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“无人值班”水电站监控系统设计构建

时间:2020-02-07 15:39作者:王欢
本文导读:这是一篇关于“无人值班”水电站监控系统设计构建的文章,监控系统网络结构为双环形以太网,主控级设备共配置两台交换机,交换机至各主控级设备之间网络传输介质为屏蔽双绞线,交换机与各现地控制单元之间采用环形连接,网络传输介质为单模光纤。

  摘    要: 水电站监控系统是指整个水电站设备的控制、测量、监控和保护均由计算机系统来完成。计算机监控系统充分利用计算机技术、通讯技术、PLC和网络技术将水电站各个设备连接起来集中监控管理,以实现整个电站运行的可靠性和经济性。文章对水电站监控系统结构、配置、功能、监控内容及典型应用作了简要分析,为相关从业者提供参考。

  关键词: 水电站监控系统; 结构; 功能; 典型应用;

  Abstract: The monitoring system of hydropower station refers to the control, measurement, monitoring and protection of the equipment of the whole hydropower station completed by the computer system. The computer monitoring system makes full use of computer technology, communication technology, PLC and network technology to connect each equipment of the hydropower station for centralized monitoring and management, so as to realize the reliability and economy of the whole power station operation. This paper briefly analyzes the structure, configuration, function, monitoring content and typical application of the monitoring system of hydropower station, and provides reference for relevant practitioners.

  Keyword: hydropower station monitoring system; structure; function; typical application;

  1、 工程概况

  国外某水电站安装两台单机容量为230MW立轴混流式水轮发电机组,电站装机总容量为460MW,电能经过升压变压器、400kVGIS开关站后,采用400kV架空输电线路向外供电。水电站为引水式电站,由厂房、开关站、大坝等主要建筑物组成,厂房及开关站位于大坝下游河右岸。电站按“无人值班”(少人值守)原则设计。

  2 、系统结构及硬件配置

  2.1、 系统结构

  2.1.1 、系统总体结构

  水电站监控系统采用分层分布式结构,分为主控级和现地控制级(LCU),通过双环形以太网连接。

  监控系统主控级是系统中的最高级,负责控制整个电站的运行,主要任务是通过发出开机、停机、调相等指令控制机组发电。本电站包括2套数据服务器、2套操作员工作站、1套工程师/培训工作站、1套语音报警及报表工作站、1套便携式计算机、1套卫星同步时钟、2台网络针式打印机、1台彩色网络激光打印机。

  监控系统现地控制级是监控系统的重要组成部分,一般根据其监控对象及地理位置划分,本电站包括2套机组LCU、1套公用设备LCU、1套蝶阀区域LCU、1套进水口LCU、1套底孔LCU。单元级各LCU以可编程控制器(PLC)或智能处理器等为基础构成,PLC或智能模块采用双CPU热备系统,各现地LCU设置触摸屏作为人机对话界面,热备系统切换时,触摸屏能正常工作。
 

“无人值班”水电站监控系统设计构建
 

  监控系统网络结构为双环形以太网,主控级设备共配置两台交换机,交换机至各主控级设备之间网络传输介质为屏蔽双绞线,交换机与各现地控制单元之间采用环形连接,网络传输介质为单模光纤。

  2.1.2、 网络结构

  (1)计算机监控系统网络配备速率不低于100MB的双光纤环形以太网,网络上各工作站和LCU均设有自己的数据库,可以互相访问。该交换机采用工业级环形以太网交换机。(2)计算机监控系统每个现地LCU控制柜内装设2台工业级环形以太网交换机,分别与电站主控级和各PLC相连。(3)站控级设备网络通信介质可采用双绞线,现地控制单元网络通信介质采用单模光纤。

  2.1.3、 外部连接

  外部连接即与开关站的连接,主厂房和开关站之间设置2根8芯单模光纤,组成双通道。双侧各设置配线架。各设备通过尾纤与配线架连接。电站监控系统和开关站监控系统之间的数据连接通过光纤来实现。开关站监控系统中的网关工作站A、B同时与电站监控系统的数据服务器A、B通信。

