毕业设计论文水电厂计算机监控系统的设计与实现.doc

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1、题 目：水电厂计算机监控系统的设计与实现 专 业： 电气工程及其自动化 学 号： 姓 名： 袁能吉 指导教师： 林国松 学习中心： 四川大 学网 络 教 育 学 院2011年 12 月 24日第一单概述11 水电站计算机监控系统概述进入90年代后，国内外在水电站自动控制上普遍采用计算机监控技术，或利用计算机控制系统与电站常规控制系统相结合对水电站设备进行控制，或利用计算机监控系统直接对水电站设备进行监控。水电站计算机监控系统是指整个水电站设备的控制、测量、监视和保护均由计算机系统来完成。它代替了常规控制设备，监视测量表计，完成机组的开停机控制，断路器等开关设备的控制，完成电站的优化运行，自动发

2、电控制(AutomaticGeneration Control，简称AGC),自动电压控制(Automatic Voltage Control，简称AVC)，电站机组、变压器、线路等各种运行设备参数的在线监视，越限参数报警、记录，历史参数查询，事故追忆，报表打印，完成监控系统设备的自检，是实现对整个电站所有设备进行控制、测量、监视和保护的自动控制系统。其功能可用图1-1来表示。现场干扰变量 . 水电厂生产过程执行机构信号采集计算机监控系统计算机人工控制或给定目标值图1-1水电站计算机监控系统方框图水电站的中控室负责管理和控制整个电站的正常运行，为了保证运行的可靠性和经济性，必须收集全厂各设备的

3、实时运行资料，以便及对做出响应。譬如说：实时采集发电机组和全厂公用设备的运行状态，运行参数，对电站各控制点和监视点迸行自动安全监测、越限报警，实现厂内自动发电控制和自动电压调整等。而计算机监控系统正是基于以上理念，充分利用成熟的计算机控制技术、通讯技术、可编程控制器(Programme Logic Controller，简称PLC)和网络技术将各机组LCU、励磁调节器、调速器等连接起来，集中监控水电站各台机组的运行，以实现整个电站的经济运行。因此，水电站计算机监控系统的性能大大优于常规的自动控制系统，所以又被称为水电站计算机综合自动化系统，既适用于新建电站使用，也适用于老电站对自动控制系统进行

4、技术改造。111 水电站计算机监控系统的发展概况在欧美等一些工业发达国家，水电站计算机监控技术发展较快，也较先进，自80年代起，许多水电站实现了无人值班或少人值班，提高了水电站设备运行的可靠性，降低了水电站运行费用。国内水电站自动控制系统主要以常规设备为主，计算机监控系统在水电站的应用尚属研发完善阶段。在新建的大型水电站，较多地采用了水电站计算机监控系统，中小型水电站或已运行的许多老电站则采用常规自动控制设备居多，技术稍先进的中小型电站，或在常规自动控制系统的基础上加上计算机功能控制单元，或用计算机功能控制单元改造常规自动控制系统，或在常规自动控制系统的基础上加上计算机监测系统。目前中小型水电

5、站计算机监控系统，其开发的软件有的基于DOS系统，而基于Windows平台的软件又往往针对大型水电站设计，不适于小型水电站应用。我国电力部门的科技人员从七十年代开始对计算机在水电站的应用进行了不懈的探索。经过多年孜孜不倦的努力，我国水电站计算机监控技术已经有了很大的发展，从开始的摸索到初步形成工业化生产，达到实用水平，并形成几种成熟的模式，技术水平、实用程度上已达到国外目前水平，有的方面甚至已赶上了国际先进水平。112 水电站计算机监控系统的发展趋势随着计算机和网络技术的发展，水电站计算机监控系统的技术同样也在迅速地发展，新的控制系统结构、新的控制装置、新的软件等不断涌现，目前水电站计算机监控

6、技术主要朝着网络化、智能化、人性化、软件组态化、控制无人化方向发展。a网络化水电站计算机监控系统的快速发展也是立足于计算机和网络技术的发展，在水电站计算机监控系统中，有上位机、现地控制单元等各种各样的计算机及计算机控制装置，若它们不形成网络，则这些计算机及装置只能独立运行，不能实现数据共享，不能充分发挥出计算机控制系统的优越性，只起到了代替常规自动控制设备的作用。因此，水电站计算机监控系统势必向网络化发展。水电站计算机监控系统朝着网络化方向发展是数据实时共享的需要；装置共享的需要；调度自动化的需要；系统扩展的需要。b智能化计算机和网络技术的高速发展，使人工智能技术得到了迅速发展，人工智能技术在

