微机综合自动化技术在中小型水电站的应用
1 前言
二十一世纪是信息时代，随着科学技术的不断进步和自动化程度的日益提高，微机综合自动化在电力生产中得到了广泛的应用。但在我们青海，由于种种原因，经济还比较落后，科技不甚发达，微机综合自动化技术只在几个大型水电站得到应用，而在中小型水电站的应用受到了制约。1996年，随着国家西部大开发政策的实施，青海省有史以来最大的水利工程黑泉水库开工建设，其附属工程――黑泉水电站（宝库河一级站）也于2002年建成投运并网发电，而该电站微机综合自动化的应用，也是我省中小水电站的第一家，经过三年多的运行，已显现出了其优越性，结合该电站的实际情况，现就微机综合自动化在中小型水电站的应用问题作一浅析探讨。
2 电站概况
黑泉水库位于青海省大通县宝库河上，距省会西宁市75KM，是一座大（Ⅱ）型综合水利枢纽工程，库容1.82亿M 3,,主要功能为灌溉和城市供水，兼顾防洪和发电，大坝为混凝土面板砂砾石坝，坝高123.5M，其坝后引水式电站――黑泉水电站，是宝库河梯级电站的第一级电站，设计水头80M,最大水头100M，装机容量为3×4000KW＋1×2500KW,计14500KW(二级电站为3×3200KW,三级电站为3×5000KW,宝库河梯级电站总装机容量为39100KW)，通过两回35KV输电线路并入西宁电网。
3 计算机监控系统的配置
3.1 电站控制层配置
电站控制层设备设在中央控制室，由主机操作员工作站、通讯工作站、主控制台、汉字打印机、GPS时钟同步装置、语音报警装置、UPS电源等组成。
电站控制层负责协调和管理各现地控制层的工作；收集有关信息并作相应处理和存储；迅速、准确、有效地完成对本站被控对象的安全监视和控制。操作员可以在主控制室通过人机接口对数据库和画面在线修改，进行人工设定、设置监控状态、修改限值、事故处理指导和恢复操作指导等功能，并可下传至LCU。监控命令输出只有监控主机取得控制权的工作执行，作为另一台工作站只作监测、数据通信而无控制输出，两机可互相跟踪，系统软件根据监控主机的运行和通信、硬件、软件等状态，进行跟踪判别，一旦出现异常，系统自动给出切换信号，由另一台工作站代替主机的工作，同时给出主机故障提示，主机修复启动后，自动监测转到主机并将数据输入，并重新处于监控状态。
3.2 现地控制层（LCU）配置
现地控制层分机组LCU和公共LCU两部分，由人机界面终端（液晶触摸屏）、智能I/O控制器、I/O模块、输出继电器、准同期装置、温度测量装置、转速信号测量装置、数字式测量仪表和交直流双供电源等设备组成。
机组LCU监控范围包括水轮机、发电机、进水口主阀和机组附属设备。现地控制层负责对水轮发电机组、电气一次设备及公用设备等实时监控，通过工业以太网络实现各现地控制层与全站控制层连接交换信息，实现现地设备的监控及数据共享。当电站控制层因故退出运行时，现地控制层可以独立运行而不受影响。
微机保护装置、转速、温度巡检、调速器、励磁系统等设备通过现地LCU与以太网联接，实现相应参数的监视和控制。部分没有通讯接口的设备则通过现地控制单元的I/0模块实现设备的控制和状态检测。
3.3 通讯网络及设备配置
网络结构形式采用工业以太网，网络通信介质为多模光纤和屏蔽双交电缆线。网络传输采用Modbus协议，网络传输速率为100Mbit/s，节点数可达340个，网络上的任一节点可以实时向网络上其它节点和网络上发送信息，某一节点故障，自动从网络上退出，不影响网络上的其它节点传输信息。
网络系统完成电站控制层各工作站之间和来自现地控制层（LCU）的全部数据的传输和各种访问请求。其网络协议符合国际标准化组织OSI模型。具有良好的开放性。计算机监控系统不会因任何一个元器件发生故障而引起系统的误操作。网络成熟可靠，符合国际标准。
