小型水电站自动监控装置的研制.pdf
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1、中国农业大学 硕士学位论文 小型水电站自动监控装置的研制 姓名:戴晨翔 申请学位级别:硕士 专业:电力系统及其自动化 指导教师:温渤婴 2002.5.1 摘要 本文分析了国内外水电站自动控制装置的研究和发展状况,尤其是 国内小型水电站的自动化现状,针对现有电力部门的需求,设计并实 现了一种单元式的微机自动监控装置,该装置不仅实现了对水电站内 各种模拟参数和数字信号的实时监测功能,还对水轮发电机组进行了 调控,通过与上位机处理程序的配合,可以实现水电站的自动发电控 + 。一 制、机组顺序启停;在测量发电机组机端电压和电流参数的时候,采 用3 2 点离散傅立叶算法( D F T ) ,增加了测量的
2、准确性和可靠性;通过 通讯可以实现装置的联网运行,做到“分散控制、集中管理”。 关键词:自动监控Y 傅立叶变换。 通讯 A B S T R A C T T h i sp a p e r a n a l y z e st h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to ft h em o n i t o r i n g d e v i c ew h i c ho nt h eh y d r o e l e c t r i cp l a n to na b r o a da n dh o m e E s p e c i a l l y t h er o b o t
3、i c i z e ds t a t u sq u oo f t h es m a l l h y d r o e l e c t r i cp l a n t o nh o m e B a s e do nt h ed e m a n do f p o w e rd e p a r t m e n t ,a f u l ld i s t r i b u t e d m u l t i f u n c i t i o n a lm o n i t o r i n gd e v i c ei ss t u d i e d T h i si n s t r u m e n tn o to n l
4、y c a nm e a s u r et h ed a t ao fh y d r o e l e c t r i cp l a n t ,b u t a l s o i n t e g r a t e t h e f u n c i t i o n0 fc o n t r o lt h ed y n a m o t o r ,b yc o o p e r a t ew i t h t h e p r o g r a mo f e p i g y n o u ss y s t e m i t c a nr e a l i z a t i o nt h ea u t og e n e r a
5、t ee l e c t r i c i t yo nt h e h y d r o e l e c t r i cp l a n t a n do r d i n a l s t a r t u p s t o p o ft h e d y n a m o t o r F u r t h e r m o r e ,p e r f o r m a n c e o f i n t e g r a t e d D F Ta r i t h m e t i ce n h a n c e st h e a c t u r a c ya n dr e l i a b i l i t y o fm e a
6、 s u r e B yc o m m u n i c a t i o ns e v e r a ld e v i c e s c a nr u no n l i n et ob ec o n t r o l l e dd i s p e r s e d l ya n dm a n a g e dc e n t r a l l y K e y w o r d s :s u r v e i l l a n c e & c o n t r o l F o u r i e rT r a n s f o r m c o m m u n i c a t i o n 中国农业大学硕士学位论文 1 序言 1
