微机自动化在农村水电站应用模式及相关设备选型应注意的问题（谭云广,谭博元）

时间：2021-01-10 08:10:26　来源：柠檬阅读网本文已影响人

摘　要: 对微机控制模式在农村水电站应用及要求以及对微机控制的相关辅助设备选型进行探讨，并对电站中控室上位机的配置、系统软件总体结构、计算机监控系统性能指标、计算机监控系统对辅助设备部分选型时应注意的问题进行了解析，并提出了具体的建议及意见。

关键词: 计算机控制；
系统软件；
水轮发电机；
励磁系统；
同期系统

一、辽宁省农村水电站单机1万kW以下水轮发电机组的微机自动化控制模式及相关要求

1.水电站微机自动化控制的模式

（1）整个系统控制模式按站级控制层和现地控制层进行配置，以手动优先，下层优先的方式设置，有必要的硬件和软件闭锁，使操作人员能方便地在各控制层之间、计算机控制与简约常规控制设备之间选定对设备的控制权，对无控制权的设备进行闭锁。层与层之间采用电缆以太网，构成可靠的网络结构。

（2）图1监控网络中接入的每一个设备都应具有自己特定的功能。如果某个设备出现故障，不会影响现场设备的正常运行。

（3）监控网络系统中具有先进的网络通讯，采用高性能（以太网）的网络交换机进行连接，具有较高的传输速率和良好的抗电磁干扰能力，各设备之间均有标准的通讯接口能力。

2.水电站计算机监控系统要求

（1）要求人机接口功能强，人机界面采用中文，主机兼操作员工作站建议采用Windows 2000开放式操作系统平台，全图形化操作，操作控制简洁、方便、灵活。

（2）系统配置和设备选型应符合计算机发展迅速的特点，硬件宜采用标准模块化，以便于硬件设备的扩充，又要适应功能的增加和系统规模的扩展。软件宜采用通用的标准化组态模块，使系统更能适应功能的增加和规模的扩充。

（3）应具有丰富的开发软件和通讯规约，使系统维护扩充和联网通讯非常方便。实现与上级调度系统、电厂MIS系统、设备巡检管理系统及模拟屏等系统通讯，并可实现远程监视、诊断与维护等功能。

所有计算机系统在失电被动停机时，存储器的数据不会丢失。现地控制单元LCU控制权限（现地/调试/远方）的闭锁。机组不同运行工况（停机、空转、空载和发电）的定义和任意转换。机组功率开、闭环调节和无扰动切换。机组功率闭环调节时的功率突变检测，并自动切至开环，有效防止机组过速或过压，有完善的PLC工作/通信指示（闪亮/常亮/熄灭）。

（4）监控保护装置应具有保护启动的分散式故障录波功能，同时保护单元应具有现场可编程逻辑功能。

（5）系统具有自测功能，保护系统配备以软件构成的检测功能，能对保护装置的回路进行全面监测，包括从电流互感器、电压互感器到输出跳闸线圈进行检测。自检功能有以下内容：

自检功能,使保护系统即时诊断出故障单元，保证对总线上的数据传输和所有单元的功能以及与总线的通信进行连续完善的检查，并对跳闸回路进行监视。

自检能监视现地软件功能和回路，包括电源电压，时钟频率等；

根据故障情况和保护系统的结构，自检功能可按除了故障部分外，维持其他保护设备继续工作或闭锁整套保护系统的跳闸的处理方式运行；

某一暂时性故障，例如一个数据传输错误，应能即时得到改正并且不影响系统的功能；

当发生永久性损坏时，应发出报警信号。

（6）电气量应能直接交流采样，其余模拟量经过变送器进行采样测量，同时采集的输入信号除软件检测外，要有直接输入模拟信号的检测装置，以模拟故障条件下对保护功能进行检测。

