就需要控制电力系统的有功功率和无功功率使之与所需的负荷功率平衡。在系统处于稳态仅出现小的波动时可以认为有功功率的不平衡主要影响系统的频率和功角基本上不影响系统的母线电压而无功功率的不平衡主要影响系统的母线电压而不影响系统的频率和功角。因此有功功率控制和无功功率控制可以分解为两个相对独立的问题分别由自动发电控制AGC和自动电压控制AVC完成。由ED和UC确定的有功负荷最优分配和开停机最佳组合方案可以通过水电站自动发电控制程序AGC进行实施而自动电压控制AVC的实施一般在AGC之后进行。因此这里首先对AGC的实施进行介绍。在AGC的实施过程中主要注意以下几个方面的问题:.AGC的运行与管理。该问题包括AGC的投入和退出、AGC的调度权问题、机组调节及控制方式、关于优先和限制问题等。机组AGC功能投入指该机组参加AGCAGC程序将对其进行负荷方配和启停指导而机组AGC功能退出指该机组不参加AGCAGC程序将不对其进行负荷方配和启停指导。如果全厂AGC功能投入则全厂所有机组参加AGC全厂AGC功能退出则意味着不启动机组负荷方配和启停指导功能。AGC的调度权可以由AGC程序界面设定如可以设置为网调、梯调或当地等。当调度权设置为当地时运行人员可以干预AGC的任何一项功能。机组调节基本方式有开环、闭环和手动三种而调节组合则有闭环、开环、手动、闭环+手动、开环+手动五种。机组控制基本方式有自动、半自动和手动三种而控制组合有自动、半自动、手动、自动+手动、半自动+手动五种。优先方式主要用于水电站有多个出线电压等级的情况如某水电站有KV和KV两个电压等级则AGC可以设置为KV优先、KV优先或无优先三种情况。限制负荷方式可以设定某一台或几台机组的限制负荷如号、号机组最多能带KV线路的限制负荷号、号机组最多能带KV线路的限制负荷等。.负荷调整与避开振动和空蚀限制区域水电站在实施AGC时应注意机组启停时的负荷转移、分配以及设定值的变动从而引起机组负荷的频繁调节AGC应尽可能保证全厂负荷以最快速度平稳地逼近系统设定值。在发电机组的负荷控制中经常回碰到不可运行区即在该区域机组的振动和空蚀比较厉害此时应在负荷分配时避开机组的振动和空蚀限制区域。避开振动和空蚀限制区域的原则是:①避免机组负荷调整频繁穿越振动和空蚀限制区域②避免机组负荷大范围波动③AGC负荷给定值与系统负荷给定值相差最小等。.远程控制随着电力系统的发展和技术水平的提高特别是我国水电站“无人值班”(少人值守)目标的提出水电站AGC的远程功能更显得重要远程AGC已成为实现“无人值班”(少人值守)水电站计算机监控系统必备的功能是评价该系统功能是否完善监控能力是否达到要求的一个检验标志远程AGC实现方式有两种:①电网调度中心给出水电站各时段的总负荷机组开停机和经济负荷分配完全由水电站厂内经济运行系统来实现②调度中心分别给出远程开停机命令和相应有功功率设定值即机组开停机操作也由调度中心遥控完成。目前大多数水电站采用第一种方式。.备用容量设置备用容量对于电力系统的安全稳定运行是非常重要的。对于水电站而言备用容量常分为旋转备用容量和冷、热备用容量等。冷、热备用容量用于满足变化比较缓慢的负荷要求或按计划进行的负荷调整等而旋转备用容量则主要用于频率调整、突变负荷或紧急事故备用以及大型工厂冲击负荷等。旋转备用的方式可将必须的备用容量分配到各台运行机组必要时也可在采取上述方式的同时由台机组空载备用。.其他限制条件在实现水电站AGC时除了必须满足电力系统负荷平衡外还要考虑的限制条件很多如经常提到的下游工农业用水限制航运对水流变化速率的限制汛期对库容的影响等同时要考虑若干时段后电力系统负荷变化的趋势避免电力系统负荷在短时间内回升或下降而进行不必要的开、停机操作造成空载流量浪费等这些限制条件应予以重视。