7、 1 问题的提出( 水电站自动监控发展的趋势) 我国有十分丰富的水利资源。全国平均蕴藏量在l O 姗以上的河流有t 5 9 8 条。 总蕴藏量在6 8 0 0 0 0 M W 以上,居世界第一位。丰富的水利资源可为我国电力工业提 供廉价的电力。并利于环境保护。随着计算机技术、电子技术和通信技术的高速 发展,水电站自动化正在世界范围内逐步实施。 水电站自动化,就是要使水电站生产过程的操作、控制和监视,能够在少人 或无人直接参与的情况下,按预定的计划或程序自动的进行。水电站实现自动化 的目的在于提高工作的可靠性和运行的经济性:提高电能质量;改善劳动环境和 减少运行人员。分层分布式的水电站自动化系统
8、,已经是发展的必然趋势。近几 年,我国电网中水电站的自动化水平发生着巨大的变化,大量采用先进自动化技 术的水电站正在兴建或已经并网发电,有些还实现了无人值班。随着电力系统自 动化的发展,对供电质量的要求不断提高,同时由于在小型水电站中的值班运行 人员素质普遍不高,在小型水电站中,实现自动监控就尤其重要。老水电厂因起 点低( 基于多人值班) 、设备技术相对落后,资金少,其监控系统的改造只能采用 以计算机为主、简化常规为辅的模式。 随着计算机技术与网络技术的飞速发展,以微计算机为核心的集多功能为一 体的数字式、智能化水电站自动监控装置已经成为水电站自动化装置发展的趋势 和研究的热点。它具有以下几个
9、方面的优点: 1 、功能集成 在小型水电站中,各种保护和控制装置相对比较简单,其独立性的要求也相 对较低。这种情况下,特别是伴随着现代微控制器的高度发展,监控装置的硬件 资源比较富裕,可以将传统的保护、测量、监控、远动集成在一起,避免二次设 备重复投资,简化了二次接线。 2 、远方控制和信息共享 在信息共享方面,主要是监控装置可以将事故时所记录下的故障前后的信息 提供给监控系统及调度中心以便调度人员做分析和控制。E a 于通信是单方向的, 所以,网络上的其它信息不会影响装置的正常工作。远方控制包括了远方修改保 中国农业大学硕士学位论文 护的限值及对装置进行直接的控制操作。 总之,数字式智能化的
10、水电站自动监控装置具有比较完善的功能,具有很高 的性能价格比,其优越性是显而易见的。所以,研制和开发功能全面、精度较高 的水电站监控装置成为了发展水电事业的必然要求。 1 _ 2 水电站自动监控装置的国内外发展概况 1 _ 2 1 国外发展概况 发达国家已经普遍实现发全厂自动化,枢纽水电站集中监控自动经济运行, 水情信息测报,电站基础自动化完善,运行可靠,水电站的安全经济运行达到了很 高的水平,普遍实现了少人或无人值班。 3 7 2 0 A C M 水电站自动监控装置是加拿大P o w e rM e a s u r e m e n tL t d 的产品。这 套装置集数据采集、测量、控制、通信功
11、能于一体,对每一台发电机组的运行情 况进行自动监控,运行人员只需要在上位机前,就可监视全厂的运行状况,并按 需要对机组进行调控或由机组自动调节。但是,它并没有对发电机组的各个轴承 的温度值进行测量,不利于控制人员掌握发电机组的内部运行状况。 A B B 公司生产的水电站t l 动监控装置分为主控级和就地控制单元,主控级采用 的是A d v a n ts t a r i o n5 2 0O p e r a t i o n 计算机控制系统,其主机是H e w l e t t p a c k a r d 9 0 0 7 0 0 工作站。主控级计算机通过总线M B 3 0 0 与全厂其它各就地控制单元
12、进行数 据通讯。机组就地控制单元( L C U ) 设置于机旁,主机采用的是M a s t e rP i e c e2 0 0 一l 型工业微机。它与励磁调节单元、电液调速器、水泵水轮机控制单元、球阀控制 单元等子系统是通过以并行的输入输出信号的方式进行数据交换和控制调节的。 电站公用及辅助设备控制单元( S C U ) 设置在中控室,主机为M a s t e rP i e c e 2 0 0 一l ,S C U 主要完成的是对l l O k V 开关站、全厂公用控制设备、厂用变压器、上下 库闸门和上下库水位等监视、测量和控制。同时S C U 还负责向电站R T U 输出全厂 的一些主要运行参
