长沙立川水电站改造技术方案.docx
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长沙立川水电站改造技术方案
水电站自动化系统
技
术
方
案
长沙市立川水电控制设备有限公司
2012年10月18日
第一章概述
一、系统概述
本系统综合运用了自动化控制技术、通讯技术，使系统功能齐全、可靠，配置灵活、经济，用户操作方便，实现了水电站的“无人值班，少人值守”和安全经济运行等，从各方面满足了用户的需求。
系统主要特性如下：
开放性——系统遵守国标。
安全性——系统能满足长时间连续稳定可靠运行的要求。
功能完备——系统将发电机、水轮机、一次回路等信息集中在一起，信息共享，有效地提高了综合自动化水平。
实时性——实时数据实时显示，数据库数据自动更新，历史数据库保存完备。
用户界面友好——界面简捷、直观、方便用户特别是不太熟悉计算机的用户使用。
维护方便——系统实现集中管理分散控制，每个回路都具有独立性，维护方便。
处理功能强大——芯片采用美国进口芯片，该芯片功能强大、集成度高、安全性能强、通讯效率高、响应速度快。
经济——简化了二次回路设计，节约了控制电缆，缩小了控制室面积，具有良好的经济效益。
稳定性——采用双CPU结构，保护可靠性高。
耐用性——机箱箱体采用进口密封结构材料，全封闭式结构可有效降低外界干扰进入机箱内。
抗干扰能力严酷等级达到Ⅵ级。
先进性——具有远程遥控功能，运行人员可以远程遥控器控制线路断路器开关跳合，运行监视，定值设定、调试等。
手动和遥控互为闭锁，互为切换。
保护复归，在线修改定值，投退保护。
二、系统组屏设计
本综合自动化系统采用组屏方式安装，根据用户情况及本公司产品特点，结合我公司多年来的设计运行经验，作出优化组屏方案，采用一机一屏控制方式，其具有技术成熟、先进，系统可靠稳定以及经济、实用，性价比高的特点。
SD9000水电站低压机组一体化屏：
每面SD9000水电站低压机组一体化屏由SD9000-K-1A自动化装置、SD9000-L-E微机有刷励磁装置、断路器、刀开关、励磁变压器、整流回路、电流互感器、避雷器、电子式多功能电度表、同期装置、中间继电器、接触器、操作按钮、常规仪表及附件组成。
调速系统可采用液压微机调速器也可以采用手电动操作器。
三、计算机监控系统
1、系统采用分层分布开放式系统结构，主机兼操作员工作站采用WINDOWSXP开放式操作系统，全图形化操作。
监控系统的全部微机智能设备都直接接入网络，可获得高速通讯能力和资源共享能力。
各设备的运行信息可直接在工作站上显示，控制命令可直接由工作站下达给各设备。
2、系统通讯规约丰富，支持本系统与远程调度系统等系统通讯。
3、所有计算机系统在失电被动停机时，存储器的数据不会丢失。
4、现地控制单元LCU控制权限（现地/远方）的闭锁。
5、现地控制单元的二层操作模式均可实现机组不同运行工况的转换。
6、机组不同工况运行时间的累积及各种运行参数的设置。
第二章综合自动化系统
一、系统结构
电站综合自动化系统按分层分布开放式“无人值班”（少人值守）运行方式设计，以保证各子系统选用不同计算机时的兼容性，系统扩展和设备更新时的可移植性。
计算机监控系统不会因任何一个器件发生故障而引起系统误操作。
计算机监控系统的人机界面采用成熟的中文系统。
整个系统分站控和现地两层，站控层和现控层之间采用RS485现场总线网络，现地控制层中机组自动化系统采用RS485现场总线网络。
系统站控层配置高性能计算机工作站，现地层一级站配置SD9000S水电站一体化屏。
站控层计算机监控系统：
集中监控任务、各机组遥控开关机和调功。
现控层自动控制单元以SD9000-K-1A自动化装置和SD9000-L-E微机无刷励磁装置为基础，实现对机组的控制和保护。
在现地进行开机、关机、调功、励磁调节等操作。