7、机器人、汽车及其他领域得到了广泛应用。智能化也是水电站计算机监控系统的一大发展方向。水电站计算机监控系统智能化主要体现在对监控系统的自动诊断，对电站设备的自动诊断和预防性维护，对运行人员进行操作指导，对事故、故障处理进行指导。c人性化水电站计算机监控系统的人性化就是使得冷冰冰、硬梆梆的计算机具有人情味、通人性。计算机、网络和多媒体技术飞速发展，现在计算机己能听、说、看，并能识别中文手写文字，除通过传统的键盘、显示器、打印机等外设与人进行交流外，与人进行交流、沟通的途径、渠道已越来越多，并越来越便利，越来越具有人情味。将多媒体技术用于水电站计算机监控系统，水电站计算机监控系统也就具备了听、说、看

8、、写的能力。故而人性化也是水电站计算机监控系统的发展方向之一。d软件组态化软件组态化也是水电站计算机监控系统一大发展方向。组态化的软件主要是指上位工控机和前置工控机的软件。组态化软件通常也是一种模块化的软件，有实时数据库、动画、上下限设置、状态控制、各种实时趋势图和历史趋势图、各种输入输出接口程序等等功能。组态软件最大的特点是使用方便，维护方便。在使用方面通常使用菜单及各种图形界面操作方式，操作使用直观：在维护方面，其优点明显突出，组态软件都提供有工具软件，使得控制系统的开发者不必为每个控制系统编制源程序，只需根据对控制系统的要求，对软件的功能进行设置组合，就完成了控制系统的软件的组态，当监控

9、系统有设备或功能增减时，同样可以方便地完成软件的维护。使用组态软件的优点在于控制系统的开发时间短，软件的可靠性高，因为软件是经过在各种情况下测试的，软件的维护简单方便。e控制无人化无人值班电站有时也被称之为一人操作电站，即只需一个值班员就可进行电站的开停机控制、运行操作，这些操作完成后，自动控制系统就可自动控制电站设备运行，当电站自动控制系统具有远方遥控功能时，可由一人在远方进行遥控操作。水电站计算机监控系统向无人化方向发展，其最大的优点就是极大地减少了电站运行人员，减少了电站的运行费用，减少了电站的投资。12 冉家坝水电站概述冉家坝水电站位于重庆市最北端的城口县境内的任河干流上，是一座引水式

10、水电站，装机容量14MW，年平均发电量4.99亿kWh，年利用小时数3213h，保证出力24.12MW。电站以一回220kV线路接入城口县22OkV变电所，22OkV电压侧采用单母线扩大接线方式。环境条件：海拔高度，519.15m(厂房)：年平均环境温度，13.7；最高环境温度，39.3；最低环境温度，-13.2C；多年平均相对湿度，78；地震烈度6度。冉家坝水电站实现全厂计算机监控的意义在于：1提高电站安全运行的可靠性在硬件方面，由于计算机监控系统集成度的提高，可以大大减少控制系统的元件数量，使得水电站机组等各种设备的控制柜的数量减少，从而减少了控制系统出现故障的机会，使得系统的可利用率大大

11、增加，提高控制系统工作的可靠性。在软件方面，由于计算机监控系统具有完善的闭锁、灵活方便的智能控制、严格的逻辑操作顺序，从而保证了监控系统可以对电站进行有效的控制和调节，避免了人为的误操作和误判断；另外还可以对设备运行状态进行周密监视，及时发现异常或隐患，当设备发生事故时，把事故限制在最小范围内，使电站运行的安全可靠性大大提高。2提高电站的经济运行冉家坝水电站在计算机监控的基础上实现厂内自动发电控制，电网根据频率的要求计算出冉家坝水电站实时调节负荷或日负荷曲线，将此信息传送到冉家坝水电站的计算机监控置，由电站的AGC程序控制整个电站的有功功率来满足系统的需要，从而实现了在电站负荷给定之后，所需的

12、耗水量最小，或以最少的耗水发出最多的电能，为冉家坝水电站创造出最大的经济效益。3提高供电质量冉家坝水电站计算机监控系统可以根据系统分配给的总负荷，由厂内AGC经过经济运算后将计算所得的单台机组的负荷分配值通过串行通信口直接下达给调速器的控制装置，将机组出力调整至目标值，从而使机组即快又稳地满足AGC的负荷分配要求和调节精度。这种以数字量的形式传送控制信号，不但取消了“发电机负荷遥调接口装置”，而且从根本上避免脉冲调节方式存在的缺点，提高机组负荷调节品质和供电质量。4提高劳动生产率由于计算机监控系统能够实时监控水电站设备运行情况，把运行人员从日常操作、监视设备运行等繁杂重复的工作中解放出来，进一