13、数数据( 并行输出) 。 法国电力系统运行的水力发电设施约有5 0 0 个左右,基本上全是自动化操作。 这些发电设施般位于山区。大约5 0 的发电设施发电量不足5 0 0 0 K W ,并且无人 操作。早在1 9 8 8 年,法国电力系统水力发电部门就感到降低操作费用是非常必要 的。于是开发了“T E L L E X ”遥控运行系统,它具有以下特点:远程监测。运行数 据的远程查询。远程诊断。生成运行数据报表、查询、辅助分析。远程控制。远 2 中国农业大学硕士学位论文 程维护。 但是,国外产品的板面按键操作比较复杂,需要工作人员的操作水平较高, 这与我国现场操作人员素质较低的现状不适应。加之国外
14、产品昂贵的价格,所以 难于适应我国的水电系统。 1 2 2 国内发展概况 我国对水电站自动监控装置的研制起步比较晚,但是发展很迅速。随着我国 水电站自动化的全面实施,我国许多科研单位和公司研制开发出各类水电站自动 监控装置。目前我国水电站计算机监控系统技术正在较大范围内推广,电站正在 向全厂自动化过渡的过程中:梯级水电站的集中监控正在试点,个别工程取得了初 步成功:水电站值班方式以及生产管理方式的改革正在大力推动,在广蓄、长甸等 电站已经实现了“无人值班”( 少人值守) 。 常州自动化分公司生产的水电站监控系统包括计算机监控系统、微机保护系 统、泄水闸门控制系统和船闸监控系统。整个系统采用模块
15、化结构设计,运用新 一代可编程控制器、现场总线技术、网络技术,重要部分双冗余配置,可满足可 靠、安全、经济实用、技术先进和便于扩充等基本原则,实现水电站无人值班或 少人职守,提高水电站自动化水平。 湖南华方电力科技有限公司生产的F S 3 0 0 系列水电站综合自动化装置包括: F S 3 1 3 机组综合测量单元( 完成机组电气量及温度量的测量。) ;F S 3 1 0 机组现地控 制单元( 能够监视和控制水轮机组的生产过程,检测并处理各种常规信号,将生 产过程中的实时数据,各种事件记录等大量信息上报给上位机。接收并执行上位 机的各种指令。) :F S 3 1 2 机组综合控制单元,它是考虑
16、f J T k 电站或机组的运行特殊 性,保留了简单的常规手动装置,加上一系列监控组件而构成的控制单元。可以 根据用户的不同需要而取舍。 江苏时代水利经济发展有限公司与河海大学、南京大学、东南大学联合研制 的S D 2 0 0 水电站自动化系统采用全开放,模块化结构设计,能实现数据采集与处 理、机组顺控、自动准同期、调速、励磁、功率调节控制等功能,配合S D T 2 0 0 水 轮机微机调速器装置、S D W 2 0 0 微机温度巡检保护装置可以实现水电站内数据采 集与处理、机组顺控、自动准同期、调速、励磁、功率调节控制等功能。 目前,国内外研制和开发的水电站自动监控装置已经有许多了,但是,它
17、们 3 中国农业大学硕士学位论文 一_ - _ _ - _ _ - 一 大多数是面对大、中型水电站或新建设的中、小型水电站而设计的,功能虽然完 全,却大多采用新的辅助机械,复杂而又昂贵,而且采用集中机柜式的接线方式。 对于那些较早建造的老水电站,尤其是位于偏远、贫困地区里的小水电站,由于 值班人员素质低下、经济困难无法承担和应用。 1 3 本课题的任务和意义 本装置的研制主要是针对我国电力系统中水电站的现状,特别是老水电站自 动化改造而提出的,同时参考水电站自动化技术发展趋势,以使装置尽可能包括 水电站内测量、控制、保护和通信等功能。 本课题的任务是:借鉴国内外研制同类型装置的经验,以电力系统
18、智能监 控仪为基础,结合水力机械的控制规律,研制和开发一种先进、实用的单元式小 水电站自动监控装置,为老式小水电站提供功能完善、质量可靠水电站自动化系 统及设备,实现水电站的高度综合自动化,提高水电站及电力系统的安全经济运 行水平,在进行了小型水电站的改造后,能实现水电站的自动发电控制:机组顺 序启停。实现“少人值班”减人增效的目标。 实现水电站的综合自动化可以全面提高水电站的安全经济运行水平,实现少 人值班或“无人值班”,达到减人增效的目的。实践经验表明,实现水电站全厂自 动化,可以提高发电效益1 左右。实现水电站梯级自动经济运行以提高发电效率 3 一6 ,水电站实行生产管理和值班方式改革后