  2.2、 主控级硬件配置

  (1)数据服务器。数据服务器配备一对按集群配置的计算机,负责整个电站的实时数据、历史数据、AGC/AVC的运行和管理。(2)操作员工作站。电站中控室配置2套操作员工作站,互为热备用,用于运行人员对整个电站的实时监控和操作。(3)工程师/培训工作站。电站计算机室布置1套工程师/培训工作站,用于系统开发和维护等工作。(4)便携式计算机。电站计算机室设置1套便携式计算机,用于系统调试等工作。(5)语音报警及报表工作站。电厂中央控制室控制台上设置1套语音报警及报表工作站。(6)厂内通信工作站。电厂计算机室控制台上设置1套厂内通信工作站。(7)打印机。配置2台网络针式打印机和1台彩色网络激光打印机。(8)时钟同步系统。配备1套全厂时钟同步系统供电站计算机监控系统、保护装置等使用。卫星同步时钟的时间信号接收单元能接收GPS、北斗等卫星发送的协调世界时(UTC)信号作为外部时间基准信号。

  2.3 、单元控制级LCU配置

  系统共配有6台现地控制单元。每台现地控制单元配备双电源、双CPU、双机架、双网络等,PLC通过LCU的交换机接入以太网;每套LCU配置1台彩色触摸屏作为现地人机接口,每台LCU上均配置冗余的交直流双供电装置,提高其供电的可靠性。单元级LCU为PLC组成的网络型结构并支持TCP/IP协议,网络上任一节点发生故障均不会影响网络及其他各节点的正常工作。

  3、 系统功能

  现地控制级可独立进行数据采集处理及控制操作,也可向主控级发送数据信息,由主控级通过对现地控制级的命令实现对设备监控。系统主要功能包括数据采集和处理、控制与调节、自动发电控制(AGC)、自动电压控制(AVC)等。

  3.1、 数据采集及处理

  系统可实时采集电站各设备的模拟量、数字量、事件顺序记录(SOE)等数据,并根据时间顺序记录,系统可对这些数据进行算术运算、逻辑运算等综合处理。对于系统暂时无法采集或因故障退出的测点,系统操作人员可对这些测点进行设定,以便系统做出相应处理。

  3.2 、全厂安全监视及报警

  全厂安全监视及报警主要包括全厂运行实时监控、时间顺序记录、故障及状态显示记录等。

  3.3 、异常监视

  系统可进行故障自检查及容错处理。系统可实时显示各设备工作状态,如开机、停机、故障等。当主设备故障时系统可自动切换到备用设备运行,当外围设备故障,系统可自动将其切除。同时,系统可实时监视网络状态,阻挡各种网络病毒,确保网络安全。

  3.4 、控制与调节

  系统可对全厂设备进行控制,包括机组开机、停机、工况转换;断路器的分、合;闸门的启、闭;辅助设备启、停等。电站可根据调度的指令进行自动发电控制(AGC)及自动电压控制(AVC),在满足运行安全的前提下,进行负荷分配,减少电厂功率损耗,提高经济效益。

  3.5 、通信

  系统通信能做到整个电站数据高效、实时共享。包括电站内部设备之间的通信、与调度的通信、与时钟同步系统通信。

  4 、监控的内容

  监控系统主要对电站的水轮发电机组、机组附属设备、升压设备、厂用电、水电站辅助设备、水工金属结构等进行监控。

  4.1、 水轮发电机组的监控

  水轮发电机组的监控主要包括控制、保护、监测、调节。

  (1)机组的控制。机组的控制主要包括机组的自动开机、自动停机、故障自动报警、事故紧急停机、自动同期并网等。(2)机组的保护。机组的保护分为电气保护和机械保护。机组电气保护指发电机的电气保护。主要包括过电压保护、欠电压保护、过电流保护、过负荷保护、差动保护、零序保护、转子接地保护等。机组机械保护包括定子温度过高、轴承温度过高、机组过速、导叶剪断销剪断、技术供水中断、轴承油位过高或过低等。(3)机组的监测。机组监测的内容主要为导叶开度、主轴摆度、尾水管压力、蜗壳压力、顶盖压力、技术供水水压、轴承温度、定子温度、发电机三相电压及三相电流、有功功率、无功功率、励磁电压、励磁电流等。(4)机组的调节。机组的调节即根据实际水力情况及调度的指令,通过对导叶开度控制和发电机励磁电压及电流的控制来调节机组的有功功率及无功功率。

  4.2 、机组附属设备的监控

  机组附属设备的监控为主阀、励磁系统、调速系统的监测和保护。机组附属设备监测和保护的主要内容包括主阀全开和全关位置、励磁电压、励磁电流、调速器油压、设备故障状态保护。