从以上论述中可以看出水电站AGC的工程化和实用化很重要。自动发电控制理论已经比较成熟但能否把理论与实践相结合切实可行的解决工程中出现的问题是关系到水电站AGC直至整个厂内经济运行是否真正付予实施的关键所在。水电站自动电压控制(AVC)电压自动控制AVC主要用于无功电压控制通常在AGC之后进行。AVC的主要调节方式是发电机的励磁调节。在调节过程中各运行机组的有功功率基本保持不变因此励磁调节的主要目的是改变发电机的无功功率输出进而调节母线的电压。电压自动控制AVC的作用包括安全性和经济性两个方面。在安全性方面:首先需要考虑的是系统对电压的要求。当水电站母线电压的测量值和母线电压设定值的偏差大于允许范围时AVC能够通过调节装置自动调节水电站内各台发电机组的励磁系统使母线电压迅速、平稳地回到设定值。其次需要考虑的是系统的稳定性。在调节母线电压时必须保证水电站各运行机组的正常稳定运行由于在调节励磁系统的时候对发电机组的运行稳定性影响很大因此在对各机组进行无功调节时要考虑各发电机组的励磁调节范围以确保各机组的稳定运行。最后还需要考虑其他方面的因素对安全性的影响。如发电机的定子电流是否在定子发热的允许范围之内发电机的转子电流是否在转子发热的允许范围之内发电机的端电压是否在允许范围之内等。在经济性方面:首先需要考虑的是无功功率的经济分配。水电站AVC是在AGC确定了开停机计划和机组最优负荷分配的情况下进行控制的此时调节运行机组的励磁电流即机组的无功功率就可以控制发电机到变压器组因无功功率产生的有功损耗。水电站AVC要求在调整母线电压为设定值的同时确定厂内参与AVC的各机组无功功率的经济分配通常是以厂内的功率损耗(主要是变压器的损耗)最小原则作为优化目标的。进行厂内无功经济分配的计算方法同样可以采用动态规划法或遗传算法。其次在无功功率调节过程中要充分利用发电机组无功调节的能力这样能大大降低对无功补偿设备的投资节约电厂总的投资及运行费用。水电站进行AVC时要求实时计算出每台发电机组的最大无功功率调节能力以便在该范围内进行安全、稳定的无功调节。当遇到以下情况时AVC应该退出运行:无功调节失灵备励投入运行出线故障电气故障系统振荡。水电站厂内经济运行的其他程序除了AGC、AVC之外水电站厂内经济运行还包括ED、UC、CA、GR等其他程序。.经济分配程序ED前面已经讲到经济分配的方法有动态规划法和遗传方法等这些算法可以通过高级语言编译成经济分配程序EDED程序的计算结果可以提供给AGC和AVC使用。.机组最优组合程序UC机组最优组合程序UC可以在经济分配程序ED编译的过程中一起编译。UC程序的计算结果同样可以提供给AGC和AVC使用。同时水电站操作员可以根据UC的建议进行开停机操作。.主接线连接状态分析程序CACA程序能按照电厂主接线各设备的工作情况如断路器的分合状态等进行主接线状态的分析由此确定母线是否分裂并设置相应的标志。.切换机组自动选择程序GR在发动机组出现故障时GR程序能按照“预安排”的方式来选择稳定措施。计算机周期性地检测线路功率及发电功率按照电网局规定的故障地点、故障类型与应选的稳定措施之间的关系预先安排各种故障的稳定措施。当故障发生时由继电保护来启动按预先安排的稳定措施来执行。水电站微机调速系统水电站调速的主要硬件设备是水轮机调速器它是水电站的重要控制设备可实现对水轮发电机组的转速和有功功率等参数的自动调节。当前在我国水轮机调速器行业的技术水平迅速提高调速器产品日渐更新微机调速器在水电站中得到广泛应用。尤其是水电站实行计算机监控后更加快了微机调速器的应用与发展。