3.4 系统软件配置
(1) 系统软件：采用中文版的美国微软Windows NT 软件，具有良好的实时性、稳定性、可靠性，NT系统管理保密性好。用于操作系统，它管理整个计算机系统的所有资源，包括CPU、存储器、外部设备等，提供其它软件与系统资源的接口，是其它软件运行的环境。
(2) 应用软件：采用FIX7.0开发软件、3D图形软件和PLC编程软件，用于程序的编辑、编译、软件连接等。具有良好的人机界面和全开放特性。它是可以运行多种通讯协议的监控软件，与网上有不同通讯协议的设备交换数据，其数据库生成、监控画面、控制流程、报表等配置灵活，使用和维护方便。
3.5 继电保护系统的配置
采用美国ABB公司生产的微机综合继电保护装置。发电机、变压器和线路保护装置均有8个开关量输入和7个开关量输出，一个用于变化自检的转换接点输出。输入与输出可以逻辑编程用于控制断路器的分合闸或者发信号。
有多种通讯协议可供选择，ABB2000R型微机保护选用Modbus Plus通讯协议，可以通过该协议向系统传送和存储保护内测量记录的数据。
保护的配置整定：对于保护装置的使用，首先要进行配置整定，输入相关参数，保护装置通过这些参数进行保护功能和测量功能的计算，配置整定可以通过前面板的MMI或者ECP软件进行操作。
微机保护装置还有故障录波，故障、运行和操作记录，测量等功能。接入保护装置的输入信号和保护装置内所有数据都有数据可能通过网络接口传送到网络上的其它设备内。
4 计算机监控的功能
4.1 监控画面功能
（1）电气主接线状态画面
画面显示电气主接线所有开关的状态，发电机出口的电气和励磁参数，主变压器高、低压侧的电气参数，35KV线路出口的电气参数，6KV 和35KV母线的电气参数，厂用变压器的电气参数，电气主接线上所有开关的分、合闸操作按钮状态。主接线的运行状态和操作均在该画面上进行。当运行参数超出正常范围或开关跳闸时，相应的数值和开关颜色变化，语音设备报警。
（2）机组工艺系统状态画面
画面显示机组及其气、水、油等主要设备的状态参数，主要设备的操作按钮。当气、水、油等参数超出正常范围或设备故障时，相应的数值和设备图形颜色变化，语音设备报警。
（3）监控系统运行状态画面
画面显示监控系统继电保护、PLC和测量装置的工作状态和参数。
（4）电站所有需要监测的各种参数的实时和历史曲线图、棒型图画面。
（5）各种运行和管理报表及表格画面。
（6）电站的平面图、动画等显示。
4.2 远动功能
由监控系统的主工作站实现，并留有扩展能力。需要向电力系统调度机关传送和接收数据，实现调度机关对本电站的遥测、遥信、遥控和遥调，实时接收调度命令，向调度机关发送水电站实时运行工况、运行参数等信息。
4.3 数据采集和处理功能
（1）电站控制层：自动实时采集和处理来自各现地控制层及调度系统的数据。主要包括：机组、主变、母线、35KV线路、厂用电、调压井闸门及全厂公用系统的电气模拟量、非电气模拟量、脉冲量、开关量的采集，对这些数据进行处理，包括越限处理、报警处理及事故追忆处理，处理后的数据以一定的格式存入实时数据库，形成实时数据库和历史数据库，以备系统调用和随时查询，并对监视的模拟量、开关量、脉冲量进行统计分析计算（含变位、越限等）作为历史数据存入历史数据库，并作为报表输出的主要数据来源。当出现异常事件记录和出现事故时，计算机监控系统根据目前的情况自动作出处理。
（2）机组现地层LCU：自动实时采集和处理发电机、水轮机、励磁及调速装置、机组附属设备的电气模拟量、非电气模拟量、脉冲量、开关量，主要设备运行工况诊断处理，并以一定的格式存入实时数据库，对各类信息进行数据封装后存放在现地控制单元的存储单元中，并上传电站控制层。
①直接采集的信号有：
