小型電站綜合自動化系統(tǒng)設(shè)計研究

摘要 本文研究了某小型電站綜合自動化系統(tǒng)的設(shè)計，詳細(xì)說明了電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和配置及其特點、自動化元件配置選型、繼電保護(hù)系統(tǒng)以及梯級電站集控系統(tǒng)等。

關(guān)鍵詞 電站;綜合自動化;計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng);環(huán)形網(wǎng)絡(luò);梯級集控

中圖分類號TV742 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1673-9671-(2009)111-0066-02

該電站位于四川省境內(nèi)，坐落在岷江下游，電站下轄三個梯級電站裝機(jī)7臺、總裝機(jī)容量19.5 MW。其中第一級電站裝機(jī)容量為2×3000kW、第二級電站2×3000kW、第三級電站3×2500kW。該電站經(jīng)過多年運(yùn)行，部分設(shè)備可靠性降低、技術(shù)趨于落后，不能滿足電站安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行需要。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和技術(shù)討論的情況，結(jié)合多年從事電站綜合自動化改造工程的經(jīng)驗，提出了以下改造方案。

方案的設(shè)計原則:該電站運(yùn)行方式按“無人值班”(少人值守)的原則設(shè)計，從實際出發(fā)、既要滿足目前電站運(yùn)行的基本需要、又充分考慮了今后系統(tǒng)擴(kuò)展以及全站三站集控接口，主要包括計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和全站輔機(jī)控制系統(tǒng)。

1計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

1.1主控級計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

1.1.1計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由廠級控制層(主控級)和現(xiàn)地LCU控制層組成。廠級控制層配置兩臺操作員工作站，其中一臺作為監(jiān)控中心，可以對電站的生產(chǎn)、設(shè)備運(yùn)行作實時監(jiān)控并取得所需信息，另一臺作數(shù)據(jù)服務(wù)器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、存貯?，F(xiàn)地控制層由4套LCU組成，分別是1號機(jī)組LCU1、2號機(jī)組LCU2、閘門LCU、公用LCU，它們分別完成各自范圍內(nèi)的監(jiān)控功能。在操作員工作站和4套LCU之間建立控制局域網(wǎng)，實現(xiàn)它們之間的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)，符合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展潮流。系統(tǒng)以環(huán)形結(jié)構(gòu)局域網(wǎng)為核心，實現(xiàn)各個服務(wù)器、操作員站的數(shù)據(jù)訪問，數(shù)據(jù)分散處理，效率高速度快。

1.1.2網(wǎng)絡(luò)組成

以往很多電站的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)大都采用星形網(wǎng)，其優(yōu)點是各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的通道是獨立的、可靠性較高;其缺點是交換機(jī)的數(shù)據(jù)流量及負(fù)荷均較重，成為全站網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，交換機(jī)一旦出現(xiàn)故障將會造成監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信中斷。所以，一般星形網(wǎng)絡(luò)都采用冗余配置、成本較高。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在逐漸普及，越來越多的電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用了環(huán)網(wǎng)型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是顯而易見的。首先，數(shù)據(jù)可以在任何兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間傳輸，大大降低了各交換機(jī)的負(fù)荷;其次是結(jié)構(gòu)簡單、布線輕松、擴(kuò)展靈活。第三是對交換機(jī)的性能要求大大降低。所以該電站也擬采用先進(jìn)的環(huán)網(wǎng)技術(shù)，把全站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)建立在環(huán)網(wǎng)型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)之上。具體地，在主控室放置兩臺網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，分別連接兩臺操作員工作站、公用LCU、閘首LCU以及其他的工程師站。另外兩臺網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)分別布置在兩套機(jī)組LCU上。各LCU通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接在環(huán)形以太網(wǎng)上、實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換及共享。同時為了提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力應(yīng)采用光纖網(wǎng)絡(luò)，從電站全站的監(jiān)控數(shù)據(jù)量上考慮，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mbps、協(xié)議采用TCP/IP。各LCU的核心設(shè)備至少應(yīng)配置為水電行業(yè)應(yīng)用比較廣泛的中高檔PLC，配置以太網(wǎng)通信功能。采用TCP/IP方式與服務(wù)器和操作員站進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。