SD9000-K-1A自动化装置：
具有自动开机和自动调速、自动启励、自动准同期、自动调节有功、自动调节无功、八路温度巡检报警及保护、飞逸保护、电流速断保护、电流过流带时限保护、欠压保护、过压保护、低周保护、过频保护、自动停机、及通讯功能。
二、系统功能
1）自动开机、停机
开机条件准备就绪后，选择“开机”（就地/远程），SD9000自动化装置将发指令给调速器开启水轮发电机机调节至空载状态，启励后，再调节励磁，使发电机电压逐渐升高，完成自动开机过程。
选择“停机”（就地/远程），SD9000自动化装置接受到停机命令后，将开度逐渐关小，减少励磁电流，当减至空载时，SD9000自动化装置发出跳闸指令，分开断路器，然后继续减小至关闭，机组完全停止。
也可以根据前池水位的高低自动开机和关机，当水位达到开机水位后SD9000自动化装置将发指令给调速器开启水轮发电机机调节至空载状态，系统启动开机程序。
当水位达到关机水位后，系统启动关机程序。
2）自动同期
当发电机电压和电网电压接近，SD9000自动化装置自动调节手电动操作器稳定频率，SD9000微机有刷励磁调节发电机电压、使发电机的频率与电压接近系统的频率与电压，当频差合格、相差合格、压差合格时，SD9000自动化装置发出合闸指令，断路器合闸，机组与电网同期并网。
3）自动调功
机组准同期并网后，SD9000自动化装置自动调节输出功率，可以根据整定值自动增减负荷，在机组额定功率内自动调节功率，根据整定的功率因数自动调节无功，使无功输出稳定在整定的功率因数。
系统也可以根据水位的高低自动调节功率，以保证水位一直处于最高水位，使发电机一直保持最有效出力。
4）事故停机
在事故发生时，SD9000自动化装置发出警报音响，并发出跳闸命令，使断路器跳闸，同时快速减少开度，将导叶关到最小位置，机组停机。
5）监控功能
遥测：
三相电流、三相电压、有功功率、无功功率，功率因数、频率、温度。
遥信：
控制回路断线、保护动作信号、操作机构故障信号等。
遥控：
控制机组开关机、控制断路器开关跳合，手动和遥控互为闭锁，互为切换。
保护复归，在线修改定值，投退保护。
遥调：
调节有功功率和无功功率。
6）运行方式
有功的调节是根据用户整定的功率值，装置自动调节水轮机导叶行程，使功率稳定在定值，当水位下降到一定的时候，发电机的功率也要跟着下降，这时系统将要开大导叶行程，当导叶行程到达上限后，导叶行程还在开大，系统将输出报警信号，若水位仍然处于下降状态，发电机的功率随着下降到20KW以下时，系统将启动保护，分开断路器；并且迅速关小水轮机的开度，作停机处理。
7）手动控制功能
手动开机、手动停机
手动启励、灭磁
手动同期、手动分闸
手动增功、减功
手动开蝶阀、手动关蝶阀
8）组网功能
微机控制器有一个RS485通讯口，与后台机相连，亦可以多台机组同时联接，组成一个现地控制网络。
在后台机上，可以远距离操作与控制各台水轮发电机组；实时显示各机组的运行状况；将各台机组发电的电气量组成表格，打印数据；绘制运行参数的负荷曲线；事故记录及打印；历史数据召唤；电量的累加计算与统计等功能。
9）远方调度功能
后台监控计算机通过网络与各级调度中心相连，实现远程调度将水电站的各种参数（测量，机组运行状况，保护的动作情况，开关的分闸、合闸信息传至调度中心，同时可以接受远方调度的各种控制。
10）发电机保护功能
1、过流保护。
2、速断保护。
3、过电压保护。
4、低电压保护。
5、过速（超频）保护。
6、低频保护。
7、过温告警。
8、超温保护。
三、励磁系统
一、性能特点：
1、起励后，调节器调整机端电压为100％Ue（即380V）。
2、断路器跳闸时防止机组过电压,机端电压为380V（使用全控桥方式该性能最佳）。
3、防止低频过流功能，当频率低于40HZ时，自动关断可控硅。
提高机组安全性。