电气量：发电机定子电压、电流，励磁电流、电压、频率、有功功率、无功功率和功率因数等。
非电量：机组油、气、水系统的压力、压差、流量、液位、温度。
开关量：发电机断路器位置、继电保护电气事故信号、故障分类信号；励磁系统工作方式设置、灭磁开关位置、故障信号；调速器工作方式设置、故障信号；油压装置压力、油位信号；油泵运行方式、设置信号、运行状态信号；机组各温度信号、转速位置信号、导叶开度位置信号、接力器锁锭投切信号、制动闸块位置信号、制动气压位置信号、剪断销剪断信号、油槽油位信号；进水口阀门位置信号、机组冷却水信号；水机保护动作信号等。
脉冲量：发电机有功电能、无功电能等。
②通信采集的信号数据有：
机组各部位温度、测温电阻断线及装置故障，以及有关机组轴温温度信号和交换控制、状态和报警信息。励磁系统、调速器系统、同期系统、发电机及主变和线路微机保护装置的通讯。
4.4 综合参数统计、计算与分析功能
计算机监控系统根据实时采集到的数据进行周期、定时或召唤计算与分析，形成计算数据库与历史数据库，帮助运行人员对电厂设备的运行进行全面监视与综合管理，可及时发现故障征兆，提高机组运行的安全性。对现成的计算数据列出作为实时数据处理，存入相应的实时数据库和历史数据库，进行越限报警、启动相关处理程序等操作。
（1）温度量分析计算
LCU周期获得温度测量装置采集的温度数据，进行预处理，并作计算后将数据存入LCU数据库，实现全系统数据共享，可显示、制表打印。
①温度最高值、最低值：温度画面的实时值现示和历史曲线现示。②温度变化趋势分析：实时和历史变化曲线。③温度越限追忆记录：历史变化曲线。④正常值与实测值的比较分析：温度画面中温度现示值变色，正常温度为白色、报警温度为黄色、停机温度为红色。
（2）电量累积计算
计算机监控系统对全厂有功电度量、无功电度量进行周期分项分时累加，并存入数据库，供显示并制表打印。
①单台发电机的发电有功、无功电量累加。②单回送电线路的送电有、无功电量累加。③全厂发电机总发电量累加，全厂线路总送电量累加。④全厂总厂用电量累加。
（3）设备运行统计计算
对机组、断路器、机组油压装置等重要动力设备，以及间歇运行的辅助设备的运行工况（包括启动次数据、运行时间、间歇时间等）进行统计，对继电保护及自动装置动作情况进行统计。
4.5 定值管理功能
计算机监控系统对所有定值作统计，定值修改、变更情况统计，并存入数据库，以备查询。
4.6 生产报表功能
计算机监控系统进行电气量参数报表，非电气化量参数报表，温度、日发电量、厂用电量统计报表，生产综合统计报表等。
4.7 安全运行监视及事件报警功能
（1）主要设备安全运行实时监视
计算机监控系统可以使运行人员通过主机兼操作员工作站显示器屏幕对全厂主要设备运行状态和运行参数进行实时监视，包括状态变化监视、越限检查、过程监视、历史趋势分析和监控系统异常监视。
①越限检查：主要针对主机定子电流、油温、冷却水压力、定子线圈和铁心的温度计及其它被监视参数，检查设备异常状态并发出报警。
②过程监视：监视机组开停机条件、开停机进程、状态转换过程的顺序及转换时间等，并上送至电站控制层。监视机组各种运行工况的转换过程所需要的操作步骤，在发生过程阻滞时，显示阻滞原因，并由机组现地控制单元将机组转换到安全状态。（如开机、停机、冷却水状况等）
③趋势分析：分析机组运行参数的变化。（如机组轴承温度趋势监视、发电机温度变化趋势监视、机组电压和负荷变化、励磁电压和电流变化等）
④监控系统异常监视：对机组现地控制单元硬件、软件故障自动监视，报警并上送数据信息给电站控制层。实时监视监控系统本身的工作状况，通信状态等。
（2）事件报警
①故障报警记录
