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微机综合自动化在小型水电站中的应用 摘要：基于桂林龙胜县兴隆水电站计算机监控系统的设计、配置、功能及特点，浅析了微机综合自动化技术在中小型水电站的应用，以实现电站的遥控、遥信和遥测等远动功能。从而达到电站的无人值班或少人值守的目的。 关键词：综合自动化PLCLCU数据共享 1、前言 二十一世纪是信息时代，随着科学持术的不断进步和自动化程度的日益提高，微机综合自动化在电力生产中得了广泛的应用。但在我们广西由于种种缘由，经济还比较落后，科技不甚发达，微机综合自动化技术只在几个大型水电站得到应用，而在中小型水电站的应用受到了制约。11016年，随着国家西部大开发政策的实施，桂林龙胜县兴隆水电站于2022年动工兴建，于2022年6月建成投运并网发电，而该电站微机综合自动化的应用，也是我县中小水电站的第一家，经过两年多时间的运行，已显现出了优越性，结合该电站的实际状况，现就微机综合自动化在中小型水电站的应用问题作一浅析探讨。 2、电站概况 兴隆电站水库位于桂林龙胜县桑江上游，距桂林市106km，库容473万m3，主要功能是发电，坝高32.5m，其坝后引水式电站兴隆水电站，设计水头18.5m，最大水头21m，装机容量为3×3600kw，通过110KV输电线路并入中国南方电网。 3、计算机监控系统的配置 3.1电站限制层配置 电站限制层设备在中心限制室，由主机操作员工作站，通讯工作站、主限制台、汉字打印机、GPS时钟同步装置、语音报警装置、UPS电源等组成。 电站限制层负责协调和管理各项地限制层的工作；收集有关信息并作相应处理和存储；快速、精确、有效地完成对本站被控对象的平安监视和限制。操作员可以在主限制室通过人机接口对数据库和画面在线修改，进行人工设定、设置监控状态、修改限值、事故处理指导和复原操作指导等功能，并可下传至LCU。监控吩咐输出只有监控主机取得限制权的工作执行，作为另一台工作站只作监测、数据通信而无限制输出，两机可相互跟踪，系统软件依据监控主机的运行和通信、硬件、软件等状态，进行跟踪判别，一旦出现异样，系统自动给出切换信号，由另一台工作站代替主机的工作，同时给出主机故障提示，主机修复启动后，自动监测转到主机并将数据输入，并重新处于监控状态。 3.2现地限制层配置 现地限制层分机组LCU和公共LCU两部分，由人机界面终端、智能I/O限制器、I/O模块、输出继电器、准同期装置、温度测量装置、转速信号测量装置、数字式测量仪表和交直流双供电源等设备组成。 机组LCU监控范围包括水轮机、发电机、进水口主闸和机组附属设备。现地限制层负责对水轮发电机组、电气一次设备及公用设备等实时监控，通过工业以太网络实现各现地限制层与全站限制层连续交换信息，实现现地设备的监控及数据共享。当电站限制层因故退出运行时，现地限制层可以独立运行而不受影响。微机爱护装置、转速、温度巡检、调速器、励磁系统等设备通过现地LCU与以太网联接，实现相应参数的监视和限制。部分没有通讯接口的设备则通过现地限制单元的I/O模块实现设备的限制和状态检测。 3.3通讯网络及设备装置 网络结构形式采纳工业以太网、网络通信介质为多模光纤和屏蔽双交电缆线。网络传输采纳Modbus协议，网络传输速率为101Mbit/s,，节点数可达340个，网络上的任一节点可以实时向网络上其它节点和网络上发送信息，某一节点故障，自动从网络上退出，不影响网络上的其它节点传输信息。 网络系统完成电站限制层各工作站之间和来自现地限制层的全部数据的传输和各种访问恳求。其网络具有良好的开放性。计算机监控系统不会因任何一个元器件发生故障而引起系统的误操作。网络成熟牢靠，符合国际标准。 3.4系统软件配置 系统软件：采纳中文版Windows NT软件，具有良好的实时性、稳定性、牢靠性、NT系统管理保密性好，它管理整个计算机系统的全部资源，包括CPU、存储器、外部设备等，供应其它软件与系统资源的接口，是其它软件运行的环境。 应用软件：长沙华能自控开发的MTC4.5监控软件和PLC编程软件， 具有良好的人机界面和全开放特性。