由于該電站與其他兩個電站構(gòu)成梯級電站，監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置方案還應(yīng)具備可擴(kuò)展性、預(yù)留今后三個電站的集控接口，便于三站方便連接成同一個網(wǎng)絡(luò)，為今后實現(xiàn)三個電站的協(xié)聯(lián)監(jiān)控、梯調(diào)和集控做準(zhǔn)備。三個站之間可以用光纖通道相連，在監(jiān)控系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)其中一個站對其他兩個站的數(shù)據(jù)監(jiān)控。當(dāng)用戶提供了權(quán)限后，還可以對其他兩個站進(jìn)行操作控制。各個網(wǎng)絡(luò)接點的IP地址配置應(yīng)做到三站統(tǒng)一考慮，為今后的集控實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

環(huán)形以太網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備為環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，應(yīng)該選用質(zhì)量好、性能穩(wěn)定的工業(yè)級交換機(jī)。本方案擬采用網(wǎng)管環(huán)網(wǎng)型工業(yè)級交換機(jī)，帶SNMP等多種協(xié)議，性價比高。全站共配置4套這樣的交換機(jī)構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。

1.1.3計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主控級功能

該計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)將實現(xiàn)在中控室完成全站設(shè)備的的運(yùn)行監(jiān)視和控制功能。另一方面運(yùn)行值班人員也可以在各現(xiàn)地控制單元(LCU)上通過現(xiàn)地人機(jī)接口實現(xiàn)對其所控設(shè)備的監(jiān)視和控制。

計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按“無人值班、少人值守”的原則進(jìn)行設(shè)計，既可實現(xiàn)站內(nèi)監(jiān)控，又能實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，并為今后三站集控預(yù)留接口。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)選用開放式、全分布的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)配置和設(shè)備選型適應(yīng)計算機(jī)發(fā)展迅速的特點，具有先進(jìn)性和向后兼容性。充分利用計算機(jī)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，系統(tǒng)達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，保護(hù)用戶的應(yīng)用資源和投資。系統(tǒng)的軟件應(yīng)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計，保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，使系統(tǒng)能適應(yīng)功能增加及規(guī)模擴(kuò)充的需要。系統(tǒng)具有冗余容錯設(shè)計，不會因局部的故障而引起系統(tǒng)誤操作或降低系統(tǒng)性能。各LCU能脫離主控級獨立運(yùn)行。監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)速度快，可靠性和可用率高，可維護(hù)性好，具有比較高的MTBF(平均無故障運(yùn)行時間)。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)與調(diào)度中心通信，并支持多種通信規(guī)約。人機(jī)接口功能強(qiáng)，界面友好，適應(yīng)電站運(yùn)行操作習(xí)慣?，F(xiàn)地級各LCU應(yīng)以可編程控制器(PLC)等為基礎(chǔ)構(gòu)成;PLC的選型應(yīng)是當(dāng)前電站應(yīng)用比較廣泛的、成熟的PLC，并且PLC要求帶以太網(wǎng)TCP/IP通信功能，方便接入全站控制局域網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)滿足電站監(jiān)控系統(tǒng)國家標(biāo)準(zhǔn):如《水力發(fā)電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計規(guī)定(DL/T5065-1996)》和《電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件(DL-T578-95)》。

1.2機(jī)組現(xiàn)地控制單元

現(xiàn)地控制單元LCU共4套，包括機(jī)組LCU2套、公用及開關(guān)站LCU1套、閘首LCU1套。LCU主要完成對被控設(shè)備的就地數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控功能，其設(shè)計采用了分層設(shè)計，當(dāng)它與主站級系統(tǒng)脫離后仍然能夠在現(xiàn)地實現(xiàn)對相關(guān)設(shè)備的監(jiān)視和控制功能。當(dāng)其與主站級恢復(fù)聯(lián)系后又能自動地服從主站級系統(tǒng)的控制和管理。