计算机监控系统周期性扫描故障信号，故障发生时，立即响应并处理，同时记录故障发生时间（时、分、秒）、动作设备器件名称、事故内容等信息，并显示、打印故障报警语句，发出声光报警信号，按故障发生的先后次序排列，形成故障记录并存入数据库。故障记录表格为故障汇总记录表，可供值班人员查寻，并定时打印，也可召唤打印或显示。
②参数越限、复限报警记录
计算机 监控系统在设备运行参数超越其限值时，立即报警，越限值恢复正常值时，进行复限提示。参数越、复限时，记录发生时间（时、分、秒）、参数名称、参数值勤等信息，并显示打印故障报警语句，发出音响报警信号，形成全厂参数越看待线记录并存入数据库。
③事件顺序检测
机组现地LCU自动检测本单元所监视的设备、继电保护和自动装置的动作情况，当发生状态变换时，对于事故信号自动产生中断，检测事件性质、发生时间，并顺序记录，上送电站控制层，计算机监控系统立即响应中为信号，同时记录事故发生时标（时、分、秒、）、动作设备器件名称、事故内容等信息，并显示、打印事故报警语句，发出声光报警信号，按事故发生的先后次序排列，形成事件记录并存入数据，可按设备进行搜索记录。
（3）事故追忆及相关量记录
电站发生事故时，需对事故发生前后的某些重要参数进行追忆记录，以供运行人员事故分析。事故发生时，计算机将按顺序将事故报警信息、事故的名称及这些追忆数据保存于磁盘中，形成历史数据。并自动显示、打印这些数据。事故追忆的重要参数有：线路三相电流和电压（正常值和故障值）；主变的电流和温度（正常值和故障值）；发电机定子三相电流和电压（正常值和故障值）、机组推力轴瓦最高温度等。
（4）机组开、停机过程监视
机组开、停机时（命令发出），计算机监控系统自动推出相应机组的开、停机过程监视画面。画面包括：机组编号、自动/手动标记、开（停）机条件、用流程图表示的开（停）机步骤、每步操作的时间及总时间。实时显示全部开、停机过程中每一步骤及执行情况，并按设备实际动作状态自动改变步序框的颜色，以区分已操作、正在操作、待操作及操作受阻部位。并提示在开、停机过程受阻的受阻部位的原因，进行开环运行指导甚至闭环自动控制操作。
4.8 控制、操作与调节功能
根据电厂设备运行的情况和有关计算结果，按预定步骤远方及现地的控制命令对全厂设备的运行进行控制与调节。运行设备控制方式设置，自动/手动控制、远方/现地操作，均可在操作画面中点击实现，有功功率、无功功率调节以及机组开停机的控制操作也可在操作画面中点击实现。控制优先权为：现地控制层单元、电站控制层单元。
可实现设备运行方式设置与转换；机组有功、无功的调节操作；断路器、隔离开关投、切操作；机组开、停机操作及紧急停机操作；机组压油装置和公用设备电动机启停操作；闸门开/闭操作；各种整定值、限制修改操作；报警信号复归。
（1）电站主接线图上的断路器和开关的控制。
主接线图上的断路器和开关的控制通过微机保护的开关量输入和输出实现。在出现故障时，由相应的保护装置动作于跳闸；正常的分合闸操作，既可以在控制屏上通过控制开关操作，也可以通过上位微机用鼠标操作来实现。
（2）机组顺序控制
机组通过各自的现地LCU实现开停机过程顺序控制及水轮机事故保护。机组开停机指令由电站级操作员工作站自动或手动发出，也可在现地触摸屏上执行。
运行人员通过专用操作控制画面，以人机对话方式选择机组号，设置有功功率或无功功率给定值，当运行人员确认后，上位机发出命令，机组LCU执行。可实现机组转速及有功功率调节；机组电压及无功功率调节。
（3）机组开停机过程的控制
机组开机、停机和故障停机过程的自动和手动控制，通过每台发电机组自动屏内的PLC来实现，在机组自动屏上可以通过模拟屏上的操作显示接口进行手动和自动开机，也可以由上位微机进行手动和自动开机，二处均在软件上设置切换功能，不能同时操作。开机和运行过程的控制包括投入、关闭冷却水，打开、关闭制动闸和碟阀，调节导水叶的开度，控制水轮机的转速，投入、断开励磁和调节励磁电压和电流、发电机出口开关合闸、分闸等操作。水机故障跳开发电机出口开关，通过软件由发电机保护跳闸执行。