13、步提高了电站的运行和科学管理水平，从而减少了运行费用，改善工作条件，使劳动生产率得以提高。13 本论文的主要内容本论文针对我国小水电站丰富，自动化水平低的特点，在考察、分析了国内外水电站(厂)典型计算机监控系统的应用经验的基础上，依据国家电力公司目前对水电站(厂)计算机监控系统的有关规定，吸取他们先进的系统设计思想，针对冉家坝水电站运行监控的技术特点，立足于工程实际，主要完成如下几方面工作。同时对在现场中遇到的问题进行了分析，并提出了解决办法。本课题内容包括：1分析冉家坝水电站运行监控的技术要求。2设计冉家坝水电站计算机监控系统的结构配置。3设计冉家坝水电站计算机监控系统中现地控制单元(Loc

14、ation Control Unit，简称LCU)，完成LCU的结构设计、硬件配置和应用程序的开发，最终实现LCU的监视和控制功能。4尝试探讨小水电站计算机监控系统的硬软件可靠性问题，提出抗干扰措施。第二章 水电站计算机监控系统总体方案设计21 水电站计算机监控系统的功能要求分析水电站计算机监控系统的主要功能要求实时、准确、有效的完成对本电站被控对象的安全监控，包括：数据采集及处理功能；安全运行监视功能及事件报警：事故追忆：控制和操作功能；自动发电控制(AGC)、自动电压控制(AVC)和经济运行功能；定值、报表的生成与打印功能；设备运行统计记录及生产管理功能；远动通讯功能：画面显示功能：人机接

15、口；时钟同步；软件开发及维护功能：系统自诊断与自恢复功能；冗余容错功能；其它辅助功能。水电站计算机监控的内容在不同的水电站有所不同，但基本内容相同：水电站设备的控制，水电站设备的调节，水电站设备的保护，水电站设备的监测，水电站设备的运行状态、运行参数的自动记录、打印，作为调度自动化系统的远方终端(RTU)，水电站优化运行，水电站的事故处理。上述内容中，有部分是水电站常规自动控制系统同样具有的，有部分内容是水电站采用计算机监控后增加的。1水电站设备的控制水电站设备控制操作的内容有：水电站机组的控制，水电站辅助设备的控制，水电站进水主阀、进水闸门的控制，水电站升压站电气设备的控制和厂用电的控制。2

16、水电站设备的调节水电站设备的调节有：水电站机组的调节、整个水电站的调节、水电站升压站的调节。3水电站设备的保护水电站设备的保护有：水电站机组的保护、水电站升压站电气设备的保护和厂用电的保护。水电站机组的保护分为电气保护和机械保护。水电站升压站电气设备的保护分为出线保护和主变压器保护，有的还有母线保护。4水电站设备的监测水电站设备的监测内容一般有：水电站机组的监测、水电站升压站电气设备的监测、水电站进水口拦污栅及上下游水位的监测、水电站辅助设备的监测、厂用电的监测等。5水电站设备的运行状态、运行参数的自动记录、打印采用常规自动控制系统的水电站，水电站运行情况、运行参数的记录，由运行人员在运行日志

17、上人工记录，水电站实现计算机监控后，则可由计算机监控系统自动完成数据采集，并打印出运行日志，自动统计日、月、年运行报表。水电站设备的运行状态、运行参数的自动记录、打印的内容有：整个水电站的运行状态、运行参数，水电站机组的运行状态、运行参数，水电站升压站的运行状态、运行参数，水电站厂用电设备的运行状态、运行参数。上述这些运行状态、运行参数可由计算机监控系统自动按设计好的日、月、年运行报表打印出来。6作为调度自动化系统的远方终端(Remote Terminal Unit，简称RTU)水电站计算机监控系统，能直接对水电站设备进行控制操作、数据采集，因此可以作为RTU，通过计算机监控系统的通信口与调度

