中小型水電站的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要:自動(dòng)控制系統(tǒng)能提高水電站運(yùn)行管理的自動(dòng)化水平以及改善系統(tǒng)維護(hù)人員的工作條件和環(huán)境，使水電站有人值班變成“無(wú)人值班”。本文就水電站的特點(diǎn)和水電站控制的目的過(guò)渡到自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，為以后水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)研究提供參考經(jīng)驗(yàn).
關(guān)鍵詞:中小型水電站;自動(dòng)控制系統(tǒng);特點(diǎn)目的;設(shè)計(jì)思路
水電站的主要?jiǎng)恿?lái)源是水輪機(jī)組，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需輔助設(shè)備也不多，容易實(shí)現(xiàn)少人管理和自動(dòng)化。另外，水輪機(jī)組開(kāi)停便捷迅速，調(diào)整方便。水輪機(jī)組從靜止?fàn)顟B(tài)過(guò)渡到滿負(fù)荷運(yùn)行一般只需要1-2分鐘，能靈活調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)峰，發(fā)生事故時(shí)還能備用。水電站的耗電量?jī)H占同期發(fā)電量的百分之一，既降低了控制系統(tǒng)的發(fā)電成本、耗煤量，又提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。
1水電站特點(diǎn)
隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水力發(fā)電的程度也越來(lái)越高，因?yàn)樗l(fā)電既無(wú)環(huán)境污染，對(duì)洪水的防治也有一定作用。水電站在運(yùn)行的時(shí)候不消耗任何燃料，所以不會(huì)產(chǎn)生粉塵、廢渣等有害物體，因此對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染。水力發(fā)電受徑流影響較大，而徑流在年際間或年內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)變化較大的現(xiàn)象，盡管多數(shù)水電站能借助水庫(kù)的調(diào)節(jié)能力減小這種現(xiàn)象的影響程度，但是無(wú)法完全平衡徑流的變化。水電站在豐水期發(fā)電量大，但是在枯水期由于缺乏水力而達(dá)不到相應(yīng)的發(fā)電量，正是這種自然條件的制約，形成了水電站發(fā)電量變化大的特點(diǎn)。
2水電站控制目的
2.1提高水電站設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性
水電站設(shè)備在運(yùn)行的時(shí)候經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不正?；蚴鹿实默F(xiàn)象，如果運(yùn)行人員在處理事故的時(shí)候誤操作，很有可能使事故產(chǎn)生其他危害。如果在水電站運(yùn)行中加入自動(dòng)控制裝置，則可有效避免事故的發(fā)生。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行不正常的時(shí)候，自動(dòng)控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警報(bào)，以引起設(shè)備運(yùn)行人員的注意：當(dāng)水電站設(shè)備發(fā)生故障的時(shí)候，自動(dòng)控制系統(tǒng)能及時(shí)停機(jī)，避免事故擴(kuò)大化，為水電站設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性提供保障。
2.2減少勞動(dòng)人員，降低水電站運(yùn)行成本
水電站自動(dòng)控系統(tǒng)幾乎取代了設(shè)備操作人員對(duì)水電站設(shè)備的調(diào)節(jié)控制，使得設(shè)備運(yùn)行人員對(duì)設(shè)備操作的工作量大大減少，真正讓水電站從有人值班變?yōu)樯偃酥蛋嗷驘o(wú)人值班，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的作用。由于操作人員的減少，水電站的很多基礎(chǔ)設(shè)施都會(huì)相應(yīng)減少，在操作人員減少的同時(shí)，水電站的發(fā)電成本和運(yùn)行費(fèi)用也有所降低。
3中小型水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路