（4）公共系统的控制
电站公共系统辅机由一台PLC控制，控制对象包括：高、低压压缩空气、供水泵、排水泵、潜水泵、调速油泵和碟阀的打开、关闭。厂用电备用电源自动投入监视、调速器油压力高低、冷却水压力等信号。
公用系统设备既可以在公用系统屏上的按钮进行控制，也可以由上位微机进行控制。
（5）发电机励磁系统的控制
控制每台发电机励磁系统的开关量以及励磁电压和电流增加或减少，通过每台机组的PLC开关时接点来实现，某台发电机出口开关故障跳闸后，PLC自动跳开相应的发电机灭磁开关。机组自动起机正常运行过程中，执行投励磁电压和励磁电流的调节工作。对于励磁系统的控制和调节可以通过机组自动屏上操作显示接口和上位微机来实现，两处均在软件上设置切换功能，与励磁屏也有相互切换功能，两处不能同时操作。
（6）AGC和AVC调节
①AGC调节
自动发电控制还能完成对各机组运行工况转换时的协调工作，以保证机组和电力系统所受的扰动最小。自动发电控制能进行开环和闭环控制，开环运行时计算机监控系统在监视屏幕上给出提示信息，闭环控制则将操作调节信号直接作用到机组调速器和各机组辅助设备，机组是否参与自动发电控制功能可由运行人员预先设定并在系统中给出标志。
②AVC调节
计算机监控系统根据电力系统要求自动将电压维持在给定的变化范围内，在此基础上实现对各机组间无功功率的合理分配。无功功率的分配躲过系统故障或系统负荷变动所引起的暂态过程，保证计算机监控系统在对机组进行无功功率调节时所引起的扰动最小，机组是否参与自动电压控制功能可由运行人员预先设定并在系统中给出标志。
4.9 人机联系功能
（1）本系统提供丰富多样的人机联系手段，允许运行操作人员通过各显示器，鼠标器、键盘及打印机以各种方式实现对全厂设备运行监视、控制、调节、定值修改、画面调用、数据打印要求，并易于对应用程序开发及修改。
（2）在操作台上的运行人员只允许完成对电站设备进行监视、控制调节和参数设置等操作，特权操作权供调试人员调用。
①人机联系采用汉字WINDOWS NT平台监控，画面美观，调用和操作简便、灵活、可靠，响应速度快，对话提示说明清楚准确，在整个系统对话运用中保持一致；②人机联系为汉字显示打印，汉字符合国家一级字库标准；③有关操作的人机联系，充分利用具有被控对象显示画面、键盘（或鼠标）及画面对话区提示三结合方式，操作过程中有必要的可靠性校核及闭锁功能。④不同职责的运行管理人员提供不同的安全等级操作权限。
4.10 人机界面功能
（1）画面显示、画面实时刷新（包括设备运行状态，运行参数及时钟）、报警与操作信息创新或标志提示、人机对话提示及操作命令信息提示、光标显示与控制、画面窗口变换与局部放大、画面的平移、滚动和漫游、多窗窗口显示、比例缩放。
（2）人机界面显示内容
画面显示是电站计算机监控系统的重要功能，画面是实时状态的并采用多窗口技术以提供更多的信息。画面调用具有程序自动调用和键盘菜单召唤调用形式。画面的种类包括接线图类、棒形图类、曲线类、表格类、信息类、运行指导类等。
①线图类画面
包括电气主接线图、厂用电系统接线图、直流系统接线图及电气参数、水力机械系统图、机组及公用油、水、气系统实时状态参数模拟图、计算机系统设备运行状态图、运行监视图、各类运行方式状态图。在这些画面上能显示出运行设备的实时状态及运行参数（实时电流、电压、有功、无功、功率因数、频率、电度量、主变温度等）。
②形图类画面
包括机组有功无功功率、运行参数的限值和实时值对比以及部分运行指标的显示等。
③曲线图类画面
包括给定负荷曲线、实际负荷曲线、历史趋势曲线以及各类运行图实时曲线等。
