面向小水电站的综合自动化装置研究

    摘要：本文介绍了一种新型小水电站综合自动化装置，它集测量、控制、保护、调速、励磁等功能于一体，具有成本低、集成度高、针对性强、结构灵活、操作简单、少维护、可靠性高的特点，是小型水电站的理想选择，为小水电站实现无人值班创造了有利条件。 
    关键词：测量控制保护调速励磁 
    1引言 
    中国有丰富的水力资源，理论蕴藏量、技术可开发和经济可开发水能资源均居世界第一位，可开发量达3.78亿kW，其中小水电开发量0.75亿kW。党的十一届三中全会以后，在邓小平同志亲自倡导下，国务院决定在中小水电资源丰富的地方积极开发中小水电，建设有中国特色的农村电气化。经过近20年的不懈努力，取得了辉煌成就，产生了显著的经济、社会和生态效益。小水电的建设规模连续10年超过500万kW，投产规模连续10年超过100万kW，近两年每年投产超过150万kW。 
    但是，与小水电迅速发展形成鲜明对比的是，小水电站的自动化水平仍处于非常落后的状态，仍普遍采用传统的控制方式，自动化水平极低，运行操作方式复杂，维护困难。其主要原因在于过去的理论研究和应用系统研制多集中在大型水力发电机组，因此我国大型水电站的自动化水平得到了很大的提高，特别是水电站“无人值班（少人值守）”的推广，大大促进了大型水电站自动化的进程。由于缺乏对小水电站综合自动化装置的研究，我国水电站自动化的发展出现了显著的不平衡。在小水电站综合自动化装置的研究方面，与国外的先进水平相比还有相当大的差距。 
    由此可见，研制面向小水电站的成本低、集成度高、针对性强的综合自动化装置具有非常广阔的应用前景，它的研究成果和成功推广将大大缩小我国在小水电站自动化方面与国外先进技术的差距，实现小型水电站的“关门运行”，产生巨大的社会效益和经济效益。为此，我们南京南瑞自动控制有限公司在原有现地控制装置、小装置的基础上，针对小水电站的特殊性，同时利用当前自动控制及计算机领域的先进技术和思想，研制出了具有先进性、针对性和实用性的面向小水电站的综合自动化装置。该装置是集测量、控制、保护、调速、励磁等功能于一体的适合小水电站综合自动化的实用型现地控制装置。 
    2设计原则 
    2.1功能完善系统设计过程中，在确保可靠的前提下，将测量、控制、保护、调速、励磁等功能综合在一套装置中，充分考虑小水电站的适用性，能独立运行，并具有良好的电磁兼容性，实现的功能尽可能完善。 
    2.2高度的可靠性计算机监控系统的可靠性是确保其完成各项功能的前提条件。可靠性包括两个方面，一是装置的任何部件故障决不能影响电厂机电设备的正常运行；二是装置具有很高的可利用率，以及充分的自诊断和详细的故障登陆以提高系统的可维护性。 
    2.3实时性强装置应具有足够的响应速度以满足电力系统对电厂安全监控的实时性要求。 
    2.4丰富的人机联系方式通过友好的人机界面，使运行人员能够在现地清晰地了解生产过程，并能有效地对所控制设备和装置本身进行各种人工控制和管理。 
    2.5可扩展性好通过友好的组态工具，可方便地实现有关装置功能的扩展，适应系统规模和功能的扩充要求。 
    2.6适用性强针对小水电的特点，在满足其功能要求的前提下，简化其功能，应具备实用性、针对性。 
    2.7方便的维护功能装置应具有在线自诊断功能和方便维护功能，通过自诊断信息，及时发现和排除装置内部故障，保证装置的可用性。 
    2.8技术上的先进性由于计算机技术发展很快，所设计的装置应能在一个时期内保持其先进性。因此设计过程中要采用当今最新技术，同时考虑装置应具有方便的升级功能。 
    2.9性价比高装置的成本应尽可能低，以满足小水电的需求。 
    3系统功能 
    数据采集与控制操作：对全厂主要设备的运行状态和参数自动定时进行采集，作出相应的处理，并接收上位机的命令，完成对被控设备的操作。 
    3.1网络通讯①装置与上位机的数据和控制命令的传递（通过100Mbps以太网），通信协议为
TCP/IP，并支持FTP、TELNET等高级网络通信功能；②主控模件与智能I/O模件的数据和控制命令的传递（通过CAN1网）；③主控模件与通讯模件、保护模件、励磁模件、调速模件的信息和控制命令的传递（通过CAN2网）。 
    3.2串口通讯强大灵活的外部通讯功能，实现与外部系统数据交换。 