根據(jù)LCU分層設(shè)計模式，機(jī)組現(xiàn)地控制單元(機(jī)組LCU)應(yīng)能獨立完成單臺機(jī)組從停機(jī)到并網(wǎng)發(fā)電整個過程中所控設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)視、控制和水機(jī)保護(hù)等功能。這些功能主要包括:現(xiàn)場設(shè)備信號和數(shù)據(jù)采集、機(jī)組順控、同期并網(wǎng)、負(fù)荷調(diào)節(jié)、故障報警和事故操作、水機(jī)保護(hù)、數(shù)據(jù)上網(wǎng)等。在硬件上、機(jī)組LCU的設(shè)備應(yīng)滿足實時性、可靠性和通訊要求。

機(jī)組LCU應(yīng)以可編程控制器(PLC)等為基礎(chǔ)構(gòu)成;PLC的選型為當(dāng)前電站應(yīng)用比較廣泛的、成熟的中、高檔PLC，并且PLC自帶以太網(wǎng)TCP/IP通信功能，方便接入全站控制局域網(wǎng)絡(luò)。其響應(yīng)時間應(yīng)滿足對于生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集或控制命令時間的要求。具體說，可滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、人機(jī)接口、控制功能和系統(tǒng)通訊的時間要求。

1.2.1現(xiàn)場設(shè)備信號和數(shù)據(jù)采集

電氣模擬量信號、非電氣模擬量、溫度量信號、開關(guān)量信號。

1.2.2機(jī)組順控

機(jī)組開機(jī)順序控制:包括單步開機(jī)至并網(wǎng)發(fā)電控制和一個命令連續(xù)開機(jī)至并網(wǎng)發(fā)電控制兩種順控方式?？蓪崿F(xiàn)停機(jī)到空轉(zhuǎn);空轉(zhuǎn)到空載;空載到發(fā)電等步驟。

機(jī)組停機(jī)順序控制:包括單步停機(jī)控制和一個命令連續(xù)停機(jī)控制兩種順控方式。可實現(xiàn)發(fā)電到空載;空載到空轉(zhuǎn);空轉(zhuǎn)到停機(jī)等步驟。

機(jī)組事故停機(jī)及緊急停機(jī)控制:機(jī)組LCU接到機(jī)組事故停機(jī)或緊急停機(jī)命令后，啟動事故停機(jī)或緊急停機(jī)程序，進(jìn)行事故停機(jī)或緊急停機(jī)控制。機(jī)組快速閘門控制事故停機(jī)時快速落門。

1.2.3同期并網(wǎng)

同期對于并網(wǎng)發(fā)電來說非常重要，為了達(dá)到穩(wěn)定可靠的目的，同期系統(tǒng)設(shè)計不但使用自動同期裝置，而且應(yīng)備用一套手動同期裝置。平時自動同期裝置作為主用的同期裝置，當(dāng)自動同期失效或者故障后，值班員可以使用手動同期裝置實現(xiàn)機(jī)組的并網(wǎng)發(fā)電。

負(fù)荷調(diào)節(jié)應(yīng)具備兩種調(diào)節(jié)方式，包括數(shù)字方式和模擬方式。數(shù)字方式下，通過操作員點擊界面中的增加/減小按鈕，實現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷的改變;模擬方式下，通過操作員人工給定最新負(fù)荷，由機(jī)組LCU實現(xiàn)負(fù)荷的自動跟蹤目標(biāo)負(fù)荷。

1.2.4控制操作安全性的要求

LCU在收到控制命令后，即對該項操作相關(guān)的閉鎖條件進(jìn)行檢查，只有在符合要求時才能允許操作。事故停機(jī)操作、機(jī)械和電氣保護(hù)及自動裝置動作、停機(jī)操作、斷路器跳閘命令具有最高的優(yōu)先權(quán)，不因控制權(quán)的設(shè)置而被閉鎖。采取必要的邏輯判斷以減少誤啟動事故停機(jī)的可能性。

