PLC技术在水电站控制系统中的应用.pdf

第 3 8 卷第 4 期 2 0 1 0年 8月 现 代 冶 金 M o d e r n M e t a l l ur g y Vo1 ．3 8 No． 4 Aug． 2 010 P L C技术在 水 电站控制 系统 中的应用 徐 斌 江苏省 冶金设计 院有 限公 司， 江苏 南京 2 1 0 0 0 7 摘要 介绍 了P L C技术原理及水电站控制 系统的架构， 分析 了P L C技 术在水 电站控制 系统 中的设 计流程 。 关 键 词 水 电站 ；P LC；设 计 流 程 中图分类号 TV7 3 6 ； T M7 6 2 引 言 电力系统是一个包括发电、 输电、 变电、 配电、 用 电在 内的完整体系， 电力生产 的特点是 电能难 以储 存， 整个体系要随时保持电力平衡， 而用 电是随时变 化 的 ， 发 出的电力 也必须 随时变 化 ， 否则 电网的频 率 将不能保持额定值 ， 从而对用电造成危害。 水电是 电 力 系统稳 定运 行 的重要 调 节手 段 ， 具 有调 峰 、 调 频 、 平衡发电等重要功能。 在水电站的控制系统中， P I C 技术和微机继 电保护技术相结合有着广泛的应用空 间 。 1 P L C技术 P L C技 术 是 一 种 以微 处 理 器 为 核 心 的 数 字 运 算操作的电子系统装置， 专为工业现场应用而设计 。 它采用可编程序的存储器 ， 在存储器 内部存储执行 逻 辑 运算 、 顺 序 控制 、 定 时／ 计 数 和算 术 运算 等 操 作 指令 ， 并通 过 数字 或模 拟 的 输入 、 输 出 接 口， 控 制 各 种类型的机械或生产过程。 它具有逻辑控制功能、 信 号采集功能、 输 出控制功能、 数据处理功能、 远程 I ／ O功能、 通信联 网等功能。P L C及其有关的外围设 备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体， 易 于扩展其功能的原则而设计 。 S I E ME NS 8 7 3 0 0系列 P L C是模块化、 通用型 的中型P L C系统。 它性价 比高， 电磁兼容性高， 抗冲 击性强 ， 具有非常好的工业环境适应能力， 广泛地应 用在 电力、 冶金 、 能源、 交通运输、 汽车、 通用机械、 纺 织、 包装等各种行业、 各种环境中的监测和控制等， 收稿 日期 2 0 1 0 0 1 1 2 作者简介 徐斌 1 9 7 6 一 ， 男 ， 助理工程 师 能满足中等性能要求的各种应用 。各单独的模块之 间可进行广泛 的组合和扩展 ， 构成不 同要求 的控制 系 统 。需 要 时 ， 还 可 以增 加模 块 ， 对 P I C进 行 扩展 ， 而且易于实现分布式配置 ， 用户 易于掌握 ， 这使 得 s 7 3 0 0在工业应用 中成为一种既切合实际又经济 的解 决方 案 。 2 水 电站控制系统 的架构 水电站控制系统可采用基于高速工业以太网的 分层分布系统架构 ， 控制系统结构分主控级和现地 控制级 I C U 两层 ， 采用上位机数据库和集 中控制 计算机数据库两级数据库方式， 分散数据量 ， 集中监 视、 操作 ， 数据采集、 命令执行分散 。 网络采用冗余的 光纤环网结构， 通讯规约 T C P ／ I P， 网络的传输速率 不小于1 0 0 Mb p s 。 通过水电站控制系统实现对站内 的主要机电设备进行控制 ， 对所有机 电设备 的运行 情况进行全面监视。控制系统通过光纤主通信通道 或载波通道与省调通信， 上传省调所需的电站信息 和接 收省 调 的控 制命 令 。 2 ． 1电站 控 制级 电站控制级作为电站的实时监控中心 ， 负责全 站的 自动化功能 包括安全监视、 控制操作、 自动发 电控制 AG C、 自动电压控制 AV C等 、 历史数据处 理 包括运行报表、 设备档案、 运行参数等 、 人机对 话 包括对运行设备的监视、 事故 和故障报警 ， 对运 行设备的人工干预及监控系统各种参数的修改和设 置等 及时钟同步。 电站控制级配置计算机兼操作员工作站 ， 通常 第 4期 徐斌 P L C技术在水 电站控制系统 中的应用 4 9 采用 双机冗 余 配置 热备 用工 作方 式 。正 常情 况一 台 工作 ， 一台备用 ， 主计算机故障， 则 由备用计算机接 替 ， 自动完成双机无扰动切换 。配一台通信服务器 ， 用于电站计算机系统与电力系统调度计算机、 运行 RT U 远方数据终端 间的数据通信 。以及用于连接 打印机和其他需与计算机系统通信的设备和用于管 理 的MI S系统 、 水情系统等的通信 。 此外 ， 还包括卫 星同步时钟、 打印机等设备 。 2 ． 2 现 地控 制级 各 机组 设备 分别 设 置 一套 L C U， 直接 监 控被 控 设 备 的过 程状 态 ， 既 可 作 为 分 布 系统 中的 现地 智 能 终端 ， 又 可作 为独立 装 置单 独运 行 。 3 P L C技术在 水 电站控制 系统应用 3 ． 1 水 电站 主控级 3 ． 1 ． 1 数 据采 集和 处 理 周 期性 地采 集 各 L C U 收 集 的实 时数 据 ， 更 新 实 时数据库。保存运行数据 、 历史数据 ， 以保证数据的 连续。 