基于PLC的发电机组自动化控制.docx

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基于PLC的发电机组自动化控制

工程训练

题目：

基于PLC的发电机自动化控制

学院：

信息科学与工程学院

专业班级：

学生姓名：

学号：

指导老师：

一、工程训练计划

一、设计目的：

通过本工程设计训练使同学们在进入专业知识课程学习和完成生产实习之后，进一步深化和掌握电气工程及自动化应用领域的有关基础自动化控制的“工程应用”知识，发现，分析和解决所遇到的“工程应用”问题，进一步拓宽知识面。

当前，我国电力系统正经历着一场以市场经济为导向的巨大变革，迎来了前所未有的发展机遇。

以数字电力系统（DPS）为代表的计算机技术、通信技术、控制理论及信息处理技术、电气科学、新材料新工艺的高速发展，使电力系统的技术更新速度大大加快，不同技术领域之间的相互渗透、相互融合也越来越普遍。

电能的利用已经远远超出机器动力的使命，提高和保证电力系统的安全可靠性、供电质量以及运行的经济性已成为电力系统发展的一个重要目标，节能降耗已经成为国民经济的一个指标。

因此必须采用最新的技术和控制手段，对电力系统的各种运行状态和设备进行有效的自动化控制。

但是无论电力系统自动化如何复杂，基础自动化装置仍然是最基本、最重要的内容。

在本次课程设计中，我们选择有代表性的发电机励磁控制、原动机速度控制、机组自动化控制、主变压器的保护测控、变电站监控系统这五个专题供同学们选择。

本工程设计训练必须紧密联系实际，强调解决实际问题的能力。

要着重学会面对一个实际问题，如何去收集资料，如何去学习新的知识，如何利用已有的实验装置、实验条件等制定解决问题的方案并通过实践不断地去分析和解决前进道路上的一切问题，最终到达胜利的彼岸。

该题目重点培养学生参阅国家和行业标准，掌握发电机组启停车控制的基本要求、系统构成及工作原理；初步学会PLC的控制方法以及高级HMI的应用；并分别实现机组开机准备、开机、并网、正常停机、事故停机、事故紧急停机等逻辑控制功能；初步熟悉HMI的应用方法。

二、设计内容:

1、发电机组构成和系统工作原理、工作过程；

2、基于PLC的系统总原理图，各部分工作原理、工作过程；

3、分别以机组开机准备、开机、并网、正常停机、事故停机、事故紧急停机等过程。

为侧重点简单编制PLC程序框图；

4、与调速系统、励磁系统、同期装置的协调控制。

三、设计要求

1、绘制工程设计图纸一张，掌握实验装置的接线方法、完成上述功能。

2、设计完成后，必须现场演示、提交电子设计文档、打印1份设计说明书。

二、发电机组的介绍

一、发电机组的结构框图

发电机组：

是指能将机械能或其它可再生能源转变成电能的发电设备。

一般我们常见的发电机组通常由汽轮机、水轮机或内燃机（汽油机、柴油机等发动机）驱动，而近年来所说的可再生新能源包括核能、风能、太阳能、生物质能、海洋能等。

发电机组包括:

原动机、发电机、励磁机构、控制回路、测速装置、触摸屏以及实现并网的各种装置。

本次设计的题目是基于PLC的发电机组自动化控制，采用自动化控制的目的是采取各种措施使发电系统尽可能运行在正常运行状态。

在正常运行状态下，通过制定运行计划和运用计算机监控系统实时进行发电系统运行信息的收集和处理，在线安全监视和安全分析等，使系统处于最优的正常运行状态。

同时，在正常运行时，确定各项预防性控制，以对可能出现的紧急状态提高处理能力。

当发电系统一旦出现故障进入紧急状态后，则系统能够自动（也可手动）做出反应，采取控制措施。

这些控制措施包括继电保护装置正确快速动作和各种稳定控制装置。

通过紧急控制将系统恢复到正常状态或事故后状态。

当系统处于事故后状态时，系统采取恢复措施，使其重新进入正常运行状态。

在现代化的电力系统中，随着计算机技术和网络通信技术的快速发展，电力系统自动化建设发展越加完善，尤其是在电力系统监控和电力调度自动化系统中，广泛采用了最新的计算机技术、通讯技术和图像处理等技术。