    3.3自诊断具备自诊断功能，能自动诊断各类任务、设备的运行情况并进行报警。当装置因某种干扰或硬件故障等原因发生运行紊乱或死机时，Watchdog能产生自恢复信号，使装置自动重新恢复运行。 
    3.4PID调节对机组有功、无功进行PID闭环调节。 
    3.5梯形图和流程图采用符合IEC61131-3国际标准的梯形图逻辑和顺序控制流程执行方法，实现一定的判断和闭锁条件，产生相应的动作，同时还可将实时执行的各种信息反馈到上位机，以便监视梯形图和流程图的执行情况。可进行机组正常开停机控制、机组紧急停机控制、断路器跳合闸控制等所有操作。 
    3.6当地人机界面通过智能型液晶显示触摸屏，完成当地数据显示和操作功能，包括显示机组运行信息、画面、光字、顺控流程，并能发出控制命令、整定参数等。 
    3.7同期功能可以为发电机提供自动准同期功能。 
    3.8保护功能可以实现发电机的主保护和后备保护功能，主要包括：差动保护、过电压保护、复压过流保护、负序过流保护、失磁保护、定子接地、转子一点、两点接地保护、过负荷保护、逆功率保护、发电机误上电保护等。此外，还具有交流量采集功能，包括电压、电流、功率、频率等测量信息。 
    3.9调速功能具有频率调节、功率调节、开度调节等多种调节方式，实现机组迅速开机、停机、并网及增减负荷；实时自动诊断机组频率和电网频率，自动提示故障类别并采取相应措施，保证全部调节任务的正常完成且不造成负荷冲击；具有过速保护功能，实现机组过速时自动关机；具有控制结构自适应和参数自适应的调节功能。 
    3.10功能实现机组无功、机端电压的控制，确保机组安全运行。具有系统电压跟踪、恒电流调节、恒无功调节等多种调节模式，有投励、强励、限制和保护等功能。多种限制和保护功能确保系统的可靠稳定运行，主要有：转子过电流保护、定子过电流保护、失磁保护、启动超时保护、定子PT断线保护、转子最大励磁电流限制、最大最小控制角限制、反时限过励磁电流限制器、V/F限制、欠励限制等功能。 
    4体系结构 
    小水电站综合自动化装置广泛采用模块化结构设计思想、现场总线技术（CAN网）提供灵活的系统配置，提高对环境的适应性和可靠性。具备灵活的外部通讯接口，包括以太网接口、串口通信接口，各种不同形式的接口以不同类型模件的形式提供。在保留原有现地控制装置功能的基础上，将调速、励磁、同期和保护功能集成在一起形成适合小水电站综合自动化改造的现地控制装置。 
    针对水力发电机组各设备分散的特点，在开展专功能模件研究的同时，进行多机通讯的研究，使各专功能模件有机地集成在一起成为一套无功能重复、信息互为共享的综合自动化装置，从而降低了整个装置的造价，并对多个综合自动化装置集控技术进行了研究，以适应水电站或水电站群集中监控的需求。 
    4.1主控模件 
    主控模件是完成机组测量、控制、保护、调速、励磁功能的核心模块，如自动开停机、运行工况转换、事故停机等逻辑操作功能；有功、无功负荷自动调节功能；事故、故障报警功能；完成对导叶、轮叶、温度等的测量。主控模件采用Pentium级高性能嵌入式工业微处理器，软件采用实时多任务的嵌入式操作系统，高档的软硬件配置使得主控模件具有强大的数据处理能力、运算能力以及通讯处理能力。 
    4.2I/O模件 
    I/O模件包括开关量输入模件、SOE模件、开关量输出模件、模拟量输入模件、温度量输入模件等等。它采用80C196KC为核心，与RAM及EPLD等完成系统调度、I/O数据采集控制、数据预处理和模件自诊断等功能；并通过CAN现场总线完成与主控模件的数据及信息交换。其指示灯能显示模件运行、模件故障、CAN网运行状态等。 
    4.3通讯模件 
    通讯模件以PC104为核心，提供8个通信接口扩展功能，满足机组对外串行通讯交换信息、控制的需要；与主控模件通过CAN现场总线交换信息。 
    4.4同期模件 
    同期模件能够快捷准确地实现同期并网功能，并直接支持转角变（用户无需安装转角变压器）；可软件补偿两侧电压的幅值和相位，自动修正PT变比误差；采用全数字方式自动实现模件内、外部信号校准和全部同期参数的整定功能；合闸相角差、允许频差、允许电压差可以设置；与主控模件通过CAN现场总线交换信息。 
    4.5调速模件 