它是可以运行多种通讯协议的监控软件，与网上有不同通讯协议的设备交换数据，其数据库生存、监控画面、限制流程、报表等配置敏捷，运用和维护便利。 3.5继电爱护系统的配置 采纳长沙华能自控开发的DMP300B型微机综合继电爱护装置。发电机、变压器和线路爱护装置均有8个开关量输入和7个开关量输出，一个用于改变自检的转换接电输出。输入与输出可以逻辑编程用于限制断路器的分合闸或者发信号。 有多种通过协议可供选择，DMP300B型微机爱护选用Modbus Pius通讯协议，可以通过该协议向系统传送和存储爱护内测量记录的数据。 爱护的配置整定：对于爱护装置的运用，首先要进行配置整定，输入相关参数，爱护装置通过这些参数进行爱护功能和测量功能的计算，配置整定可以通过前面板的MMI或者ECP软件进行操作。 微机爱护装置还有故障录波，故障、运行和操作记录、测量等功能。接入爱护装置的输入信号和爱护装置内全部数据都有数据可能通过网络接口传送网络上的其它设备内。 4、计算机监控的功能 4.1监控画面功能 电气主接线状态画面 画面显示电气主接线全部开关的状态，发电机出口的电气和励磁参数，主变压器、低压侧的电气参数、110KV线路出口的电气参数、6KV和110KV母线的电气参数，厂用变压器的电气参数，电气主接线上全部开关的分、合闸操作按钮等各种状态。 机组工艺系统状态画面 画面显示机组及其气、水、油等主要设备的状态参数，主要设备的操作按钮。当气、水、油等参数超出正常范围或设备故障时，相应的数值和设备图形颜色改变，语音设备报警。 监控系统运行状态画面 画面显示监控系统继电爱护、PLC和测量装置的工作状态和参数。 电站全部须要监测的各种参数的实时和历史曲线图、棒型图画面。 各种运行和管理报表及表格画面。 电站的平面图、动画等显示。 4.2远动功能 由监控系统的主工作站实现，并留有扩展实力。须要向电力系统调度机关传送和接收数据，实现调度机关对本电站的遥测、遥信、遥控和遥调，实时接收调度吩咐，向调度机关发送水电站实时运行工况、运行参数等信息。 4.3数据采集和处理功能 电站限制层：自动实时采集和处理来自各现地限制层及调度系统的数据。主要包括：机组、主变、母线、110KV线路、厂用电及全厂公用系统的电气模拟量、非电气模拟量、脉冲量、开关量的采集，对这些数据进行处理，包括越限处理、报警处理及事故追忆处理，处理后的数据以肯定的格式存入实时数据库，形成实时数据库和历史数据库，以备系统调用和随时查询，并对监视的模拟量、开关量、脉冲量进行统计分析计算作为历史数据存入历史数据库，并作为报表输出的主要数据来源。当出现异样事务记录和出现事故时，计算机监控系统依据目前的状况自动作出处理。 机组现地层LCU：自动实时采集和处理发电机、水轮机、励磁及调速装置、机组附属设备的电气模拟量、非电气模拟量、脉冲量、开关量，主要设备运行工况诊断处理，并以肯定的格式存入实时数据库，对各类信息进行数据封装后存在现地限制单元的存储单元中，并上传电站限制层。 干脆采信的信号有： 电气量：发电机定子电压、电流、励磁电源、电压、频率、有功功率和功率因素等。 非电量：机组油、气、水系统的压力、压差、流量、液位、温度等。 开关量：发电机断路器位置、继电爱护电气事故信号、故障分类信号；励磁系统工作方式设置、灭磁开关位置、故障信号；调速器工作方式设置、故障信号；油压装置压力、油位信号；油泵运行方式、设置信号、运行状态信号；机组各温度信号、转速位置信号、导叶开度位置信号、接力器锁锭投切信号、制动闸切块位置信号、制动气压位置信号、剪断销剪断信号、油槽油位信号；进水口闸门位置信号、机组冷劫水信号；水机爱护动作信号等。 脉冲量：发电机有功电能、无功电能等。 通信采集的信号数据： 机组各部位温度、测温电阻断线及装置故障，以及有关机组轴承温度信号和交换限制、状态和报警信息。励磁系统、调速器系统、同期系统、发电机及主变和线路微机爱护装置的通讯。 4.4综合参数统计、计算与分析功能 计算机监控系统依据实时采集到的数据进行周期、定时或呼唤计算与分析，形成计算数据库与历史数据库，帮助运行人员对电厂设备的运行进行全面监视与综合管理，可刚好发觉故障征兆，提高机组运行的平安性。对现成的计算数据列出作为实时数据处理，存入相应的实时数据库和历史数据库，进行越限报警、启动相关处理程序等操作。 