4、超亮数码管显示本机频率，方便直观。
5、调节器采用双电源供电，运行中若厂用电消失，可以靠本机提供的电源继续工作。
二、技术参数：
1、调压范围：
（30%～130%）Ue
2、调压精度：
优于0.5%
3、调差系数：
+8%
4、频率特性：
频率每变化1%，发电机端电压变化<0.1%Ue
5、零起升压：
超调量<10%～15%，调节时间3～5秒，振荡次数3～5次
6、10%阶跃响应：
超调量<5%，振荡次数1次，调节时间<3秒
7、甩额定无功负荷：
超调量<15%Ue，振荡次数<3次，调节时间<5秒
8、可控硅控制角分辨率：
0.036度
9、强励倍数>1.3倍
四、系统性能
4.1控制性能
1）人机接口响应时间≤0.1S
2）动态数据刷新时间≤1S
3）实时数据库更新时间≤1S
4）控制命令响应时间<1S
5）控制有功功率执行周期<3S
4.2系统可靠性
1）平均故障间隔时间（MTBF）>20000小时
2）平均维护时间（MTTR）<30分钟
3）系统利用率≥99.99%
3.3控制器性能
1）数据采集时间
开关量<0.2S
电气量<0.2S
温度量<3S
非电气量<1S
脉冲量连续无延迟
2）控制响应时间
控制命令回答响应时间≤0.5S
接受控制命令响应时间≤0.5S
3）I/O接口
24路开入量（可扩充到32路开入量），其信号类型为空接点。
模拟量输入：
电压：
220V，电流5A。
温度量输入：
与现场三
（二）线电阻温度探头（RTD）连接。
水位量的输入：
变换成电阻值输入。
（如采用了压阻式液位传感器则为4～20ma）
16路开出量：
（可扩充至32路开出量）输出形式为空接点，交流接点，容量～220V，0.5A。
4）测量精度
电流、电压：
0.5级
有功功率、无功功率：
1.0级
有功电度：
内部计算精度0.5级
无功电度：
内部计算精度0.5级
频率：
小数点后两位
功率因素：
小数后两位
温度：
±0.5℃
5）通讯口
RS485的通讯接口：
速率为4800bps。
6）绝缘电阻符合IEC255-5标准，大于100MΩ/500V。
7）耐压测试按IEC255-5标准，2.0KV/1min。
8）冲击电压测试按IEC255-5标准，5.0KV/1.2/50µs/05J
9）抗干扰
共模按IEC-255-22-1标准：
2.5KV/1MHZ/2S
差模：
1.0KV/1MHZ/2S
10）系统的安全性：
在雷电干扰下,不误动,也不拒动。
4.3环境条件
1）环境温度：
-10℃～+45℃
2）海拔：
3000米
3）相对湿度：
<95%（25℃时）
4）水电站应有良好的防雷措施，本设备不能抗拒直接的雷击。
5）屏体外壳应安全接地。
6）振动和振击：
振动频率：
10～500HZ加速度：
5m/s2
第三章：
计算机软件系统
一、计算机系统软件配置
整个水电站综合自动化系统软件包括四大部分：
计算机系统软件、基本软件、应用软件及工具软件。
系统软件是随计算机硬件设备一同购入由系统硬件生产商提供的软件，用以提供监控系统其它软件运行的环境，用户软件的开发手段，如用户程序的编辑、编译、联接等。
基本软件是实现监控系统基本监控功能所必须的软件，如数据采集、数据处理、数据库管理、图形显示、报表生成、语音报警等软件。
应用软件是实现生产过程操作或控制功能的软件，如SD9000-JK等，随着电站特性的不同、功能要求的差异，应用软件的差别很大，一般需特殊编制。
工具软件是提高系统开发效率的软件，它可以减轻软件开发与维护强度，提高系统可靠性，使开发系统真正向用户开放。
整个系统软件符合国际开放系统组织推荐的开放式系统，网络系统采用符合TCP/IP协议的网络软件，各工作站及各单元箱均使用实时多任务多窗口操作系统，历史数据库采用关系型商用数据库；监控系统是系统中主要的人机接口，整个电站监控的核心，它通过通讯网络获得全站信息，并进一步加工处理，向值班人员及调度系统提供所需的各种数据，作出必要的记录和控制。
