摘要龙门滩水电站工程采用梯级开发形式,一、二级电站总装机容量为50.8MW。电站运行原为传统控制方式,监控的工作量较大,且机组运行的可靠性、安全性、经济性也较差。本文以二级电站监控系统改造为例,按照“无人值班、少人值守”的原则对电站进行技术改造设计。
关键词水电站技术改造设计
随着科学技术的迅速发展,计算机在电力系统已成功地广泛应用。主要是借助计算机对机组运行工况进行全面、准确、迅速地检测、分析和综合判断,由自动操作和控制代替运行人员的逻辑判断及频繁的控制操作,从而减轻电站运行人员的劳动强度,提高水电站运行控制及监测的自动化水平,确保机组运行的安全性和经济性.
一、工程规模及运行方式
龙门滩电站位于德化县龙门滩镇境内,工程包括一级电站、二级电站、水库、城关调度中心。两级电站总装机容量为50.8MW。其中,一级电站距德化县城约25km,于1989年9月投产发电,装机容量(9MW×2+1.6MW×2,其中1.6MW×2为2000年以“戴帽”方式增容的与原机组同轴的机组);二级电站与一级电站相距7km,于1992年8月投产发电,装机容量(13MW×2+1.8MW×2,其中1.8MW×2为2002年以“戴帽”方式增容的与原机组同轴的机组)。
电站原运行方式为传统控制。一次系统采用扩大单元接线;二次部分包括水机自动化,采用常规继电器以硬接线方式连接实现逻辑保护关系,并通过信号继器和集中光字牌报警,开关同期方式采用手动准同期;水库大坝闸门由现地常规控制上升和下降,上升和下降量由操作人员人为判断,抽水泵也由操作人员根据集水井水位的高低进行人为操作。
二、设计原则和目标
1.原则
按照“无人值班、少人值守”的原则进行设计和配置,采用计算机控制。系统结构采用全分布开放式模块化冗余结构(数据库及功能分布等),以“分散监测、集中控制”为原则;梯调监控系统采用冗余配置,有强大的监控功能,具有MIS接口,能与水工所的水情水文及大坝闸门控制系统进行连接监控;梯调调度中心能实现对电站的四遥(遥信、遥测、遥控、遥调)功能,同时还考虑以后与闭路工业电视及消防系统的连接,实现遥视等功能。
2.目标
电站的水机自动化由常规控制改造为微机控制,实现自动开、停机和机组空转、空载、运行状态的自动转化,实现AGC、AVC控制。电站的辅助设备(油泵、水泵、气机)实现自动控制和主、备用泵自动倒换。电站公用系统及开关站系统实现自动控制(包括厂用电系统;机组出口开关;一、二级35kV开关;二级电站110kV开关及刀闸)。对电站一些电气和非电气量的数据采集,通过计算机进行计算、分析、判断、报警监视设备的运行工况。实现大坝三个弧型闸门及廊道抽水泵的自动监视和控制。通过对梯调中心的改造,一、二级电站通过光缆与城关调度系统连接,梯调中心采集电站、水库大坝一些相关的模拟量、开关量等参数,实现对两级电站、水库大坝闸门的远程自动监视和控制,其功能等同于电站和水库现地自动监控功能。电站、水库大坝、调度中心整体网络配置和软硬件选择,采用开放分层布置,实现梯调方式、电厂中控方式、现地MMI方式的整体设计。
三、电站技术改造设计
以二级电站监控系统改造设计为例,工程采用天津阿尔斯通水电设备有限公司微机监控系统,系统结构采用全分布开放式模块化冗余结构(数据库及功能分布等),即“分散监测、集中控制”。共分三层,即由城关调度层、电站中控层、现地LCU控制层组成,通过配置的一些基本系统软件、系统功能软件、应用软件、工具软件及语言软件把被控设备、管理系统、操作人员有机连接在一起,对全厂被控对象进行实时监视与控制。
1.网络总体结构及关系
(1)城关调度层。调度层位于城关调度中心,主要配有双屏操作员站(64位400MHzSUN工作站)、工程师站(64位400MHzSUN工作站)、报表管理站(DELLPIII/800)各1套。调度层具有与电站中控层相同的监控功能,对电站各设备进行实时监视和控制。
(2)电站中控层。中控层位于电站中控室内,主要配有双屏操作员站(64位400MHzSUN工作站)、工程师站(64位400MHzSUN工作站)、打印/报表、报警管理站(DELLPIII/800)、GPS时钟同步系统各1套。中控层与调度层采用光纤线路通讯,接受调度层命令并向调度层传送数据。当与调度层通信中断时,可独立构成远方控制系统,对电站各设备进行监视和控制。
(3)现地LCU控制层。现地LCU控制层配有3套LCU控制单元,2台机组各1套,公用部分1套,分别置于机组旁和继保室内,3套LCU配置一样,只是各自采集的参数和控制对象不同及数量上存在差别。现地LCU控制层主要配有C80-35PLC可编程控制器,模入、开入、开出板、CPU模块、MODBUS通讯网卡及一体化工控机等硬件。当调度层、中控层与现地LCU通讯中断或故障时,可以把现地MMI作为现地操作员站,用于显示现场设备的运行情况及运行参数,并通过MMI上的操作画面对相关设备进行监视和控制。
