毕业设计论文：青铜峡水电站计算机监控系统设计

毕业设计 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ：青铜峡水电站计算机监控系统设计 青铜峡水电站计算机监控系统设计 摘 要 这次毕业设计的主要内容是进行水电厂计算机监控系统设计，设计对象是青铜峡水电厂的现地控制单元。 本次设计的内容主要有四部分，第一部分是对青铜峡水电站计算机监控系统的总体结构设计。设计时通过比较集中式、功能分散式和分层分布式计算机监控系统结构模式的特点，选择了全分布开放式结构。第二部分是对现地控制单元的设计和机组顺序控制框图设计。第三部分是用于现地控制单元的PLC类型选择和组态。第四部分是水电厂自动发电控制(AGC)算法选择。 关键词:水电厂计算机监控系统 、现地控制单元设计、PLC选型及组态、 AGC 青铜峡水电站计算机监控系统 Design of Computer Monitoring System for Qingtongxia Hydropower Station ABSTRACT The main content of this Graduate Design is to carry on a computer monitoring design of hydropower station. The object of this design is Qingtongxia hydropower station. The main contents of this design contain four parts. The first part of this design is to make a general structural design of computer monitoring system of Qingtongxia hydropower station.Design by comparing the centralized functions of distributed and hierarchical distributed computer monitor characteristics of the system structure model, select the open architecture of the whole distribution .The second part of the design of the local control unit and the unit sequence control block diagram of the design.The third part is used to control unit PLC type selection and configuration. The last part is a hydropower station automatic generation control (AGC) algorithm selection. KEY WORDS : computer monitoring system of hydropower station、 design of local control unit、PLC type selection and configuration、AGC 第一章 绪论 1.1 国内外水电站计算机监控系统的发展现状 1.1.1国外水电站计算机监控系统发展现状 水电站计算机监控系统在国外发展较快，早在上个世纪80年代，计算机监控技术就已经被应用于水电站监控。人们普遍将计算机监控技术、水电站自动控制水平及自动控制功能、性能等技术运用到水电站监控系统上，使得减少了水电站的运行成本。水电站计算机监控系统的特点有集成度高、占地面积小、外部电缆数量少，水电站造价低。早在上个世纪80年代，计算机监控技术就已经被应用于水电站监控。国外水电站自动控制系统主要有两种模式:一种是通用开放型模式;另一种是功能集中专用模式的“专用型”。前者基于可编程控器(PLC)功能分布的“集成型”，技术比较成熟，但是价格较高;后者的功能集中专用，技术不够成熟，但发展潜力很大。国内新建大型水电站多采用计算机控制监控系统，中小型或者运行已久的水电站则大多数使用常规控制设备。根据我国水电站的实际情况，“专用型”计算机监控系统越来越是目前国内应用和研究的重点。 1.1.2国内水电站计算机监控系统发展现状 根据计算机的作用，配置，系统结构，以及控制的层次，功能和操作方法对水电站计算机监控系统进行分类: CASC，即水电站的常规控制设备为主，以计算机的监控为辅; CCSC，水电站常规控制设备和计算机同时进行监控. CCSC方式的两种控制系统可独立运行，结构较复杂，价格较高，优点是两套系统互为备用，可以切换。可靠性高 CBSC，水电站监控以计算机为主，以常规控制设备为辅;水电站监控全部 青铜峡水电站计算机监控系统 由计算机实现。 我国水电站计算机监控系统的应用分以下2 个阶段: 20 世纪80 年代，大、中型水电站计算机监控系统开始逐步建立，主要用于数据收集，越限报警，事件记录，调整有功、无功，机组起动和优化运行等工作，至今已有40 多座大、中型水电站建立了计算机监控系统，取得了良好的社会、经济效益; 20 世纪90年代以前，所建的小型水电站都存在着设备和管理运行方式落后、陈旧、水平低下、安全性能较差、事故发生率高、电能质量差、经济效益低等弊端。自20 世纪90 年代中期开始，陆续实施计算机监控和自动化改造，在已实施计算机监控和自动化改造的小型水电站中，绝大多数水电站的改造是成功的。特别是这一时期推行“无人值班(少人值守)”工作以后，整个水电站机组的自动化程度更是上升到了一个新的阶段。因此，随着计算机及自动化技术的不断快速发展，采用计算机监控和 优化调度是一种必然的选择。 调度系统，实现自动发电、 据统计，我国电力资源分配为:大、中型水电站占到近2/3，小型水电站占到1/3 以上。这些数字也反映了计算机监控技术在我国水电行业有着广泛的应用前景。目前，我国已实施了计算机监控和自动化改造的水电站中，大部分采用以计算机监控为主、常规设备为辅的方式，即CBSC 方式。 目前，我国的大部分水电站对主设备进行了技术改造，机组的辅助设备采用微机调速器和微机励磁系统，机组控制采用计算机监控系统，一些附属设备采用PLC 控制，机组自动化程度上升到一个新的台阶。然而，要想使计算机监控技术发挥更大的效应，就要解决以下几个问题:如何保证系统结构先进;监控网络的可靠性;设备故障风险分散;减少误操作风险;可靠的供电系统;监控系统与机组辅助设备和外部系统之间的通讯;灵活的人机接口功能。而对于小型水电站，目前已经成为我国推进农村电气化的重要途径。但小型水电站在实施计算机监控和自动化改造过程中存在着许多共性的问题。例如，选型时未充分考虑电站容量与单机容量，片面追求设备的可靠性，没有充分考虑电站和机组的具体要求及监控系统的功能，这就不可避免地造成设备资源与资金方面的浪费;另一方面，自动化装置的选择与系统不匹配也是小型水电站计算机监控系统中经常遇到的一个问题，而且，小型水电站普遍还没有实现自动发电控制(AGC)、自动电压控 制(AVC)、上级调度部门的通讯等功能。 通过对现阶段大、中型水电站计算机监控系统与小型水电站计算机监控系统的研究与分析发现，对不同类型的监控系统，要采取不同的对策:加快实现大、中型监控系统数据采集周期短、事件分辨率高、响应速度快的特点，并且要进一步完善其仿真培训、远程诊断维护、通信调度、系统安全措施等要求;对于小型水电站计算机监控系统则要充分考虑自动化装置和元件的选择与系统的匹配关系，以及电站运行人员的技术力量等问题，从而实现提高设备的整体健康水平，保证设备的安全稳定运行。 1.2 水电站计算机监控系统的结构模式和应用原则 水电站计算机监控系统结构模式基本有三种:1)集中式计算机监控系统。