该系统性能安全可靠、运行稳定、功能完善、组态灵活、便于扩建、界面有限、使用与维护方便。
并且能够与国内主要保护设备厂家的保护设备相兼容。
二、系统基本软件配置及功能介绍
1.操作系统
WindowsXP实时操作系统软件
本系统所有计算机的操作系统都选用WindowsXP。
WindowsXP是一个网络化、安全且可变的操作系统，具有以下特点：
⑴多线程/多处理器支持；虚拟32位线性内存管理；具有灵活广泛的移植性；抢占式的多任务调度；客户/服务器设计；支持对等控制
⑵网络方式；支持远程过程调用机制等。
2.监控系统软件
监控系统开发软件选用SD9000-JK监控软件，软件的开发部分可以在各类Windows操作系统系统设计开发应用程序，软件的运行部分通过再编译也可以在各类Windows系统下运行。
3.实时任务执行软件
在系统里随时计算机提供一个实时事件驱动或定时驱动的执行程序，用于执行实时应用程序。
执行程序支持所提供的与所有软件兼容的高级语言应用程序。
执行程序具有检错能力。
4.编程语言、开发工具包
提供完善的、有效的编程软件，以进行应用软件的开发。
这些编程软件包括高级编译语言、交互式数据库编辑软件、交互式图形编程软件和交互式报表编辑软件。
5.自诊断软件
提供用于方便地寻找故障装置、消除故障以及软、硬件维护用的自诊断软件。
自诊断软件能准确判断出硬件故障具体发生在哪一块板上。
自诊断软件估价整个系统的“健康”状况，包括通信线路、过程控制器、过程输入/输出单元及所有外围设备。
任何系统内的软硬件故障。
包括该故障的位置及对它的描述都在操作台上显示出来。
6.数据库管理软件
⑴提供用于实时数据存储和检索的数据库管理软件，软件能提供各节点存储瞬时状态、事件数据、测量值、趋势分析和定期报告数据，以及归档和检索这类数据库。
⑵能提供历史数据存储备份和检索的数据库管理软件及工具。
⑶提供用于软件生成和在线设定、修改数据库的数据库生成软件。
⑷通信软件、网络管理软件
⑸提供用于监控系统各节点之间的通信及其数据交换的通信软件。
⑹提供用于通过交互式显示，完成所有操作和控制功能的人/机通信软件。
三、系统应用软件
1.基本应用程序
⑴提供实现系统运行要求所需的全部服务程序。
服务程序能扩展，并且在规定的最大系统容量范围内不限制。
⑵提供包括交互显示画面中出现的所有符号的图象程序。
在系统的运行年限内允许使用工程师/培训工作站，用会话编程程序根据需要对图象显示进行增减和修改。
⑶提供用于编辑打印报告的记录格式程序。
在系统的运行年限内可以在工程师/培训工作站用会话编程程序根据需要对记录报告进行增减或修改。
2.监控和数据采集程序
⑴该部分功能包括监控、数据采集、数据库更新、数据显示、趋势显示、报警显示和语音报警系统。
⑵监控防误操作功能包括用位置指示的投入—切除操作及用模块位置指示的增—减控制。
操作员发出的命令在执行前采用联锁逻辑功能进行核实。
如果操作员的控制命令未被联锁逻辑方程式所证实，则将显示一个禁用的报告。
⑶断路器和其他具有双位置快速转换的设备以“开—关”两个位置来监控。
设备的转换时间予以监视，如果操作失误发出报警显示。
如果操作成功，则设备的最终位置稳定地显示出来。
当相应“现地—远方”选择开关在“现地”位置时，操作员在远方发出的控制命令不被执行，并且在操作员工作站发出操作报警。
⑷当相应设备处于计算机监控状态时，对不是从操作台上发出命令的断路器操作以音响报警和“闪光”位置指示，直到运行人员了解清楚并人为复归为止。
⑸相应的单元箱对断路器的快速重合闸，如“跳-合”和“跳-合-跳”进行检测和储存，便于以后通过事件记录功能向运行人员报告。
在运行人员了解到这些信息后，单元箱内的储存循环复归。
