并网用PLC实现发电机组自动化控制.doc
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目录
一、设计要求…………………………………………………………………………3
1.硬件条件………………………………………………………………………3
2.设计目的………………………………………………………………………3
3.设计内容………………………………………………………………………3
4.设计要求………………………………………………………………………3
二、电力系统…………………………………………………………………………4
1.电力系统组成及作用…………………………………………………………4
2.电力系统自动化………………………………………………………………5
三、发电机组的介绍…………………………………………………………………6
1.发电机简介……………………………………………………………………6
1.1主要结构…………………………………………………………………6
1.2发电机工作原理…………………………………………………………6
2.发电机组实验概述……………………………………………………………6
3.发电机组的并网………………………………………………………………8
3.1发电机组并网的条件………………………………………………………8
3.2并网运行的优势……………………………………………………………8
3.3发电机同期并网操作………………………………………………………9
4.发电机组自动化控制的原理…………………………………………………10
四、发电机组PLC控制流程…………………………………………………………13
1.发电机组的各过程……………………………………………………………13
2.发电机组的各过程的流程……………………………………………………14
2.1自动开机流程……………………………………………………………14
2.2发电机组并网流程………………………………………………………14
2.3发电机组正常停机流程…………………………………………………15
2.4事故和紧急停机流程……………………………………………………16
2.5事故停机流程就流程图…………………………………………………16
3.发电机组的并网流程…………………………………………………………18
3.1发电机组并网系统图……………………………………………………18
3.2发电机组并网流程图……………………………………………………18
五、小结………………………………………………………………………………20六、参考文献…………………………………………………………………………21
一、设计要求
1.硬件条件
交流发电机实验机组、S7-200PLC单元（CPU226/EM235）、通讯电缆、通用电脑、彩色LCD触摸屏、模拟辅机与蝶阀控制。
2.设计目的
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；同组同学应分别选择实现机组开机准备、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。
3.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。
4.设计要求
1、通过设计原理图，掌握实验装置的接线方法、完成上述功能。
2、设计验收时必须现场示、提交课程设计报告（电子版）。
二、电力系统
1.电力系统组成及作用
上图为电力系统组成
上图为电力系统、动力系统区别
电力系统是由发电厂、输电网、配电网和电力用户组成的整体，是将一次能源转换成电能并输送和分配到用户的一个统一系统（如上图所示）。
输电网和配电网统称为电网，是电力系统的重要组成部分。
发电厂将一次能源转换成电能，经过电网将电能输送和分配到电力用户的用电设备，从而完成电能从生产到使用的整个过程。
电力系统还包括保证其安全可靠运行的继电保护装置、安全自动装置、调度自动化系统和电力通信等相应的辅助系统（一般称为二次系统）。
2.电力系统自动化
电力系统是世界上最为复杂的人工系统之一，其安全、稳定、经济地运行是其它产业正常发展，乃至社会稳定的基础。
因此精确、有效的对电力系统进行控制是十分重要的。
为保持电力系统正常运行的稳定性和频率、电压的正常水平，系统应有足够的静态稳定储备和有功、无功备用容量，并有必要的调节手段。
在正常负荷波动和调节有功、无功潮流时，均不应发生自发振荡。
电力系统自动化的主要目的是采取各种措施使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电力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。
当电力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。
从八十年代以后，我国电网调度自动化系统发展非常迅速，整体功能和设备水平有很大程度提高，特别是从九十年代开始，电力调度自动化系统、电力监控系统，已从80年代的封闭式、集中式系统向开放式、分布式、集散式的集成系统发展，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。
三、发电机组的介绍
1.发电机简介
发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。
发电机在工农业生产、国防、科技及日常生活中有广泛的用途。
发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。
因此，其构造的一般原则是：
用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。
1.1主要结构
发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。
定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。
转子由转子铁芯（或磁极、磁扼）绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。
由轴承及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。
1.2发电机工作原理
和电动机一样在定子铁芯槽内放有A、B、C三相并且线圈匝数相等的线圈，在转子铁芯槽上也有线圈分N极和S极，当外面的直流电经电刷、滑环通入转子线圈后在转子线圈上会产生磁力线，这磁力线的方向从N极到S极，发电机转子被汽轮机转子带动以n1（3000转每分钟）速旋转时，相当于该转子磁力线也以n1的速度在旋转，这过程被定子线圈所切割在定子线圈中产生感应电动势（感应电压），发电机和外面线路上的负载连接后输出发电，这是基本的原理。
2.发电机组实验概述
电力系统动模与自动化综合实验台是一个自动化的电力系统综合试验装置。
该装置功能集成了发电机运行动态实验，发电机运行保护实验，线路保护实验，变压器保护，数字继电器保护曲线实验等。
发电机动模实验装置主体是由电动机（作为该实验装置的原动机）、同步发电机、调速器、励磁器、PLC和触摸屏组成。
无论从结构还是工作效果来看，它都可以说就是一个小型的发电厂。