借助当今计算机的强大快速综合处理能力，实施对大电网运行管理的计算机监控，实现对投入系统运行的发电厂（火力、水力等形式的发电厂）进行遥测、遥控、遥信、遥调（四遥技术），并进行统一的调度管理，密切监视大电网运行，使电力系统能够安全、经济、稳定的运行。

开放式、分布式、集散式的集成系统，在保证电网安全、可靠、经济运行方面发挥了重要作用，已成为我国各级调度部门指挥电网稳定、可靠、长久运行不可缺少的重要方法和必要手段，同时也为我国的电力系统提供了稳定、可靠的解决方案。

下面是发电机组自动化控制的结构框图：

图1发电机组自动化结构框图

二、发电机组自动化控制的组成

发电机组中的原动机采用直流电动机代替；发电机是和直流电动机在同一个轴上的三相同步发电机，励磁采用他励或自并励励磁方式，并可切换；而控制器采用选用西门子S7-200型PLC为主控制器；原动机调速采用直流电动机调压调速，主回路为可控晶闸管三相桥式电路，晶闸管采用晶闸管智能控制模块，控制信号为0~10V；并网的实现主要采用微机自动准同期装置，以高精度的时标计算频差、相位差，以毫秒级的精度实现合闸提前时间，可实现快速全智能调频、调压。