水电站计算机监控系统利用一台主控计算机，实集中式监控，配备人机联系，对外通信联系，数据存储设备，根据需要为提高系统可靠性以设置备用主控机。2)功能分散式监控系统。水电站监控指标通过多台计算机完成，每一项任务或一项以上任务都由单独计算机来完成。其主要特征是是功能分散，能让控制系统实现功能、负载、危险、地域分散等功能。能按不同的系统功能设立多套相应的设备，这些设备能独立完成各自的功能。3) 分层分布式监控系统。水电站计算机监控系统分为中央控制层(一般有一台或两台主机，配备人机联系设备)和现地控制层，主要特征是控制对象分散，以控制对象为单元设置多套相应装置，形成控制单元，完成控制对象的数据采集和处理等。该监控方式与电厂分层控制结合应用，形成水电厂分层、分布式控制系统。其特点:用户的可移植性;应用软件的可移植性;不同系统之间的相互操作性。最大优势是系统扩展、升级更新方便，具有开放性，可保护用户的利益。这种模式已广泛应用于在国内外水电厂。 水电站计算机监控系统的应用原则:水电站计算机监控系统因水电站的规模不同而不同。大致可以分为小型水电站计算机监控系统和大、中水电站计算机监控系统。它们的应用原则叙述如下: 1)小型水电站计算机监控系统的应用原则 小型水电站计算机监控系统的应用原则是:以安全、可靠性为主、经济、实用性相结合，力争提高系统的响应速度、可扩展性、可适应性，实现水 青铜峡水电站计算机监控系统 电站的优化运行，减少操作人员，降低运行费用，使水电站实现远程控制操作，实现无人或少人值班。 2)大、中型水电站计算机监控系统的应用原则 就大、中型水电站而言，计算机监控系统的层次结构通常分:梯级调度中心层、站级监控层和现地控制层。其监控系统设计的基本技术原则:现场监控设备应具备可用性、可扩展性、可维护性等特点，数据精度及事件响应指标需满足电力系统的规定，达到电站实际安全生产的要求;应采用双网冗余技术，以提高系统的可靠性;分散设备故障风险，以确保设备的安全运行;降低误操作风险;系统供电可靠。 1.3 水电站计算机监控系统的目的和意义 水电站计算机监控的目的就是通过采集并处理水电站各种设备的信息，实现自动监视、控制、调节、保护，使水轮发电机组所发出的电能的质量得到保证，从而保证水电站水轮发电机组稳定、安全、可靠运行，保证水电站所在区域及地区电网稳定、安全运行，加快水电站机组调节速度及整个电站故障处理速度，使水电站优化运行得以实现。水电站计算机监控系统的意义主要体现在以下几个方面: )提高水电站设备、电网运行的可靠、稳定性 1 计算机监控系统能快速、精准地反映水电站各设备运行的状态和参数，通过设备运行的状态和参数来判断是否正常运行，当设备处于非正常运行情况下时，控制系统将自动发出告警信号以引起操作人员的注意或处理;当水电站设备的运行出现故障时，自动控制系统能及时停机，从而避免了故障的进一步扩大，以造成水电站设备的损坏，同时保证了水电站设备运行的可靠性和电网运行的稳定性。当设备处于正常可靠运行的情况下时，计算机监控系统能自动控制发电机的电压幅值和频率大小，根据电力系统调度的基本要求，实现发、供、用电的平衡调节，进而使水电站发出的电能的质量和电网运行的稳定性得到保障。 2)加快水电站控制、调节过程 计算监控系统被运用于水电站，可加快水电站、机组的调节过程。水电站采用计算机监控系统的逻辑顺序控制和调节规律、计算机硬件和软件 构成，计算机监控系统可根据预设的逻辑控制顺序和调节规律，快速完成各个环节的检查复核，大大加快了控制调节的过程，实现水电站、机组的控制调节。 3)实现水电站优化运行，力求最大的发电效益 由于计算机监控系统技术在水电站的运用，使得水电站运行的自动化得以实现，大大减少了人工对设备操作的工作量，减轻了操作人员的负荷，使水电站实现无人或少人值班，进而降低了水电站的运行及发电成本。另一方面，促使水电站的优化运行功能较易实现，让水电站能根据优化运行 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 给机组分配有用功和无用功，以保证机组高效的运行。根据国内外资料表明，通过水电站的优化运行，可最大限度地利用水能，从某种意义上也就给水电站带来了直接的经济效益。 4)简化设计工作，采用选型的方式进行设计 在常规控制中，电气设计复杂度高，需向厂家提供原理图、布置图、各种继电器的选型后才能成功订货，在采用了自动控制设备集成后，设计者只需提供一次主接线、保护配置及自动化要求即可，使设计、安装和调试工作得以简化。 1.4设计思路 青铜峡水电厂，有9台机组，总装机容量为30.2万千瓦，属于大型水电站。根据青铜峡电站的实际情况，我考虑采用CBSC型计算机监控系统，即水电站监控以计算机为主，以常规控制设备为辅。根据计算机监控系统结构模式特点，本次计算机监控系统结构设计采用分层分布式监控系统 青铜峡水电站计算机监控系统 第二章 青铜峡水电站计算机监控系统设计 2.1青铜峡水电站的基本情况 青铜峡水电站位于黄河中游，是西北电网的调频和调峰电厂。总库容为6.2亿立方米，调节库容为3.2亿立方米。由于泥沙淤积，实际调节库容要小的多。 2.2 水电站计算机监控系统的种类及优缺点 2.2.1 集中式监控系统 早期，计算机比较贵，一般只能设一台计算机对全厂进行集中监控，称作是集中式监控系统。这种结构的特点是不分层，所有的信息都送到唯一的一台计算机中，所有的操作、控制命令都从这台电脑中发出。这种结构的缺点是只要计算机一出故障，整个控制系统就瘫痪，只能改为手动控制运行，性能大大降低，且由于所有信息都要送这台计算机，现场需要敷设很多电缆，机组越多，电缆也越多，这不但增加了投资，而且降低了系统的可靠性。 由于集中式监控系统可靠性较低，已经不太采用，只用在机组台数较少、控制功能简单的中小型水电厂。 2.2.2 功能分散式监控系统 随着计算机价格的下降和水电厂监控系统可靠性要求的提高，为了克服集中监控系统的部分缺点，出现了功能分散式监控系统。这种结构的特点是计算机实现的功能不再由一台计算机来完成，而由多台计算机分别完成。各台计算机只负责完成某一项或一项以上的任务。这是一种横向的分散，功能的分散，如果某一台计算机出故障，只影响某一功能，而其他功能仍然可以设施，可靠性在某种程度有所提高。 功能分散式计算机监控系统仍没有解决集中式监控系统的所有问题。如某个功能装置计算机故障，则全厂的这部分功能均将丧失，影响较大;而 且仍然没有解决要将所有信息集中到一处(电缆)所带来的问题;系统可靠性仍然不高。因此，功能分散式监控系统目前已经很少采用。 2.2.3 分层分布式监控系统 分层分布式监控系统在地域上是分散的，即按控制对象进行分散。水电厂的控制对象是水轮发电机组、开关站、公用设备、溢洪闸门等。按控制对象设置单独的控制单元，称作现代控制单元。电厂控制级也设计算机，它负责一些全厂性功能。电厂控制级本身也可以是功能分散的系统，由多台计算机组成。此时某个机组控制单元发生故障，只影响这一台机组，而不影响整个电厂的运行。由于信息进行了分布处理。即各台机组的信息由各台机组控制单元进行处理，就不必敷设许多电缆将信息送到一处集中处理了，可以节省投资，且由于上述两个原因，整个系统的可靠性得到了显著的提高。由于分层分布式监控系统有以上的优点，它已经取代其他两种类型成为了水电厂监控系统的主要类型。 分层分布式监控系统结构:经过多年的实践，对水电厂分层控制模型已经形成了比较一致的看法，其中有代表性是BBC公司提出的一种划分方法。它将水电站分成四层:与现场设备直接相联的驱动层，功能组控制层，机组控制层(或过程控制层)，电厂控制层。 2.3 青铜峡水电站计算机监控系统结构模式 根据青铜峡水电站的实际情况，拟采用CBSC型计算机监控系统，即水电站监控以计算机为主，以常规控制设备为辅。根据计算机监控系统结构模式特点，本次计算机监控系统结构设计采用分层分布式监控系统，总线网络结构。青铜峡水电站计算机监控系统采用开放式分层全分布系统。 分层分布式水电站计算机监控系统分为电厂控制级和现地控制级两级。