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水电站微机监控与自动发电控制系统设计

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2008/5/4 15:58:22   

  所属频道:  水力发电    关键词:  控制系统 设计 系统设计

摘要:针对目前安图县松合水电站实际情况,建设水电站微机监控和自动发电控制系统。本文从系统设计原则、系统总体设计、具体功能设计三个方面,详细的阐述了水电站微机监控与自动发电控制系统的设计与实现。

关键字:水电站微机监控自动发电控制自动同期无人值班PLC

1引言

随着我国国民经济的快速发展和人民群众物质文化生活水平的不断提高,社会对电力的需求日益增强,对电能质量的要求也越来越高。安图县松合水电站是二道梯级开发的最上一级水电站,上世纪80年代投产发电,总装机容量为1120KW,有3台机组,2台机组400KW、另1台为320KW。目前,松合水电站一直持续传统的常规控制、人工操作为主的控制模式进行发电,这已远远不能满足现代社会对电能的需求。另一方面,安图县松合水电站地处偏僻山区,远离城镇,职工长期工作生活在较差的环境之中。值班人员对机组和设备运行情况须进行定时巡回检查、记录、维护等繁杂操作,劳动强度大。因此,利用先进的自动控制技术、电子技术、微机技术、计算机网络技术相结合,对其进行以微机监控和自动发电控制系统为基础的综合自动化改造,实现对水电站发电机组的自动起、停机及自动发电控制、同期并网,完成机组及线路的各种电气量的实时监测和控制以及对上级调度的信息传输。改善广大水电职工的工作和生活环境,提高生活质量,减轻劳动强度,用微机监控与自动发电控制系统来代替人工操作,使水电站逐步实现少人值班,最终达到无人值班(或少人值守)的目标。

随着我国电力行业“厂网分开、竞价上网”电力市场的起步和发展[1],电力企业的经济效益已充满了挑战和竞争,为了在未来的电力竞争中占有一席之地,这就需要电力企业降低生产成本,节约运行费用,最大限度的发挥机组的最优性能,增强上网电价的竞争优势。而水电站如果没有微机监控和自动发电控制系统,而是依靠传统的人工操作控制,将难以满足市场竞争的需要。不了解实时行情,参与竞价将非常困难。即使争取到了发电上网的机会,又因设备陈旧落后而不能可靠运行,既影响电网供电,又使自身效益受损,最终也失去了好不容易才争取到的发电机遇。因此,电力体制改革也促使水电站进行改造,实现微机监控和自动发电控制,保证电站安全、可靠、经济运行,提高水电站综合经济效益。

本文针对目前水电站普遍存在的问题,结合安图县松合水电站现状,从系统设计原则、系统总体设计、具体功能设计三个方面,详细的阐述了水电站微机监控与自动发电控制系统的设计与实现。

2系统设计原则

2.1开放式系统结构设计

系统的设计遵循开放性的原则,保证系统的可移植性,互操作性和对多种计算机平台的支持。考虑到今后系统的升级和功能扩充,设计遵循最新的国际标准、国家标准和行业标准。采用开放、分层分布式计算机监控系统结构,模块化软件及结构化设计,实现真正意义上的硬件开放、软件开放、数据开放和通信开放。

2.2经济性原则

从经济成本和与效益角度考虑,在满足系统功能和用户需求前提下,系统本着安全、简单可靠、经济和适用的原则配置高质量、高标准的硬件和软件。

2.3面向用户设计

开发基于图形界面的智能化支撑环境,让用户花费的维护工作量小。人机接口友善,操作方便,用户可自如扩展系统。

2.4采用面向对象技术进行系统分析、设计和编程

在设计开发过程中,严格采用面向对象技术和原则。针对面向对象语言C 的对象类具有封装性、类属性和继承性的特点,以数据为中心而设计。保证系统可扩充性、可再用性,使进程在占用极少资源的环境下处理大量的事务,稳定有效运行。