3.计算机监控系统配置要求

（1）中控室操作员工作站

系统配置二套主机兼操作员工作站，应采用较为可靠的高性能计算机，互为热备用，放在中控室内，用于监视全站的信息，如：主接线图、潮流图、各种实时数据和报表、事件顺序记录及各种故障等信息，控制全站机组的启停、断路器及电动隔离刀闸等的分合。操作员站选用语音报警系统。配有全图形彩色L C D显示器、键盘、鼠标器等。

主要配置要求如下：CPU时钟频率：≥3GHz；
内存：≥1GB；
硬盘容量：≥80GB；
软盘驱动器：1.44/MB；
USB为2.0，2并口/1串口；
操作系统：Windows 2000 中文服务器版；
显卡：3D图形卡液晶显示器尺寸：19″；
显示分辨率：≥1600×1200，真彩色（16K色）；
刻录光驱：L8X DVD-RW；
网卡：10M/100M网卡。

（2）现地LCU人机接口单元

机组及公用设备的每台LCU均是一套完整的计算机控制系统，应配有高性能彩色大于七英寸液晶触摸屏。触摸屏通过LCU通讯服务器同PLC进行数据交换，对机组及其它设备进行自动控制。通过组态工具，可快速而且简单的完成机组及其它设备控制的状态显示和参数设置，提供按钮，棒图，消息等功能。机组的LCU应能与微机励磁系统、微机调速器、温度巡检仪装置、微机保护装置等相关智能设备可靠通讯，并留有与便携式工作站通信的接口。公用设备LCU除能控制各辅助设备（空压机、集水井水泵等)，同时也能反映上下游水位及发电水头等等。

（3）通讯服务器

系统配置1套通讯计算机，用于系统通讯管理及电力调度通讯管理。通讯能满足同梯级电站联网组成梯级调度系统，电站的内部网络应通过可靠的安全机制后才可与Internet网络相连，其数据网关应保证为单向加密方式，对外网而言，该站的内部网络应该是不可访问的。Internet网络服务器与电站内部网络之间应采用带有数据加密机制的以太网关、硬件防火墙等安全设备后方可连接，不得直接与电站内部的以太网直接相连。

（4）电力调度通讯设备

主机工作站和电力调度之间要完成遥测、遥信、遥控、遥调功能，主要通过光缆（光端机、交换机）来完成遥测、遥信、遥控、遥调功能。

（5）GPS卫星对时系统

系统设置GPS时钟装置一套，用于完成与监控系统对时。其与调度层和现地层对时均采用串行口。GPS时钟系统还可给其它如保护、故障录波等提供对时脉冲信号, GPS时钟系统时钟误差为24h不超过±0.001s。保证电站控制层和LCU时钟与卫星时钟同步，时钟精度满足事件分辨率记录的要求。

4.系统软件总体结构

计算机监控系统软件包括四大部分，即计算机系统软件、基本软件、应用软件以及工具软件。

（1）系统软件是用以提供监控系统其它软件运行的环境（平台），用户软件的开发手段，如用户程序的编辑、编译、连接、任务的插入、运行、退出等，其中包括：用户编程开发软件；
网络通讯及网络管理软件；
实时数据库管理软件；
历史数据库管理软件。

（2）基本软件是实现监控系统监控功能所必须的软件，如数据采集，数据处理，数据库管理，图形显示，报表生成，语音报警等软件。

（3）应用软件是实现生产过程操作或控制功能的软件，如数据库管理软件、专家操作票软件等，其中包括：人机联系软件；
通讯软件；
双机切换软件；
LCU主要软件；
系统实时时钟管理软件等。

（4）工具软件是为了使监控系统进一步向最终用户开放，为用户提供先进方便的支持工具软件系统，提高系统的可维护性,其主要包括以下软件：交互式图形开发软件；
数据库开发管理软件；
数据库备份恢复软件；
报表打印管理软件；
曲线棒图软件；
系统配置文件；
第三方设备接口软件；
PLC编程软件；
远方诊断软件等。