在我国水轮机调速器的历史上经历了机械液压调速器、电液调速器、微机调速器等多个发展时期。世纪年代先后仿制生产了T型、CT-型机调和电子管式电调年代设计制造XT小型、TT特小型机调并在年代将XT型改进为YT型从而成为我国机调的代表性产品。年代初研制晶体管式电调并从分离式电子元件发展到集成电路式电调。年代初研制了以微处理器为核心的微机调速器并开始研制适应变参数、并联PID的微机调节器其调速产品如WT-S双微机调速器(Z-单板机)、SJ-系列微机调速器等。年代以来可编程控制器(PLC)、可编程计算机控制器(PCC)技术在水轮机调速器中得到应用目前PLC型调速器已成为我国微机调速器的主导产品。此外还研制STD总线结构和多微机的水轮机调速器并开展自适式控制、预测控制、神经网络控制在水轮机调节系统中的应用研究。目前我国每年生产水轮机调速器近台其中约台为大型微机调速器而多数为中小型微机调速器小型调速器产品之中机调也占相当大的比重。总之微机调速器以其功能、性能、可靠性等的优越性已成为发展的主流产品这是我国水轮机调速器发展的总趋势。微机调速器的硬件微机调速器的一个显著特点是功能齐全而硬件设备投资少。这是因为微机调速器绝大部分功能是由计算机软件来实现的不是由硬件来完成的硬件只是为软件功能的实现提供了环境基础。由于计算机本身具有数字计算和逻辑判断能力致使可以在微机调速器里开发模拟调速器无法实现的功能并使现代控制理论在微机调速器中的应用成为可能。由于微机调速器的型号很多以下选择在中小型水电站中应用较有代表性的几种进行介绍。.新一代YDT系列调速器(大规模集成电路型)新一代YDT系列调速器是改进型电液调速器用于调节和控制中小型混流式和轴流定桨式水轮机属组合式调速器。它由电气调节器、电液随动系统及油压装置三部分组成。电气调节器采用最新大规模集成电路和高可靠性的抗干扰电源调节方式为并联PID还设有启动开度预置拨码开关。其电气线路大为简化可靠性高稳定性好参数调整迅速、准确、无过调现象可按预定启动开度快速、平滑地启动机组启动开度可任意设定可设置两段关闭装置采用大功率电液伺服阀抗油污能力强。新一代YDT型调速器是在原YDT晶体管型调速器的基础上改进而成的。其主要特点是:①采用发电机残压测频方式提高了测频准确度②电气部分增加了频率微分电路因而具有PID调节规律。.BYWT调速器(步进电机PLC型)BYWT系列调速器是步进电机PLC微机调速器适应于中小型混流式、贯流式和轴流式水轮发电机组的控制。它由微机调节器、步进随动系统及油压装置三部分组成结构为组合式。微机调节器采用PLC可靠性高通讯组网能力强可实现对机组的自动发电控制(AGC)。其主要特点是:①BYWT调速器采用大功率步进电机及相应配套驱动器、编码器。以步进电机凸轮传动机构直接控制主配压阀取代了易发卡的电液转换器大大提高了调速器运行的可靠性②人机对话工具采用数码管或触摸屏③BYWT小型系列采用单泵供油系统设有中间补气罐不需另设高压气系统就能自动补气。还设有机械手轮操作系统可实现无电源手动控制机组④BYWT中型系列油压装置采用双泵供油系统。.BWCT调速器(步进电机PLC型)BWCT系列调速器是步进电机PLC微机调速器为冲击式水轮发电机组而研制。它由微机调节器、步进随动系统及油压装置三部分组成。其调速器的结构型式及性能与BYWT调速器相似。该调速器直接控制喷针接力器的动作以调节冲击式水轮机的流量正常运行时折向器不参与调节只有当机组转速突增到某一整定值时折向器才迅速投入切断射流而当转速下降低于该整定值时折向器则切除。折向器的投入与退出均由PLC根据整定值自动控制。