1、微機綜合自動化在中小型水電站的應用(1)    摘 要：基于青海黑泉水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計、配置、功能及特點，淺析了微機綜合自動化技術在中小型水電站的應用，以實現電站的遙控、遙調、遙信和遙測等遠動功能。從而達到電站的無人值班或少人值守的目的。關鍵詞：微機綜合自動化 系統(tǒng)配置 監(jiān)控功能1 前言二十一世紀是信息時代，隨著科學技術的不斷進步和自動化程度的日益提高，微機綜合自動化在電力生產中得到了廣泛的應用。但在我們青海，由于種種原因，經濟還比較落后，科技不甚發(fā)達，微機綜合自動化技術只在幾個大型水電站得到應用，而在中小型水電站的應用受到了制約。1996年，隨

2、著國家西部大開發(fā)政策的實施，青海省有史以來最大的水利工程黑泉水庫開工建設，其附屬工程黑泉水電站（寶庫河一級站）也于2002年建成投運并網發(fā)電，而該電站微機綜合自動化的應用，也是我省中小水電站的第一家，經過三年多的運行，已顯現出了其優(yōu)越性，結合該電站的實際情況，現就微機綜合自動化在中小型水電站的應用問題作一淺析探討。2 電站概況黑泉水庫位于青海省大通縣寶庫河上，距省會西寧市75KM，是一座大（）型綜合水利樞紐工程，庫容1.82億M 3,主要功能為灌溉和城市供水，兼顧防洪和發(fā)電，大壩為混凝土面板砂礫石壩，壩高123.5M，其壩后引水式電站黑泉水電站，是寶庫河梯級電站的第一級電站，設計水頭80M,最

3、大水頭100M，裝機容量為3×4000KW1×2500KW,計14500KW(二級電站為3×3200KW,三級電站為3×5000KW,寶庫河梯級電站總裝機容量為39100KW)，通過兩回35KV輸電線路并入西寧電網。3 計算機監(jiān)控系統(tǒng)的配置3.1 電站控制層配置電站控制層設備設在中央控制室，由主機操作員工作站、通訊工作站、主控制臺、漢字打印機、GPS時鐘同步裝置、語音報警裝置、UPS電源等組成。電站控制層負責協(xié)調和管理各現地控制層的工作；收集有關信息并作相應處理和存儲；迅速、準確、有效地完成對本站被控對象的安全監(jiān)視和控制。操作員可以在主控制室通過人機接口

4、對數據庫和畫面在線修改，進行人工設定、設置監(jiān)控狀態(tài)、修改限值、事故處理指導和恢復操作指導等功能，并可下傳至LCU。監(jiān)控命令輸出只有監(jiān)控主機取得控制權的工作執(zhí)行，作為另一臺工作站只作監(jiān)測、數據通信而無控制輸出，兩機可互相跟蹤，系統(tǒng)軟件根據監(jiān)控主機的運行和通信、硬件、軟件等狀態(tài)，進行跟蹤判別，一旦出現異常，系統(tǒng)自動給出切換信號，由另一臺工作站代替主機的工作，同時給出主機故障提示，主機修復啟動后，自動監(jiān)測轉到主機并將數據輸入，并重新處于監(jiān)控狀態(tài)。3.2 現地控制層（LCU）配置現地控制層分機組LCU和公共LCU兩部分，由人機界面終端（液晶觸摸屏）、智能I/O控制器、I/O模塊、輸出繼電器、準同期裝置

5、、溫度測量裝置、轉速信號測量裝置、數字式測量儀表和交直流雙供電源等設備組成。機組LCU監(jiān)控范圍包括水輪機、發(fā)電機、進水口主閥和機組附屬設備。現地控制層負責對水輪發(fā)電機組、電氣一次設備及公用設備等實時監(jiān)控，通過工業(yè)以太網絡實現各現地控制層與全站控制層連接交換信息，實現現地設備的監(jiān)控及數據共享。當電站控制層因故退出運行時，現地控制層可以獨立運行而不受影響。微機保護裝置、轉速、溫度巡檢、調速器、勵磁系統(tǒng)等設備通過現地LCU與以太網聯(lián)接，實現相應參數的監(jiān)視和控制。部分沒有通訊接口的設備則通過現地控制單元的I/0模塊實現設備的控制和狀態(tài)檢測。3.3 通訊網絡及設備配置網絡結構形式采用工業(yè)以太網，網絡通信