青铜峡水电站计算机监控系统的系统结构图如图1-1所示 青铜峡水电站计算机监控系统 19inCRT19inCRT19inCRT19inCRT19inCRT19inCRT19inCRT高密度彩高密度彩高密度彩高密度彩高密度彩高密度彩高密度彩显显显显显显显 双机切换装置 工程师工作操作员工作操作员工作厂级计算机1通信服务站厂级计算机2站站站 GPSDEC3000/300 IPC-610/DEC3000/300DEC3000/30DEC3000/30DEC3000/30时钟系统X 480DXX0X9(ALPHA)0X9(ALPHA)0X9(ALPHA)(ALPHA)(ALPHA) 2号LCU4号机LCU1号机LCU3号机LCU5号机LCU6号LCU7号机LCU8号机LCU9号机LCU开关站LCU公用设备LCUcpu1cpu2cpu1cpu2cpu1cpu2cpu1cpu2cpu1cpu2cpu1cp2cpu1cpu2cpu1cpu2CPU1 CPU2cpu1 cpu2 cpu1 cpu2 机组顺序控机组顺序控机组顺序控机组顺序控机组顺序控机组顺序控机组顺序控机组顺序控机组顺序控制装置制装置制装置制装置制装置制装置制装置制装置制装置温度巡检装温度巡检装温度巡检装温度巡检装温度巡检装温度巡检装温度巡检装温度巡检装温度巡检装置置置置置置置置置 ABB ABB ABB ABB ABB ABB ABB ABB ABBMODCELLMODCELLMODCELLMODCELLMODCELLMODCELLMODCELLMODCELLMODCELL I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O双微机同步双微机同步双微机同步双微机同步双微机同步双微机同步双微机同步双微机同步双微机同步装置装置装置装置装置装置装置装置装置 图1-1 2.3.1 电厂控制级 电厂控制级由下列部分组成: (1)2台厂级计算机，采用64位的DEC3000/300X机，互为热备用。主要功能是，管理全厂的自动化运行，即自动发电控制、自动电压控制、全厂经济运行、历史数据保存，运行 报表 企业所得税申报表下载财务会计报表下载斯维尔报表下载外贸周报表下载关联申报表下载 打印等。 (2)两个操作员工作站，采用DEC3000/300X机，作为运行人员与计算机的人机接口，完成实时的监时与控制。 (3)1个工程师工作站，采用DEC3000/300X机，用来作系统维护，兼有操作员工作站的全部功能。 (4)通信服务站，采用IPC-610/480DX，负责与外界的通信联系。 (5)GPS时钟系统。 (6)双机切换装置，主计算机通过双机切换装置与打印机和其他终端连接。 2.3.2 现地控制级 共有11个现地控制单元，其中9台机组各有一个，开工站1个，公用设备1个。1号机的现地控制单元和2号机的现地控制单元互为热备用;3号机现地控制单元和4号机的现地控制单元互为热备用;5号机的现地控制单元和6号机的现地控制单元互为热备用;7号机的现地控制单元和8号机的现地控制单元互为热备用。现地控制单元完成数据采集与预处理，同时具有控制操作与监视功能，提供现地控制的人机接口。 整个系统采用双光纤以太网连接，实现资源共享和高速通信，系统高度冗余。 青铜峡水电站计算机监控系统 第三章 青铜峡水电站现地控制单元结构模式设计 3.1现地控制单元发展现状 早期，水电站现地控制单元采用由继电器构成的机组自动屏。它具有触 点装置，动作状态比较直观，且在水电厂运行多年，因此电厂的运行维护人员对它非常熟悉，一般来说 ，它还是可以完成基本功能要求，但继电器构成在系统具有一系列在严重缺点:完成的功能有限，没有计算肯存贮功能;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。由于上诉缺点，它不宜直接构成计算机监控系统的机组控制级。 后来，发展成采用固态元件构成在布线逻辑装置来完成机组自动控制功能的机组自动屏。有触点控制变成了无触点控制，可靠性得到增强，维护工作量减少，实现的功能也可以有所增加。它仍存在一系列严重缺点:缺少存贮功能;缺乏计算处理功能;增加电厂厂级计算机在负担;布线逻辑装置普遍存在缺点，如可扩展性差、灵活性差等。 随着计算机技术在高速发展其性价比不断提高，以及计算机监控系统技术的日益成熟，二十世纪80年代以来的新建大型水电厂，其控制系统的现地控制装置相继采用计算机结构。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。采用现地控制单元具有许多优点: (1) 硬件接线在简化及计算机模块化结构设计使可靠性及可维护性大大 提高 (2) 功能强，具有计算处理肯存贮功能 (3) 可变性及可扩充性功能增强。 (4) 由于微处理器特别是可编程控制器在恶劣条件下运行在适应能力愈 来愈强，可以直接布置在靠近生产过程设备在附近，大大减少了控 制电量在数量，节省投资。 (5) 可以实现自诊断，及时发现控制系统中的故障，以便采取措施加以 排除，从而提高了系统在可靠性，保证电厂设备在安全运行。 (6) 机组在正常开/停具有很多大在灵活性 (7) 可以根据轴承瓦温或油槽油温的趋势分析，决定是否停机; (8) 在开机时，可根据相关在统计数据，对冗余设备实现自动选择和操 作; 现地控制单元的功能:数据采集功能、数据处理功能、控制与调节功能、通信功能、时钟同步功能、自诊断及自恢复功能和人机接口功能等。 3.2现地控制单元的结构类型及适用情况 3.2.1 基于高性能可编程控制器的现代控制单元 采用高性能可编程控制器构成的机组现地控制单元配置情况如图3-1 这样的机组现地控制单元大致由控制器、智能I/O模块以及冗余现场总线、模拟量采集装置等几个部分组成。 冗余电厂网络 控制器控制器 CPUCPU通信模块通信模块通信模块通信模块 电源模块通信模块通信模块电源模块 冗余现场总线 智能I/O智能I/O CPUCPUCPUCPU 内部总线 温度采电量采微机微机励磁微机保护集装置集装置调速器调节器装置I/0I/0I/0I/0 过程设备 青铜峡水电站计算机监控系统 图3-1以高性能可编程控制器为基础构成的机组 现地控制单元硬件配置框图 1. 控制器 控制器作为核心部件，负责过程设备的数据采集处理、控制和调整以及电厂级系统的通信，它大致包含以下几个部分: (1) CPU。为了保证监控系统功能要求，CPU至少应该是Intel80186系列 及以上的产品或其他类似产品。主频一般应不低于16MHz。对于大、 中型机组，一般应采用双CPU冗余结构，双CPU以主热备用方式运 行;对于小型机组，则可以考虑只配置一个CPU。 (2) 存贮器。每个控制器的CPU均应配置存贮器，存贮器容量配置以满 足现地控制单元功能为原则，容量应尽可能配置大一些。 (3) 通信模块。一般，每个控制器应配置二个通信模块，用于与计算机 监控系统的冗余电厂网络接口，对于采用单总线网络的，则配置一 个通信模块。 (4) 电源模块。为了保证可靠性，每个控制器应配置电源模块。 2. 智能I/O模件。 智能I/O模件应配置有自己的CPU、相应的存贮器及与现场总线连接的通信接口和各种I/O模块。图1-2所示的智能I/O模件采用的是双CPU结构，相应的电源也应是冗余的。对于小机组，可以采用单CPU结构。 3.2.2基于工控机或微处理器(带一般I/,或智能，/,)的 现代控制单元 1.工控机或微处理器加一般I/O加智能I/O的结构。 这种结构一般由主控制器、子控制器和现场总线三个部分组成。如图3-2所示。 冗余电厂网络 主控制器 CPU1通信模块通信模块CPU2 内部总线 通信模块通信模块I/OI/O 现场总线(Field Bus) 子控制器子控制器子控制器子控制器子控制器子控制器 微机微机励磁微机保护远程I/0远程I/0其他调速器调节器装置 图3-2以工控机加一般I/O加智能I/O构成的机组 现地控制单元硬件配置框图 (1) 主控制器 一般由CPU(含内存器)、通信模板、I/O，模板等几个部分组成 对于采用全计算机监控系统的电厂，CPU应尽可能采用冗余配置，对于采用非全计算机监控系统的电厂或单机容量较小的电厂，则可以考虑只配置一个CPU;通信模块，用于电厂网络接口的通信模块一般应采用冗余配置。