⑹单元箱的输出控制接点为常开，提供故障安全保护功能，在监控系统故障时所有输出接点均打开。
⑺具有三个位置指示的“开-中间-关”控制点应用于控制和监视隔离开关和其他慢速动作设备以“开-中间-关”三个位置来监视。
设备的转换时间予以监视，并且将它的实际位置（开、中间、闭合）显示出来。
⑻对一个慢速动作设备的操作如果其操作命令不是在操作台上发出时，发出声音报警和“闪光”位置信号指示，直到运行人员了解清楚为止。
⑼具有连续模拟量指示的“增和减”控制点，控制动作时间响应能在操作台上用软件选择，在工程师工作站上设定。
3.事件记录程序
每个单元箱包括一个事件顺序记录，当一个事件状态输入发生变化时或一个模拟量输入大于幅值或上升率限值时，发出字母数字事件报告。
事件按顺序并以“实时性”条款规定的分辨率打印出发生事件的时间。
超过一分钟没有状态变化时，该报告即告终止。
对每个单元箱事件报告包括系统全部非正常条件下的事件状态和模拟量输入，事件记录打印在正常条件下由打印机完成。
4.报警报告程序
⑴每个单元箱包括一个报警程序，当一个报警状态输入发生变化时或一个模拟量输入大于一个幅值或上升率极限时，发出字母数字和语音报警。
当操作员确认所有状态变化和报警状态变化，以及电力系统的异常状态已被清除，报告予以撤除。
报警报告包括系统在非正常条件下的全部报警状态和模拟量输入。
⑵简要报警报告根据运行人员的要求打印或作为日报表定时打印，简要报警报告包括系统非正常情况下的全部报警输入和模拟量输入。
5.跳闸后复核报告程序
⑴跳闸后复核报告包括一个数值组，这些数据由每个变量在跳闸前、后的数值组成。
记录按跳闸后复核起动准则规定的逻辑变量状态变化来起动。
⑵运行人员能选择包括在跳闸后复核报告中的变量。
6.通信接口软件
计算机监控系统有较多的通信接口驱动软件，主要是：
⑴与微机保护装置的通信接口软件；
⑵与各级调度中心的通信接口软件；
⑶与电能量计费系统的通信接口软件；
⑷与智能直流系统的通信接口软件；
⑸与电力数据网通信接口软件。
计算机监控系统与智能设备的通信规约应执行国标、行标及IEC标准。
供货方应完成各种通信规约的转换，使计算机监控系统正确接收和发送数据。
7.通讯设备监视
通过通信服务器能够对设备的通信情况进行监视，并生成统计信息。
可以检测通信错误，当连续发生通信错误的次数达到规定的次数后，生成通道故障事件，登录实时数据库。
如果该设备配有另外一个可以使用的通道，则尝试切换到这一通道，否则将该设备置为不能运行。
所有来自被置为不能使用的设备的数据都被标记为无效的。
还可以控制前置通信服务器，周期性地为不能使用的设备重新建立通信联系，如果是在对设备进行维修时，可以由操作人员在控制台上设置暂停这种功能。
每个设备的状态主要由设备本身进行检查，并通过前置通讯服务器报告给系统，这类信息被收集起来，保存在数据库中，在专用的设备工况信息画面上显示出来。
四、系统功能
计算机监控系统具有如下的功能：
1.实时数据的采集与处理
⑴采集信号的类型
采集信号的类型分为模拟量、脉冲量和状态量（开关量）。
模拟量：
电流、电压、有功功率、无功功率、频率、功率因数和温度量。
状态量（开关量）：
断路器、隔离开关以及接地开关的位置信号、继电保护装置和安全自动装置动作及报警信号、运行监视信号、主变压器/所用变压器有载调压分接头位置采用的BCD码等。
⑵采集信号的处理
计算机监控系统对实时数据的采集按电气设备间隔单元（线路、旁路、母线、母联、分段、主变等）划分，每个测控单元为一个相对独立的智能小系统，对所采集的输入量进行数据滤波、有效性检查、工程值转换、故障判断、信号接点消抖等处理。
A模拟量的采集处理
定时采集：
按扫描周期定时采集数据并进行相应转换、滤波、精度检验及数据库更新等。
越限报警：
按设置的限值对模拟量进行死区判别和越限报警，其报警信息包括报警条文、参数值及报警时间等内容。
追忆记录：