18、端的计算机进行数据交换。采用常规自动控制系统的水电站，要实现调度自动化，则必须增加RTU、电气量、非电气量变送器、传感器等。7水电站优化运行在水电站实现优化运行也是水电站计算机监控的内容，水电站计算机监控系统利用中长期洪水预报及实时雨量测报，可使水电站进行优化运行，合理调整水电站的运行，合理分配机组问的负荷，使整个水电站运行的综合效率最高，达到消耗尽量少的水发出尽量多的电的目的。对于径流式水电站，水电站计算机监控系统可使电站机组按上游水位调节机组出力，实现简易优化运行。8水电站的事故处理水电站计算机监控系统的事故处理内容主要分为机组事故处理和升压站电气设备事故处理，也还有水电站其他设备的事故处

19、理。22 计算机监控系统的结构模式及特点分析水电站计算机监控系统由上位工控机和LCU组成。机组测量、调节、控制、保护屏构成机组当地控制单元LCU；升压站、线路、同期、公用设备测量控制保护屏构成升压站、线路、公用设备当地控制单元LCU：水工测量、控制构成水工现地控制单元LCU。自20世纪70年代水电站采用计算机监控系统以来，计算机监控系统有以下几种典型的应用。1、集中式监控系统早期，计算机比较贵，只能设一台计算机对全厂进行集中监控，只要计算机一出故障，整个控制系统就瘫痪，只能改为手动控制运行，性能大大降低；其次，由于所有信息都要送到这台计算机，现场需要敷设很多电缆，机组台数越多，电缆也越多，这不

20、但增加了投资，而且降低了系统的可靠性，电缆及其接头容易发生故障，通信也是薄弱环节。2、功能分散式监控系统随着计算机价格的下降和水电站对监控系统可靠性要求的提高，采用多台专用功能微机将全厂控制、调节、数据采集等各类要求通过负载分散、危险分散、功能分散、地域分散等而得以实现，就出现了多微机系统，这种结构可以克服集中式监控系统的弊病。3、以设备单元分布的分层分布式监控系统分层分布式监控系统在地域上是分散的，即按控制对象进行分散。分层分布式监控系统一般分为二个层次：上面一层称为上位机，下面一层以发电机组为单元，将数据采集与控制集成到一台微机或PLC装置中，构成了LCU。由于各台机组的信息由各台机组控制

21、单元进行处理，就不必敷设许多电缆将信息送到一处集中处理，可以节省相应的投资，整个系统的可靠性也得到显著的提高。4、基于开放系统地分布式监控系统随着计算机技术、网络技术的发展，计算机应用软件越来越复杂，软件开发地投入也越来越大，为使这些巨大的软件资源能在不同的计算机平台上运行，形成了一系列的开放系统标准，例如TCPIP、OPC等，基于开放系统的分布式计算机监控系统具有通用性和可移植性，监控系统软件可以安装在任何具有开放系统的计算机上。5、基于对象技术的分布式监控系统基于面向对象技术的分布式监控系统，从系统设计、编程语言选择到用户界面等一系列过程，都依据面向对象的理念、原则和技术标准，都给用户使用

22、和维护带来极大方便。随着计算机网络通信技术的发展，一般大、中型水电站机组台数多，容量大，主接线复杂，在采用网络通信技术支持下的分层分布式计算机监控系统是较好的选择。这些年来新投运的水电站监控系统几乎都采用分层分布式的，水力发电厂计算机监控系统设计规定(DLT50651996)明确指出：“监控系统宜采用分层分布式结构，分设负责全厂集中监控任务的电厂级及完成机组、开关站和公用设备等监控任务的现地控制级。”全开放、分布式监控系统是近年来在分布式监控系统的基础上发展起来的，整个系统中各设备均遵循ISO、IEEE、IEC等国际标准规约，共同与全开放式的网络构成一个全开放、全分布式的监控系统，这样形成的系

23、统各设备节点的独立性、自治性都很高，设备的增减，故障设备的更换都很方便，整个系统的可靠性、可维护性也将得到显著提高。这也是今后大、中型水电站计算机监控系统模式发展的方向。当条件许可时，最好采用全开放、分布式监控系统。分层分布式控制方式有下列优点： (1)凡是不涉及整个系统性质的监控功能，可安排在较低层实现，这不仅加速了控制过程的实现，即提高了响应性能而且减轻了控制中心的负担，减少了大量的信息传输，也提高了系统的可靠性。(2)在分层控制系统中，即使系统的某个部分因发生故障而停止工作，系统的其他部分仍能正常工作，分层之间还可以互为备用，从而大大地提高了整个系统的可靠性。(3)采用分层控制方式时，对