用于连接现场总线的通信模块可根据需要采取冗余或非冗余配置;I/O模板，用于连接过程设备的I/O模板，一般根据现地控制单元的I/O点数加以考虑。子控制器可以是远程I/O、微机调速器、微机励磁调节器、微机保护装置、微机温度采集装置和微机电量采集装置等;现场总线用于将子控制器和主控制器连接在一起，它可以是双总线，也可以是单总线。 3. 工控机或微处理器加一般I/O的结构 结构图如图3-3所示.由于这种结构不提供智能I/O接口，因此，所有的I/O信号均经过I/O接口板直接与I/O模板连接。所有模拟量信号均通过变送器连接模拟量输入通道，控制输出继电器隔离输出。 青铜峡水电站计算机监控系统 冗余电厂网络 CPU1通信模块通信模块CPU2 内部总线 I/OI/O 过程I/O设备 图3-3以工控机或微处理器加一般I/O为基础构成的机组 现地控制单元硬件配置图 3.2.3 基于工控机加可编程控制器(简称为可编程或PLC)的现代控制单元 这种结构在国外很少见，而在国内采用的较多。其优点有: (1) 能够采用当今流行的操作系统和高级语言来编程。 (2) 现地人机接口界面可以做的较为丰富。 (3) 现地数据库功能可以得到加强。 这种结构的不足之处在于: (1) 与只采用可编程构成的现地控制单元相比，这种结构多了工业微机 这一道中间环节，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，系统的可利用率和可靠性也会降低。 (2) 由于温度测量装置直接与工业微机通信，因此，可编程无法对有关 机组瓦温或油温上升趋势进行分析，这部分工作只能有工业微机来 完成。当机组瓦温或油温上升趋势过快需要紧急停机时，只能有工 业微机启动可编程中的紧急停机程序来执行紧急停机，这样有可能 影响停机的速度。 结构图如图3-4所示 王定一等编著 水电厂计算机监视与控制 电厂网络 工控机 多串口模板 微机励磁调节可编程电量采集装置温度采集装置微机调速器微机保护装置器图 3-4由工控机加可编程控制器构成的机组 现地控制单元硬件配置框图 3.3 青铜峡水电站现地控制单元的结构类型选择 青铜峡电厂为调峰和调频电厂，机组应能在任何时候都要迅速、准确地完成开停机并网操作。带工控机的现地控制单元结构类型，由于增加了工控机这一环节，降低了系统的可靠性和可利用率。综合考虑以上结构类型的特点和青铜峡水电站的要求，青铜峡电站的现地控制单元硬件配置采用以高性能可编程控制器为基础的结构，结构图如图3-5所示，LCU1,LCU9为机组现地控制单元，LCU10为开关站现地控制单元，LCU11为公共设备现地控制单元。 冗余光纤以太网 LCU10LCU1LCU9LCU11 S7-400S7-400S7-400S7-400 GPS 图3-5青铜峡水电站计算机监控系统现地控制单元 硬件配置框图 青铜峡水电站计算机监控系统 3.4 青铜峡水电厂数据采集输入量与输出量 3.4.1 水电厂数据采集和处理要求 水电厂数据采集给计算机监控系统提供大量的过程信息，它是计算机监控系统最基本的功能。数据采集功能的好坏会直接影响整个系统的品质。为实现计算机监控任务，水电厂数据采集应该满足:实时性、可靠性、准确性、简易性和灵活性要求。 在数据采集系统中，为满足控制要求，从对过程设备的操纵，到采集数据的传输或数据存储，必须将采集的数据进行相应的处理。水电站计算机监控系统的数据处理必须满足下列要求: (1) 数字输入状态量的处理 数字状态输入量的数据处理应包括下列内容:地址/标记名处理;扫查处理;扫查允许/禁止处理;状态变位处理;输入抖动处理;报警处理。 (2) 模拟输入量处理 模拟输入量大数据处理应包括下列内容:地址/标记名处理;扫查速率处理;扫查允许/禁止处理;工程量变换处理;测量零值处理;测量死区处理;测量上、下限值处理;测量合理限制处理;测量上、下限制死区处理;越线报警处理。 3) 数字SOE输入量的处理 ( 数字SOE输入量的数据处理应包括下列内容:地址/标记名处理;扫查速率处理;扫查允许/禁止处理;防接点抖动处理;状态变位处理。时间标记处理;报警处理。 (4) 数字脉冲输入量的处理 数字脉冲输入量的数据处理应包括数字状态连的处理功能之外，还要求有脉冲计算冻结处理机脉冲计数溢出处理。 (5) 趋势记录处理 某些模拟输入量的变化趋势处理有利于监控运行和维护管理，如轴承温度、定子绕组温度、变压器油温、轴承油位等变化趋势，可以按不同的间隔时间(采样时间)做成趋势显示曲线。一般采用短趋势记录较多，如取5s、15s、1min为间隔时间，可做成1月或1年的记录。趋势记录的采样值可以设置长趋势记录，按1h或1d为间隔时间，可做成1月或1年的记录。趋势记录的采样值可取即时制、平均值。 (6) 追忆记录处理 追忆记录处理时对一些模拟输入量进行段时段的记录，一旦遇到事故发生就将此记录保存下来，无事故发生就重新刷新。一个完整的追忆记录一般可以分为三个时段，即事故前段、事故时段和事故后时段，按照需要， 这三个时段和采样间隔时间可以不同。 (7) 历史数据处理 为了便于水电站的生产管理，需要对实时数据进行统计分析，也就是要对实时数据做集中和计算处理，一般要求建立的历史数据按如下进行分类: 最小值类。 趋势类;累加类;平均值类;最大/ 3.4.2 青铜峡水电厂监控测点布置 1.水电厂计算机监控系统数据采集应能实现以下目标: (1) 应能自动(定时和随机)采集各类实时数据，数据类型包括模拟 量、数字输入状态量(开关量)、数字输入脉冲量、数字输入BCD码、数字输入事件顺序量(SOE)、外部链路数据。 (2) 在事故或故障情况下，应能自动采集事故、故障发生时刻的各类数 据。 采集数据根据其特征分类如下: 模拟量:a.电气模拟量，包括电流、电压、功率、频率的变换量 b.非电气模拟量，包括温度、压力、流量、液位、振动、位移、气隙等非电气模拟量经各类变换器变换成的电气模拟量. 数字输入量:数字输入量类型按水电厂应用需求及其信息特征可分为五种类型，即数字状态类型、数字报警类型、事件顺序记录(SOE)点类型、脉冲累加点类型和BCD码类型。 2.青铜峡水电厂监控测点的布置 根据水电厂计算机监控系统设计规定，单机容量为100MW及以下时，需要监视的机组非电量一般不超过50个。青铜峡水电厂的单机容量都在100MW以下，故青铜峡水电厂计算机监控系统非电气模拟量参数测点取38个，其中压力测点10个，液位测点9个，油混水5个，流量7个，绝对振动3个，摆度4个。压力测点包括，水轮机蜗壳进口和尾部、尾水管进出口、肘管内外和顶盖的真空、技术供水总管、油压装置压油槽等;液位测点包括，上导轴承、推力轴承和水导轴承油槽，水轮机顶盖，调速系统油压装置的回油箱，机组漏油箱，尾水管调相水位，上游水位，下游水位，尾水位;油混水测点包括，上导油槽、推力轴承油槽、水导轴承油槽，漏油箱和油 青铜峡水电站计算机监控系统 压装置的回油箱。流量测点包括，蜗壳、上导轴承冷却水、推力轴承冷却水、水导轴承冷却水、空气冷却器冷却水、主轴密封润滑水和技术供水总排水量。机组摆度测点包括，上导和水导轴承X、Y方向各设两个测点。绝对振动测点包括，发电机上机架、推力轴承架和水轮机顶盖3个部位。 机组电气模拟量输入测点12个，包括三相电流(A,B,C)，三相电压(AB,BC,CA)，有功功率，无功功率，功率因素，发电机出口频率，有功电度，无功电度。 