温度量分析计算 LCU周期获得温度测量装置采集的温度数据，进行预处理，并作计算后将数据存入LCU数据库，实现全系统数据共享，可显示、制表打印。 温度最高值、最低值：温度画面的实时值现示和历史曲线现示。温度改变趋势分析：实时和历史改变曲线。温度越限追忆记录；历史改变曲线。正常值与实测值的比较分析；温度画面中温度现示值变色，正常温度为白色、报警温度为黄色、停机温度为红色。 电量累积计算 计算机监控系统对全厂有功电度量、无功电度量进行周期分项分时累加，并存入数据库，供显示并制表打印。 单台发电机的发电有功、无功电量累加。单回送电线路的送电有、无功电量累加。全厂发电机总发电量累加，全厂线路部送电量累加。全厂总厂用电量累加。 设置运行统计计算 对机组、断路器、机组油压装置等重要动力设备，以及间歇运行的协助设备的运行工况进行统计，对继电爱护及自动装置动作状况进行统计。 4.5定值管理功能 计算机监控系统对全部定值作统计，定值修改、变更状况统计，并存入数据库，以备查询。 4.6生产报表功能 计算机监控系统进行电气量参数报表，非电气化量参数报表、温度、日发电量、厂用电量统计报表，生产综合统计报表等。 4.7平安运行监视及事务报警功能 主要设备平安运行实时监视 计算机监控系统可以使运行人员通过主机兼操作员工作站显示器屏幕对全厂主要设备运行状态和运行参数进行实时监视，包括状态改变监视、超限检查、越限检查、过程监视、历史趋势分析和监控系统异样监视。 越限检查：主要针对主机定子电流、油温、冷劫水压力、定子线圈和铁心的温度计及其它被监视参数，检查设备异样状态并发出报警。 过程监视：监视机组开停机条件、开停机进程、状态转换过程的依次及转换时间等，并上送至电站限制层。监视机组各种运行工况的转换过程所须要的操作步骤，在发生过程阻滞时，显示阻滞缘由，并由机组现地限制单元将机组转换到平安状态 趋势分析：分析机组运行参数的改变 监控系统异样监视：对机组现地限制单元硬件、软件故障自动监视，报警并上送数据信息给电站限制层。实时监视监控系统本身的工作状况，通信状态等。 事务报警 故障报警记录 计算机监控系统周期性扫描故障信号，故障发生时，马上响应并处理，同时记录故障发生时间、动作设备器件名称、事故内容等信息，并显示、打印故障报警语句，发出声光报警信号，按故障发生的先后次序排列，形成故障记录并存入数据库。故障记录表格为故障汇总记录表，可供值班人员查寻，并定时打印，也可呼唤打印或显示。 参数越限、复限报警记录 计算机监控系统在设备运行参数超越其限值时，马上报警，越限值复原正常值时。参数越、复限时，记录发生时间、参数名称、参数值勤等信息，并显示打印故障报警语句，发出音响报警信号，形成全厂参数越看待线记录并存入数据库。 事情依次检测 机组现地LCU自动检测本单元所测监视的设备、继电爱护和自动装置的动作状况，当发生状态变换时，对于事故信号自动产生中断、检测事务性质、发生时间，并依次记录、上送电站限制层，计算机监控系统马上响应中为信号，同时记录事故发生时标、动作设备器件名称、事故内容等信息，并显示、打印事故报警语句，发出声光报警信号，按事故发生的先后次序排列，形成事务记录并存入数据，可按设备进行搜寻记录。 事故追忆及相关量记录 电站发生事故时，需对事故发生前后的某些重要参数进行追忆记录，以供运行人员事故分析。事故发生时，计算机将按依次将事故报警信息、事故的名称及这些追忆数据存于磁盘中，形成历史数据。并自动显示、打印这些数据。事故追忆的重要参数有：线路三相电流和电压；主变的电流和温度；发电机定于三相电流和电压、机组推力轴瓦最高温度等）。 机组开、停机过程监视 机组开、停机时，计算机监控系统自动推出相应机组的开、停机过程监视画面。画面包括：机组编号、自动/手动标记、开机条件、用流程图表示开机步骤、每步操作的时间及总时间。实时显示全部开、停机过程中每一步骤及执行状况，并按设备实际动作状态自动变更步序框的颜色，以区分已操作、正在操作、待操作及操作受阻部位。并提示在开、停机过程受阻部位的缘由，进行开环运行指导甚至闭环自动限制操作。 4.8限制、操作与调整功能 依据电厂设备运行的状况和有关计算结果，按预定步骤远方及现地的限制吩咐驿全厂设备的运行进行限制与调整。