水电站现地控制单元（LCU）软件设计
2008/3/27 13:15:00
摘 要：水电站计算机监控系统利用自动控制、计算机技术实现整个电站的自动化监测和控制目标，提高电站控制的安全性、可靠性，实现工程管理的科学化、现代化，充分发挥枢纽工程经济效益和社会效益。本文通过对于丹竹水电站现地控制单元的研究，确保系统的经济实用、安全可靠、技术先进、易于维护，提升自动化、信息化水平。
关键词：现地控制单元；顺序控制；准同期
1 前言
广东省梅县丹竹水电站位于梅州市境内，是梅江干流中的一个梯级。电站内装设4台灯泡贯流式水轮发电机组。单机容量为8500KW，发电机额定电压6.3KV，额定功率因素0.9，电站采用扩大单元（两机一变）接线方案。电站共装设2台主变压器，高压侧电压为110KV，两回110KV线路接入梅州110KV电网。该电站机组已经投产发电。配置五套LCU，分别为机组LCU1, 机组LCU2, 机组LCU3, 机组LCU4,和公用/厂用电/开关站LCU。所有LCU均以GE90-30PLC 为核心进行实时数据采集和处理，顺序控制，和提供（机组）有/无功调节，事故追忆和提供现地人机界面等功能。在PLC梯形逻辑编写和调试过程中，充分考虑了软件的可移植性和通用性，软件按功能划分，既为一个整体又相互独立。
系统接受梯调的调度指令，实现AGC、AVC、厂内经济运行、自动监测和闭环控制，提高电厂运行经济效益，提高电厂安全运行水平，改善职工运行条件及提高电能生产的质量。现地级监控层LCU直接控制和监视主设备的运行，在整个系统中，它作为一个智能终端，但也可以作为独立的装置单独运行。
2 现地级机组LCU的功能
2.1 数据采集及处理
1) 开关量采集及处理
状态开关量的采集及处理：机组LCU按周期扫查全部开入量，进行状态检查，更新数据库，在开关量发生变位时，可以产生事件记录，并根据控制流程进行动作处理或接点复归处理。处理内容事先由设计人员根据机组的运行要求编写在控制流程之中。当事故类信号变位时，LCU根据流程控制机组进行事故停机。如属于故障类信号变位时，LCU则进行登录和报警处理。所有事件记录，流程的执行情况不仅保存于机组LCU，还全部送厂级监控层。在状态开关量中，有一种综合开关量，这实际是一种若干个开入量按一定逻辑关系得到的一个中间变量，此量可供其他LCU或装置使用，如机组空载状态，机组发电状态等即属于这一类，往往以开出的方式引出，或仅作为LCU本身内部的一个宏变量供流程使用。机组LCU状态开关量共有90多个，这些量包括：断路器的开/合，导叶的位置，油位的高低，油泵的启、停等。
中断开关量的采集与处理：中断开关量具有中断能力，响应速度快（<10ms），可按其变位发生时间的先后形成事件顺序记录。水轮机、发电机、瓦温过高、压力油泵、过速信号、机组的励磁、保护等事故信号作为中断开关量输入，共20多点。机组LCU一旦收到这些表明机组发生事故的信号，会立即中断当前的工作，快速转到事故流程进行处理。并按要求形成事件顺序记录。
脉冲量采集与处理：每台机组LCU为2路脉冲量，分别采集机组有功和无功电度。脉冲信号分别取自有功及无功脉冲电度表，根据每台机组的PT/CT变比和脉冲电度表每度的脉冲个数，即可计算出每台机组的电度累加值。计算结果可与电磁式电度表计值进行比较和修正，以保证计量的准确性。
2) 模拟量采集与处理
交流模拟量：通过GE程90-30的PTM模块实现机组的交流采样，采集参数包括：电压、电流、有功、无功、频率、功率因素等电量。
一般模拟量：主要包括直流电量及非电量性模拟量（温度量除外），主要有：转子电流及电压、导叶开度、差压、机组的工作水头等信号。这些信号由变送器转换为4~20mA信号供PLC采集。