早期水電站計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)因?yàn)榧夹g(shù)和價(jià)格的影響而以集中式為主，水輪發(fā)電機(jī)組的監(jiān)測(cè)、輔助設(shè)備的監(jiān)測(cè)，線路監(jiān)測(cè)等都僅由一套計(jì)算機(jī)來(lái)完成。由于計(jì)算機(jī)性能的限制，集中式水電站控制系統(tǒng)還無(wú)法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，例如：輔助設(shè)備的控制、機(jī)組的停開(kāi)機(jī)控制等都是由傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)完成。而集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)的也僅僅是線路電流、機(jī)組、電壓功率等參數(shù)，由于需要完成的項(xiàng)目太多，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)控制的速度、實(shí)時(shí)性比較差。此外，因?yàn)橹挥幸慌_(tái)計(jì)算機(jī)，如果出現(xiàn)硬件或軟件故障，所有的自動(dòng)控制系統(tǒng)都將崩潰，可靠性比較低。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)應(yīng)用已經(jīng)非常普及，相對(duì)的，價(jià)格也比較低。特別是小型可編程控制器PLC的發(fā)展，真正實(shí)現(xiàn)了小型水電站從傳統(tǒng)的控制方法轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。為了保證水電站的穩(wěn)定性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)比較，在設(shè)計(jì)的時(shí)候通常采用分層分布式結(jié)構(gòu)。所謂分層分布結(jié)構(gòu)即分為上下兩層，上一層為上位機(jī)，主要由工控機(jī)來(lái)?yè)?dān)當(dāng)，所用軟件為國(guó)內(nèi)較為常見(jiàn)的組態(tài)王6.0或者是6.5；而下一層是當(dāng)?shù)乜刂茊卧?，下位機(jī)一般選擇小型可編程序控制器SIMATICS7-200的PLC來(lái)?yè)?dān)當(dāng)，這主要是因?yàn)楝F(xiàn)階段的PLC對(duì)中小型水電站的改造技術(shù)完全適應(yīng)，下一層軟件采用的是SIMATICSTEP7-Micro/Win32。此外，系統(tǒng)的主機(jī)為水輪發(fā)電機(jī)組，還輔以其他監(jiān)測(cè)設(shè)備。當(dāng)?shù)乜刂茊卧c上位機(jī)之間的通訊主要由SIMATICS7-200內(nèi)部集成的PPI借口來(lái)完成，該軟件完全遵守西門子S7-200PLC專用的PPI通訊協(xié)議，其物理特征為RS485，連接材料采用的是一般性兩芯屏蔽雙絞電纜，連接后通訊的波特率最高可達(dá)187.5kbit/s，不過(guò)平常狀態(tài)下波特率為9.6kbit/s。PPI通訊聯(lián)網(wǎng)的接口與S7-200系列CPU上集成的編程口是同一個(gè)。PPI通訊協(xié)議在該系統(tǒng)的應(yīng)用使得通訊變得異常簡(jiǎn)單，只需使用NEYW和NETR兩條語(yǔ)句就可傳遞數(shù)據(jù)信息，不需要再配置額外的軟件或模塊。PPI通訊是一種令牌式的傳遞網(wǎng)，在不加入中繼器的時(shí)候，最多能容納31個(gè)S7-200系列PLC，以O(shè)P/TP或TD200（插MPI卡）的上位機(jī)為站點(diǎn)，由站點(diǎn)和PLC共同構(gòu)成適應(yīng)中小型水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)要求的PPI網(wǎng)絡(luò)。在整體的結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)場(chǎng)的采集量分為電氣量和非電氣量?jī)煞N，這兩種采集量都是中小型水電站所必須具備的監(jiān)測(cè)量。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)中一般選擇中小型水電站，水輪發(fā)電機(jī)組為兩臺(tái)，其中一臺(tái)的主變壓器以供電系統(tǒng)形式作為控制系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象。
4結(jié)束語(yǔ)
該自動(dòng)控制系統(tǒng)在黔南州羅甸縣石門坎水電站已運(yùn)行五年多，系統(tǒng)各方面運(yùn)行也良好，為其他水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行提供寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)
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[2]周榮富.中小型水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子,2010(s1):182-184.
作者:馮犇 單位:貴州省黔南州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院