机组开关量输入测点78，包括蝶阀全开/关位置，过电流，过电压，导叶全开/关，导叶空载位置，导叶锁定投入/拔出位置，桨叶开启位置，主轴密封水中断，冷却水电动阀开启/关闭位置，油压装置隔离开关关闭/开启位置，导叶推力冷却水中断位置，调速器故障励磁故障，导叶失控位置，手动开启/关闭蝶阀，蝶阀部分开启位置，导叶投制动位置，导叶投锁锭位 分闸位置，事故/故障手动复归置，灭磁开关分闸位置，发电机开关合闸/ 按钮，机组制动闸复位位置，机组制动闸复位投入位置机械制动投入位置，机组25%转速投入机械制动闸，机组50%转速转速投入电气制动阀，机组90%转速投入水轮机油槽位保护，机组95%投入励磁，，机组电气一级过速155%转速，机组电气二级过速115%转速，机组1%-5%低转速监视，手动开机/停机，手动紧急停机，油压装置油泵自动/启动位置，发电机隔离开关QS合闸位置，发电机开关操作操作回路故障，发电机保护装置电影故障，励磁装置起励失败故障，励磁装置PT/过励/CPU/调节器/低频过压/欠励磁/风机/故障，励磁装置逆变灭磁失败，励磁装置快速熔丝熔断，励磁装置过励，励磁装置电源故障，机组灭磁开关合闸位置，油压装置油泵故障，冷却水电动阀电源故障，机组灭火电动阀开启/关闭位置，调速器油路压力下降，机组励磁变隔离开关合闸/分闸位置，发电机压变隔离开关合闸/分闸位置，励磁变隔离开关合闸/分闸位置，主变110KV侧开关分/合位，主变压器故障，低频解列，欠压解列 机组开关量输出测点63，开/关导叶，音响报警，开/关阀门，合闸，储能动作，分闸，合闸指示，分闸指示，水阻投入，调速器导叶开启/关闭电磁阀，油压装置隔离阀开启/关闭，导叶锁锭电磁阀拔出/投入，导叶慢关电机磁阀，导叶开启命令,调速器反馈设定，机组负荷(频率)增加/减少， 桨叶开启命令，桨叶位置预值，导叶位置预值，机械制动电磁阀投入/复归，冷却水电动蝶阀开启，油压装置压力油罐补气电磁阀，机组PLC装置故障，冷却水电动阀关闭，油压装置油泵启动，机组发电机保护及水机事故联跳发电机开关，机组发电机开关合闸，机组励磁增加/减少，自动准同期装置投入，机组无功调节投入，机组水机故障信号，机组调速器装置故障，机组励磁装置故障，机组灭磁开关合闸，投励磁调节器，推励磁调节器，机组励磁停机逆变灭磁，机组分灭磁开关，机组无功调节退出，机组励磁装置投入电网频率/电压跟踪，机组无功增加/减少，机组紧急停机状态信号灯，机组开机准备好信号灯，机组发电状态信号灯，机组温度升高信号灯，机组温度过高信号灯，机组轴承油位不正常信号灯，机组开机/停机未完成信号灯，开机指示，机组电气事故信号，机组电气故障信号，机组PLC运行状态。 青铜峡水电站计算机监控系统 第四章 青铜峡水电站现代控制单元的PLC类型和模块选择及组态 4.1 PLC类型选择 由第三章可知，青铜峡水电站的输入测点为128，输出测点为68.在机组现地控制单元的设计过程中，已经选取了西门子公司的S7-400系列PLC。S7-400系列PLC是快速、高性能、坚固设计、通用型功率PLC，它能满足中高性能要求的应用，在国内有部分水电厂采用了以S7-400PLC为基础的现地控制单元。青铜峡水电厂共有九台机组中，有七台机组的单机容量是3.6万千瓦，其他两台机组的单机容量分别是2万千瓦和3万千瓦，S7-400PLC能满足控制要求。青铜峡水电厂的监控系统按“无人值班，少人值守”的原则进行设计。综合考虑监控任务和经济性等要求，选择S7-400H PLC。S7-400H PLC是西门子提供的冗余PLC,为双机架硬件级热备产品，通过主、从两个机架，两套完整独立的系统，两套机架上的热备单元通过光纤通讯。 S7-400H PLC包括以下几个部件: (1)2个中央控制器(机架):2个分立的中央控制器UR1/UR2，或1个分割为2个区的中央控制器UR2-H; (2)每个中央控制器有2个同步模板，通过光纤连接这两个控制器; (3)每个中央控制器有一个CPU414-4H或CPU417-4H; (4)在中央控制器中架有S7-400I/O模板; (5)UR1/UR2/ER1/ER2扩展单元，与/或有I/O模板组的ET200M分布式I/O。 中央功能总是冗余配置的，I/O模板可以是常规配置或者切换型配置。 必备附件，如PROFIBUS屏蔽电缆及网络连接器等。 4.2 PLC模块选择 4.2.1 CPU模块选择 S7-400H PLC有两种容错CPU,分别是CPU414-4H或CPU417-4H。两种CPU 都可配置为容错式S7-4OOH系统。两种CPU所带的集成PROFIBUS-DP接口能作为主站直接连接到PROFIBUS-DP现场总线。CPU414-4H用于SIMATIC S7-400H和S7-400F/FH。CPU417-4H是SIMATICS7-400H和S7-400F/FH中功能最强的。综合考虑控制要求选择CPU417-4H。CPU417-4H大约为原CPU的2.5倍，内存为20MByte。CPU417-4H配置如下: (1) 高性能的处理器:CPU处理每条二进制指令的时间极快，只需0.1 μ,。 (2) 4MBRAM,可扩展到20MB。 (3) 灵活的扩展能力，最大128KB的数字量的输入/输出和8K的模拟 量的输入/输出。 (4) 模式选择器，为钥匙开关，取出模式选择器可限制对用户数据的 访问， (5) 块保护，除了钥匙开关外，口令保护可防止非法访问用户程序。 (6) 诊断器，最后120个故障和中断事件被保存在一个环形缓冲器中， 供诊断使用。 (7) 集成式HMI服务 (8) 实时时钟，把从CPU来的诊断信息标记上日期和时间。 (9) 存贮器卡 (10) PROFIBUS-DP接口，带PROFIBUS-DP主站接口的CPU417-4H能构 成高速和简化操作的分布式自动化系统。 CPU417-4H的同步模板，型号为IF-964 DP PROFIBUS。IF-964 DP PROFIBUS 用于连接PROFIBUS DP作为主站。传输速率为9kbit/s至12mbit/s。通过9针Sub-D插座连接。 4.2.2 I/O模块选择 I/O模块主要完成I/O信号的采集及输出，并对信号进行一定的预处理。S7-400H PLC的I/O模块分为常规的I/O(单边配置)和增加可靠性的I/O(切换式配置)两种。 青铜峡水电站计算机监控系统 在单边配置中，I/O模板是单通道设计的，只能由二个中央控制中的一个配置地址。单边配置的I/O模块可进行:插入到一个中央控制器，或插入到扩展机架或分布式I/O站。在单边配置中，读到的信息同时提供给2个中央控制器，使访问的I/O的操作正确地进行。如发生故障，属于故障的控制器的I/O模板退出运行，单边配置适用于以下两种情况: (1) 不需要增加可靠性的应用场合; (2) 连接到以用户程序为基础的冗余I/O站，基于此种目的，系统必须 对称布置。 在切换式装置中，I/O模板虽然单通道设计，但是二个中央控制器均可通过冗余的PROFIBUS-DP网络访问I/O模板。切换式I/O模板只能插入ET200M远程I/O站。通过PROFIBUS-DP连接到中央控制器可切换的ET200M 两个子单元中。 I/O模板的冗余有两种方式: (1)在两个可切换的ET200M中用两个相同的I/O模板; (2)用两个相同的模板，每个都可以分配给2个子单元中的任何一个子单元。 FM和CP的冗余。功能模板(FM)和通讯模板有两种冗余配置: (1) 可切换的冗余设置，FM/CP可插到分立的ET200M中，或成对的插入 到可切换的ET200M中的一个。 (2) 双通道冗余配置，FM/CP可插到两个子单元或者是和这些子单元接口 的扩展设备中。 从监控系统的可靠性考虑，I/O模块应选择增加可靠性(切换式配置)模块，即ET200M分布式I/O设备。 在S7-400H冗余系统中，通常配置冗余连接的ET200M。此时，需要配置2个IM153-2接口模块、I/O模块、用于热插拔的总线模块BM(即有源底板，包括用于接口模块的总线模块和用于I/O模块的总线模块)、DIN深槽导轨等。 1.数字量输入模块 数字量输入模板将外部过程发送的数字信号电平转换成S7-400内部的信号电平。输入模块型号为SM 421 DI 16×DC24V。其特性如下:输入点为 16;额定输入电压为直流24V;适用于开关和2/3/4线接近开关;每组8个通道有2个短路保护传感器电源;内部故障(INTF)和外部故障(EXTF)的组错误显示;可编程诊断;可编程诊断中断;可编程硬件中断;可编程硬件中断;可编程输入延迟;输入范围内的可编程替换值。 