温度量：温度量将采用48路智能温度巡检装置进行采集，采用二线制接线方式输入，测温电阻为PT100，采集对象包括水轮发电机空气冷却器、发电机定子、轴承等共计30多路。温度巡检装置根据测温电阻在不同的温度下具有不同电阻值的原理，将电阻转换成相应的电量供计算机处理。PLC将通过RS485接口定时进行采集。根据运行需要，设置以上模拟量低低限（LL）、低限（L）、高限（H）、高高限（HH）报警值，系统提供越复限报警及处理功能。
2.2 控制与操作
机组LCU可以接受上位机或LCU操作面板上的输入命令，执行相应操作。机组LCU都是通过其开出继电器的空接点去动作现场设备，共使用单接点形式的开出点50多点，分别作用于各种管路的电磁阀、电路的断路器、高压油泵、润滑油泵、漏油箱油泵的电动机等现地设备输入点。
机组的控制操作需要编写以下主要流程：
1) 机组顺序控制流程。该流程包括以下几种工况：停机—空载；空载—发电；发电—空载；空载—停机。
2) 紧急停机流程。
3) 发电组事故报警流程。
4) 发电组事故报警及停机流程。
5) 高压顶起油泵控制流程。
6) 润滑油泵控制流程。
7) 漏油箱油泵控制流程。
8) 故障、事故音响处理流程。
9) 其它流程。
2.3 机组的有功和无功调节
LCU装置对机组有功（P）、无功（Q）调节是根据LCU控制面板或主机设置的P、Q值，通过对机组的导叶开度和励磁电压进行调节，使机组按给定的P、Q值运行。对于P、Q的调节，LCU输出的调节量采用脉宽的方式，调节脉冲均通过中间继电器输出给微机调速器和微机励磁调节器，在P、Q的调节中还设立了发电机电压、电流、P、Q负荷差等多种调节保护，确保P、Q调节在安全的范围内进行。PLC直接通过以太网与厂级网络进行通讯，可确保当现地LCU中操作面板出现故障，监控系统仍能从远方监控所控设备（包括机组开、停机控制、增减有、无功率等）。
2.4 人机接口
机组LCU配置操作面板作为人机交互的窗口。运行人员通过操作面板可以进行机组的启、停，断路器的分、合，有功、无功的给定等多种操作。对于操作中的错误或不合法的命令，LCU拒绝控制命令的执行。对合法的命令，显示控制的过程及最终结果。在操作面板上可对机组的动作情况和当前的工作状态以及各种电流、电压量、温度量、有功、无功值进行监视，LCU的这种完整的操作显示功能使它即使脱离上位机仍能独立运行。操作面板发生故障，不影响系统的正常运行，主机仍能对机组LCU进行监控。
2.5 诊断功能
机组LCU具有对本身的硬件及各控制单元进行全面的保护性自我检验功能，并根据检验结果采取相应的保护性措施，防止出现不良结果。LCU同时向主机报告诊断的结果，根据自诊断记录，值班维护人员可以了解LCU装置工作是否良好，指导处理异常情况。
2.6 通信功能
1) 机组LCU与厂级监控层的通信。通过以太网实现，通信的主要内容有：将LCU采集到的各种信息、正在执行的控制操作、内部自诊断结果即时送上主机。接受主机的时间设定值和GPS时钟同步信号。接受主机的P、Q设定值及控制命令等。
2) 机组LCU与微机保护装置的通信。通过RS485总线将运行状态、报警等 信号采集并传送到厂级监控层主机。
3) 与其他设备的通信。LCU能够通过硬布线的方式，将调速器、励磁装置的运行状态、报警等信号采集并传送到厂级监控层主机。
2.7 准同期功能
机组LCU上装的微机准同期装置可以万无一失地捕捉到第一次出现的准同期时机，而且能绝对保证发电机在无相差的情况下并入电网。由于采用深圳智能公司生产的最新型的SID-2CV全中文智能准同期装置，主机和LCU可通过RS485接口与准同期装置直接通信，实行远程监视。
3 公用和开关站LCU功能
由于公用和开关站LCU采用与机组LCU相同的控制结构及设备，因此，其数据采集与处理，控制与操作，人机接口，自诊断，通信等方面的基本功能，与机组LCU大致相同。公用LCU有两面盘柜，第一面盘柜主要安装PLC、操作面板，完成数据采集和控制。第二面盘柜主要安装全部开出量中间继电器、GPS、线路准同期装置等。综合电量变送器安装在开关站现地屏上。UPS及电池安装于计算机室。