6、介質為多模光纖和屏蔽雙交電纜線。網絡傳輸采用Modbus協(xié)議，網絡傳輸速率為100Mbit/s，節(jié)點數可達340個，網絡上的任一節(jié)點可以實時向網絡上其它節(jié)點和網絡上發(fā)送信息，某一節(jié)點故障，自動從網絡上退出，不影響網絡上的其它節(jié)點傳輸信息。網絡系統(tǒng)完成電站控制層各工作站之間和來自現地控制層（LCU）的全部數據的傳輸和各種訪問請求。其網絡協(xié)議符合國際標準化組織OSI模型。具有良好的開放性。計算機監(jiān)控系統(tǒng)不會因任何一個元器件發(fā)生故障而引起系統(tǒng)的誤操作。網絡成熟可靠，符合國際標準。3.4 系統(tǒng)軟件配置(1) 系統(tǒng)軟件：采用中文版的美國微軟WindowsNT 軟件，具有良好的實時性、穩(wěn)定性、可靠性，NT

7、系統(tǒng)管理保密性好。用于操作系統(tǒng)，它管理整個計算機系統(tǒng)的所有資源，包括CPU、存儲器、外部設備等，提供其它軟件與系統(tǒng)資源的接口，是其它軟件運行的環(huán)境。(2) 應用軟件：采用FIX7.0開發(fā)軟件、3D圖形軟件和PLC編程軟件，用于程序的編輯、編譯、軟件連接等。具有良好的人機界面和全開放特性。它是可以運行多種通訊協(xié)議的監(jiān)控軟件，與網上有不同通訊協(xié)議的設備交換數據，其數據庫生成、監(jiān)控畫面、控制流程、報表等配置靈活，使用和維護方便。3.5 繼電保護系統(tǒng)的配置采用美國ABB公司生產的微機綜合繼電保護裝置。發(fā)電機、變壓器和線路保護裝置均有8個開關量輸入和7個開關量輸出，一個用于變化自檢的轉換接點輸出。輸入與

8、輸出可以邏輯編程用于控制斷路器的分合閘或者發(fā)信號。有多種通訊協(xié)議可供選擇，ABB2000R型微機保護選用Modbus Plus通訊協(xié)議，可以通過該協(xié)議向系統(tǒng)傳送和存儲保護內測量記錄的數據。保護的配置整定：對于保護裝置的使用，首先要進行配置整定，輸入相關參數，保護裝置通過這些參數進行保護功能和測量功能的計算，配置整定可以通過前面板的MMI或者ECP軟件進行操作。微機保護裝置還有故障錄波，故障、運行和操作記錄，測量等功能。接入保護裝置的輸入信號和保護裝置內所有數據都有數據可能通過網絡接口傳送到網絡上的其它設備內。4 計算機監(jiān)控的功能4.1 監(jiān)控畫面功能（1）電氣主接線狀態(tài)畫面畫面顯示電氣主接線所有

9、開關的狀態(tài)，發(fā)電機出口的電氣和勵磁參數，主變壓器高、低壓側的電氣參數，35KV線路出口的電氣參數，6KV 和35KV母線的電氣參數，廠用變壓器的電氣參數，電氣主接線上所有開關的分、合閘操作按鈕狀態(tài)。主接線的運行狀態(tài)和操作均在該畫面上進行。當運行參數超出正常范圍或開關跳閘時，相應的數值和開關顏色變化，語音設備報警。（2）機組工藝系統(tǒng)狀態(tài)畫面畫面顯示機組及其氣、水、油等主要設備的狀態(tài)參數，主要設備的操作按鈕。當氣、水、油等參數超出正常范圍或設備故障時，相應的數值和設備圖形顏色變化，語音設備報警。 （3）監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)畫面畫面顯示監(jiān)控系統(tǒng)繼電保護、PLC和測量裝置的工作狀態(tài)和參數。（4）電站所有需