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。
本装置基本结构如下图所示:
*自励方式
自并励可控硅励磁
*他励方式
有副励磁机的他励可控硅励磁
3.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”。
3.1发电机组并网的条件
①发电机的频率与系统频率相同。
②发电机出口电压与系统电压相同,其最大误差应在5%以内。
③发电机相序与系统相序相同。
④发电机电压相位与系统电压相位一致。
当满足以上四个条件时，可以合上并网开关，使发电机组并入系统运行。
若以上条件中的任何一个不满足则在开关K的两端，会出现差额电压，如果闭合K，在发电机和电网组成的回路中必然会出现瞬态冲击电流。
上述条件中，除相序一致是绝对条件外，其它条件都是相对的，因为通常电机可以承受一些小的冲击电流。
并网的准备工作是检查并网条件和确定合闸时刻。
通常用电压表测量电网电压，并调节发电机的励磁电流使得发电机的输出电压U=U1。
再借助同步指示器检查并调整频率和相位以确定合闸时刻。
下图为三相发电机整步
3.2并网运行的优势
电网供电比单机供电有许多优点：
①提高了供电的可靠性，一台电机发生故障或定期检修不会引起停电事故。
②提高了供电的经济性和灵活性，例如水电厂与火电厂并联时，在枯水期和旺水期，两种电厂可以调配发电，使得水资源得到合理使用。
在用电高峰期和低谷期，可以灵活地决定投入电网的发电机数量，提高了发电效率和供电灵活性。
③提高了供电质量，电网的容量巨大（相对于单台发电机或者个别负载可视为无穷大），单台发电机的投入与停机，个别负载的变化，对电网的影响甚微，衡量供电质量的电压和频率可视为恒定不变的常数。
电网对单台发电机来说可视为无穷大电网或无穷大汇流排。
同步发电机并联到电网后，它的运行情况要受到电网的制约，也就是说它的电压、频率要和电网一致而不能单独变化。
3.3发电机同期并网操作
发电机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。
（1）发电机自动同期并网：
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”。
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。
发电机自动同期并网流程：
①将同期调整开关切至细调位置，同期开关切至投入位置，同期闭锁装置在“闭锁”位置，观察组合同期表开始转动;
②自动同期：
将自动准同期转换开关切至试验位置；按自动准同期装置启动按钮，此按钮上方的红灯亮；将自动准同期转换开关切至投入位置；观察同期表停在12点位置，观察有功功率表有指示显示，并网成功;
③将同期开关切至退出位置，退出同期表，将自动准同期开关切至退出位置，红灯灭;
④将同期闭锁装置切至解除位，同期调整切至断开位；
⑤将发电机出口主开关打在合后位置（竖直位置），开关上方红灯亮;
（2）发电机手动同期并网:
①将同期调整开关切至细调位置，同期开关切至投入位置，同期闭锁装置在“闭锁”位置，观察组合同期表开始转动;
②手动同期:
将发电机出口主开关打在预合位置（竖直位置）；观察左侧的组合同期表转至靠近12点位置，手动合主开关，红灯亮，并网成功;
4.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：
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。
发电机自动化控制原理图如下：
四、发电机组PLC控制流程
本系统按照发电机组工艺流程来设定工作流程，通过完成机组的自动开机、停机、紧急和事故停机等功能，从而保证发电机组的正常运行。
1.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）.并网过程
对待并发电机组进行适当的操作，使之符合相位、相序、频率、电压大小相同等条件后才允许断路器合闸作并网运行，使发电机组并入系统运行的过程。
并网的准备工作是检查并网条件和确定合闸时刻。
通常用电压表测量电网电压，并调节发电机的励磁电流使得发电机的输出电压U=U1。
再借助同步指示器检查并调整频率和相位以确定合闸时刻。
（3）.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。
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）.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。
（5）.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。
2.发电机组的各过程的流程
2.1自动开机流程
当工作人员发出开机命令后，PLC检查机组是否具备以下条件：
（1）机组无事故；
（2）制动系统接点开；
（3）发电机断路器处于跳闸位置；
（4）开机准备好灯亮。
上述开机条件表明了机组目前的状态，只要其中有一个不满足就坚决不能开机，否则会造成重大的机组事故。
开机条件具备后，开机准备好灯亮，PLC按流程投入原动机电源，并在触摸屏上显示调速器参数设定，延时10s按默认参数投调速器。
当PLC检测到机组95%额定转速信号后投入励磁回路交流电源开关和灭磁开关，起励建压；当检测到励磁屏95%额定电压信号时，检查机组同期转换开关位置，以判定是否投入自动准同期装置；当机端电压和频率接近系统频率时，在适当的时间合发电机断路器，机组与系统并列。
在规定的时间内，PLC如没有检测到断路器合位信号，则取消本次开机，切除自动准同期并停励磁和调速器，延时10秒弹出并网失败画面。
如检测到合位信号，则延时20秒切除自动准同期装置，弹出并网成功画面。
调速器在检测到机组并网信号后，将输出加到10%额定有功，机组带上负荷，至此开机流程结束。
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；
开机过程流程图如下：
2.2发电机组并网流程
KQK1开关已合，KQK2开关已合，Q7开关已合，投入励磁，电压至95%，转子正极绝缘良好，转子负极绝缘良好，定子绝缘良好，DEH允许，TK投入，微机同期已投入，并网完成。
机组并网初负荷产生过程如下图：
在并网过程中DEH、自动准同期装置、励磁调节器三者的关系、作用如下图：
2.3发电机组正常停机流程
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
2.4事故和紧急停机流程
当机组出现轴承（包括定子）温度过高，调速器油压过低，电气事故、风机故障（实验台面板上相关模拟开关）等事故，直接跳发电机断路器、灭磁开关，向调速器发停机令，将原动机迅速关闭而无需经过先卸负荷后停机的动作程序，从而加快停机过程以免事故扩大。
当机组飞逸（140%）或在其它重大保护动作时，立即紧急停机，并关闭原动机。
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。
2.5事故停机流程
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
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