3.1 公用LCU监控项目
1） 2台厂用变高低压侧断路器；主变的高低压侧断路器、隔离开关及隔离刀闸；2回110KV断路器、隔离开关及隔离刀闸；400V厂用电I－－-II段母线联络开关；厂用电至闸坝的电源断路器；6.3KV母线至船闸的电源断路器；10KV外接电源变压器，高低压侧断路器。
2） 1~2号技术供水水泵； 1~2号渗漏水泵；1~2号消防泵；1~2号中压气机；1~2号低压气机；火灾报警控制器总火警信号。对1~2号技术供水水泵、 1~2号渗漏水泵、1~2号中压气机、1~2号低压气机等公用设备的数据采集，公用LCU可通过Genius总线和以上设备相联。在公用LCU的I/O点设计时暂不考虑。
3） 上下游水位；上下游水位差；直流母线电压。
4） 1~2号厂变；1~2号船闸变的有功电度；110KV线路的有功及无功电度；1~2号主变高压侧有功及无功电度；有功及无功电度的测量方法同机组LCU。
3.2 公用LCU控制流程
主要控制流程有以下几个：
厂变高压侧断路器控制流程；
厂用电I、II分段，断路器控制流程；
110KV线路断路器控制流程；
110KV线路隔离刀闸控制流程；
主变110KV高低侧断路器控制流程；
主变110KV高低侧隔离刀闸控制流程；
故障、事故音响处理流程。
4 结束语
广东省梅县丹竹水电站计算机监控系统在系统实施过程中广泛应用了自动控制技术、计算机技术、数据库技术、总线技术等，提升了整个水电站的自动化监测和控制水平，提高了系统控制的安全性、可靠性，实现了工程管理的科学化、现代化，充分发挥了工程经济效益和社会效益。从现在已投入的系统
关键词：现地控制单元；顺序控制；准同期
1 前言
广东省梅县丹竹水电站位于梅州市境内，是梅江干流中的一个梯级。电站内装设4台灯泡贯流式水轮发电机组。单机容量为8500KW，发电机额定电压6.3KV，额定功率因素0.9，电站采用扩大单元（两机一变）接线方案。电站共装设2台主变压器，高压侧电压为110KV，两回110KV线路接入梅州110KV电网。该电站机组已经投产发电。配置五套LCU，分别为机组LCU1, 机组LCU2, 机组LCU3, 机组LCU4,和公用/厂用电/开关站LCU。所有LCU均以GE90-30PLC 为核心进行实时数据采集和处理，顺序控制，和提供（机组）有/无功调节，事故追忆和提供现地人机界面等功能。在PLC梯形逻辑编写和调试过程中，充分考虑了软件的可移植性和通用性，软件按功能划分，既为一个整体又相互独立。
系统接受梯调的调度指令，实现AGC、AVC、厂内经济运行、自动监测和闭环控制，提高电厂运行经济效益，提高电厂安全运行水平，改善职工运行条件及提高电能生产的质量。现地级监控层LCU直接控制和监视主设备的运行，在整个系统中，它作为一个智能终端，但也可以作为独立的装置单独运行。
2 现地级机组LCU的功能
2.1 数据采集及处理
1) 开关量采集及处理
状态开关量的采集及处理：机组LCU按周期扫查全部开入量，进行状态检查，更新数据库，在开关量发生变位时，可以产生事件记录，并根据控制流程进行动作处理或接点复归处理。处理内容事先由设计人员根据机组的运行要求编写在控制流程之中。当事故类信号变位时，LCU根据流程控制机组进行事故停机。如属于故障类信号变位时，LCU则进行登录和报警处理。所有事件记录，流程的执行情况不仅保存于机组LCU，还全部送厂级监控层。在状态开关量中，有一种综合开关量，这实际是一种若干个开入量按一定逻辑关系得到的一个中间变量，此量可供其他LCU或装置使用，如机组空载状态，机组发电状态等即属于这一类，往往以开出的方式引出，或仅作为LCU本身内部的一个宏变量供流程使用。机组LCU状态开关量共有90多个，这些量包括：断路器的开/合，导叶的位置，油位的高低，油泵的启、停等。