1.2.5通信功能

機(jī)組LCU應(yīng)具備與主控級的通訊功能，支持比較常用的各種TCP/IP協(xié)議。作為監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點與電站級進(jìn)行通信，向主控計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采集和事件信息，接受其下行的控制命令并將執(zhí)行結(jié)果回送主控級。機(jī)組LCU應(yīng)能實現(xiàn)與機(jī)組調(diào)速器裝置、機(jī)組勵磁裝置、發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)裝置等設(shè)備以及各種智能儀表通信，支持流行的通信協(xié)議。

1.3公用LCU現(xiàn)地控制單元

1.3.1公用現(xiàn)地控制單元

把一些分散的公用設(shè)備和開關(guān)站的自動控制納入公用LCU集中管理，在設(shè)備現(xiàn)場設(shè)手動操作箱。對開關(guān)室的斷路器及隔離刀閘位置進(jìn)行監(jiān)視，同時進(jìn)行防止誤操作的操作閉鎖。公用LCU將各設(shè)備的信息通過局域網(wǎng)進(jìn)行傳輸和共享。

1.3.2調(diào)速器壓油裝置自動控制

調(diào)速器壓油裝置可根據(jù)油罐壓力和油位實現(xiàn)自動控制，同時實現(xiàn)兩臺油泵電機(jī)的自動切換。采用壓力開關(guān)檢測油壓，當(dāng)發(fā)生事故低油壓時，發(fā)出信號并實現(xiàn)緊急停機(jī)處理。

1.4閘首LCU現(xiàn)地控制單元

閘首LCU作為電站監(jiān)控系統(tǒng)整個光纖網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點、可實現(xiàn)與中控室之間遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)交換。這些信號主要包括攔河閘門的開度、上游和攔污柵水位，以及今后從中控室發(fā)出的遠(yuǎn)方啟閉閘門的信號等等。滿足要求的LCU的設(shè)備很多，但考慮到性價比、技術(shù)性能、兼容性、可擴(kuò)展性，以及在電站的應(yīng)用廣泛性，應(yīng)采用一款中高檔的PLC作為閘門LCU的主設(shè)備，該P(yáng)LC應(yīng)該帶有以太網(wǎng)口、并具有足夠的內(nèi)存、功能擴(kuò)展應(yīng)方便。閘首LCU還應(yīng)配置至少兩路模擬量輸入模塊以接收攔河閘上游水位和攔污柵后水位信號。

從長遠(yuǎn)來講，中控室的值班人員對遠(yuǎn)在兩公里以外的閘門進(jìn)行遠(yuǎn)方操作、或者閘首LCU根據(jù)采集到的庫區(qū)水位信息自動控制閘門的開度是有實際意義、也是可行的。例如當(dāng)庫區(qū)水位超過警戒水位時自動提升閘門，當(dāng)水位降低到某個值則自動關(guān)閉閘門等。故此、在選擇閘首LCU的PLC的型號時應(yīng)該充分考慮到今后的功能擴(kuò)展。

自動控制設(shè)計應(yīng)做到分層設(shè)計原則，包括現(xiàn)地手動控制和遠(yuǎn)方自動控制。通常情況下使用自動控制模式，當(dāng)自動控制模式出現(xiàn)故障后，應(yīng)可以轉(zhuǎn)換到手動模式運(yùn)行。

2輔機(jī)控制系統(tǒng)

2.1機(jī)組潤滑油、冷卻水和剎車系統(tǒng)自動化元件

2.1.1機(jī)組潤滑油系統(tǒng)

對上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)油槽油位進(jìn)行測量并上送到監(jiān)控系統(tǒng)中對應(yīng)的機(jī)組LCU，用來監(jiān)視和報警。

2.1.2機(jī)組冷卻水系統(tǒng)