  4.3 、升压设备的监控

  升压设备的监控内容为主变压器、断路器、隔离开关、线路的监测和保护。

  (1)主变压器的监测和保护。主变压器监测内容为三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、温度等。保护包括过电压保护、过电流保护、过负荷保护、温度过高保护、差动保护等。(2)线路的监测和保护。线路的监测内容为三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、温度等。保护包括过电压保护、欠电压保护、过电流保护、过负荷保护、电流速断保护、零序保护等。(3)断路器和隔离开关的监测和保护。断路器和隔离开关的分合闸位置监测。

  4.4、 厂用电的监控

  厂用电的监控内容为厂用变压器、厂用直流电的监测和保护。

  (1)厂用变压器的监测和保护。厂用变压器的监测主要包括三相电压、三相电流、有功功率、无功功率等。保护包括过电压保护、过电流保护、过负荷保护等。(2)厂用直流电的监测和保护。厂用直流电的监测主要包括直流电压、自动开关、接触器等。保护包括直流系统接地、充电机故障保护等。

  4.5、 水电站辅助设备的监控

  水电站辅助设备的监控即为水电站油、汽、水系统的监控。监控内容主要包括调速系统和刹车系统的油压、高低压压缩空气气压、技术供水(冷却水)水压、集水井水位等。

  4.6、 水工金属结构的监控

  水工金属结构主要包括防洪(泄洪)闸门、进水口拦污栅、前池等。监控主要内容包括防洪闸门位置、拦污栅前后压差、上下游水位等。

  5 、机组监控典型应用

  水电站监控系统对机组典型应用包括机组开机、正常停机、事故停机、发电工况转调相工况、调相工况转发电工况等。本节将对监控系统下的水轮发电机组开机、正常停机、事故停机流程作介绍。

  5.1、 机组开机流程

  机组开机前检查满足开机条件后发开机指令,进入开机流程:制动闸复位;开技术供水阀,冷却水投入;开主轴围带排气阀;拔接力器锁锭;开发电机辅助设备;开水轮机辅助设备;主轴密封水投入;开调速器;导叶开至空载;转速>95%Ne;进入空转状态;灭磁开关合闸;励磁开机起励;机端电压大于95%;进入空载状态;自动准同期;同期到位,GCB合闸;进入发电状态。

  5.2、 正常停机流程

  机组正常运行条件下发停机指令,进入停机流程:减有功功率至空载;减无功功率至空载;有功功率/无功功率<5%;发电机出口断路器分闸,进入空载状态;停励磁;停机联动调速器;转速<20%导叶全关;发制动命令;停机至发电机辅助设备;制动闸投入;关技术供水阀;开主轴空气围带充气阀;投入接力器锁锭;冷却水关闭;主轴密封水关闭;电加热器开启;关水轮机辅助设备;进入停机状态。

  5.3、 事故停机流程

  事故停机分为一般事故停机和紧急事故停机,停机流程也有所不同。

  (1)一般事故停机流程。一般事故停机指轴承温度过高、技术供水中断、振动摆度过大、操作事故停机按钮等导致的停机。停机流程:停机联动调速器及停机联动励磁;有功功率降至空载;无功功率降至空载;关进水阀、跳GCB、联动调速器紧急停机;进水阀关闭、GCB分闸、导叶全关;进入正常停机流程。(2)紧急事故停机流程。紧急事故停机指电气事故、机组火灾、调速器事故低油压、一般事故停机失效、操作紧急停机按钮等导致的停机。停机流程:关进水阀、跳GCB、开灭磁开关、投入事故配压阀、停机联动调速器;进水阀关闭、GCB分闸、灭磁开关分闸、导叶全关;进入正常停机流程。

  6 、结束语

  水电站监控系统功能完善、实时性好、可靠性高,两台机组分别于2017年8月、2018年3月取得初步接收证书,运行状况良好,达到了预期的设计目标。本文通过对监控方案的分析与介绍对同类项目提供参考。

  参考文献

  [1]丁伦军,张露成,李黎明,等.溪洛渡水电站计算机监控系统设计与开发[J].水电厂自动化,2017,38(1):1-5.
  [2]彭瑞双.计算机监控系统在张河湾水电站的应用[J].中国水能及电气化,2011(8):50-53.
  [3]徐金寿,张仁贡,等.水电站计算机监控技术与应用[M].浙江大学出版社,2011.

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