24、控制设备和信息传输设备的要求可适当降低，需要传送的信息量减少，敷设的电缆也大大减少，主计算机的负担也减轻，这些均导致监控系统设备投资的减少。(4)可以灵活地适应被控制生产过程的变更和扩大，可实施分阶段投资，这些都提高了系统的灵活性和经济性。23 冉家坝水电站计算机监控系统的设计231冉家坝水电站计算机监控系统的设计原则和功能要求根据电力工业部颁发的关于水电厂“无人值班”(少人值守)的若干规定(电安生【1996】484号中提出的在水电站中逐步推行“无人值班，少人值守”管理模式的要求，借鉴国内外其它电厂监控系统的经验并针对冉家坝电站的整体情况，系统功能满足“无人值班，少人值守”的原则进行总体配置，

25、整个电站的监控系统设计原则如下：(1)监控系统本着安全、可靠、经济、实用的原则，按无人值班(少人值守)原则进行总体设计。(2)监控系统采用全计算机监控的方式，采用最新的功能和设备均按全计算机监控方式进行设计和配置。系统投入运行后，使全站运行管理达到无人值班(少人值守)。(3)监控系统高度可靠，与电站安全运行密切相关的设备采用双重化配置，监控系统本身的局部故障不影响现场设备的正常运行。系统各项性能指标均满足DLT578-1995水电厂计算机监控系统基本技术条件的规定；(4)系统主要硬件设备采用进口原装设备。(5)监控系统采用分层、分布、开放式系统结构，各单元采用标准模件，既便于功能和硬件的更新和

26、扩展，又方便日常运行的维护。软件模块化、结构化，使系统更能适应功能的增加和规模的扩充。(6)系统实时性好，抗干扰能力强。(7)人机界面采用全中文显示，功能强，操作方便，简洁、灵活，便于二次开发；(8)在保证系统的实时性和可靠性等技术指标的同时，系统可维护性好。(9)采用Windows2000操作系统、Sun Cluster 9.0操作系统，采用动态多窗口图形显示技术。(10)所有的系统软件以及应用软件具备版本升级以及开发延续的能力。232冉家坝水电站计算机监控系统的结构设计冉家坝水电站计算机监控系统采用符合开放系统国际标准的、开放式环境下全分布计算机监控系统。系统结构如图2-1。图2-1巴山冉

27、家坝水电站计算机监控系统结构结构说明：(1)主机操作员工作站主机功能包括对整个电站计算机监控系统的管理，AGC、AVC计算和处理，数据库管理，在线及离线计算功能，各图表、曲线的生成，事故故障信号的分析处理等。主机同时供运行值班人员使用，具有图形显示、全厂运行监视和控制功能、发操作控制命令、作定制修改、设定与变更工作方式等功能。全厂所有的操作控制都可以通过鼠标器及键盘而实现；通过彩色显示器可以对全厂的生产、设备运行作实时监控，并取得所需的各种信息。采用双机，互为冗余热备，切换无扰动。其中一台主机还可兼通信服务器功能，完成与站内其他系统的通讯，并预留与市调、地调、一级电站及二级电站的通信接口。配置

28、声卡、音箱和语音软件，设置语音报警系统作为电站监控系统的一部分，对电站故障和事故发语音报警，提醒运行人员。具有语音报警、测试等功能。(2)通信工作站完成与站内其他系统的通讯，并预留与市调、地调、一级电站及二级电站的通信接口。(3)语音报警工作站水电站设1套语音报警工作站。主要任务是完成语音报警功能、On-Call功能。On-Call功能系统全称为电站事故自动报警通知系统，指电站由计算机监控实行定时巡检和运行维护人员随时处于待召唤状态，随叫随到，确保电站安全稳定运行的一种先进管理模式，是实现电站人找信息到信息找人的革命性飞跃。系统结构配置：DELL 工作站英特尔P424GHz内存：512MB硬盘

29、80GULTRAATAlooCD-ROM 网卡：100MB网卡*2声卡显示器：20寸TFT键盘、鼠标、电源线、音箱(4)打印机设置打印机2台，完成各种信息及报表打印以及计算机监控系统的其他打印服务功能；打印方式以召唤打印为主，定时打印为辅；主要性能要求：最小打印速度：16PPM，66MHzRISC处理器：打印分辨率：1200dPi：打印方式：激光式：打印纸尺寸：A3A4内存：4MB(5)不间断UPS电源配置电力系统不间断电源构成电源系统，供电站计算机监控系统主控级使用；电源配置单独采用逆变电源。(6)网络设备主计算机和各LCU之间通过IOIOOM网络交换机联接成以太网络，网络介质主要为光缆，双