2.5系统具有高实时性

计算机监控系统具有高实时性,可靠性、可维护性。系统设备控制独立,各设备独立运行,若某一装置故障,不影响其它装置正常运行,检修维护方便。

2.6系统具有高可靠性和抗干扰性

计算机监控系统采用了避错、容错、纠错等技术,具有高可靠性和较强的抗干扰能力。能承受低温、潮湿、振动、噪声以及电力系统短路、雷击而产生的强磁场、强电场的干扰。

2.7选用高性能的I/O硬件作为现地控制单元。

3系统总体设计

根据松合水电站现场实际情况,系统总体上分为以下几部分:

3.1开关部分

按单元配置,发电机出口、主变低压侧和分段每个单元配置开关及控制屏,厂用电交流屏。监控测量部分配置2台控制屏。发电机出口、主变低压侧为了满足同期合闸和远方操作的需要选用NA15智能型断路器(电动、预储能和过载、欠压、单相接地保护)根据容量不同选用不同额定电流的断路器,同时配置相应隔离刀闸。分段单元采用隔离刀闸方式。各测量点配置三相CT,两相PT。厂用交流电分别引自两段母线和10KV侧所用变,同时配置不间断电源UPS,确保厂用电源的稳定、不间断。

3.2微机监控部分

按单元配置,3台发电机分别配置D20L/g发电机控制(测量、调节和同期功能)装置和智能电度表等;主变低压侧配置D20C/g单元测控装置;10KV线路、厂用交流电配置D20C/g单元测控装置和智能电度表等。

3.3自动控制发电部分

按单元配置,3台发电机分别配置发电机自动励磁装置[2]、直流自动调速装置、发电机测速装置和水位采集显示装置等。

3.4监控系统

由后台监控计算机、打印机和网络交换机等构成。后台监控计算机通过以太网连接与各监控装置通信,整个系统结构简单,各个单元功能强大,保证了系统的安全、可靠运行。

水电站微机监控与自动发电控制系统主要针对水电站开发,完成水电站发电机组的自动起、停机及自动发电控制(与水库水位结合)、同期并网,完成机组及线路的各种电气量的测量、控制以及对上级调度的信息传输等功能。

发电机组的就地控制单元采用D20L/g发电机控制装置,满足32路数字量输入、8路遥控输出、2路全电量交流采样和32路直流量采集,提供功能强大的PLC可编程逻辑控制功能[3],同时具有自动同期合闸、自动发电控制功能。

D20L/g发电机控制装置,提供1个以太网口和最多到8个RS-232串口,把上、下级设备联在一起,实现全系统的数据通讯及公共数据库,由此形成和完成通讯控制功能。线路监控采用D20C/g综合测控单元,全分散配置,扩展组态灵活,可靠性和经济性高;分散式安装,每个单元可以实现一个间隔的遥测、遥信、遥控等远动功能,既支持集中组屏模式又支持就地分散安装。后台系统选用HP计算机,用于上位监控,使用简单,易于掌握,具有开放式的数据结构,友好的人机界面。适用于各型水电站的设备控制。

4系统功能设计

4.1数据采集和处理

微机监控与自动发电控制系统实时在线采集水电机组设备或部件运行状态信息和特征参数(如主轴各关键处的摆度、各个轴承和机架的振动、轴承温度、蜗壳和尾水管的压力、发电机组功率、接力器行程、发电机绝缘状况、空气隙的动态变化、水轮机流量以及空化噪声和超声波等参数),进行必要的转化和预处理,并以一定的格式存入系统实时数据库中[4]。按照被测值性质的不同可分为开关量、模拟量、脉冲量、计算量等。

(1)开关量输入:开关量输入信号包括各主要设备继电保护信号、机械保护动作信号、断路器和隔离开关的位置信号、机组运行状态信号、转速信号、手动自动方式选择、开关的位置信号等。

(2)开关量输出:开关量输出用于自动控制电站机组的自动启停顺序控制、有功和无功功率调节和电站其它主要设备操作控制,如高、低压断路器、隔离开关等设备操作和闭锁控制。