④表格类画面
包括各种运行报表、操作记录统计表、事故故障报警统计表、定值变更统计表、I/0点定义表、各类记录本、运行报告等。
⑤信息类画面
包括状态变位信息、事故、故障报警信息（光子牌）、模拟量参数越复限信息、相关量记录以及监控系统自诊断报警。
⑥文字说明：包括使用帮助、操作说明、公司介绍。
4.11 数据通信功能
完成与本单元机组控制PLC设备、微机温度巡检装置、微机调速器、微机励磁装置及保护设备之间数据变换。完成机组现地控制层的数据变换，实时上送电站控制层所需的过程信息，接受电站控制层的控制和调整命令。
数据通信传送的上行内容：机组温度测量装置传送的温度量；发电机三相定子电流；发电机定子相电压和线电压；发电机有功功率和无功功率；发电机有功电能及无功电能；发电机功率因数；发变组各种事故信号和故障信号；机组压油装置PLC、机组技术供水PLC各种事故，故障信号以及被控设备运行状态信号等。
4.12 系统诊断功能
机组现地LCU能在线或离线自检硬件和软件故障，并能确定故障到输入、输出模板，能在离线自检各种应用软件。能实现自检故障的本地显示及上送故障信息给主控级，以便在主控制台显示和打印。
4.13 时钟同步功能
机组现地LCU实现与电站控制层时钟同步，保证全系统与卫星始终同步。数据通信传送的上行内容为微机电量采集的电流、电压、频率、有功、无功、线路的有功、无功电度、保护等各种事故和故障信号。
5 本电站综合自动化系统的主要特点
（1）本电站自动化系统采用典型的分层分布式结构，即电站控制层和现地控制层。现地控制层设备在站内相互独立且分布式布置，仅通过站内以太网互联。系统功能齐全、配置灵活、具有极高的可靠性，符合综合自动化技术的发展趋势。
（2）开放式、易扩展性的设计。通过采用国际国内公认的标准规范及接口方式（如：Modbus Plus、RS232、RS485等），方便的与其它相关的智能设备相联，并进行信息交换；另充分考虑到水电站扩建、改造等因素，间隔层设备基于模块式标准化设计，可根据要求随意配置，电站控制层设备配置组态非常灵活。
（3）灵活多变的网络化结构设计，可支持局域网、以太网、现地总线等。网络介质采用的是光纤、同轴电缆、屏蔽双绞线等。网络规约：TCP/IP、Modbus Plus 、RS232、RS485、等，适用于不同的系统结构，其结构灵活多样。
（4）远程访问服务，系统可以通过通信服务器将实时数据传送到远程计算机或调度端，支持远动调度通信规约。
（5）开放的硬件环镜，计算机可以采用各种符合开放标准的RISC工作站、各种工业用计算机、施耐德、西门子、OMRON等公司的可编程控制器，并保持对其它设备的接入开放。
（6）系统软件采用当前最先进的面向对象的设计理念、原则和技术，这种设计将带来使用和维护上的极大方便。运行在WINDOWS NT环镜下，图形化编程、简单易学，数据库采用面向网络的实时数据库。
（7）系统设计有标准的SCADA功能，同时可以配置自动发电控制（AGC）、自动电压控制（AVC）、防误操作、设备维护管理、电话语音报警、GPS等多种高级功能。
6 结束语
根据电站的实际情况，并借鉴其它站的经验教训，扬长避短，其设计理念符合微机综合自动化发展趋势，采用了国际通用标准，系统配置合理，功能完备，所选设备先进，不仅可以满足电站目前运行的控制、监视、测量和报警等要求，也为电站今后发展留有余地，有很好的灵活性、兼容性、扩充性和互换性，同时，无需另设其它远动设备，完全满足遥测、遥控、遥信、遥调和少人值守的需要，对各种外围设备能进行实时在线的诊断和自诊断，从而保证自动化系统长期稳定的工作。
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