水電站綜合自動化裝置原理及應(yīng)用

水電站綜合自動化裝置原理及應(yīng)用第一頁，共三十五頁，2022年，8月28日總論

水電廠自動化系統(tǒng)在國內(nèi)應(yīng)用已經(jīng)有20多年。在這20多年里，隨著微機硬件功能的不斷強大、通信技術(shù)的不斷進步、軟件思想的不斷發(fā)展，水電廠的綜合自動化技術(shù)也開始向著運行更為可靠、功能更為完善的方向發(fā)展，系統(tǒng)的開放型、擴展性也得到了很大的提高。

第二頁，共三十五頁，2022年，8月28日總論

隨著電力系統(tǒng)的進一步發(fā)展，尤其是大量的中小型水電廠的出現(xiàn)，對于水電廠自動化的模式提出了新的要求。傳統(tǒng)的水電廠自動化系統(tǒng)雖然完全能夠滿足中小型水電廠的自動化需求，但成本過高；并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對于技術(shù)水平相對比較薄弱的中小型水電廠的運行維護人員而言，掌握起來難度較大。因此逐漸提出了一種新的自動化系統(tǒng)模式：利用先進的通訊技術(shù)，將傳統(tǒng)水電廠自動化系統(tǒng)中的監(jiān)控、保護、調(diào)速、勵磁等獨立的部分整合在一起，形成水電廠綜合自動化系統(tǒng)，其成本更低，配置更加簡單，網(wǎng)絡(luò)更加清晰，更適用于中小型水電廠的自動化系統(tǒng)。

第三頁，共三十五頁，2022年，8月28日水電廠自動化系統(tǒng)的演變1水電廠自動化系統(tǒng)的傳統(tǒng)模式第四頁，共三十五頁，2022年，8月28日該結(jié)構(gòu)的特點機械和電氣部分的控制由獨立的自動控制裝置實現(xiàn)（如調(diào)速、勵磁、保護等裝置）；監(jiān)控系統(tǒng)所需要的所有測點都通過所帶的I/O模塊接入硬接線采集，成本高；監(jiān)控系統(tǒng)所能獲得的電氣信號點數(shù)少，投資大（交流變送器）；獲取各個電氣、機械控制子系統(tǒng)的信息少；含有旋轉(zhuǎn)部件的工控機，可靠性較低，硬件成本和維護量較大；第五頁，共三十五頁，2022年，8月28日水電廠自動化系統(tǒng)的演變2集調(diào)速、勵磁、保護、監(jiān)控于一體的自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)單元控制模式。第六頁，共三十五頁，2022年，8月28日該結(jié)構(gòu)的特點大大增強了各個子系統(tǒng)間的信息共享和交換功能，可以獲得更為豐富的現(xiàn)場信息；減少了大量子系統(tǒng)間電纜，有效降低了成本；對各個設(shè)備配置單元式的測控裝置，維護更為方便（變電站綜合自動化模式）；對于有功無功調(diào)節(jié)由調(diào)速和勵磁單獨完成，調(diào)節(jié)效果更為出色；對通信的要求非常高。第七頁，共三十五頁，2022年，8月28日發(fā)展過程總結(jié)由于通信和計算機技術(shù)水平的提高，通信的可靠性越來越能夠得到保證，因而以往的認為十分可靠的硬接線正在逐步被專用裝置的通訊所取代；水電廠電氣控制子系統(tǒng)的功能也由于硬件性能的提升而逐步得到了完善。裝置的功能增加了，而相應(yīng)的硬件數(shù)目減少了。綜合自動化系統(tǒng)正在朝著功能更加完善、結(jié)構(gòu)更加緊湊、單元式、維護更加簡便、使用更加簡單、成本更為低廉的方向發(fā)展；第八頁，共三十五頁，2022年，8月28日當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成要點 1.以通用的PLC作為監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制的核心部件，完成現(xiàn)地數(shù)據(jù)采集、設(shè)備狀況監(jiān)視、設(shè)備控制操作等功能； 2.以硬接線的連接完成和其它系統(tǒng)的主要交互功能;以裝于現(xiàn)地的工控機或其它通訊裝置，實現(xiàn)與其它系統(tǒng)的通訊功能； 3.以PLC的通訊口或現(xiàn)地工控機的通訊口，與上位機進行通訊，實現(xiàn)中控室集控功能。 4.以上位機中的通信機通過電力載波或光纖網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)調(diào)、梯調(diào)系統(tǒng)通信。第九頁，共三十五頁，2022年，8月28日當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第十頁，共三十五頁，2022年，8月28日