这种双重调节方式既可保证小波动状态的调节品质又可满足调节保证的要求。.YZBT调速器(步进电机PCC智能型)YZBT型PCC智能调速器适用于中小型水轮机发电机组。它是以可编程计算机控制器(PCC)为控制核心配以步进电机式随动系统为功率放大单元以构成高可靠性的新一代微机调速器。PCC作为新一代的硬件平台它采用定性多任务分时的操作系统和多样化的应用软件设计与传统的PLC相比它有着明显的优势。PCC可改善与提高设备的智能化是对传统PLC功能的大提升其系统平台的智能性、开放性以及组网的灵活性可使复杂的控制项目得以完善实现。PCC调速器不但智能化程度高而且操作比较简单。YZBT调速器的主要优点在于:①全面PCC化具有高效率和高可靠性②多任务分时技术智能化、适应式控制③由PCC实现高速计数测频、信号综合及脉宽调制④步进式电位转换具有故障锁定的功能⑤调节模式灵活调试、维护简单方便它采用触摸屏做为人机界面调试只需设定有关数字而电位器等可调元件少。微机调速器的软件微机调速器的软件是微机调速器的核心。现以南京南瑞集团公司制造的SAFR-型微机调速器为例说明微机调速器的软件构成。该微机调速器的全部软件是按功能模块化编制的各功能模块具有相对独立性和完整性相互之间可进行信息交换整个软件可按功能模块进行装配。软件基本结构如图所示。它分为实时运行控制软件系统和智能化调试维护软件系统两大部分。.实时运行控制软件系统。该系统使调速器具有全部的调节和控制功能它包括实时控制中断程序、实时空载运行调节程序、实时运行发电调节程序和停机控制程序。从控制方式上可分为两种情况即中央控制室常规控制方式或中央控制室上位机控制方式在中央控制室常规控制方式运行时装置的全部操作均与常规电液调速器的操作相同无需操作任何键盘按钮操作简单直观易于运行人员掌握同时在装置实际运行过程中液晶显示面板能实时反映大量运行状态、工况等信息便于运行人员及时掌握装置的运行情况。在中控室上位机控制方式运行时装置与上位机进行信息交换按照上位机发出的指令进行调节和控制并进行厂内经济运行。.智能化调试维护软件系统。该系统使调速器在调试工作状态下能帮助指导调试人员简便、顺利地完成装置安装调试以及调速系统的全部试验工作。在调试时需使用个人计算机作为调试工具。智能化调试软件大大简化了调速系统试验的过程调试人员能通过个人计算机方便地设定和修改各种参数及协联关系曲线所有的试验过程都将显示在显示器屏幕上时刻提醒调试人员以免遗漏试验项目静态试验和动态试验的结果都可以在打印机上以数据曲线的形式打印出来。这样就减少了调试人员的工作量减少了劳动强度提高了工作效率缩短了试验时间。在试验中无特殊的测试要求无需外接其他的试验仪器。微机调速器的技术性能我国目前尚无现代水轮机微机调速器专门的技术标准为了便于现场试验应用的方便微机调速器的技术性能指标可以整理为以下两个方面:.静态技术性能指标()静态特性曲线应近似为直线其线性度误差不超过%()对于主接力器的转速死区大型微机调速器不超过中型微机调速器不超过小型微机调速器不超过()转浆式水轮机微机调速器其轮叶随动系统的不准确度不超过。数字协联曲线与理论协联曲线的偏差不大于设计规定值。()在稳态工况下对于冲击式水轮机的对称两喷针之间的位置偏差在整个范围内均不大于%。.动态技术性能指标()微机调速器应保证机组在各种工况和运行方式下的运行稳定性()机组空载微机调速器在自动方式下运行机组转速摆动相对值应符合下列规定:①对于配用大型微机调速器的机组不超过±对于配用中、小型微机调速器的机组不超过±②空载自动运行时转速摆动相对值不得大于空载手动运行时转速摆动相对值。