    调速模件可测量机组和电网的频差，并实现机组频率的调节和控制，具有开机、停机、并网及增减负荷等功能。当跟踪功能投入时，机组频率自动跟踪电网频率，可实现机组快速自动准同期并网。机组并网后，调速器将根据其整定的bp值和电网频差，自动调整分配各机组的出力。提供频率调节、功率调节、开度调节等多种调节方式，并可实现这些调节方式之间的无扰动切换。可接受上位机的控制指令，实现自动发电控制(AGC)功能。 
    调速模件和主控模件紧密配合完成机组的调速功能，调速模件负责对机频和网频的采样计算，导叶开度反馈、叶轮开度反馈等模拟量的采集以及将调节输出的数字量转换为模拟量或PWM信号输出，驱动直流伺服电机或步进电机以不同的转速和不同的方向转动，从而控制接力器按要求运动。主控模件负责协联关系的转换、PID运算和故障保护等功能。调速模件中测频回路采用先进的脉冲量回路，采用测周法进行频率测量，保证频率测量的速度和精度。 
    调速模件与主控模件通过CAN现场总线交换信息，调速模件将频率数值和控制结果信息上送给主控模件，主控模件的任务是测量机组转速偏差，并将其按一定规律（PI或PID）转换成控制信号（调节输出），并且把这个调节输出量下发给调速模件，由调速模件来驱动步进电机或伺服电机。 
    4.6励磁模件 
    励磁模件提供恒机端电压调节、恒励磁电流调节、恒功率因数调节、电压互感器断线保护、过励限制、V/F限制、自动起励建压等功能。它提供手动调节和自动调节两种调节模式。励磁模件反应灵敏、调节速度快、动态性能好、可靠性高、抗干扰能力强，对提高同步电机运行的可靠性和稳定性以及对提高电力系统运行的稳定性都有很好的效果。 
    励磁模件采用高性能16位DSP处理器，调节器几乎所有的功能都由软件实现，简化了电路板的设计和元件的数量，使系统的硬件可靠性得到了提高。它以大规模可编程器件为外部接口电路，将脉冲形成、测频与相位检测、逻辑编码等功能集成在CPLD中，与传统方法相比，极大地简化了外围接口电路，提高了模件整体的可靠性。
由于励磁模件的时间和功能上的要求，励磁模件相对比较独立，能独立完成对机组的励磁调节。它通过CAN现场总线向主控模件上送控制过程信息及相关数据，主控模件下发设定的参数和有关给定值。 
    4.7保护模件 
    保护模件采用16位DSP处理器、14位高速AD，强弱电分离，具有高度自检功能，保证硬件的高可靠性。保护软件采用智能处理技术，避免元器件损坏引起误动。 
    所有保护功能均采用成熟而领先的保护逻辑，保护采用启动＋出口的方式，并有多种严格的闭锁手段，防止保护误动的发生；对事故跳闸具有完整的事件记录和故障录波功能，为分析事故提供第一手的电气资料；保护出口可软件配置，提供了丰富的工程使用手段；人机界面显示采用组态＋编译下载的方式，配置灵活，使用方便；通讯功能强大，提供专用的IEC103规约传送和故障录波传送，并内部支持自定义MODBUS规约，信息传输速度快。
保护模件由于其功能的特殊性,因此相对比较独立，即使和整个系统脱离，亦可完成其保护功能，因此保护模件具有单独的CPU模件和电源模件，同时作为装置中的一部分，通过CAN现场总线和主控模件交换信息。 
    5技术特点 
    采用模块化结构设计思想，维护简便，便于批量生产，实现产业化； 
    通过现场总线将各个智能模件联系起来，实现整套装置的信息共享，将不同信息优化配置，避免重复采集； 
    协同考虑五大功能，使装置实用、简单、少维护； 
    采用编程组态技术，适应不同用户的需求，具有结构灵活、实用性强、扩展方便的特点； 
    装置抗恶劣环境（高抗干扰能力）能力符合相关的国际标准； 
    运用嵌入式技术，提高装置的可靠性、实时性、开放性； 
    实现结构紧凑、工艺精美、便于安装、易于操作的装置外壳和模具外壳。 
    6结语 
    本装置在保留原有现地控制装置功能的基础上，将测量、控制、调速、励磁和保护功能集成在一起形成适合小水电站综合自动化改造的现地控制装置。由于对功能进行了有效整合，因而减少了设备的冗余配置，可以最大限度地增强易用性和降低成本。 
    小水电站综合自动化装置的成功推广，将大大缩小我国在小型水电站自动化方面与国外先进技术的差距,使我国小水电综合自动化水平上一个新的台阶，实现小型水电站的“无人值班”，产生巨大的社会效益和经济效益。