10、要監(jiān)測的各種參數的實時和歷史曲線圖、棒型圖畫面。（5）各種運行和管理報表及表格畫面。（6）電站的平面圖、動畫等顯示。4.2 遠動功能由監(jiān)控系統(tǒng)的主工作站實現，并留有擴展能力。需要向電力系統(tǒng)調度機關傳送和接收數據，實現調度機關對本電站的遙測、遙信、遙控和遙調，實時接收調度命令，向調度機關發(fā)送水電站實時運行工況、運行參數等信息。4.3 數據采集和處理功能（1）電站控制層：自動實時采集和處理來自各現地控制層及調度系統(tǒng)的數據。主要包括：機組、主變、母線、35KV線路、廠用電、調壓井閘門及全廠公用系統(tǒng)的電氣模擬量、非電氣模擬量、脈沖量、開關量的采集，對這些數據進行處理，包括越限處理、報警處理及事故追憶處

11、理，處理后的數據以一定的格式存入實時數據庫，形成實時數據庫和歷史數據庫，以備系統(tǒng)調用和隨時查詢，并對監(jiān)視的模擬量、開關量、脈沖量進行統(tǒng)計分析計算（含變位、越限等）作為歷史數據存入歷史數據庫，并作為報表輸出的主要數據來源。當出現異常事件記錄和出現事故時，計算機監(jiān)控系統(tǒng)根據目前的情況自動作出處理。（2）機組現地層LCU：自動實時采集和處理發(fā)電機、水輪機、勵磁及調速裝置、機組附屬設備的電氣模擬量、非電氣模擬量、脈沖量、開關量，主要設備運行工況診斷處理，并以一定的格式存入實時數據庫，對各類信息進行數據封裝后存放在現地控制單元的存儲單元中，并上傳電站控制層。直接采集的信號有：電氣量：發(fā)電機定子電壓、電流

12、，勵磁電流、電壓、頻率、有功功率、無功功率和功率因數等。非電量：機組油、氣、水系統(tǒng)的壓力、壓差、流量、液位、溫度。開關量：發(fā)電機斷路器位置、繼電保護電氣事故信號、故障分類信號；勵磁系統(tǒng)工作方式設置、滅磁開關位置、故障信號；調速器工作方式設置、故障信號；油壓裝置壓力、油位信號；油泵運行方式、設置信號、運行狀態(tài)信號；機組各溫度信號、轉速位置信號、導葉開度位置信號、接力器鎖錠投切信號、制動閘塊位置信號、制動氣壓位置信號、剪斷銷剪斷信號、油槽油位信號；進水口閥門位置信號、機組冷卻水信號；水機保護動作信號等。脈沖量：發(fā)電機有功電能、無功電能等。通信采集的信號數據有：機組各部位溫度、測溫電阻斷線及裝置故障

13、，以及有關機組軸溫溫度信號和交換控制、狀態(tài)和報警信息。勵磁系統(tǒng)、調速器系統(tǒng)、同期系統(tǒng)、發(fā)電機及主變和線路微機保護裝置的通訊。4.4 綜合參數統(tǒng)計、計算與分析功能計算機監(jiān)控系統(tǒng)根據實時采集到的數據進行周期、定時或召喚計算與分析，形成計算數據庫與歷史數據庫，幫助運行人員對電廠設備的運行進行全面監(jiān)視與綜合管理，可及時發(fā)現故障征兆，提高機組運行的安全性。對現成的計算數據列出作為實時數據處理，存入相應的實時數據庫和歷史數據庫，進行越限報警、啟動相關處理程序等操作。（1）溫度量分析計算LCU周期獲得溫度測量裝置采集的溫度數據，進行預處理，并作計算后將數據存入LCU數據庫，實現全系統(tǒng)數據共享，可顯示、制表打

14、印。溫度最高值、最低值：溫度畫面的實時值現示和歷史曲線現示。溫度變化趨勢分析：實時和歷史變化曲線。溫度越限追憶記錄：歷史變化曲線。正常值與實測值的比較分析：溫度畫面中溫度現示值變色，正常溫度為白色、報警溫度為黃色、停機溫度為紅色。（2）電量累積計算計算機監(jiān)控系統(tǒng)對全廠有功電度量、無功電度量進行周期分項分時累加，并存入數據庫，供顯示并制表打印。單臺發(fā)電機的發(fā)電有功、無功電量累加。單回送電線路的送電有、無功電量累加。全廠發(fā)電機總發(fā)電量累加，全廠線路總送電量累加。全廠總廠用電量累加。（3）設備運行統(tǒng)計計算對機組、斷路器、機組油壓裝置等重要動力設備，以及間歇運行的輔助設備的運行工況（包括啟動次數據、運

