水电厂计算机监控系统研究分析

摘要:水电在我国占有重要的地位,水电应用中一个重要问题就是自动控制系统。它是将成熟的计算机控制技术、通讯技术、可编程控制器、网络技术等应用于水电厂的控制系统。文章探讨了水电厂LCU在自动监控系统中的应用,并且进行了分布式架构的设计,在该架构的基础上进一步进行了硬件和软件的开发。

关键词:水电应用;自动监控系统;LCU;计算机应用

中图分类号:TV737文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)07-0009-02

我国大陆部分水电的理论蕴藏装机容量为6.944亿千瓦(按8760运行小时计),年电量6.0829万亿度,其中技术可开发容量为5.416亿千瓦,年发电量为2.474万亿度,“经济可开发量”(容量为4.48亿千瓦,电量为1.753万亿度),列世界之冠。水力发电除了提供可再生的清洁能源外,还具有水电机组的启动、停机迅速,可用来调整负荷。所以水电在我国占有重要的地位。水电应用中一个重要问题就是自动见控制系统。它将成熟的计算机控制技术、通讯技术、可编程控制器、网络技术等应用于水电厂的控制系统,在电厂内利用快速以太网或工业控制网络将各台机组本地控制单元、励磁调节器、调速器等连接起来,利用光缆等现代通讯技术将相距很远的梯级电站计算机系统连接起来,在梯级电站调度中心集中监控各水电厂及各台机组的运行。本文主要对某小型水电站的监控系统进行研究设计。

一、LCU及其功能

在整套系统中,现地控制单元(LCU)布置在机旁,其监控对象为水轮发电机组及其辅助设备,它向电厂级发送采集的各种数据和事件信息,并接受电厂级的命令对设备进行监控,同时又能脱离电厂级独立工作。它是整个监控系统中最基础的部分,它的设计合理与否,决定着整个系统是否可用、是否稳定、是否安全。从应用功能上来讲它具有以下几个基本功能:

1.数据采集与处理。通过LCU上的开入模块、模入模块、温度测量装置、电量监测装置、交流采集装置能完成对监控对象各种模拟量、开关量、中断量、交流量、温度量的采集工作;将采集的电气模拟量上送主控级并在现地液晶触摸显示屏上提供显示;事故和故障情况下应能自动采集事故或故障发生时刻的有关数据,并按其发生的顺序记录事故或故障的性质、时间。

2.监视显示。人机界面可以完成当地数据显示和操作功能,显示器上可显示机组及其辅助设备的运行状态及运行参数的画面、趋势曲线等,有关报警信息,操作过程信息,限值修改等操作。

3.控制与调节。至少应完成下列控制和调节:机组开、停机顺序控制;机组辅助设备启、停控制;发电机出口断路器分、合闸控制;机组有功功率、无功功率的调节;各种整定值和限值的设定。

二、系统架构

水电厂自动控制设备涉及面广,设备地理分布遍及整个水电厂房,再考虑到机组LCU装置在这几年来在可靠性上的不断进步,这里采用分布式的模式来布置水电厂的整体监控布局,即LCU可脱离主站独立运行。它强调以控制对象在现场分散布置为基础,设置有主控计算机。分布即站级和现地监控层的功能可以分布进行。采用分层分布式结构、现地单元控制层能脱离上位机独立工作,具有自治性、模块性、并行性三大特性。分布式监控系统以功能的分散为主要特征,根据水电厂监控系统的功能设立多套相应的设备,独立完成各自的功能。

主站主要包括如下设备:主机、操作员站、历史站、网络设备、外部通讯机,担负着以下几个功能:(1)采集机组LCU测量数据;(2)进行AGC、AVC高级功能计算;(3)历史数据存储查询;(4)提供人机界面供操作员进行操作。在具体实现上它只负责监视与发令,而将对设备的具体操作全部交由LCU进行,这样的设计减少了主站计算负荷,降低了网络流量,使主站专注于AGC、AVC高级功能和历史数据存储查询功能。

这里将相对独立设备用专用的小型LCU进行现地处理,这些小型LCU再通过现场总线技术与主LCU连接,形成层次化监控布局,这样做的好处是减少了长距离控制电缆数量,施工简易,负荷均摊,风险减低,局部LCU故障只能影响局部控制设备,不会影响其他部分LCU监控功能。

三、系统软件分析与设计

对于常规水电厂的机组,机组处于5种状态的转换之中,即:停机态、空转态、空载态、发电态、不定态(前四种状态的过渡状态称为不定态),机组的开机、停机、解列、解列后并网等操作,就是机组在停机态、空转态、空载态、发电态四种状态之间的转换。在机组顺序操作程序设计中应作如下考虑:(1)在操作人员发出机组操作命令后,可以自动按预先设定的流程完成全部的操作,也可以在操作人员干预下进行单步操作;(2)停机命令优先于发电命令,并在开机过程中,空转态、空载态、发电态均可以执行停机命令。一旦执行停机命令,其它控制均被禁止;(3)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;(4)操作过程中,若机组设备发生事故,或运行状态发生变化,不允许操作继续进行时,应自动中断过程使程序退出。

在以上的思想下,这里把整个水轮发电机组控制程序的编写进行模块化编程,主程序循环扫描执行,主程序执行过程中通过中断的方式调用子程序,子程序的调用条件在主程序内进行判断。整个控制程序中有11个子程序,分别为:(1)设备操作子程序(dev):负责设备的开出操作;(2)全自动停机子程序(QZTJ):负责机组全自动停机操作;(3)单步开机子程序(DBKJ):负责机组单步开机操作;(4)数据采集子程序(IO):负责进行模拟量输入点的量程转换等;(5)正常开机子程序(ZCKJ):负责机组正常开机操作;(6)单步停机子程序(DBTJ):负责机组单步停机操作;(7)事故停机子程序(SGTJ):机组事故停机操作;(8)紧急停机子程序(JJTJ):机组紧急停机操作;(9)无功功率控制子程序(QKZ):负责机组无功功率调节;(10)机组负荷控制子程序(PID):负责控制运算;(11)有功功率控制子程序(PKZ):负责机组有功功率调节。

参考文献

[1]王定一.水电厂计算机监视与控制[M].北京:中国电力出版社,2000年.

[2]李胜川,李晓朗.东北水电厂计算机监控现场基础自动化改造及有关问题的探讨[J].水电厂自动化,1999,(1).

[3]常兆堂,姜之琦,陈仲华.水轮机调节系统原理、试验与故障处理[M].中国电力出版社,1995.

作者简介:何小干(1975-),男,江西南康人,江西水电检修安装工程有限公司助理工程师,研究方向:水电厂计算机监控系统。