5.计算机监控系统性能指标要求

（1）数据采集时间

电气模拟量采集周期：≤1s；
非电气模拟量采集周期：≤1s；
温度量采集周期：≤5s；
状态量采集周期：≤1s；
报警量采集周期：≤1s；
事件顺序记录（SOE）分辨率：≤5ms；
脉冲量采集周期：≤60ms。

（2）控制响应能力

现地单元接受控制命令到开始执行时间：≤1s；
主机数据库响应所有LCU变化数时间：≤1s；
AGC/AVC运算周期：≤2s；
AGC有功功率执行周期：4s～1分；
AVC无功功率执行周期：4～30s。

（3）人机接口响应时间

调用新画面的响应时间（全图形显示）：≤1s；
显示画面上动态数刷新时间：≤1s；
报警产生到画面显示和发出音响的时间：≤1s；
反映令发出到控制单元回答显示时间：≤1s；
从调速器及励磁接到开机令到机组并入网电运行最长时间：≤1.5分（前提是调速器从接到开机令使机组达到额定转速的时间：≤30s，并且频率差：≤0.25HZ；
励磁系统从接收机组95%机频率到建立额定电压的时间：≤25s，并且稳定）。

6.系统可靠性及微机保护过载能力等

（1)系统可靠性，计算机监控系统：>50000h；
现地控制单元：>100000h；
微机保护：>100000h。

（2）微机保护过载能力等

微机保护过载能力，交流电流回路：2倍额定电流，允许连续工作；
10倍额定电流，允许10s；
40倍额定电流，允许1s；
交流电压回路：1.9倍额定电压，允许连续工作,同时微机保护屏或另设屏要有故障录波功能,录波的长度可整定。录波数据可自动上传到监控主机。针对线路保护要有振荡闭锁功能、有低频、低压保护功能等等。

（3）监控系统操作安全性及可扩性

系统操作安全性应采取多方面措施，如操作键盘与功能键之间有软件闭锁，电气一次系统中所有断路器及隔离开关（通过远控）的操作均应能满足本站的特殊运行所需求的闭锁条件（采用软件闭锁方式）；
调节参数及限值修改等都有极值限制，保证不会出现引起事故的参数设置；
重要的操作都有确认、执行键，只有在运行人员确认的情况下才能执行；
开、停机及隔离开关的操作都有操作指导和过程监视画面；
所有的控制操作必须登录，运行人员只具有操作权限，只有系统管理员才能进行参数修改等操作。

系统可扩充的范围如下：备用点不少于使用点的20%；
CPU平均负载率不大于50%；
主计算机的内部存储器有40%以上的内存空间供用户使用；
通道利用率或通道数据率留有足够裕度，通道利用率不大于70%；
留有扩充现地控制装置、外围设备或系统通信的接口。

二、计算机监控系统对辅助设备部分选型时应注意的问题

1.对水轮机调速器的选型应注意的问题调速器是水轮发电机控制的一个重要设备，它的好坏直接影响水轮发电机的正常运行以及电站整套微机监控系统能否顺利完成，针对监控系统来讲，选择调速器必需是微机调速器，对辽宁省重多微机监控电站的实际运行情况总结出选择调速器的要求如下：

（1）微机调速系统除了满足“水轮机调速器与油压装置技术条件GB9652.1-1997”外，微机调速系统的通讯接口方式要采用常规硬布线和数据通讯两种方式来对调速器进行控制。

（2）从调速器耗油角度，不管是步进电机式微机调速器还是组合阀式微机调速器等，应以压油泵的启动是否频繁来界定，调速器在正常运行过程中以压油泵启动时间间隔长的为好，这样能降低电站的能耗以及减少压油泵等的维护量，建议选择没有主配阀式，目前较为先进的PCC（programcomputer control）可编程计算机控制数字阀式水轮机调速器，该种调速器漏耗油极少，在正常运行时，压油泵的平均启动时间间隔大于5h，各项性能指标均优于国家标准“水轮机调速器与油压装置技术条件GB9652.1-1997”。