2.数字量输出模块 数字量输出模板将S7-400H的内部信号电平转换成过程所需要的外部信号电平。数字量输出模块的型号为SM 422 DI 16×DC20-125V/1.5A。其特性如下:输出点为16;额定负载电压为直流20到125V;输出电流为1.5A;内部故障(INTF)和外部故障(EXTF)的组错误显示;可编程诊断;可编程诊断中断;可编程替换值输出。 3.模拟量输入/输出模块 模拟量输入模块把用于来自传感变送器等设备的诸如压力、液位、温度 400H PLC可以处理的数字信号。模拟量输入模块等模拟量信号转换为S7- 的型号选择SM431 AI16×16(-7QH00-)，16AI用于U/I/温度测量，8AI用于电阻测量分，分辨率是16位。需要外部电源电压24VDC(仅限电流2-DMU)。2-DMU是2线传感器。 模拟量输出模块把从S7-400H PLC来的数字输出量转换过程用的模拟量信号。模拟量输出模块的型号选择SM432;A08×13位(-1HF00-)。8点输出，分辨率为13位。 4.2.3 通讯模块选 根据《S7-400选型手册》，通讯模块选择CP443-5扩展型。CP443-5扩展通讯处理是PROFIBUS总线系统中SIMATIC S7-400所需的模板。它减轻了CPU的通讯任务并进一步增加连接性能。带有通讯模板的S7-400的通讯可以作为PROFIBUS-DP的主站，符合IEC61158/EN50170标准。CP443-5通讯处理器具有S7-400设计的所有优点:紧凑的设计，9针Sub-D插座由于与PROFIBUS-DP的连接;单宽度模板;安装简便;用户友好的接线;CP443-5扩展型可以无风扇运行。既不需要后备电池也不需要存储器模板;最多可操作16个CP。如果CP443-5扩展型作为DP主站运行则可组态至少4个最多10个附加的PROFIBUS线路。CP443-5扩展型通讯模块的技术 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 : 青铜峡水电站计算机监控系统 (1) 数据传输率为9.6 kbit/s-12Mbit/s (2) 电源电压5V DC?5,或者24V DC?5, (3) 从5V DC的电流消耗诶1.3A, (4) 功率损失为6.5W 4.2.4 电源模块选择 S7-400的电源模块通过背板总线向机架的其他模块供给工作电压，不给信号模块提供负载电压。S7-400的冗余电源有以下特性: (1) 电源模块的特点是其冲击电流符合NAMUR标准。 (2) 每个电源模块在另一个电源模块失效时能够向整个机架供电。运行 不受影响。 (3) 系统运行时可以调换各电源模块。取下或插入模块时，有效电压不 会出现功率损失或峰值应力。 (4) 各电源模块监控各自的功能并失效时发送一条消息。 (5) 各电源模块生成的错误，不会影响其它电源模块的输出电压， (6) 仅当各电源模块中使用两块备用电池时，才满足冗余电池概念。如 果每个模块中只使用一块备用电池，只可能实现非冗余备用，因为 这两块电池会同时使用。 (7) 通过插入和拔出中断来记录电源模块的故障。如果在CR2的第二个 区段中使用，则电源模块出现故障时不会发送消息。 (8) 如果插了两个电源模块但只打开了一个模块，则接通线路电压时， 会有多达1分钟的加电延迟。 电源模块的冗余电源模块型号为PS 407 10A ，输入电压为88到264VDC,输出电压为24VDC/1A。应用于S7-400H PLC。 4.3 组态 每一台机组的非电气模拟量输入测点为38，电气模拟量输入测点为12，开关量输入测点为78，开关量输出测点为63。 每台机组的现地控制单元PLC硬件配置如下: (1)2个中央控制器(机架):2个分立的中央控制器UR1/UR2; (2)每个中央控制器有2个同步模板，通过光纤连接这两个控制器; (3)每个中央控制器有一个CPU417-4H (4)以太网模块CP443-5扩展型两块 (5)电源模块PS 407 10A四块。 (6)ETM200分布式I/O,其配置规格为，配置规格如下: ? IM153-2高性能接口模块(PROFIBUS-DP Link)2块 ? IM总线模块(有源底板)，用于安装/连接2个IM153-2高性能模块 ? I/O模块，数字量输入模块SM 421 DI 16×DC24V六块，数字量输出模 块SM 422 DI 16×DC20-125V/1.5A五块，模拟量输入模块SM431 AI16 ×16四块。 ? 数字量输出模块 I/O总线模块，BM2×40用于安装/连接2个40mm宽的 I/O模块 ? 用于热插拔的DIN深槽导轨 所选模块的链接方式有多种，图4-1所示是其中一种。 主机模块1模块2模块3 CPU417-4HCP443-5扩展型IM153-2ET200M 图4-1模块链接方式 第五章 水电站机组顺序控制程序设计 青铜峡水电站计算机监控系统 5.1 水电站机组顺序控制内容及实现 常规水电厂机组顺序控制的自动操作是发电、停机和调相三个状态之间的转换。机组自动操作要求以一个脉动自动按预定的顺序完成开机发电、卸载停机、发电转调相、调相转发电、开机调相、调相转停机等，其操作对象包括水轮发电机组及调速器、励磁系统、制动装置等附设设备。 顺序控制是指生产设备及生产过程根据工艺要求按照逻辑运算、顺序操作，定时和计数等规则，通过预先编制的程序，在现场输入信号作用下，使执行机构按预定程序动作，实现以开关量为主的自动控制。水电厂机组顺序控制也是这样。其输入主要是一一些按钮、按点、行程开关、限位开关、动断触点等开关量为主的控制信号。输出为继电器、电磁阀等驱动元件。内部控制部分有定时器、计数器、中间继电器等器件，以及许多常开、常闭触点。 传统的水电厂机组顺序控制中是由继电器控制屏来实现的。由于设备体 积大、动作速度慢、接线复杂，通用性、灵活性较差，维护工作量大，维修也相当困难，特别是可靠性差，没有计算和存储功能，与水电厂站的其它计算机控制系统联接需要许多接口设备，而PLC控制系统克服继电器控制的弱点，把计算机技术与继电器控制技术有机地结合起来，为工业自动化提供了更加先进的现代化控制装置。 在遵循满足要求、安全可靠、经济实用、适应发展等原则完成系统设计后编制程序时，首先要根据整个水力发电机组控制过程的要求把程序分块，即考虑整个程序分成开机发电、卸载停机、发电转调相、调相转发电、开机调相、调相转停机等六块，其次是合理利用指令，严格注意信号名称定义，利用各种方法正确地编写各个程序块的程序。然后经过单元调试、软硬件联调与系统总调，对程序进行修改，经过一定时间运行考验，方可投入实际现场工作。将发电控制程序实行分块结构具有工程实用性。 5.2 水电站机组顺序控制设计原则 顺序操作程序的设计原则: (1) 在操作人员发出机组操作命令后，微机可以自动按预先设定的流程 完成全部的操作，也可以在操作人员的干预下进行单步操作。 (2) 停机命令优先于发电和调相命令，并在开机过程中、发电状态和调 相状态下均可以执行停机命令。一旦停机命令被选中，其他控制均 被禁止。 (3) 操作过程中的每一步操作，均设置启动条件或以上一步操作成功为 条件，仅当启动条件具备后，才解除对下一步操作的闭锁，允许下 一步操作。若操作条件未具备，根据操作要求，中断操作过程使程 序退出或发出故障信号后继续执行， (4) 对每一操作命令，均检查其执行情况。当某一步操作失败使设备处 于不允许的运行状态，程序设置相应的控制，使设备进入某一稳定 的运行状态。 (5) 操作过程中(除停机过程)，若机组设备发生事故，或运行状态变 化，不允许操作继续进行时，应自动中断过程使程序退出。 5.3机组顺序控制框图设计 5.3.1.