该装置能够反映现代电能的生产、传输和使用的全过程，体现现代电力系统自动化、信息化、数字化的特点，实现电力系统的检测、控制、监视、保护的自动化。

三、发电机组的并网

一台发电机组在未并入系统运行之前，它的电压与并列母线电压的状态量往往不等，须对待并发电机组进行适当的操作，使之符合条件后才允许断路器合闸作并网运行。

这一系列的操作称为“并网”。

同步发电机组并网时应遵循如下原则：

1）并列断路器合闸时，冲击电流应尽可能的小，其瞬时最大值一般不宜超过1-2倍的额定电流。

2）发电机组并入电网后，应能迅速进入同步状态，其暂态过程要短，以减少对电力系统的扰动。

同步发电机的并列方法有准同期并列和自同期并列两种。

在电力系统正常运行的情况下，一般采用准同期并列方法。

准同期并列：

准同期并列是将未投入系统的发电机加上励磁，并调节其电压和频率，在满足并列条件（即电压、频率、相位相同）时，将发电机投入系统的操作。

设

为发电机组电压与电网电压之差，当电网的参数一定时，冲击电流的大小决定于合闸瞬间

的值。

所以要求断路器合闸瞬间

应尽可能的小，最理想的情况是

的值为零，这时断路器的冲击电流就等于零。

所以发电机组的并列理想条件为并列断路器两侧电源电压的三个状态量全部相等，即：

或

两侧频率相等

两侧电压相等

相角差为零

当电压幅值不同时会产生无功冲击电流，合闸相角差产生的冲击电流主要是有功冲击电流，频率不同（即两者的电角频率之差也称为滑差

不同）时，并网后进入同步状态的暂态过程与合闸时滑差角频率的大小有关。

准同期并列的基本原理：

设并列断路器两侧电压分别为

和

，并列断路器主触头闭合瞬间所出现的冲击电流值以及进入同步运行的暂态过程，决定于合闸时的电压差

和滑差角频率

。

因此，准同期并列主要是脉动电压

和滑差角频率

进行检测和控制，并选择合适的时间发出合闸信号，使合闸瞬间的

值在允许值以内。

检测信息也就取自断路器两侧的电压，而且主要是对

进行检测提取信息。

恒定越前时间：

最理想的合闸瞬间是在两电压相量

和

重合瞬间。

考虑到断路器操动机构和合闸回路控制电器的固有动作时间，必须在两电压相量重合之前发出合闸信号，即取一提前量。

这一段时间一般称为“越前时间”。

由于越前时间只需按断路器的合闸时间（准同期装置的动作时间可忽略）进行整定，整定值和滑差及压差无关，故称其为“恒定越前时间”。

自动准同期并列：

通常采用恒定越前时间原理工作，这个越前时间可按断路器的合闸时间整定。

准同期控制器根据给定的允许压差和允许频差，不断地检查准同期条件是否满足，在不满足要求时闭锁合闸并且发出均压均频控制脉冲。

当所有条件均满足时，在整定的越前时刻送出合闸脉冲。

恒定越前并列装置的组成：

滑差检测、电压检测、合闸信号控制逻辑、频差控制、压差控制。

其中，滑差检测和压差检测主要是获取信息。

合闸信号控制逻辑是在滑差、压差在允许范围内时，在越前信号测得的瞬间就发出合闸控制操作。

频差控制单元的任务是将待并发电机的频率调整到接近于电网频率，使频率差趋向并列条件允许范围内，以促成并列的实现。

频率差控制单元可由频率差方向测量环节和频率调整执行环节两部分组成。

前者判别

和

间频率的高低，作为发升速或降速脉冲的依据。

后者按比例调节的要求，调整发电机组的转速。

电压控制单元的任务是在并列操作过程中，自动调节待并发电机的电压，使电压差条件符合并列的要求，也由电压差方向测量环节和脉冲展宽电路两部分组成。

根据发电机组的原理框图和并网的相关知识，可以得到发电机组的自动化控制原理图见附图：

三、发电机组自动化控制原理

一、同步电机的工作原理

同步发电机和其他旋转电机一样，同步电机也是由定子和转子两部分组成的，一般分为转场式和转枢式，最常用的转场式同步电机其定子的内圆均匀散布着定子槽，槽内嵌放着按必定规律排列的三相对称交换绕组。

这种同步电机的定子又称为电枢。

转子铁心上装有制成必定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组,通以直流电流时,将会在电机的气隙中形成极性相间的散布磁场,称为励磁磁场（也称主磁场、转子磁场）。

在工作时，转子线圈通以直流电形成直流恒定磁场，在原动机的带动下转子快速旋转，恒定磁场也随之旋转，定子的线圈被磁场磁力线切割产生感应电动势，三相对称绕组中就会输出交流电。

平常工作的发电机的定子都接有负载，定子线圈被旋转磁场切割后产生的感应电动势通过负载形成感应电流，此电流流过线圈也会在间隙中产生一个磁场，称为定子磁场。

这样在转子和定子之间的间隙中出现了转子磁场和定子磁场两个磁场相互作用构成一个合成磁场，发电机就是合成磁场的磁力线切割定子线圈而发电的。

由于定子磁场是由转子磁场引起的，且它们之间总是保持着同速的同步关系，所以这种电机称为同步发电机。

二、发电机组自动化控制的原理：

首先，对于原动机即直流电机，采用他励的励磁方式对其进行励磁，它的励磁是独立的，不受控制的。

而在转子的电枢绕组上改变感应电动势

，由于

，通过改变感应电势就可以改变转速。

在电枢绕组上独立加上三相交流电，经过整流变后接到SCR上，用电流互感器将整流变后的电流采集出来然后经过整流滤波，变成矩形脉冲经过A/D口进入PLC。

电动机的转速通过转速传感器与变送器变为脉冲送入PLC，与准同期装置发出的“加速”、“减速”脉冲经过调速器作用后再与A/D进来的电流共同通过电流环后经D/A发出“加速”、“减速”脉冲来改变SCR的触发角，构成双闭环控制系统。

从而改变

的大小，即就可以改变直流电机的转速。

发电机又是和电动机同轴相连的，所以发电机的转速也就可以改变了，而发电机的转速公式

，就可以改变频率。

频率的改变就有利于并网。

也可以通过手动进行改变直流电机的转速，采用能耗制动。

当启动能耗制动时，电枢绕组与SCR断开，

与能耗电阻构成回路，

将消耗在电阻上，转速就可以改变。

发电机是与电动机同轴相连的，对于同步发电机，其原理上面已经讲到，对于它的本次采用两种励磁方式：

自并励方式和他励方式。

自并励磁用发电机自身作为励磁电源的方法，即以接于发电机出口的变压器作为励磁电源，经整流硅供给发电机励磁，而他励只是从别处接电压到变压器，后面部分与自并励相同。

同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁控制器两部分组成，如下图：

图3励磁系统自动控制框图

励磁功率单元向同步发电机的转子提供直流电流，即励磁电流；励磁控制器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。

整个励磁自动控制系统是由励磁控制器、励磁功率单元和发电机构成一个反馈控制系统。

本次控制器为PLC，功率单元是SCR。

不管是自并励还是他励都是交流电，经过励磁变进行降压，然后接到SCR，而励磁变出来的电流经过电流互感器采集出来，再经过整流滤波输入到PLC，与准同期装置发出的“增磁”、“减磁”和断路器发电机侧检测到得电压、电流脉冲同时进入励磁控制器，经过励磁控制器的计算，发出控制脉冲作用于SCR，来控制励磁电流。