()甩%额定负荷开始至主接力器刚开始移动的时间不得大于s()机组甩%额定负荷后的动态品质应达到:①在转速变化过程中超过稳态转速达%额定转速值以上的波峰不超过次②甩%负荷后从主接力器第一次向开启方向运动时起到机组转速摆动相对值不超过±为止所经历的时间应不大于s③甩负荷后对应于主接力器第一次向开启方向移动时的转速相对值其值不应大于事故配压阀的整定值(一般为%)。否则应查找软件PID调节算法程序中P(比例)项内容是否有问题。除了以上静态技术性能指标和动态技术性能指标之外还要考虑微机调速器的安全可靠性指标和系统性能指标等这些指标为制造厂的设计技术指标这里不作详细介绍。微机调速器的试验我国目前既无微机调速器专门的技术标准也无专门的验收试验标准。考虑到实际试验情况以及未来可能发生的变化死板的规定一些试验项目是没有必要的因此这里只介绍一些基本的试验项目具体在试验实践过程中还要靠试验人员根据具体情况灵活掌握。.装置安装时的调试与检查()装置内部检查()装置与外部连接线的正确性检查()装置、电缆和屏蔽线的接地质量和正确性检查()接力器位移变送器安装正确性检查()设置系统参数如开机限时、频率失灵区、永态转差系数、频率采样限值以及不同水头下的限制参数等()对转浆式水轮机输入导叶与轮叶协联曲线的相关数据()油压装置油质检验油压装置油泵试验各油压信号器动作值检查并检查自动补气装置、各油位信号器和卸载阀动作情况。.微机调速器的静态试验该试验在水轮机无水条件下进行调速器具备正常运行条件。()测频环节试验()接力器位移传感器试验()微机调速器静态特性及转速死区测定试验()随动系统不准确试验()接力器最短直线关闭及开启时间测定()微机调速器及油压装置总漏油量和总耗油量的测定。.开停机试验及空载运行试验()微机调速器以手动方式启动机组记录当时水头下的启动开度和空载开度()微机调速器转为自动方式运行分别进行导叶扰动试验和轮叶扰动试验选取导叶副环和轮叶副环的参数()空载扰动试验选取主环的PID调节参数()以自动方式进行停机、开机试验()机组分别处于手动和自动运行方式下目测和录波记录机组转速摆动值。.微机调速器的动态试验()进行负荷突变试验录取过渡过程各参量选择负荷工况下的主环PID调节参数()甩%负荷测定接力器不动时间()甩负荷试验甩不同负荷时录制转速、接力器行程、蜗壳水压和定子电流等的过渡过程检查甩满负荷后的调节时间()带负荷小时连续运行试验。.微机调速器其他功能试验()交、直流电源切换试验()双微机系统切换试验()手、自动方式切换试验()机组频率信号失效时容错控制效果试验()导叶或轮叶行程信号失效时容错控制效果试验()发电机功率反馈信号失效时容错控制效果试验()水头信号失效时容错控制效果试验()液压控制装置容错控制效果试验。进行上述各项功能试验时都应观察接力器行程变化情况。发电机微机励磁系统水电站发电机励磁系统作为水电站中水轮发电机的一个重要组成部分它承担着向发电机转子提供励磁电流的重要功能因此励磁系统的性能好坏直接影响整个水电站的运行状况。随着电力系统的发展对电力系统运行稳定性和机组运行可靠性提出了更高要求迫切需要性能优、功能多和可靠性高的励磁系统以满足电力系统稳定及综合自动化的要求。同时近年来计算机监控技术在水电站中得到了广泛的应用使得微机励磁装置也迅速在水电站中得到了推广。励磁系统的发展现状与趋势从制造厂家来看首先是有多家外国制造商如广州抽水蓄能电站引进阿尔斯通的励磁装置隔河岩电站引进加拿大通用电气公司的励磁装置马迹塘、五强溪电站引进奥地利伊林公司励磁装置三峡水电站采用西门子的励磁装置等也有引进技术的合作生产企业如李家峡电站部分机组山东方电机厂与ABB合作完成还有拥有自主知识产权的国营和民营科技企业如国电公司南京自动化研究所、国电公司电力科学院、河北工业大学电工厂、华中理工大学等多个单位都开发了数字式调节器。