機(jī)組冷卻水主供水閥的開、關(guān)需要進(jìn)入機(jī)組自動控制流程，使用電動球閥，由機(jī)組LCU控制。由于水泵房離廠房距離較遠(yuǎn)，水壓有一定損失，應(yīng)考慮對廠房內(nèi)冷卻水進(jìn)水總管壓力進(jìn)行監(jiān)測。對上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)冷卻水進(jìn)水側(cè)壓力和出水側(cè)流量進(jìn)行監(jiān)測，并上送到監(jiān)控系統(tǒng)中對應(yīng)的機(jī)組LCU，用來報警或參與控制。

2.1.3機(jī)組剎車制動系統(tǒng)

剎車控制設(shè)備應(yīng)能實現(xiàn)手動制動、手動落風(fēng)閘、自動制動、自動落風(fēng)閘等功能。當(dāng)剎車和反向充氣時，控制屏的面板上要有壓力指示、以便運(yùn)行人員進(jìn)行制動操作。同時，裝設(shè)壓力傳感器監(jiān)測氣源壓力、風(fēng)閘上、下腔有無壓力，并將信號上送到機(jī)組LCU。采用集成制動閥塊，將機(jī)組制動的手動、自動工作回路集成于一體，取消所有中間管道、減少漏氣點和占用空間，方便操作、提高可靠性。

2.2 前池閘門控制

該電站前池設(shè)有兩套快速閘門、分別對應(yīng)1、2號機(jī)組，其作用是在機(jī)組事故等緊急情況下切斷水流、保護(hù)機(jī)組安全。兩套閘門均為卷揚(yáng)式平板閘門，每套閘門由一臺電機(jī)帶動。

擬在前池設(shè)兩套現(xiàn)地控制箱，每個控制箱對應(yīng)一個進(jìn)水門，由其實現(xiàn)閘門的開度測量，提升或下降閘門等功能。通過控制箱內(nèi)PLC485串口與機(jī)組的串口服務(wù)器連接，可實現(xiàn)與中控室之間遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)交換。這些信號主要包括快速閘門的開度、前池和尾水水位，以及從中控室發(fā)出的遠(yuǎn)方啟閉閘門的信號等等。最重要的一點是:快速閘門應(yīng)能接受監(jiān)控系統(tǒng)的命令，實現(xiàn)緊急情況下的快速落門。自動控制設(shè)計應(yīng)做到分層設(shè)計原則，包括現(xiàn)地手動控制和遠(yuǎn)方自動控制。

3系統(tǒng)特點

系統(tǒng)各配置和設(shè)備選型符合計算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速的特點，充分利用計算機(jī)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，系統(tǒng)達(dá)到比較先進(jìn)的水平;系統(tǒng)高度可靠性，實時性好，抗干擾能力強(qiáng)，使用現(xiàn)場環(huán)境。選用開放式、分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)配置和設(shè)備選型具有先進(jìn)性和向后兼容性，充分保護(hù)用戶投資;系統(tǒng)采用分層分布式設(shè)計，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不會因為局部的故障而引起系統(tǒng)誤操作或降低系統(tǒng)性能。各LCU能脫離主控級獨立運(yùn)行。由于采用了分層設(shè)計，當(dāng)遠(yuǎn)方自動或者遠(yuǎn)方手動出現(xiàn)故障后，仍然可以切換到現(xiàn)地手動運(yùn)行。監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點監(jiān)視功能，可以非常方便的監(jiān)視每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的在線情況，整個系統(tǒng)設(shè)計均考慮到今后三站的集控連接。

4結(jié)束語

對于電站來說，由于其控制要求的特殊性，全站綜合自動化設(shè)計首先要以高度安全可靠和高度的實時性、穩(wěn)定性為前提，并具有冗余和可替換性。每個子系統(tǒng)的設(shè)計均應(yīng)做到分層設(shè)計，當(dāng)自動模式出現(xiàn)故障后，應(yīng)能方便的切換到手動模式運(yùn)行。

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