电力系统正常运行时，负荷是经常波动的，同步发电机的功率也就相应的变化，所以需要对励磁电流进行调节机端的电压，励磁自动控制系统主要是维持电压的稳定，就是通过不断地调节励磁电流来维持电压符合并网的要求。

而由于发电机的有功功率只受调速器控制，与励磁电流的大小无关。

所以调节励磁电流可以改变发电机的无功功率的数值。

励磁电流不仅与电压、无功功率有关，还与系统的稳定性有关。

通过手动也可以减小励磁电流，采用灭磁装置。

当转子磁场建立起来以后，如果由于某种原因（发电机内部故障等）需强迫发电机立即退出工作时，在断开发电机断路器的同时，必须使转子绕组内部的磁场尽快消失，否则发电机会因过励磁而产生过电压，或者会使定子绕组内部的故障继续扩大。

就需采用灭磁装置。

灭磁就是将发电机转子励磁绕组的磁场尽快地减弱到最小程度。

一般是将励磁回路断开，但由于励磁绕组是个大电感，将转子励磁绕组接入到放电电阻灭磁。

还有就是控制与保护模块，准同期装置的合闸不仅满足它检测到的电压、电流、相角差有关，还与系统的保护有关，他们共同控制合闸机构。

还有发电机的起励、电动机的停机、电动机转速是否正常的控制与保护。

最后就是人机接口模块，将PLC与触摸屏通过通讯接口连接，可以通过触摸屏进行参数显示、参数整定、开停机的控制以及查看趋势曲线。

还可以将PLC与监控机相连，来监视整个系统的运行。

如果发电机系统建在无人区，也可以通过远程控制来监视整个系统的运行。

四、发电机组的各种过程及控制流程图

一、发电机组的各过程

1、开机过程

当开机条件具备时（断路器跳位，无电气故障等），若按下开机指令，启动调速器（如果调速器启动失败，则跳出开机过程）。

当调速器升速至95%额定转速，若灭磁开关合闸，励磁装置合起励开关（起励过程一般小于5s，若大于20s,则起励失败，由励磁装置跳起励开关）。

当机端电压大于40%额定电压时，跳起励开关。

当机端电压为95%额定电压时，进行并网调节，直到并网条件满足，合并网断路器。

并网后，调速器和励磁器进入负载运行状态。

至此，开机过程结束。

2、正常停机过程

发停机指令给调速器，调速器自动卸掉负载进入空载状态，之后断路器跳闸，机组解列。

当转速降至80%额定值时，励磁逆变灭磁（若小于3％转速则灭磁结束，否则自动跳灭磁开关，设故障标志以阻止下次开机）。

当转速降至35%额定值时，机组制动装置启动制动，直至转速降为5%额定值，解除制动。

到机组完全停机后，复归制动回路。

至此，正常停机过程结束。

3、事故停机过程

当机组转速大于115%额定值，调速器启动失败，励磁器故障以及电气事故时，启动事故停机。

此时，断路器跳闸，跳灭磁开关。

之后，发出事故停机信号（信号保持，应手动解除），进入停机过程。

4、紧急停机过程

当机组转速达到140%额定值或紧急停机按钮按下时，启动紧急停机过程。

此时，断路器跳闸，跳灭磁开关。

之后，发出紧急停机信号（信号保持，应手动解除），进入停机过程。

本次工程训练主要对以上四种过程进行控制，为了达到自动化监控的母的，必须装设电磁操作或液压操作的自动阀门，一般称为执行元件。

本次工程训练的主控制器是PLC，输入信号是传感器或电压电流互感器采集的，而输出信号一般作用于执行元件来完成控制。

PLC为S7-200系列，主机CPU226，由于其输入点数和输出点数不够，又扩展了EM235定位模块和EM223混合输入输出模块。

从上面的各种过程中可以看出转速信号很重要，发电机组的转速是指发电机转子的转速，一般利用转速信号器进行测量而产生的，根据机组不同的转速值，转速信号器发出不同的信号，从而产生不同的命令对机组进行控制。