30、网，网络速率为l00Mbps，网络协议为TCPIP。上位机系统各控制系统和设备与网络交换机间的通讯介质为超五类屏蔽双绞线，PLC通过光纤和光纤收发器与网络交换机相连，以增强网络系统的现场抗干扰能力，所有上位机的数据传输速率为100Mbps，现地控制单元的数据传输速率为l0Mbps。(7)LCU共4套，2套机组LCU、2套公用开关站LCU，实现对生产对象的监控。LCU选用GE的90_30PLC构成现地控制单元。233 冉家坝水电站计算机监控系统软件选择包括系统软件和工业控制组态软件两部分。a系统软件国内监控系统软件通常选用较为成熟的UNIX和WlNDOWS2000NT两种操作系WIND0WS20

31、00操作系统按客户服务器方式设计，抢先式多任务，可移植性，可用于多种硬件平台。它是水电站计算机监控系统较理想的操作系统。b组态软件工业控制组态软件种类很多，国外有名的组态软件有：IFIX、WinCC、Intouch、Logix5000等。国内在电力行业应用较多的有：南瑞NC2000和EC2000、水科院的H9000等。在选型时主要考虑其应用的成熟度，接口的开放性及人机界面汉化程度，现在IFIX、WinCC都有汉化版本在国内均有出售，故选用WinCC组态软件。234 冉家坝水电站厂站级与单元控制级功能的分配本监控系统为分层分布式结构。由厂站级和现地控制级组成，现地控制级设两台机组LCU和一套开关

32、站和公用设备LCU。LCU作为全站监控系统的现地控制级，向厂站级上行发送采集的各种数据和事件信息，接受厂站级的下行命令对设备进行监控，在上位机或网络故障时又能独立工作。因此在系统总体功能分配上，数据采集和控制操作的主要功能均由LCU完成。第3章 LCU的硬件和程序设计31 机组LCU的功能LCU布置在机组旁，其监控对象为水轮发电机组及其辅助设备，是计算机监控系统底层的控制部分，它是整个监控系统的核心，它向厂站级发送采集的各种数据和事件信息，并接受厂站级的命令对设备进行监控，同时又能脱离厂站级独立工作。每台机组设置一台LCU，接收操作员站指令或现地指令控制本台机组，根据现场的开关量、模拟量及部分

33、温度量输入信号，执行并监测控制序列。完成如下功能：现场数据的采集；进行机组开机、停机、工况转换、并网、水机保护等操作；通过接口与调速器、励磁调节器及同期装置进行通讯；实现对机组有功功率和无功功率的自动调节.机组LCU的功能由自动控制、数据采集、通讯和辅助功能四部分组成，具体如下：1、自动控制：1)机组快速闸门控制，包括快速闸门的正常开启、关闭和事故时紧急关闭。2)开停机控制：正常开停机和事故停机。3)负荷控制：有功功率和无功功率的具体调节。4)水机保护：机组轴承、轴瓦等部分温度过高、机组操作压力油油压过低、机组过速等的事故停机、跳机组出口开关等。5)电气事故处理：机组各种电气事故停机、跳机组出

34、口开关等。6)机组压力油罐油压、油面自动控制，包括根据压力油压力(6.3Mpa)控制启动压力油泵，6.3Mpa控制机组压力油泵停止)控制两台压油泵的自动切换启停和压力油罐内油面高度的自动控制。7)机组漏油槽油位控制，包括漏油箱油位控制两台漏油泵的起停。8)风闸控制.9)低周波自动启动控制。10)机组运行工况转换，包括接收厂站级系统的命令具体完成机组停机到发电、发电到调相，发电到停机、调相到停机的一系列状态转换操作。2、数据采集：1)模拟量，包括机组电气量(如定子电压、转子电压、定子电流、励磁电流、功率因数、频率、有功功率、无功功率、有功电量、无功电量等)和非电气量(如机组各部油位、油压、风压、

35、冷却水压力、压力差等)。现场变送器输出统一采用420mA电流输出到PLC的模拟量输入模块。2)温度量，包括机组各轴瓦、冷却器热风温度。现场元件采用Cu53和Ptl00热电阻，信号输入到PLC的温度量采集模块。3)开关状态量，包括机组出口开关、发电机灭磁开关（FMK）、励磁转换开关LZK、机组导水叶主令控制器开度位置接点、来自机组转速信号器的接点等。4)故障信息，包括机组各部分故障、异常和事故信息。3、通讯功能：包括与站级计算机系统的通讯和与调速器、励磁调节器等的通讯，采用MODBUS或硬接线方式。4、辅助功能：包括发电、调相小时数累计，备用小时数累计、出口开关合闸次数累计，以及PLC自诊断和相