(3)模拟量输入:模拟量包括电气模拟量、非电气模拟量及温度量的采集,包括上游水位、下游水位、机组转速、轴承温度等。电气模拟量指发电机定子电压、电流及有功功率、无功功率、转子电压、转子电流,线路电压、电流及有功功率、无功功率,主变压器电流及有功功率、无功功率,直流母线电压、电流以及直流充电机电流等。模拟量采集由D20L/g发电机控制装置和D20C/g综合测控模块完成。对模拟量处理有断线检测、数字滤波、数据合理性判断、标度换算、越复限报警等

4.2自动发电控制AGC

自动发电控制(AGC)按照预定条件和要求,以快速、经济的方式自动控制水电厂有功功率来满足电力系统要求[5]。依据电网的负荷要求或实时给定的电厂总有功功率,考虑发电机组特性、运行限制条件及其他因素综合决策,在保证电厂安全运行的前提下,以实现水电厂发电运行的最优经济运行方式。

自动发电控制(AGC)的任务是跟踪电网运行状态(电压、频率等),与机组状态(水、机、电、磁)监测,故障诊断系统连接和协调,在电网运行稳定要求的精度内,分配、调整控制机组的有功功率和无功功率,以满足电力系统的运行要求。其内容主要有:满足梯级及各母线有功功率目标设定值;保持系统频率稳定在允许的范围内;使机组的有功出力在其运行限制内;及时向各电厂(机组)监控系统发布调度指令;根据上位机指令完成机组的自动起机和停机、同期并网;在系统事故及故障时,按系统运行规程规定和系统命令,自动启停机组和远动措施,维持系统稳定。

(1)调有功功率:自动发电控制系统实现自动调节发电机组的有功功率主要根据库存量(水位)进行调节,或根据上级调度给定的有功功率计划负荷曲线进行调节。

通过设定水电站的水位的上限值和下限值,发电机控制装置D20L/g实时监测水位情况,当水位超过上限值时自动调节发电机组增大出力,当水位低于下限值时,自动调节发电机组减小出力。

安装传感探头,发电机控制装置D20L/g实时监测上限动作和下限动作信号,当水位越上限时,上限动作变化启动上限报警,自动调节发电机组增大出力,当水位低于下限时,下限动作变化启动下限报警,自动调节发电机组减小出力。

按上级调度给定的计划负荷曲线进行发电,发电机控制装置D20L/g实时读取每个时间段计划发电值,并根据计划负荷曲线,在允许的偏差范围内,自动控制发电机组,调节电站的出力。

(2)调无功功率:根据电压或给定的功率因数或给定的无功功率曲线值进行无功调节。

4.3自动同期

通过D20L/g发电机控制装置实现发电机自动同期功能,采集发电机两侧电压和频率。通过同期装置实现发电机并网功能。具体特点如下:

(1)确保捕捉第一次出现的并网时机及在零相角差时完成并网。

(2)按模糊控制理论实施并网过程中的均频及均压控制。

(3)同频并网时增加允许功角的定值,保证线路并网不致引起失步或保护动作。

(4)具有PT二次回路断线的低压闭锁功能。

(5)实现无逆功率并网。

(6)每次并网实测断路器合闸回路动作时间,误差小于2毫秒。每个并列点保存最近8次的

实测记录。

(7)发电机并网出现同频时实施自动加速控制,脱离同频状态。

(8)具备单侧或双侧无压合闸选择功能。

4.4保护功能

3台发电机出口、主变低压侧需要选用NA15智能型断路器(电动、预储能和过载、欠压、单相接地保护)根据容量不同选用不同额定电流的断路器,智能型断路器本身带速断、过流和欠压保护。同时发电机出口配置过压保护,防止发电机与系统解列后发电机自身产生震荡。同时设置发电机过速保护,避免发电机飞转。发电机调速装置配置直流调速机构,防止交流系统在发电期间突然失电。水轮机闸门不能及时关闭,造成事故。电站内配置2KVA不间断电源UPS,为整个电站的控制回路、监控装置和电站应急装置提供不间断电源,确保整个电站安全、可靠运行。