当机组转速达到额定转速的140%时，应当发出事故紧急停机命令，进一步发出关闭水阀门等停机命令；当机组转速达到额定转速的115%时，应发出过速信号，使过速保护装置动作，发出事故停机命令；当机组转速达到额定转速的98%时，应当发出同期信号，使发电机出口断路器合闸，将机组投入系统并列运行。

另外温度信号也有一定的限制。

二、发电机组的各过程的流程及流程图

一、发电机组的正常开机流程及流程图：

1、开机自检：

需检查有无故障信号或事故信号、断路器跳位信号，避免非同期并列损坏发电机。

、

2、开启蝶阀：

若检测不到蝶阀开启信号，发出报警信号、取消开机操作。

3、开启调速器：

如果调速器启动失败，则跳出开机过程。

4、检测机组转速：

当调速器升速至95%额定转速，若灭磁开关合闸，励磁装置合起励磁开关（起励过程一般小于5s，若大于20s,则起励失败，由励磁装置跳起励开关）。

5、同期操作：

当机端电压大于40%额定电压时，跳起励开关。

当机端电压为95%额定电压时，进行并网调节，直到并网条件满足。

6、并网：

合并网断路器。

7、结束；流程图见图4

图4开机流程图

二、发电机组正常停机流程及流程图

机组正常停机的条件是卸掉负荷，进入空载状态。

1、调速器卸载：

调速器自动卸掉负载进入空载状态。

2、解列操作：

断路器跳闸，停励磁。

3、灭磁：

当转速降至80%额定值时，励磁逆变灭磁（若小于3％转速则灭磁结束，否则自动跳灭磁开关，设故障标志以阻止下次开机）。

4、当转速降至35%额定值时，机组制动装置启动制动。

5、直至转速降为5%额定值，关闭蝶阀。

解除制动，到机组完全停机后，复归制动回路。

6、结束

流程图见图5

三、紧急事故停机流程及流程图

事故紧急停机与正常停机得区别主要是在于是否需要空载运行再停机的过程，原则在于加快停机过程以免事故扩大。

1、机组转速达到140%额定值或紧急停机按钮按下时，启动紧急停机过程。

2、解列操作：

断路器跳闸。

3、灭磁：

灭磁开关跳开。

4、发出紧急停机信号（信号保持，应手动解除）。

5、检测转速：

制动，关闭蝶阀。

6、手动解除制动

7、结束

流程图见图6

图5停机流程图

图6紧急事故停机流程图

四、事故停机流程就流程图

1、信号检测：

当机组转速大于115%额定值，调速器启动失败，励磁器故障以及电气事故时，启动事故停机。

2、解列操作：

断路器跳闸。

3、灭磁：

灭磁开关跳开。

4、发出事故停机信号（信号保持，应手动解除）。

5、检测转速：

制动，关闭蝶阀。

6、手动解除制动

图7事故停机流程图

五、总结

工程训练是电气工程专业在整个学习过程中一项综合性实践环节，复习巩固课本的知识和其他相关的内容，对实践能力的培养和实践技能的训练具有很重要的意义。

通过设计可以获得必要的基本技能理论，基本分析方法以及基本技能的培养和训练，为学习后续课程以及从事与电气工程专业有关的技术工程和科学研究打下一定的基础。

以前对电力系统只有大概的认识，只知道电力系统由发电厂、输电网、配电网、电力用户等组成。

各个组成部分的原理及结构都不是很清楚。

本次设计的题目是基于PLC的发电机组自动化控制，着重学习了发电机的组成及控制。

通过学长的指导，让我对发电机组的原理图、工作流程有了详细的了解以及对发电机组各个部分的控制思想有了清楚的理解。

根据获得的信息画了开停机过程的控制流程图，使我对开停机的流程有了熟练的掌握。

在整个完成的过程中领悟到了不管在学习、生活或者今后的工作中，我们对事情的态度都要端正，需要认真负责对待，遇到问题，需要耐心。

只有付出汗水，才能有所收获，不管结果如何。

附图

发电机组的自动化控制原理图

【参考文献】

【1】《电力系统动模部分实验指导书》中南大学

【2】《现代电气控制及PLC应用技术》王永华北京航天航空大学出版社

【3】《电力系统自动化》孙莹中国电力出版社

【4】《电机原理及拖动》彭鸿才机械工业出版社