現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)基本都是按照大型水電廠的框架來設(shè)計的。優(yōu)點在于功能完善、可靠性高；缺點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、對使用和維護者的要求高。面向小型水力發(fā)電廠(站)的自動化裝置是專門針對中小型水電廠(站)而設(shè)計的，突出了主設(shè)備的主要功能以及各功能模塊間的配合，集成度高、針對性強、成本低。 該裝置集測量、控制、保護、調(diào)速、勵磁等功能于一體。由于對功能進行了有效整合，因而減少了設(shè)備的冗余配置，可以最大限度地增強易用性和降低成本。

綜合自動化裝置的提出第十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日綜合自動化裝置的整體結(jié)構(gòu)上位機替代方案第十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日綜合自動化裝置機組單元的結(jié)構(gòu)示意圖：

第十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日機組LCU構(gòu)成要點

◆主控(CPU)模塊采用自行研制的智能PLC作為核心模塊，完成機組測量、控制、調(diào)節(jié)等功能。如自動開停機、運行工況轉(zhuǎn)換、事故停機等邏輯操作功能；有功、無功負荷自動調(diào)節(jié)功能；事故、故障報警功能；完成對導(dǎo)葉、輪葉、溫度等的測量；完成自動準(zhǔn)同期的調(diào)節(jié)和檢定功能；完成與上位機的通訊功能。第十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日

◆I/O模塊I/O模塊包括開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊、溫度量輸入模塊等。完成系統(tǒng)調(diào)度、I/O數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)預(yù)處理和模塊自診斷等功能；并通過CAN現(xiàn)場總線完成與控制(CPU)模塊的數(shù)據(jù)及信息交換。其指示燈能顯示模塊運行、模塊故障、CAN網(wǎng)運行狀態(tài)等。第十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日

◆通訊模塊滿足機組對外串行通訊交換信息、控制的需要；與主控(CPU)模塊通過CAN現(xiàn)場總線交換信息。第十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日◆調(diào)速模塊調(diào)速模塊主要完成機組轉(zhuǎn)速及有功功率的調(diào)節(jié)。調(diào)速模塊可測量機組和電網(wǎng)的頻差，并實現(xiàn)機組頻率的調(diào)節(jié)和控制，具有開機、停機、并網(wǎng)及增減負荷等功能。提供頻率調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)等多種調(diào)節(jié)方式，并可實現(xiàn)這些調(diào)節(jié)方式之間的無擾動切換。

第十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日調(diào)速模塊和主控(CPU)模塊緊密配合完成機組的調(diào)速功能，調(diào)速模塊負責(zé)對機頻和網(wǎng)頻的采樣計算，導(dǎo)葉開度反饋、葉輪開度反饋等模擬量的采集以及將調(diào)節(jié)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量或PWM信號輸出，驅(qū)動直流伺服電機或步進電機以不同的轉(zhuǎn)速和不同的方向轉(zhuǎn)動，從而控制接力器按要求運動。主控(CPU)模塊負責(zé)協(xié)聯(lián)關(guān)系的轉(zhuǎn)換、PID運算和故障保護等功能。它們之間的信息交換通過CAN現(xiàn)場總線完成。

第十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日◆勵磁模塊

勵磁模塊主要完成機組電壓及無功功率的調(diào)節(jié)。勵磁模塊提供恒機端電壓調(diào)節(jié)、恒勵磁電流調(diào)節(jié)、恒無功調(diào)節(jié)、電壓互感器斷線保護、過勵限制、欠勵限制、V/F限制、自動起勵建壓等功能。它提供手動調(diào)節(jié)和自動調(diào)節(jié)兩種調(diào)節(jié)模式。由于勵磁模塊的時間和功能上的要求，勵磁模塊相對比較獨立，能獨立完成對機組的勵磁調(diào)節(jié)。它通過CAN2現(xiàn)場總線向主控（CPU）模塊上送控制過程信息及相關(guān)數(shù)據(jù)，主控（CPU）模塊下發(fā)設(shè)定的參數(shù)和有關(guān)給定值?？刂七^程中的信息通過主控（CPU）模塊顯示。