机组起动操作程序框图, 如图4-1所示 机组无事故制动阀无压接力器锁锭拔出断路器跳开 起动装备继电器动作，开机准备灯亮 发出开机令 机组起动继电器动作 投入发电机灭磁开关QDM接入准同期装置 总冷却水投入 开度限制器开至起动开度开机电磁阀动作蝶阀已开启 图4-1机组启动操作程序框图 导叶开启，当n=95%时准同期装置投入 同期条件满足机组并入电网 发电状态指示灯亮开限制动全开 机组带上预定负荷 起动继电器复归操作调整负荷 青铜峡水电站计算机监控系统 5.3.2.机组停机操作程序框图，如图4-2所示 发出停机令 机组停机继电器动作事故停机动作 转速调整机构反转卸负荷至空载 停机电磁阀动作，导叶全关断路器跳闸，机组与电网解列 机组转速下降至35%Nr开度限制机构全关 制动电磁空气阀开启图4-2机组停机操作程序框图 5.3.3机组由发电转调相程序框图，如图4-3所示 停机复归时间继电器投入压缩空气进入制动阀 到达整定时间后动作机组停机继电器复归 制动解除总冷却水关闭 发出调相令 调相动作继电器动作 机组负荷至空载开限自动开关 导水叶全关调相压水指示灯亮 图4-3机组发电转调相程序框图设计 调相压水控制装置投入 5.3.4 机组调相转发电程序框图，如图4-4所示 调相动作继电器复归 发开机令 给气阀开启 开机继电器动作 开限开至启动开度开机电磁阀动作转速调整机构正转，机组带上预定负荷 发电状态指示灯亮转轮室水位压与下限 调相运行继电器复归 开机继电器复归 给气阀和补气阀关闭开限自动全开给气阀关闭 图4-4机组调相转发电程序框图设计 5.4水电站机组开停机PLC程序 青铜峡水电站计算机监控系统 青铜峡水电站计算机监控系统 第六章 水电站机组水电站自动发电控制(AGC)算法选 择 6.1水电厂自动发电控制算法种类及适用情况 水电厂自动发电控制是电网自动发电控制的一个子系统。如何实现电网分配给电厂的需发功率是水电厂自动发电控制的任务。因此水电厂自动发电控制的任务可以归纳为，在满足各项限制条件的前提下，以迅速、经济的方式控制整个有功功率来满足系统的需要。具(王定一等，水电厂计算机监视与控制)。宁夏青铜峡水电站是西北电网的调峰、调频电厂，总装机容量为30.,万千瓦。青铜峡水电厂自动发电控制(AGC)相应的 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 模型可以描述为: N minC,minuQ(P),iiiN,1i 约束条件为: uP,P,iidN,1i up,p，p,maxigids,1ip,p,p iminiimax 其中u=1表示机组运行,u=0表示机组停机。式(2)表示电厂的功率平ii 衡要求，P表示i时段的水电厂的负荷要求;式(3)表示机组容量除满足d 当时的功率平衡要求外，还能满足旋转备用要求，P表示旋转备用要求;s 式(4)表示机组出力的上下限要求。 模型中还需要考虑实际运行中对电厂和机组的其他要求，如:避开机组气蚀振动区、机组起停要求、水库水位约束、下游泄水量等。(伍永刚，水电厂AGC策略与技术实现) 6.1.1水轮机组效率曲线交点法 当水电厂装设相同机组时，即可采用水轮机组合效率曲线交点法求出最佳运行机组数，如图7-1所示。 具体方法是根据制造厂提供的水轮机模型特性曲线，求出各种水头下不同运行机组数是的效率特性曲线?=f(P,H,n),又称水轮机组组合效率曲线。将不同水头下的水轮机机组组合效率曲线绘制在同一坐标中，其中水头按从高到低分布。分别找出高水头和低水头下水轮机组组合效率曲线的交点。 青铜峡水电站计算机监控系统 将高低水头下相同运行机组台数的交点连接起来。就得到了不同水头下的理论开停机特性曲线。这种方法应用仅限于设有相同机组的水电厂，当水电设有不同机组，或者运行多年后各台机组动力特性相差较大时，就不能采用此法。 cba电厂实发功率PGTd 34251 η(%) c1b1a1 d1 P图6-1水轮机组合效率曲线 图7-1中，1,2,3,4，„,表示机组运行数，上部曲线代表高水头，下部曲线代表低水头。 6.1.2功率反馈法 此法的中心思想是，在运行中调整各台机组的出力或启停，使各台机组均运行于水轮机效率曲线的最高点附近，通常取?1%。此法的优点是算法简单。但是，从理论上来说，电厂设有不同机组时，它不能给出最佳运行机组的组合。此外，此法确定运行最佳运行机组数和组合数是在运行中不断启停和调整机组功率来实现的，因此时间需要时间较长。 6.1.3动态规划法 动态规划法是运筹学的一个分支。它是解决多阶段决策过程最优化的一种方法。多阶段过程，由于其特殊性，可将过程划分为若干相互联系的阶段，在它的每一个阶段都需作出决策，并且每一阶段的决策确定以后，常影响下一个阶段的决策，从而影响整个过程的活动路线。现在，将其运用 到水电厂自动发电控制上来。目标函数、联系方程和限制方程前面已作介绍。我们把不同机组数参加运行看成不同的阶段。此法的最大优点是，可以允许电厂设有不同的机组，并且同时可以确定那台机运行，各运行机组发多少功率。但缺点是动态规划法的计算工作量比较大，因此不适用与机组台数较多的水电厂。 6.1.4开停机指标数法 确定各种类型最佳运行机组数以后，还应确定各种类型机组应运行的机组台号。确定应运行机组的台号时，不仅应考虑经济因素，还应考虑安全因素。开停机指标数法是确定那台机组运行时，先考虑下列因素: a. 机组停机至少已满足某一时间(该时间由具体情况而定)。 b. 并入系统运行累计时间最短的机组优先开。 距上次停机时间长达n天的优先开(n的具体值由具体情况而定)。 c. 在确定那台机停运时，需考虑下列因素: a. 机组并入系统运行至少已满足某一时间(该时间由具体情况而定)。 b. 并入系统运行累计时间最长的机组优先停。 c. 至少要用机组供厂用电。 6.1.5等微增率法 当运行机组台号确定后，下一步要解决各运行机组带多少负荷最经济的问题。如果电厂安装相同的机组，而且机组的动力特性差不大时，最简单的方法是，等负荷分配。这样做，最容易实施，计算时间最短。但如果水电厂安装有不同机组，或者各机组动力特性相差较大时，按等负荷分配会导致不经济。这时，最经济的是采用等微增率分配机组间负荷。等微增率法要求机组的微增率特性是单调上升的，即所谓凸函数，如果不满足，应做适当修正。 6.1.6 拉格朗日算子法 青铜峡水电站计算机监控系统 拉格朗日算子法解决的是各台机经济负荷分配。此法的关键是，要找到适当的二次多项式来表示机组流量—功率特性。一般要求用最小二乘法来对原始特性进行逼近。 6.1.7 遗传算法 机组优化组合含有大量的0—1变量和连续变量，优化问题所涉及的限制因素比较多，解空间较大，且参变量和目标值的关系相当复杂，是一个高维数、离散的、非凸的、非结构化问题，即NP完全问题。目前，对于这类混合变量组合问题的常用求解方法有:优先顺序法、动态规划法、混合整数规划法、局部寻优法、拉格朗日松弛法和遗传算法等。遗传算法规避了结果粗糙，维数灾，目标函数性态约束等缺点，通过自然选择和杂交变异等遗传操作提高了适应值和全局优解的实现，方法灵活，搜索率高，并且适合并行处理，为解决水电厂水轮发电机组自动发电控制提供了有效的解决方法。 遗传算法的基本思想由美国Michigan大学J.H.Holland教师于1962年提出，基于Darwin的生物进化论和Mendel的基因遗传学说，用数学方法模拟进化演变的过程，将对问题的求解转化为一群“染色体”(用一串二进制连码字符串标志)进行一系列操作，通过对模式数最大化群体的不断进化和淘汰，将“染色体”群收敛到一个最适值上，从而得到问题的最优解。(嵇树丽，水电站AGC遗传算法的应用) 遗传算法步骤: (1) 根据各个水头下的试验数据，得到每个机组在平均水头下的功率 流量特性曲线。 (2) 由二元多项式插值逼近法，得到其他需要水头值下的功率流量特 性曲线。 (3) 根据输入数据，随机产生初始种群，然后进行选择、交叉‘变异， 产生新一代种群。 (4) 判断是否满足收敛条件，否则转入(3)。 6.2青铜峡水电厂自动发电控制算法选择 宁夏青铜峡水电厂有九台机组，其中八台轴流转桨式机组，除8#机组单机容量为2万千万外，其余都是3.6万千瓦。9#机组的装机容量为3万千瓦。