15、行時間、間歇時間等）進行統(tǒng)計，對繼電保護及自動裝置動作情況進行統(tǒng)計。4.5 定值管理功能計算機監(jiān)控系統(tǒng)對所有定值作統(tǒng)計，定值修改、變更情況統(tǒng)計，并存入數據庫，以備查詢。4.6 生產報表功能計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行電氣量參數報表，非電氣化量參數報表，溫度、日發(fā)電量、廠用電量統(tǒng)計報表，生產綜合統(tǒng)計報表等。4.7 安全運行監(jiān)視及事件報警功能（1）主要設備安全運行實時監(jiān)視計算機監(jiān)控系統(tǒng)可以使運行人員通過主機兼操作員工作站顯示器屏幕對全廠主要設備運行狀態(tài)和運行參數進行實時監(jiān)視，包括狀態(tài)變化監(jiān)視、越限檢查、過程監(jiān)視、歷史趨勢分析和監(jiān)控系統(tǒng)異常監(jiān)視。越限檢查：主要針對主機定子電流、油溫、冷卻水壓力、定子線圈和鐵心

16、的溫度計及其它被監(jiān)視參數，檢查設備異常狀態(tài)并發(fā)出報警。過程監(jiān)視：監(jiān)視機組開停機條件、開停機進程、狀態(tài)轉換過程的順序及轉換時間等，并上送至電站控制層。監(jiān)視機組各種運行工況的轉換過程所需要的操作步驟，在發(fā)生過程阻滯時，顯示阻滯原因，并由機組現地控制單元將機組轉換到安全狀態(tài)。（如開機、停機、冷卻水狀況等）趨勢分析：分析機組運行參數的變化。（如機組軸承溫度趨勢監(jiān)視、發(fā)電機溫度變化趨勢監(jiān)視、機組電壓和負荷變化、勵磁電壓和電流變化等）監(jiān)控系統(tǒng)異常監(jiān)視：對機組現地控制單元硬件、軟件故障自動監(jiān)視，報警并上送數據信息給電站控制層。實時監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)本身的工作狀況，通信狀態(tài)等。（2）事件報警故障報警記錄計算機監(jiān)控系

17、統(tǒng)周期性掃描故障信號，故障發(fā)生時，立即響應并處理，同時記錄故障發(fā)生時間（時、分、秒）、動作設備器件名稱、事故內容等信息，并顯示、打印故障報警語句，發(fā)出聲光報警信號，按故障發(fā)生的先后次序排列，形成故障記錄并存入數據庫。故障記錄表格為故障匯總記錄表，可供值班人員查尋，并定時打印，也可召喚打印或顯示。參數越限、復限報警記錄計算機 監(jiān)控系統(tǒng)在設備運行參數超越其限值時，立即報警，越限值恢復正常值時，進行復限提示。參數越、復限時，記錄發(fā)生時間（時、分、秒）、參數名稱、參數值勤等信息，并顯示打印故障報警語句，發(fā)出音響報警信號，形成全廠參數越看待線記錄并存入數據庫。 事件順序檢測機組現地LCU自動檢測本單元所

18、監(jiān)視的設備、繼電保護和自動裝置的動作情況，當發(fā)生狀態(tài)變換時，對于事故信號自動產生中斷，檢測事件性質、發(fā)生時間，并順序記錄，上送電站控制層，計算機監(jiān)控系統(tǒng)立即響應中為信號，同時記錄事故發(fā)生時標（時、分、秒、）、動作設備器件名稱、事故內容等信息，并顯示、打印事故報警語句，發(fā)出聲光報警信號，按事故發(fā)生的先后次序排列，形成事件記錄并存入數據，可按設備進行搜索記錄。（3）事故追憶及相關量記錄電站發(fā)生事故時，需對事故發(fā)生前后的某些重要參數進行追憶記錄，以供運行人員事故分析。事故發(fā)生時，計算機將按順序將事故報警信息、事故的名稱及這些追憶數據保存于磁盤中，形成歷史數據。并自動顯示、打印這些數據。事故追憶的重要