运行设备限制方式设置，自动/手动限制、远方/现地操作，均可在操作画面中点击实现，有功功率、无功功率调整以及机组开停机的限制操作也可在操作也可在操作画面中点击实现。限制优先权为：现地限制层单元、电站限制层单元。 可实现设备运行方式设置与转换：机组有功、无功的调整操作；断路器、隔离开关投、切操作；机组开、停机操作及紧急停机操作；机组压油装置和公用设备电动机启停操作；各种整定值、限制修改操作；报警信号复归。 电站主接线图上的断路器和开关的限制 主接线图上的断路器和开关的限制通过微机爱护的开关量输入和输出实现。在出现故障时，由相应的爱护装置动作于跳闸；正常的分合闸操作，既可以在限制屏上通过限制开关操作，也可以通过上位微机用鼠标操作来实现。 机组依次限制 机组通过各自的现地LCU实行现开停机过程依次限制及水轮机事故爱护。机组开停机指令由电站级操作员工作站自动或手动发出，也可在现地触摸屏上执行。 运行人员通过专用操作限制画面，以人机对话方式选择机组号，设备有功功率给定值，当运行人员确认后，上位机发出吩咐，机组LCU执行。可实现机组转速及有功功率调整；机组电压及无功功率调整。 机组开停机过程的限制 机组开机、停机和故障停机过程的自动和手动限制，通过每台发电机自动屏内的PLC来实现，在机组自动屏上可以通过模拟屏丰的操作显示接口进行手动和自动开机，也可以由上位微机进行手动和自动开机，二处均在软件上设置切换功能，不能同时操作。开机和运行过程中的限制包括投入、关闭冷却水、打开、关闭制动闸和供水碟阀，调整导水叶的开度，限制水轮机的转速，投入、断开励和调整励磁电压和电流、发电机出口开关合闸、分闸等操作。水机故障跳开发电机出口开关，通过软件由发电机爱护跳闸执行。 公共系统的限制 电站公共系统辅机由一台PLC限制，限制对象包括：高、低压压缩空气、供水泵、排水泵、潜水泵、调速油泵和供水碟阀的打开、关闭。厂用电备用电源自动投入监视、调速器压力凹凸、冷却水压力等信号。 公用系统设备既可以在公用系统屏上的按钮进行限制，也可以由上位微机进行限制。 发电机励磁系统的限制 限制每台发电机励磁系统的开关量以及励磁电压和电流增加或削减，通过每台机组PLC开关时接点来实现，某台发电机出口开关故障跳闸后，PLC自动跳开相应的发电机灭磁开关。机组自动起机正常运行过程中，执行投励磁电流的调整工作。对于励磁系统的限制和调整可以通过机组自动屏上操作显示接口和上位微机来实现，两处均在软件上设置切换功能，与励磁屏也有相互切换功能，两处不能同时操作。 AGC和AVC调整 自动发电限制还能完成对各机组运行工况转换时的协调工作，以保证机组和电力系统所受的扰动最小。自动发电限制能进行开环和闭环限制，开环运行时计算机监控系统在监视屏幕上给出提示信息，闭环限制则将操作调整信号干脆作用到机组调速器和各机组协助设备，机组是否参加自动电压限制功能可由运行人员预先设定并在系统中给出标记。 4.9人机联系功能 本系统供应丰富多样的人机联系统手段，允许运行操作人员通过显示器、鼠标器、键盘及打印机以各种方式实现对全厂设备运行监视、限制、调整、定值修改、画面调用、数据打印要求，并易于对应用程序开发及修改。 在操作台上的运行人员史允许完成对电站设备进行监视、限制调整和参数设置等操作，特权操作权供调试人员调用。 人机联系采纳中文版WINDOWS Nt平台监控，画面美观，调用和操作简洁、敏捷、牢靠、响应速度快，对话提示说明清晰精确，在整个系统对话运用中保持一样。人机联系为汉字显示打印，汉字符合国家一级字库标准；有关操作的人机联系，充分利用具有被控对象显示画面、键盘及画面对话区提示三结合方式，操作过程中有必要的牢靠性校核及闭锁功能。不同职责的运行管理人员供应不同的平安等级操作权限。 4.10人机界面功能 画面显示、画面实时刷新、报警与操作信息创新或标记提示、人机对话提示及操作吩咐信息提示、光标显示与限制、画面窗口变换与局部放大、画面的平移、滚动和漫游、多窗窗口显示、比例缩放。 人机界面显示内容 画面显示是电站计算机监控系统的重要功能，画面是实时状态的并采纳多窗口技术以提高供更多的信息。画面调用具有程序自动调用和键盘菜单呼唤调用形式。