根据以往的运行情况可知，青铜峡水电站1#、8#、9#机组为灌溉机组，灌溉期间其负荷根据下游所需水量由水调部门来控制，而非灌溉期间基本上都处于停机状态。【青铜峡运行部三值，青铜峡水电站河床机组有功功率的优化分配原则】所以只需考虑2#~6#机组的优化经济运行。因为功率反馈法确定最佳运行机组数和组合需要时间较长，故不采用。采用动态规划法又嫌计算时间太长，满足不了实时控制要求。遗传算法的可靠性无法保证，且计算时间长，同样满足不了控制要求，故不采用。如采用存表待查法，又嫌要求占用的计算机内存容量太多。因此，采用一种称之为分阶段采用最合适的数学模型的解决方法。先用水轮机组合效率曲线交点法确定最佳运行机组台数，再用开停机指数法确定应运行机组台号，最后用等微增率法分配机组间负荷。 1.第一阶段，确定各类机组的最佳运行机组数 用水轮机组合效率曲线交点法求出理论开停机特性曲线。但这些理论开停机特性曲线还需结合限制条件做些修正，如开水轮机和发电出力限制。机组的过于频繁启停不仅在经济上不利，而且机械部分磨损将会增加，对设备安全有影响看，为此必须设法防止。通常的做法是，设置一个功率覆盖区，就是将实际开机特性向右移一段距离，这意味着，只有等电厂功率比理论开停机特性线所需功率大某一值时方才开下台机。同样，将实际停机特性曲线向左移一段距离，这等于只有电厂功率比理论开停机特性线所需功率小某一值时才停一台机。 2.第二阶段，确定应运行机组台号 确定应运行机组台号要全面考虑各种安全性因素和经济性因素。采用前述的开停机指标数法确定应运行的机组台号。属于必需满足的限制条件有，电厂接线对运行的要求、变压器中性点接地要求、厂用电保证。属于一般性考虑的有，各台机原先的运行状态、机组有无预警信号、离上次开机时间、离上次停机时间、大修后机组累计运行小时数等。 3.第三阶段，机组间负荷的负荷经济分配 采用等微增率法进行机组间负荷分配。确定各台机应发功率时，要校核是 青铜峡水电站计算机监控系统 否避开了机组的空蚀振动区，否则要修正机组功率。 6.3青铜峡水电站自动发电控制软件流程图 水电厂计算机监控系统一般分为两级，即电厂控制级和机组控制级，水电厂自动发电控制也相应的分为两级。水电厂自动发电控制的总体概念(分层)可用图7-2来表示。 水电厂通常参加系统调频。根据国内外的实践经验，电力系统现在倾向于采用集中计算地区控制信号ACE的方法，每隔若干秒系统将地区控制误差信号按前面叙述的方法分配给各参加调频的电厂。有时为了，消除功率“追逐”现象，电厂有引入当地频率差信号。此时，电厂控制级计算机要校核系统要求本电厂改变功率的方向是否与本地测到的频率偏差要求电厂改变功率的方向一致。如果不一致，则采用调频优先的原则，即闭锁系统发来的电厂需发功率信号，电厂功率整定值改由下式确定: P=P,k?f stst,a 式中 P---------电厂功率给定值 st P----电厂当前实发功率 st ?f-----频率偏差 k-------系数 采用调频优先的原则有利于系统频率的恢复。 电厂计算机监控系统根据上述电厂功率给定值计算出应运行机组台号和各台机应发功率。并采用发送机组功率绝对值的方法发给机组控制级，避免了机组控制级与电厂控制级联络中断后恢复时重新计算功率的初始值。 至系统调度中心 系统调度级 ?ffa频率变换fsPst,req 电厂功率整定值的形成电厂控制级 上游水位机组状态下游水位 自动发电控制程序 其他机组出力 命令 远方终端机组控制级 +- 图6-2.水电厂自动发电控制总体概念(王定一，水电厂计算机监视与控制) 青铜峡水电站自动发电控制的总框图如图7-3所示 开停机控制调速器 水轮机 发电机 6#机组2#机组 Y Y N 1 功率调整计算 青铜峡水电站计算机监控系统 启动各台机远方终端工作校核首次启动否 输出结果输入机组特性 N出口输入当前信息P=P,k?fPst=Pst,reqstst,,a ?Pst与?f同YN号否 ?Pst-Pst,a?>ε1 Y N NT2时间到否 计算最优运行机组数 Y 旋转备用容量修正满足否N YN 确定应运行机组台号 NY 图6-3青铜峡水电站自动发电控制框图 机组间负荷的经济分配自动发电控制程序采用定时启动的方式，周期T1。程序执行分两级， Y第一级不改变原有运行机组数和运行，只是在原运行机组中重新分配负 荷以适应系统的需要，这一级每个周期T1都执行;第二级需重新进行最机组限制满足修正否佳运行机组数和组合的计算，执行的周期为T2=2min。 自动发电控制程序与外界(生产过程)的信息交换一律经电厂控制级最小下游流量和水修正计算机的数据库，采用邮箱法。固定规定的输入信息区和输出信息区。位变化率满足否 水头变化超过修正规定值否 1 自动发电控制程序启动后，即向数据库取所需的输入信息;计算结束后，将计算结果送数据库，然后由电厂控制级计算机将这些信息送至各台机组的控制器去执行。 输入的当前信息有，电厂需发功率、上下游水位、本地频率差、电厂可运行机组台号、可参加AGC运行机组台号、各台机运行状态、各台机实发功率等。 输出结果为，各台机应运行状态、各台机应发功率、电厂流量等。 计算机内常驻信息有，两种类型机组的流量—功率特性、微增率特性、水轮机组合效率曲线、实际开停机特性曲线、下游水位—流量关系曲线等。 青铜峡水电站计算机监控系统 致谢 首先，我衷心感谢指导老师张江滨老师的精心指导，使我不仅顺利完成了毕业设计，而且还学习到了很多相关方面的知识，拓宽了我的知识面。同时，感谢热能与动力工程系各位老师四年来对我学习和生活上的支持。另外，感谢我所有的任课教师，使我有扎实、牢固的基础来运用与实践，也感谢平时耐心指导过我和我请教过的所有老师。感谢所有同学们在四年之中的关心与支持。 参考文献: 【1】 王定一等编著(《水电厂计算机监视与控制》(北京:中国电力出 版社，2001年8月北京第一次印刷 【2】 马月姣，刘念，高瓴，幸晋渝，郝江涛. 《国内外电站运行管 的计算机监控系统发展》.云南电力技术 2004 【3】 徐金寿，张仁贡等主编. 《水电站计算机监控技术与应用》.浙江 大学出版社，2011年4月第一次印刷 【4】刘忠源，徐睦书. 《水电站自动化》.中国水利水电出版社，2006年9月 【5】于海明 《水电站计算机监控系统的可靠性分析与设计》.科技信息，2009 【6】余海明， 华中平. 《水电站计算机监控系统数据采集与处理》.科技信息，2010 【7】刘方. 《水电站计算机监控系统应用的现状研究》.农业技术与装备，2010 【8】姚益群，宋文娟. 《水电站监控系统的方案设计及实现》.南京工程学院学报，2011 【9】叶鲁卿(《水力发电过程控制理论、应用与发展》(武汉:华中理工大学出版社，2002 【10】方辉钦. 《现代水电厂计算机监控技术与试验[M ] 》.北京:中国电力出版社，2004 . 【11】马玉琴. 《青铜峡水电厂计算机监控系统的设计与开发[D ] 》.西安:西安理工大学。2005.2 【12】陈涛. 《南沙水电厂现地控制单元设计》.计算机工程应用技术，2011年6月 【13】雷剑. 《柴石滩水电站非电量检测单元的选择》.云南水力发电，2001年增刊 【14】刘洪. 《全分布开放式计算机监控系统及其应用[J ]》.电力系统自动化.1997-7 青铜峡水电站计算机监控系统 【15】冯国瑞. 《青铜峡水电厂河床机组的最优化运行》.水力发电学报.1999年第3期 【16】李鹏. 《等微增率准则在机组负荷优化分配中的应用条件》.南方电网技术.2008年10月第二卷第五期. 【17】蒋建文，江红军，牟奎. 《紫坪铺水电站AGC的设计与实现》.水力发电，2007年2月第33卷第二期. 18】伍永刚. 《水电厂AGC策略与技术实现》.水电站机电技术，2009年【 6月第32卷第3期 【19】杨俊杰，周建中，梁年生. 《水电站无人值守自动发电控制模型》.水电站自动化与大坝监测，2004年6月20日 【20】王竹. 《水电厂自动发电控制(AGC)技术功能及调试分析》.四川水力发电，2002年6月