对要求追忆的模拟量，能追忆记录事故前1分钟至事故后3分钟的采集数据。
B状态量（开关量）的采集处理
定时采集：
按快速扫描方式周期采集输入量、并进行状态检查及数据库更新等。
设备异常报警：
当被监测的设备状态发生变化时，出现设备变位指示或异常报警，其报警信息应包括报警条文、事件性质及报警时间。
事件顺序记录：
对断路器位置信号、继电保护动作信号等需要快速反应的开关量按其变位发生时间的先后顺序进行事件顺序记录。
C信号输入方式
模拟量输入：
间隔层测控单元电气量除温度通过变送器输入外，其余电气量采用交流采样，输入CT、PT二次值，计算I、U、P、Q、f、COSΦ；对于要作合闸同步检测的断路器，采集同步电压。
交流采样频率：
32点/秒，变送器输出为4～20mA。
电能量输入：
对于智能电度表可通过串口通讯采集。
状态量（开关量）输入：
通过无源接点输入；断路器、隔离开关、接地开关等设备，断路器取双位置接点信号。
智能接口设备信号接入：
如微机保护、直流系统、火灾报警等采用数据通信方式（RS232/RS422/RS485等通讯口）收集各类信息。
2.数据库的建立与维护
⑴计算机监控系统建立如下数据库
实时数据库：
装入计算机监控系统采集的实时数据，其数值应根据运行工况的实时变化而不断更新，记录被监控设备的当前状态。
实时数据库的刷新周期及数据精度满足工程要求。
历史数据库：
对于需要长期保存的重要数据将存放在历史数据库中。
历史数据能在线存储12月，所有历史数据能转存至光盘作长期存档。
⑵数据库的维护
可在线修改或离线生成数据库；用人—机交互方式对数据库中的各个数据项进行修改和增删
可修改的主要内容有：
各数据项的编号。
各数据项的文字描述。
对开关量的状态描述。
各输入量报警处理的定义。
模拟量的各种限值。
模拟量的采集周期。
模拟量越限处理的死区。
模拟量转换的计算系数。
开关量状态正常、异常的定义。
电能量计算的各种参数。
输出控制的各种参数。
对多个开关量的逻辑运算定义等。
可方便地交互式查询和调用。
历史数据能按用户的需要进行选择、组合，转储到光盘中长期保存。
3.控制操作和同步检测
各侧断路器；
主变压器分接头调节；
重要设备的启动/停止（如所内380V电动机的启动/停止、所内自动装置的投入/退出）。
4.控制方式
控制方式为就地控制、站控层控制。
操作命令的优先级为：
就地控制→站控层控制。
同一时间只允许一种控制方式有效。
对任何操作方式，只有在上一次操作步骤完成后，才能进行下一步操作。
在间隔层控制柜上设“就地/远方”转换开关，任何时候只允许一种操作模式有效；操作过程由计算机显示记录。
间隔层应根据操作具有防误操作闭锁和检同步功能。
“远方”位置，操作在操作员站上操作。
站控层控制为操作员站上操作，操作按“选择—返校—执行”的过程进行，具有防误闭锁及同步检测功能。
一个任务要对多个设备进行操作，计算机监控系统在保证操作的安全性、可靠性的前提下，按规定的程序进行顺序控制操作。
5.报警处理
设备状态异常、故障、测量值越限及传输通道故障等，计算机监控系统输出报警信息。
报警分事故报警和预告报警两类。
报警显示具有模拟光字牌分类告警画面和确认功能。
报警发生时，推出报警条文，伴以声、光提示；对事故报警和预告报警其报警的声音应不同，且音量可调。
报警发生、消除、确认用不同颜色表示。
报警点可人工退出/恢复，报警信息可分时、分类、分组管理。
报警状态及限值可人工设置，报警条文可人工屏蔽，有消抖处理，避免误报、多报。
报警信号可手动试验，试验信息不予传送、保存。
6事件顺序记录
当变电所一次设备出现故障发生短路时，引起继电保护装置动作、开关跳闸，事件顺序记录功能将事件过程中各设备动作顺序，带时标记录、存储、显示、打印，生成事件记录报告，供查询。
系统保存1年的事件顺序记录条文。
事件分辨率（S
升级会员 