2.对发电机励磁系统的选型应注意的问题发电机励磁系统同调速器一样是发电机能否正常发电的一个重要设备，它的好坏直接影响水轮发电机的正常运行以及电站整套微机监控系统能否顺利完成，针对监控制系统来讲，选择励磁系统必需是微机励磁，对辽宁省重多微机监控电站的实际运行情况总结出选择微机励磁系统的要求如下：

（1）有恒电压/恒电流/恒COSΦ/恒无功四种运行方式选择功能。

（2）有逆变环节及励磁系统在≤15%机组额定电压下，就可以自励闭环运行功能。

（3）有低转速自动截止励磁电流功能等。

（4）微机励磁系统除了满足正常励磁各种功能之外，微机励磁系统的通讯的接口方式也要求采用常规硬布线和数据通讯两种方式来对其进行控制。

3.对机组同期系统应注意的问题

同期装置要选择微机自动准同期装置，对各个同期点要选择一对一的方式，即每个同期点都有一套同期装置来完成开关的同期并网合闸操作，同时对各个同期点要有备用的手动准同期，如MZ-10组合同期表、同步检查继电器等比较直观同期指示。同期的选择尽量不选择一个同期装置控制多个同期点，否则该同期装置出现故障将影响多台机的并网。

4.对发电机组测温系统应注意的问题

针对水轮发电机组一般有多点温度测量，上导、推力、下导、水导瓦要有定点测温外，定子线圈及其它个别轴瓦一般要求用测温微机自动寻检装置来完成，测温微机自动寻检装置能和本单元的PLC或通讯管理机进行通讯，中控上位机能显示机组的各点温度，那么定点测温中控室上位机也应显示机组的瓦温，这就要求定点温仪表要有能送出4～20mA至机组PLC经A/D模数转换而反应机组的瓦温，或者每块定点测温仪表都有通讯功能，把所有的测温系统归于一个通讯管理机之后再和本单元的LCU通讯，直至上传到中控上位机，实现温度显示等，所以说定点测温仪表在选型时要注意这一点。

5.对直流系统的选型应注意的问题

电站的直流系统是一个非常重要的设备，直流电源系统配置,要采用高频直流电源系统，配置相应容量的铅酸免维护蓄电池，采用高频开关电源特有的模块化设计，N+1热备份，超宽的电压输入范围，充电模块可带电拔插，在线维护，方便快捷，可通过监控模块进行系统各部分的参数设置，界面友好。蓄电池自动管理及保护，实现自动监测蓄电池的端电压，充、放电电流，并控制蓄电池的均充和浮充，设有电池过压/欠压和充电、过流、声光告警等。用于全厂计算机监控系统的不间断供电，要配置两套2kVA交直流双供逆变稳压电源装置，输出为AC220V，该电源装设于直流电源馈电屏上，直接供给各个计算机电源系统，尽量必免采用UPS电源，UPS电源故障率多、工作时间较短，并且不适应整个电站的微机监控系统。

随着我国电子工业的飞速发展，辽宁省农村水电的机电设备及控制设备已进入一个崭新的阶段，智能化、远程控制信息化时代已经到来，出现了光纤电力互感器等一系列国际最先进的数字控制设备，计算机技术遍及各个角落。辽宁省农村水电正朝着计算机监控方向发展，很多电站已实现了计算机监控自动化，形成“无人值班，少人执守”的运行模式。如：辽宁省观音阁水库电厂、新宾穆家电站、宽甸石榴沟电站辽阳灯塔官屯电站等等，均已实现了全部微机自动控制模式。

参考文献：

[1]郑叔芳.计算机辅助测试原理与发展.科学出版社，1993.

[2]齐蓉．可编程计算机控制器原理及应用．西北工业大学出版社，2002.

收稿日期：2007-11-23

作者简介：谭云广（1962-），男，高级工程师，辽宁省地方水电开发公司经理。

来源：《中国水能及电气化》2008年第3期

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