第十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日◆保護模塊保護模塊主要完成發(fā)電機組的保護功能。保護模塊采用高性能DSP處理器、14位高速AD，強弱電分離，具有高度自檢功能，保證硬件的高可靠性。保護軟件采用智能處理技術(shù)，避免元器件損壞引起誤動。保護出口采用“啟動+出口”的方式。保護模塊由于其功能的特殊性,因此相對比較獨立，即使和整個系統(tǒng)脫離，亦可完成其保護功能，因此保護模塊具有單獨的CPU模塊和電源模塊，同時作為裝置中的一部分，通過CAN現(xiàn)場總線和主控(CPU)模塊交換信息。

第二十頁，共三十五頁，2022年，8月28日綜合自動化裝置公用、輔機設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖：

（CAN網(wǎng)）

第二十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日公用、輔機LCU構(gòu)成要點既可采用傳統(tǒng)的以PLC為核心模塊的配置方案，也可采用單個測控裝置控制單個設(shè)備的組合方案。前一種方案更適合于綜合性測點更多的場合，后一種方案更適合于單元式控制的場合。相比較而言，后一種方案配置更為靈活、維護更為方便。由于各個設(shè)備的測控裝置獨立，因而單臺設(shè)備發(fā)生故障時，只需更換相應(yīng)的備件即可，其它設(shè)備運行不受影響。測控裝置提供邏輯控制的組態(tài)功能，可以滿足不同的現(xiàn)場需求。第二十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日綜合自動化裝置開關(guān)站設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖：

（CAN網(wǎng)）

第二十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日開關(guān)站LCU構(gòu)成要點以線路保護及變壓器保護為主，和測控裝置一起構(gòu)成開關(guān)站的保護、測控功能；由于去掉了傳統(tǒng)的PLC的配置方案，因而真正實現(xiàn)了線路及設(shè)備的單元式保護、測控。減少了設(shè)備的配置。維護更加靈活方便。第二十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日綜合自動化裝置錄波網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖：

（CAN網(wǎng)）

第二十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日錄波網(wǎng)構(gòu)成要點錄波功能集成在保護裝置中，無需單獨的錄波裝置。保護動作時自動啟動錄波，能夠在第一時間捕捉到現(xiàn)場的電氣異常運行狀況。保護錄波網(wǎng)與監(jiān)控網(wǎng)各自獨立運行，相互間不受影響?？赏ㄟ^單獨配置的通信機與系統(tǒng)錄波網(wǎng)相連，遵循COMTRADE數(shù)據(jù)格式。第二十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日綜合自動化裝置的關(guān)鍵技術(shù)●采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，維護簡便，便于批量生產(chǎn)；

●通過現(xiàn)場總線將各智能模塊聯(lián)系在一起，實現(xiàn)整套裝置的信息共享問題，將不同信息優(yōu)化配置，避免重復(fù)采集，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊，降低造價；●協(xié)同考慮五大功能，使裝置實用、簡單、免維護；●采用編程組態(tài)技術(shù)，可實現(xiàn)用戶的組態(tài)配置，具有結(jié)構(gòu)靈活、實用性強、擴展方便的特點；

第二十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日●裝置抗惡劣環(huán)境（高抗干擾能力）能力的實現(xiàn)符合一系列國際標(biāo)準(zhǔn)，考慮防潮、抗干擾等措施；●運用嵌入式技術(shù)，提高裝置的可靠性、實時性、開放性；●實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、工藝精美、便于安裝、易于操作的裝置外殼和模具外殼。

第二十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日◆測控模塊

●主控模塊（CPU）:支持單CPU和雙CPU熱備冗余方案

●擴展I/O模塊

（開入、開出、模入、測溫、通迅、電源）:支持遠程I/O集中式測控模塊介紹第二十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日◆測控原理簡介第三十頁，共三十五頁，2022年，8月28日◆測控裝置特點專門為單元式測控而設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，維護方便；內(nèi)嵌可編程內(nèi)核，可以用PC機進行組態(tài)下載，支持流程圖和梯形圖；適合輔機(如油泵、水泵等)、線路、廠用電切換等單元控制方式，維護和檢修更為便利；第三十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日◆調(diào)速模塊