画面的种类包括接线图类、棒形图类、曲线类、表格类、信息类、运行指导类等。 线图类画面：包括电气主接线图、厂用电系统接线图、直流系统接线图及电气参数、等与之相关的参数。在这些画面上能显示出运行设备的实时状态及相关运行参数；形图类画面：包括机组有功无功功率、运行参数的限值和实时值对比以及部分运行指标的显示等；曲线图类画面：包括给定负荷曲线、实际负荷曲线、历史趋势曲线以及各类运行图实时曲线等；表格类画面：包括各种运行报表、操作记录统计表、事故故障报警统计表、定值变更统计表、I/0点定义表、各类记录本、运行报告等；信息类画面： 包括状态变位信息、事故、故障报警信息、模拟量参数越复限信息、相关量记录以及监控系统自诊断报警；文字说明：包括运用帮助、操作说明、公司介绍。 4.11数据通信功能 完成与本单元机组限制PLC设备、微机湿度巡检装置、微机调速器、微机励磁装置及爱护设备之间数据变换。完成机组现地限制层的数据变换，实时上送电站限制层所需的过程信息，接受电站限制层的限制和调整吩咐。 数据通信传送的上行内容：机组温度测量装置传送的温度量；发电机三组定子电流；发电机定子相电压和线电压；发电机有功功率和无功功率；发电机有功电能及无功电能；发电机功率因数；发变组各种事故信号和故障信号。机组油压装置PLC、机组技术供水PLC各种事故，故障信号以及被控设备运行状态信号等。 4.12系统诊断功能 机组现地LCU能在线或离线自检硬件和软件故障，并能确定故障到输入、输出模板、能在离线自检各种应用软件。能实现自检故障的本地显示及上送故障信息给主控级，以便在主限制台显示和打印。 4.13时钟同步功能 机组现地LCU实现与电站限制层时钟同步，保证全系统通过GPS接收系统与卫星始终同步。数据通信传送的上行内容为微机电量采集的电流、电压、频率、有功、无功、线路的有功、无功电度、爱护等各种事故和故障信号。 5、本电站综合自动化系统的主要特点 本电站自动化系统采纳典型的分层分布式结构，即电站限制层和现地限制层。现地限制层设备在站内相互独立且分布式布置，仅通过站内以太网互联。系统功能齐全、配置敏捷，具有极高的牢靠性，符合综合自动化技术的发展趋势。 开放式、易扩展性的设计。通过采纳国际国内公认的标准规范及接口方式，便利的与其它相关的智能设备相联，并进行信息交换；另充分考虑到水电站扩建、改造等因素，间隔层设备基于模块式标准化设计，可依据要求求随意配置，电站限制层设备配置组态特别敏捷。 敏捷多变的网络化结构设计，可支持局域网、以太网、现地总线等。网络介质采纳的是光纤、同轴电缆、屏蔽双绞线等。网络规约：TCP/IP、Modbus Plus、RS232、RS485等，适用于不同的系统结构，其结构敏捷多样。 远程访问题服务，系统可以通过通信服务器将实时数据传减灾 到远程计算机或调度端，支持远动调度通信规约。 开放的硬件环境，计算机可以采纳各种符合开放标准的RISC工作站、各种工业用计算机、施耐德、西门子、OMRON等公司的可编程限制器，并保持对其它设备的接入开放。 系统软件采纳当前最先进的面对对象的设计理念、原则和技术，这种设计将带来运用和维护上的极大便利。运行在WINDOWS NT环境下，图形化编程、简洁易学，数据库采纳面对网络的实时数据库。 系统设计有标准的SCADA功能，同时可以配置自动发电限制、自动电压限制、防误操作、设备维护管理、电话语音报警、GPS等多种高级功能。 6结束语 依据电站的实际状况，并借鉴其它站的阅历教训，扬长避短，其设计理念符合微机综合自动化发展趋势，采纳了国际通用标准，系统配置合理，功能完备，所选设备先进，不仅可以满意电站目前运行的限制、监视、测量和报警等要求，也为电站今后发展留有余地，有很好的敏捷性、兼容性、扩充性和互换性，同时，无需另设其它远动设备，完全满意遥测、遥控、遥信、遥调和少人值守的须要，对各种外围设备能进行实时在线的诊断和自诊断，从而保证自动化系统长期稳定的工作。 参考文献： 1谢剑英,贾青.微型计算机限制技术M.国防工业出版社,2022 2田瑞庭.可编程限制器应用技术M.北京机械工业出版社,11014 第19页 共19页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页