36、应处理等。32 LCU的结构模式目前，水电站计算机监控系统的现地控制单元硬件设备有下列几种结构模式：321 一体化工控机直接联网结构如图3-1所示，这种模式的LCU通过工控机来完成复杂的数据处理和与底层通信等功能，它的缺点是当工控机故障时，将会导致LCU失去与厂站级的联系，系统的可靠性会降低。322 控制面板和PLC直接联网结构如图3-2所示，当对水电站的可靠性要求较高时，通过设置控制面板，在机组控制单元发生故障时仍能对机组进行机旁的自动操作，系统的可靠性提高，但由于增加了常规控制系统，系统投资比较大，二次接线复杂。323 触摸屏和PLC直接联网结构如图3-3所示，由于PLC直接接入以太网，在

37、机旁设置触摸屏作为人机界面，可以实现机组的现地监视与控制，这种配置方式已成为机组LCU结构的主流模式，得到了广泛的应用。 图3-3 LCU+触摸屏工控机从控制器的冗余配置方式来讲，以目前应用最广的触摸屏+LCU直接联网为例，控制器有单机型，并联冗余型和主辅冗余型LCU几种配置模式。a单机型LCU单机型LCU是目前应用最广的配置方式之一，是由一套单CPU及其I0模件构成的主控制器，以及所需的其它辅助设备组成的，如图34所示。 图34单机型LCU示意图b并联冗余型LCU并联冗余型LCU是指一套LCU中包含了完整的且相同配置PLC控制器及各自的Io模件，如图3-5所示。当任一 PLC出现故障都不影响

38、LCU对机组的持续监控，可靠性得到了极大的提高，但由于投资成本较大，输入输出回路较为复杂，目前主要在大型机组应用。 图35并联冗余型LCU示意图c主辅冗余型LCU主辅冗余型LCU是以实际应用为出发点为解决并联型冗余型LCU的缺点而产生的配置方式，即在一套LCU中配置一大一小两套PLC控制器，大型PLC作为LCU的核心控制器，具有LCU所有的功能，小型PLC仅完成当主PLC故障时仍能对机组进行开停机等的顺序控制功能，如图36所示。主辅冗余型LCU由于经济灵活，可靠性高，输入输出回路较为简单，各控制器生产厂家的主流PLC均能实现这种配置模式，因此在许多大中型水电站的计算机监控系统中得到的广泛的应用

39、。通过对国内LCU现状及LCU配置模式的分析来看，目前现地控制单元均以PLC可编程序逻辑控制器为基础，PLC以其高可靠性、编程方便、配置灵活等优点在逻辑控制方面有无可比拟的优越性。 图36 主辅冗余型LCU示意图33 冉家坝水电站对于机组及公用LCU的功能要求331 数据采集与处理功能LCU通过此功能对电站的主辅设备的运行状态，运行参数及测量值进行实时采集、工程量化，存入实时数据库，作为系统实时监控、告警、控制、制表，计算和处理的依据。数据采集的对象分为模拟量、开关量、脉冲量、数码量等。a模拟置模拟量分为电气模拟量、非电气模拟量及温度量。模拟量信号的采集为定时扫查方式。对模拟量信号的处理包括回

40、路断线监测、数字滤波、误差补偿、数据有效性合理性判断、标度换算、梯度计算、越复限判断及越限告警，最后经工程及格式化处理后存入实时数据库。b开关量开关量包括事件顺序记录(SOE)开关量和普通开关量两种。SOE开关量指事故、断路器分合及重要继电保护的动作信号。监控系统采用中断方式迅速响应这些动作信号并以毫秒级的时间分辨率进行记录。普通开关量是指SOE开关量以外的各类故障信号、报警信号、隔离开关位置、设备状态等。监控系统对普通开关量的采集为定时扫查方式。对开关量信号的处理包括光电隔离、硬件及软件滤波、基准时间补偿、数据有效性合理性判断、启动相关量处理功能(如启动事件顺序记录、事故报警、自动推出画面及