对采集到的各I C U 的各种数据进行分析和处 理， 并向调度中心计算机监控系统传送 。 3 ． 1 ． 2状 态 变化监视 状态 变 化分 为两 类 ， 一 类 为 自动状 态 变化 ， 由 自 动控制或保护装置动作而导致的状态变化 ； 另 一类 为受控状态变化 ， 由计算机监控系统的命令所 引起 的状 态变 化 。发生 此两 种状 态 改变 都应 记 录 、 显 示 、 打印， 并进行区分 。开关事故变位 ， 具有事故处理指 导 ， 画面 闪烁 和变 色 ， 打印事 故追 忆 记 录 。 3 ． 1 ． 3趋 势分析及 越 限监 视 监 视 机 组 轴 承 温度 升 高 发 展趋 势 。对 推 力 、 上 导、 下导轴承温度各任选数值点 ， 监视其开机过程的 变化趋势。监控系统收集并储存其开机过程中温度 与时 间 的关 系 曲线 ， 并 与事 先 存 储 的容 许 温 升 曲线 比较 ， 超 出容许 范 围即发 报警 。 监 视推力 轴 承瓦 间温 差 。定 时 比较推 力轴 承 各 轴瓦问的温度值 ， 计算它们之间的差值 。 监视并分析间歇运行 的辅助设备的运行状态 。 监视机组及站内各间歇运行 的辅助设备 如油泵 、 空 压机 、 排水 泵 等 启 动 次数 、 运行 时 间 、 间歇 时 间 。在 机组不同运行方式 下， 其启动及运行间歇有一定 的 规律 ， 通过 分析 这种 规律 的 变化 情况 ， 监 视 系统 间歇 运行设备及其对应的主设备是否异常。 3 ． 1 ． 4过 程 监 视 监视机组开机 、 停机过程。 显示过程的主要操作 步骤 ， 当发生过程阻滞时， 将机组 自动转换到安全稳 定 状 态或 停机 。 3 ． 1 ． 5 报 警 记 录 报警记录是反映系统或设备状态 的离散变化顺 序 记 录 ， 以时 间顺序 列 表 的形 式 表现 ， 记 录各个 重要 事件的动作顺序、 事件发生 时间 、 事件名称、 事件性 质 ， 并根据设置产生报警或报告。 报警记录以堆栈形 式排列 ， 是最新数据冲掉最旧数据 ， 储存在工作站的 数据库 内， 包括过程事件表、 过程报警表、 系统列表。 3 ． 2水 电站 现 地控 制级 现地 控 制级 实 现对 各 控制 对 象 的监 控 ， 各 L C U 的C P U完成各 自L C U 的管理 。现地控制单元具备 独立运行能力 ， 在脱离主控级 的状态下能够完成其 监控范围内设备的实时数据采集处理、 趋势分析、 设 定 值 修 改 、 设 备 工 况 调 节 转 换 等 任 务 ， 通 常具 有 容 错 、 纠 错 能 力 ， 并 带 有 其 监 控 范 围 内 的完 整 的数 据 库 。其构成如图 1 所示 。 主 鍪 銮 垫 液晶 触摸屏 通信工作站 SI EM EM S P LC 及I ／ O 模块 PROFI BUS 匝画 开关量输 出 l L _ 11 竺 皇 堡 厂 输 入 l { l 其 镘 馨 能I l 智 能 电 度 表I 1 微 机 l保 护 监 测 仪 l l 设 备 I l 僧 『卫 衣I l 赋 1I 图 1现 地 控 制级 构 成 图 3 ． 3 自动发 电控 制 AG C 保 持 电站 的频 率 ， 保 持 高压 线路 的输 送 功率 。 根 据调度中心要求的发 电功率或下达 的负荷曲线 ， 转 发给各机组或按安全、 可靠、 经济的原则确定最佳运 行 的机 组 台数 、 机 组 的 组合 方 式 和 机 组 间最 佳 有 功 功 率分 配 ， 进行 电站 机组 出力 的闭环 调节 。 3 ． 4 自动 电压 控制 A V C 合理分配机组间的无功功率 ， 经机组控制单元 调节机组励磁， 维持电压范围。 比较 电压给定值与电 压测量值 ， 根据偏差 ， 通过 P I 调节计算 得出电站无 功功率 目标值 。 无功功率 目标值及P I 调节计算中的 积分项均受到并网机组的无功负荷能力的限制。该 5 0 现代冶金 第 3 8卷 无功功率 目标值将在参加联合调节的机组间分配， 经过分配后得出电站每台机组的无功功率 目标值 。 机组无功功率 目标值与无功功率测量值比较 ， 根据 比较的偏差 ， 通过 P I 调节计算得 出机端 电压给定 值 ， 送给L C U 执行。 该电压给定值及P I 调节计算中 的积分项将受到励磁调节器电压给定最大和最小位 置 的限制 。 4 结束语 水 电站 P L C集 中控 制 系 统充 分 利 用 了快速 发 展的P I C技术和继电保护技术， 技术方案的设计是 可行 的。 其不仅大大推动了水 电站 自动化水平 ， 而且 显著提高了水电站的运行效率。 随着P L C技术的继 续发展 ， 其在水 电站控制系统 中将会有更加广泛 的 应用 空 间。 参考 文献 [ 1 ] 徐斌． P L C 西门子 实用教程[ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 2 ] 盖勒 Ge l l e r D A ． 可编程序控制器原理与设计E M] ． 北京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 方辉钦． 现代水电厂计算机监控系统技术与试验E M] ． 北京 中国电力 出版社 ， 2 0 0 4 ．