从水电站励磁装置的技术状况来分析具有以下一些基本的特点。()随着微电子技术、计算机技术、电力电子器件的进步数字化技术不同程度地应用于各类励磁装置中。采用数子化励磁装置已经成为各类老机组技术改造和新机组设计选型的一种趋势。()水电站自动化系统的应用无人值守、少人值班逐渐成为水电站运行管理的基本模式水电站运行计算机监控系统、水电站经济运行计算机管理系统以及电网稳定运行计算机自动化调度系统都对励磁装置提出了新的要求。()励磁机采用静止励磁方式已经成为主流。许多相关技术如干式励磁变压器、非线性电阻、热管散热技术等被大量采用。()大型水电机组因可靠性、控制特性的高标准而要求励磁装置的进步明显加快这一领域基本都是高端产品的天下。该类产品侧重于性能和可靠性对产品价格不做重点考虑。()抽水蓄能电站对励磁有其特殊要求目前万kW以上机组其成套设备包括励磁系统在内主要引进外国产品。从励磁技术看国内有实力的厂家也能制造主要是缺乏经验和机会。()中小型水电站包括微型水电站其总量占绝大多数从现在的市场情况看这一领域主要是国产励磁装置的天下。老机组改造任务与新建项目各占一半。这部分产品要求的特点是基本功能具备、运行可靠、调试容易、价格低廉、维护方便。因此结合国内水电机组励磁调节装置研究开发情况及国外励磁技术的发展情况看励磁装置开发的重点是调节器例如设计了双微机励磁调节器等。双微机励磁调节器的双通道完全相同无主从之分可双向切换。从理论上讲双通道同时出故障的概率很小但工程上因为双微机励磁调节器故障而引起机组被迫停机的事故也常有发生其主要原因是切换不可靠。双微机励磁调节器目前已经是一种比较成熟的方案主要用于大中型发电机。由于采用双微机励磁调节器会提高励磁系统的投入成本考虑到励磁调节器在中小型发电机中所占的费用及在电网中承担的任务要求励磁调节器在设计上简单、可靠、性价比高。因此工程上把提高单微机励磁调节器的可靠性视为提高中小型发电机励磁调节器整体可靠性的最重要措施。微机励磁调节器的总体结构及原理励磁调节器是发电机中极其重要的一部分。性能优的励磁控制器可以保证同步发电机运行的可靠性与稳定性。在正常运行时励磁调节器供给发电机励磁电流并根据发电机负载的变化作相应调整以维持发电机机端电压或电网中某一点电压在给定水平上。当发电机突然甩负荷时它实行强行减磁以限制机端电压使其不会过度升高。此外当几台发电机并列运行时通过励磁控制器的作用可使无功功率在机组间得到稳定和合理的分配。为了实现上述功能微机励磁调节器必须具备相应的硬件结构和软件设置。一般微机励磁调节器的原理框图如图所示。图微机励磁调节器的原理框图.信号测量部分由图可知发电机机端电压互感器YH和定子电流互感器LH来的信号调差后经过数据采集和数据处理转换成~V的直流信号输入到测量部分。对于电量的采集有直流算法和交流算法。直流算法所用的硬件较多但简单交流算法所用的硬件较少但是程序的编写较为复杂。.调差单元为了使并联运行的各发电机组按其容量向电网提供无功功率以实现无功功率在各机组间稳定、合理地分配在自动励磁调节器的测量比较中设置了调差电路用以改变发电机无功调节特性的斜率。若调差系数小当无功电流变化时发电机电压变化就小。所以调差系数的大小又表征了励磁控制系统维持发电机电压水平的能力。.调节控制部分同步发电机的整个工作过程可划分为两个阶段。第一个阶段是指发电机从起励建压到并网之前这一阶段的时间极短第二阶段是指同步发电机并网之后。此时励磁控制系统是通过调节励磁电流来调整发电机向电网输出的无功功率。这一阶段是同步发电机的主要工作

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