4.5安全运行监视与事故报警

(1)全厂运行实时监视:通过计算机监控系统显示屏幕对全厂主要设备,包括水机调速器、励磁调节器、微机型继电保护装置、水轮发电机组、主变压器、开关站、厂用电及全厂公用系统设备的运行状态及运行参数实时监视。监控系统可以按照预先设定的职责设定监视的级别及范围,并随时对监视内容的设定进行更改。

(2)事件报警:监控系统对数据越限、数据不变、进程异常、网络中断,现场事故等信息实行报警。

报警方式有:音响、语音、画面闪烁、弹出窗口、推出画面等,也可通过电话、短信方式告警。

(3)事故顺序记录:当发生电气、机械等故障情况时,水电站计算机监控系统立即以中断方式响应并及时记录事故名称和发生时间,记录相关设备的动作情况,自动推出相关画面必要时进行打印;并进行事故原因分析和提示处理方法。计算机监控系统能将发生的事故及相应设备的动作情况按其发生的先后顺序记录下来,记录的分辨率根据电厂要求决定。

4.6生产管理和设备运行记录

自动统计全厂主要设备的运行小时数、主要操作时间和次数;事故和故障次数;设备主要运行参数等,并存入数据库,供打印报表用。通过智能电度表采集发电机和线路有功电度和无功电度,形成日、月报表等,便于向调度汇报。

4.7数据、画面显示

开关柜上配置交流采样单元和LED显示单元模块,采集发电机或线路的交流实时数据电压、电流,计算实时发电机频率、有功功率P和无功功率Q等。同时在LED显示模块上显示。后台系统画面显示是监控系统的主要功能。通过某些功能键或菜单方式调用所需画面,画面种类包括各种控制系统示意图,如油、水、气系统图、电气主接线图和厂用电系统接线图等画面以及运行状态监视画面等。画面显示清晰、稳定。画面结构合理,刷新速度快且操作简单。

4.8远动功能

计算机监控系统具有RTU功能,可通过MODEM调制解调器将采集电站信息送往上级调度或接收上级下达的调度命令。因本电站处于偏僻处没有专用通道到远方调度,铺设数据通道费用昂贵、实施繁琐、维护困难,所以可采用GPRS网络传至远方调度。此方式只需每年交纳少量的费用。

5结语

水电站实施微机监控与自动发电控制系统,大大提高设备安全运行的可靠性,减轻劳动强度,实现“无人值班”(少人值守)的目标,达到减人增效的直接经济效益。是水电站现代化管理的发展方向,是科技进步的标志,是我国电力管理部门对水电站现代化提出的要求,在电力体制改革中,也是水电站自身生存和发展的需要。

参考文献:

[1]史连军,韩放(ShiLianjun,HanFang),中国电力市场的现状与展望(StatusandProspectsofPowerMarketinChina).电力系统自动化(AutomationofElectricPowerSystems),2000,24(3)

[2]毛承雄,陆继明,樊俊(MaoCheng-xiong,LuJi-ming,FanJun).大型水轮发电机多微机最优励磁控制(OptimalExcitationControlofHydrogeneratorBasedonMulti-microcomputers).华中理工大学学报(JournalofHuazhongUniversityofScienceandTechnology),1994,22(4):20-24

[3]ControllogixPLC用户手册,美国Rockwell公司,2000

[4]陈喜阳,张克危,彭玉成(ChenXi-yang,ZhangKe-wei,PengYu-cheng).水电机组在线监测系统实时数据智能存储策略(StrategyforIntelligentStorageofReal-TimeDataforTheOn-lineMonitoringSystemofHydropowergeneratingSets)电力系统自动化(AutomationofElectricPowerSystems)200428(7)67-70

[5]李健,伍永刚,余波(LinJian,WuYong-gang,YuBo).三峡梯级自动发电控制算法研究(AlgorithmresearchforThreeGorgescascadeAGCsystem).水力电力(WATERPOWER)200531(1)49-52

来源:中国农村水电及电气化信息网
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