41、自动停机等)，最后经格式化处理后存入数据库。C脉冲量脉冲量主要指来自脉冲电度表的有功电度及无功电度等。对脉冲量的处理包括硬件及软件滤波、脉冲累加、数据有效合理性判断、标度变换、检错纠错处理，经格式化处理后存入实时数据库。电度量可以进行峰平谷分时累计。d数码量数码量信号主要指水位BCD码输入量。采用多点开关量并行采集，然后转换为相应模拟量数值。对数码量的处理包括光电隔离、数字滤波、码制变换、数据有效合理性判断、标度变换等，经格式化处理后存入实时数据库。e综合量综合量包括开关量和综合模拟量是对上述采集的量进行四则、逻辑运算得到的量，如机组状态，母线状态等。332 安全运行监视状态监视和事件报警越复

42、限检查和梯度越限检查和报警控制命令执行中可在面板显示操作全过程及操作受阻部位电站设备的状态监视和参数显示333 控制和调节a控制和操作类型LCU能接受当地或来自上位机的命令，完成对下述被控设备的操作：机组LCU：各种机组状态的转换，机端断路器的控制，有功、无功负荷调节；开关站及公用设备LCU：断路器、隔离刀闸和接地刀闸的分、合操作；站用电和辅助设备的操作。b关于控制操作安全性的考虑闭锁条件的检查LCU在收到控制命令后，必须对与该项操作相关的闭锁条件进行检查，只有在符合要求时才能允许操作；当LCU在线自诊断到有关模件故障时，将自动禁止相应的控制功能；当LCU在接受来自厂站级控制命令时，将通过返送

43、校核等步骤保证控制命令传送的正确性；控制过程受阻时，将给出受阻原因。334 事故停机处理机组LCU在事故停机的完成手段上主要有以下几方面的技术：由LCU的IO模块直接对采集到的事故信息进行响应和处理，执行相应的事故停机流程。在LCU的机框上或现场设置紧急停机按钮，按钮设多对接点，一方面接至LCU的PLC作为事故量来启动事故停机流程，另一方面通过硬布线直接由按钮作用于紧急停机电磁阀和机组出口开关跳闸回路。采取必要的逻辑判断以减少误认事故并误启动事故停机流程的可能。335 数据通信LCU的通信包括二部分：作为监控系统光纤以太网络中的节点与厂站级进行通讯，向上位机发送数据采集和事件信息，并接受其下行

44、的控制命令。作为现地控制单元，实现和微机励磁、调速、保护等设备的通信。336 在线诊断LCU能在线进行硬件和软件的诊断，硬件诊断到板级，在诊断到故障后将报警，并自动进行冗余切换，闭锁相关控制等一系列处理。34 冉家坝水电站机组及公用LCU的硬件设计水电站现场环境相对较差，现场具有较大的电磁干扰、振动和潮湿，因此，要求LCU的硬件应具有高可靠性、防尘、防振、抗震和抗电磁干扰等性能，满足无入值班的要求，冉家坝水电站机组LCU单元主控制器选用PLC。国际电工委员会(IEC)对PLC作了如下定义：“PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储

45、执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”PLC主要结构如图3-7所示。电源CPUI/O接口I/O接口存储器编程器图37可编程控制器的结构示意图冉家坝水电站单机容量为70MW，对于计算机监控系统的设计指标要求非常高，所以，LCU的结构采用冗余结构。341 主控制器PLC的选择a、PLC的选择原则PLC机型的选择要以满足系统功能需要为宗旨，权衡利弊，以免造成投资和设备资源的浪费，机型的选择主要从以下几个方面来考虑：(1)根据控制对象

46、所需的输入输出点数选择机型根据LCU的功能，确定PLC控制系统的IO总点数，再按实际所需总点数的1520留出备用量后确定所需PLC的点数。(2)根据控制对象的特殊要求选择机型要根据系统的功能了解PLC有无特殊功能要求估计PLC的性能。根据冉家坝水电站监控系统的结构，主控制器PLC必须具备以下条件：支持100M光纤以太网；支持GPS卫星时钟对时； ，支持人机界面；支持16点中断开关量输入。(3)校验电源的容量。在校验电源容量时，要注意PLC系统所需电流一定要在电源限定电流之内。b、PLC型号的选择(1)监控点的选择在进行机组监控点的选择时，根据监控点性质的不同分为开入量、开出量和模拟量。开入量按采集方式及信号重要程度的不同分为中断型开入量和非中断型开入量，中断型开入量指事故信号、断路器分合及重要继电保护的动作信号。监控系统能以中断方式迅速响应这些信号并做出一系列必要的反应及自动操作；非中断型开入量信号是指除中断型开入量信号以外的那部分开入量信号，包括各类故障信号、断路器及隔离开关的位置信号、机组设备运行状态信号、