(4)各控制层间的相互关系。各控制层间既相互联系又通过操作优先等级相互闭锁,现地LCU控制层最高,中控层次之,调度层最低。现地LCU上有远方自动、现地自动、现地分步、锁机四种控制方式的切换开关,实现现地与远方控制的控制权转换;中控层、调度层操作画面上也有梯调/电厂控制软切换按钮,通过点击,可实现中控层与调度层间的控制权转换。这样,可保证各层间网络通信故障时,能切换到相应控制层完成设备的监视与控制。
2.控制层的主要功能配置
(1)中控室控制层(上位机)的主要功能配置。
①数据采集与处理。采集的数据包括模拟量、开关量、脉冲量、综合量和事件记录、SOE记录、越复限事件记录等。根据实时采集到的数据进行周期、定时计算,标度变换,形成各种计算数据,存入实时数据库和历史数据库,供计算机画面实时显示、制表、查询、打印及完成计算、统计、分析、判断功能,对电站设备的运行进行全面监视和综合管理。
②控制与调节。操作人员可通过操作画面对全站被控对象进行监控与调节,实现开机、停机、有功、无功调节命令及对断路器、主阀、机组辅助设备等进行控制,在操作过程中显示整个过程的每一个步骤和执行情况,出现事故或故障时发出报警。同时在自动方式下可实现机组AGC、AVC、负荷曲线控制与调节。
③安全监视及事件报警。对电站各监控对象的运行状态和运行参数进行实时监视、越复限检查及对机组各工况转换过程主要步骤进行监视。具有越复限报警记录、事件顺序记录、事故、故障报警记录、事故追忆、趋势记录分析、语音报警及电话报警等。
除上述功能外,系统还包括电站运行指导、生产统计与生产管理、系统异常监视、系统的时钟同步、人机接口、打印等功能。
(2)现地LCU的主要功能配置。运行值班人员可在机组LCU柜现地手动开、停机,并可选择分步或自动执行。当上位机不起作用或故障时,可选择现地自动方式;在机组运行试验或大、小修完成后的调试阶段可选择现地分步方式。主要配置以下功能:
①信息量采集与处理。PLC通过I/O模块采集状态量、事故故障量、电气模拟量、非电气模拟量及脉冲量;通过通讯方式采集调速器、励磁装置的有关数据和温度巡检装置中的温度量,这些信息量分别送往MMI及上位机系统进行监视和处理,实现对所有监控对象进行运行监视和控制。
②控制与功率调节。机组LCU接受远方或现地的命令实现自动、分步开停机、并列、解列操作;事故时实现事故停机及紧急停机和机组黑起动操作;断路器的自动同期、无压分合;机组辅助设备、附属设备和公用设备的自动控制。功率调节分脉冲调节和数字调节,数字调节又分为监控系统闭环调节和以通讯方式将调节数据送往调速器或励磁装置,由他们进行闭环调节。
③现地MMI功能。现地MMI工控机可以建立实时数据库,并通过与PLC通讯获得所需信息量,经过计算、标度变换等处理,在屏幕上显示监视信息,实现数据的采取和处理;显示机组运行工况监视和操作画面,正常时可以作为运行监视,在对机组进行操作时,可通过画面进行开、停机,有功、无功功率调节等操作。
(3)城关调控层的主要功能配置。城关调控层的功能等同于中控控制层。同样可实现对监控对象进行数据采集与处理、控制与调节、安全监视及事件报警、生产统计与生产管理、系统异常监视等功能。
3.通信设计
城关调度层通过光纤、CSS-F网关与二级电站相连接。中控层各站之间通过网络集线器构成以太网连接,各计算机实现资源共享。中控层与现地LCU之间采用S8000-E环型冗余光纤以太网连接,实现上送和下发数据信息及操作命令,这种结构的光纤环网可进一步保证网络通讯的可靠性。
各现地LCU控制单元通过PLC采用MODBUS通讯协议与调速器、励磁系统、同期装置、温度巡检进行通讯,采集的各参数量可就地显示或通过PLC上网。通过PLC上网比通过MMI上网更能保证数据传输和控制的真实性,减少故障率。
四、结语
水电站微机监控技术改造,关系到电站运行的自动化水平及安全可靠程度。因此,技术改造应保证各控制环节的安全可靠,不能因控制功能由微机完成就放松对各控制环节的可靠性要求,对改造实施中应保留的设备要高度重视,保证其与微机接口回路连接的正确性和可靠性。同时应注重以下方面:
根据电站实际,充分利用现有资源。如有条件的电站,在考虑电站直流电源的容量和绝缘水平等保证直流系统安全的情况下,可利用本站的直流电源代替UPS,以节省投资,保证可靠性。
监控系统的整体功能与性能指标要达到行业要求,才能保证系统的安全、可靠、稳定。
变送器、传感器等自动化元件及执行元件选型配置以满足无人值班(少人值守)为要求,力求技术先进、质量可靠、维护方便。
自动并网的同期装置应采用高精度、高速度、高可靠性微机同期装置,以利于并网操作,保证系统的运行稳定性及电能质量和电厂运行的经济性。
所有采集的模拟量、开关量应覆盖全站生产过程中每个必须监控的控制点和监视点,以保证各监控功能的实现。
参考文献:
[1]郭宗仁.可编程序控制器及其通信网络技术.人民邮电出版社
[2]盛寿麟.电力系统远程监控原理(第二版).中国电力出版社
[3]应敏华,申鼎发,黄一敏.电力系统监控技术.上海电力学院
[4]张一尘.高电压技术.上海电力学院成教院