19、參數有：線路三相電流和電壓（正常值和故障值）；主變的電流和溫度（正常值和故障值）；發(fā)電機定子三相電流和電壓（正常值和故障值）、機組推力軸瓦最高溫度等。（4）機組開、停機過程監(jiān)視機組開、停機時（命令發(fā)出），計算機監(jiān)控系統(tǒng)自動推出相應機組的開、停機過程監(jiān)視畫面。畫面包括：機組編號、自動/手動標記、開（停）機條件、用流程圖表示的開（停）機步驟、每步操作的時間及總時間。實時顯示全部開、停機過程中每一步驟及執(zhí)行情況，并按設備實際動作狀態(tài)自動改變步序框的顏色，以區(qū)分已操作、正在操作、待操作及操作受阻部位。并提示在開、停機過程受阻的受阻部位的原因，進行開環(huán)運行指導甚至閉環(huán)自動控制操作。4.8 控制、操作與調

20、節(jié)功能根據電廠設備運行的情況和有關計算結果，按預定步驟遠方及現地的控制命令對全廠設備的運行進行控制與調節(jié)。運行設備控制方式設置，自動/手動控制、遠方/現地操作，均可在操作畫面中點擊實現，有功功率、無功功率調節(jié)以及機組開停機的控制操作也可在操作畫面中點擊實現?？刂苾?yōu)先權為：現地控制層單元、電站控制層單元?？蓪崿F設備運行方式設置與轉換；機組有功、無功的調節(jié)操作；斷路器、隔離開關投、切操作；機組開、停機操作及緊急停機操作；機組壓油裝置和公用設備電動機啟停操作；閘門開/閉操作；各種整定值、限制修改操作；報警信號復歸。（1）電站主接線圖上的斷路器和開關的控制。主接線圖上的斷路器和開關的控制通過微機保護的

21、開關量輸入和輸出實現。在出現故障時，由相應的保護裝置動作于跳閘；正常的分合閘操作，既可以在控制屏上通過控制開關操作，也可以通過上位微機用鼠標操作來實現。（2）機組順序控制機組通過各自的現地LCU實現開停機過程順序控制及水輪機事故保護。機組開停機指令由電站級操作員工作站自動或手動發(fā)出，也可在現地觸摸屏上執(zhí)行。運行人員通過專用操作控制畫面，以人機對話方式選擇機組號，設置有功功率或無功功率給定值，當運行人員確認后，上位機發(fā)出命令，機組LCU執(zhí)行?？蓪崿F機組轉速及有功功率調節(jié)；機組電壓及無功功率調節(jié)。（3）機組開停機過程的控制機組開機、停機和故障停機過程的自動和手動控制，通過每臺發(fā)電機組自動屏內的PL

22、C來實現，在機組自動屏上可以通過模擬屏上的操作顯示接口進行手動和自動開機，也可以由上位微機進行手動和自動開機，二處均在軟件上設置切換功能，不能同時操作。開機和運行過程的控制包括投入、關閉冷卻水，打開、關閉制動閘和碟閥，調節(jié)導水葉的開度，控制水輪機的轉速，投入、斷開勵磁和調節(jié)勵磁電壓和電流、發(fā)電機出口開關合閘、分閘等操作。水機故障跳開發(fā)電機出口開關，通過軟件由發(fā)電機保護跳閘執(zhí)行。（4）公共系統(tǒng)的控制電站公共系統(tǒng)輔機由一臺PLC控制，控制對象包括：高、低壓壓縮空氣、供水泵、排水泵、潛水泵、調速油泵和碟閥的打開、關閉。廠用電備用電源自動投入監(jiān)視、調速器油壓力高低、冷卻水壓力等信號。公用系統(tǒng)設備既可以在公用系統(tǒng)屏上的按鈕進行控制，也可以由上位微機進行控制。（5）發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的控制控制每臺發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的開關量以及勵磁電壓和電流增加或減少，通過每臺機組的PLC開關時接點來實現，某臺發(fā)電機出口開關故障跳閘后，PLC自動跳開相應的發(fā)電機滅磁開關。機組自動起機正常運行過程中，執(zhí)行投勵磁電壓和勵磁電流的調節(jié)工作。對于勵磁系統(tǒng)的控