19、,电站可以减员8 0 - - 9 0 , 基建和生产运行费用都可相应降低,经济和社会效益十分明显。而提高电站和电 力系统的安全运行水平的效益更是难以估量。 小型水电站自动监控装置的研制,主要是软件和硬件设计两大部分。软件的设 计采用结构化的高级语言P L M 一9 6 。测量部分包括交、直流电气量的测量和温度的 测量。交流电气量的测量采用F F T 算法从夹杂着各次谐波的发电机端的输出信号 里计算出计算出基波电压、电流的有效值,利用它们对有功功率、无功功率、功 率因数、电度等参数进行计算,同时可进行1 5 次谐波分析。为减小频率偏差对测 量结果的影响,通过自适应调整采样间隔,即便频率发生改变也
20、能保证每个周波 均匀采样从而使整个装置测量精度高、抗干扰能力强。由于水电站内需要采集 的数据和需要处理的信号较多,硬件部分的设计分为主、副监控装置的设计。它 们均以M c s 一9 6 单片机为核心,配以适当的外围电路来实现各种功能。 4 中国农业大学硕士学位论文 本装置的开发成功将进一步推进小型水电站二次系统的自动化水平,真正做 到集测量、控制、远动、保护等功能于一体的分层分布式水电站自动化系统中的 单元式模块,便于水电站管理人员正确掌握站内运行状况,方便的控制运行,实 现自动发电控制和安全运行。 1 4 本装置的功能 参考国内外各种水电站自动监控装置的特点,本装置设计达到如下功能。 1 4
21、 1 模拟量输入功能 主监控装置直接输入发电机端P T 二次侧的7 5 V 电压、C T 二次侧的5 A 电流。 还有8 路用于励磁电压、励磁电流、导叶开度及温度测量的附加信号输入。副监控 装置一共采集1 6 路温度测量的信号。 1 4 2 测量功能 主监控装置实时和就地显示三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因 数、频率、有功电度、无功电度、励磁电压、励磁电流及导叶开度等。副监控装置 则实时测量和显示发电机内部轴承的温度值。 1 4 3 保护功能 副监控装置在采集温度信号时,如果判断出异常,可以通知上位机进行调节, 保护发电机的正常运行。 1 4 4 开关量输入功能 主监控装置有八路开关
22、量输入,监测发电机组的各种保护状态,副监控装置 有三十二路开关量输入,监测发电机组的各种保护状态及全站内其它配套保护的状 态,它们都采用了光电耦合的隔离方式,提高了装置的抗干扰能力。 1 4 5 控制输出功能 主监控装置有十六路开关量输出,通过中间继电器控制开关的分合,实现对 发电机组的调节合控制。副监控装置有四路开关量输出,同样是通过中间继电器来 控制开关,实现对站内其它辅助机械的控制。 1 4 6 就地设置和显示功能 主、副监控装置面板上的按键可以实现所有参数的就地设置,如时间的调整、 密码、保护的整定值和动作时间、P T 、C T 及温度传感器的变比、通信的波特率等。 面板上的L C D
23、 液晶显示器可以实现所有电量参数( 电压、电流、有功、无功、频率) S 中国农业大学硕士学位论文 和非电量参数( 温度) 的循环显示和指定显示,并于按键一起实现人机交互的操作。 1 4 7 通信及远动功能 主、副监控装置均设有R s 一4 8 5 通信借口,可直接与P c 机联网通信。构成一 个微机网控系统,实现装置工作方式的远方设定、遥测、遥信、遥控及保护定值的 设定。 6 中国农业大学硕士学位论文 2 系统的总体电路结构与分析 2 1 硬件电路的总体设计 随着对水电站保护、控制、测量、通讯等功能的要求越来越高和高性能单片机 的出现以及新的电力电子开关器件的产生,水电站智能监控仪表将逐步实现
24、高集 成度、全功能化。 2 1 1 总体电路构成 在本课题中考虑到系统的复杂性,将监控装置分为主、副监控装置,均以 I N T E L l 9 6 K C 单片机为核心,配以一些适当的外围电路来完成各种功能,主要模块 有:A D 转换、按键、开入量检测、控制输出、通讯、看门狗电路、数据存储单元、 显示、时钟等。 根据数据处理和合理分配硬件资源的要求,两个监控装置的分工如下: ( 1 )主监控装置将主要完成交、直流电气量的测量( A D 转换) 、交流电气量 测量数据的快速傅立叶变换( F F T ) 、控制输出( 水力发电机组的自动 操作和调节) 、通讯、显示、按键处理、故障录波等功能。 (
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