中断开关量的采集与处理：中断开关量具有中断能力，响应速度快（<10ms），可按其变位发生时间的先后形成事件顺序记录。水轮机、发电机、瓦温过高、压力油泵、过速信号、机组的励磁、保护等事故信号作为中断开关量输入，共20多点。机组LCU一旦收到这些表明机组发生事故的信号，会立即中断当前的工作，快速转到事故流程进行处理。并按要求形成事件顺序记录。
脉冲量采集与处理：每台机组LCU为2路脉冲量，分别采集机组有功和无功电度。脉冲信号分别取自有功及无功脉冲电度表，根据每台机组的PT/CT变比和脉冲电度表每度的脉冲个数，即可计算出每台机组的电度累加值。计算结果可与电磁式电度表计值进行比较和修正，以保证计量的准确性。
2) 模拟量采集与处理
交流模拟量：通过GE程90-30的PTM模块实现机组的交流采样，采集参数包括：电压、电流、有功、无功、频率、功率因素等电量。
一般模拟量：主要包括直流电量及非电量性模拟量（温度量除外），主要有：转子电流及电压、导叶开度、差压、机组的工作水头等信号。这些信号由变送器转换为4~20mA信号供PLC采集。
温度量：温度量将采用48路智能温度巡检装置进行采集，采用二线制接线方式输入，测温电阻为PT100，采集对象包括水轮发电机空气冷却器、发电机定子、轴承等共计30多路。温度巡检装置根据测温电阻在不同的温度下具有不同电阻值的原理，将电阻转换成相应的电量供计算机处理。PLC将通过RS485接口定时进行采集。根据运行需要，设置以上模拟量低低限（LL）、低限（L）、高限（H）、高高限（HH）报警值，系统提供越复限报警及处理功能。
2.2 控制与操作
机组LCU可以接受上位机或LCU操作面板上的输入命令，执行相应操作。机组LCU都是通过其开出继电器的空接点去动作现场设备，共使用单接点形式的开出点50多点，分别作用于各种管路的电磁阀、电路的断路器、高压油泵、润滑油泵、漏油箱油泵的电动机等现地设备输入点。
机组的控制操作需要编写以下主要流程：
1) 机组顺序控制流程。该流程包括以下几种工况：停机—空载；空载—发电；发电—空载；空载—停机。
2) 紧急停机流程。
3) 发电组事故报警流程。
4) 发电组事故报警及停机流程。
5) 高压顶起油泵控制流程。
6) 润滑油泵控制流程。
7) 漏油箱油泵控制流程。
8) 故障、事故音响处理流程。
9) 其它流程。
2.3 机组的有功和无功调节
LCU装置对机组有功（P）、无功（Q）调节是根据LCU控制面板或主机设置的P、Q值，通过对机组的导叶开度和励磁电压进行调节，使机组按给定的P、Q值运行。对于P、Q的调节，LCU输出的调节量采用脉宽的方式，调节脉冲均通过中间继电器输出给微机调速器和微机励磁调节器，在P、Q的调节中还设立了发电机电压、电流、P、Q负荷差等多种调节保护，确保P、Q调节在安全的范围内进行。PLC直接通过以太网与厂级网络进行通讯，可确保当现地LCU中操作面板出现故障，监控系统仍能从远方监控所控设备（包括机组开、停机控制、增减有、无功率等）。
2.4 人机接口
机组LCU配置操作面板作为人机交互的窗口。运行人员通过操作面板可以进行机组的启、停，断路器的分、合，有功、无功的给定等多种操作。对于操作中的错误或不合法的命令，LCU拒绝控制命令的执行。对合法的命令，显示控制的过程及最终结果。在操作面板上可对机组的动作情况和当前的工作状态以及各种电流、电压量、温度量、有功、无功值进行监视，LCU的这种完整的操作显示功能使它即使脱离上位机仍能独立运行。操作面板发生故障，不影响系统的正常运行，主机仍能对机组LCU进行监控。
2.5 诊断功能
机组LCU具有对本身的硬件及各控制单元进行全面的保护性自我检验功能，并根据检验结果采取相应的保护性措施，防止出现不良结果。LCU同时向主机报告诊断的结果，根据自诊断记录，值班维护人员可以了解LCU装置工作是否良好，指导处理异常情况。
2.6 通信功能
1) 机组LCU与厂级监控层的通信。通过以太网实现，通信的主要内容有：将LCU采集到的各种信息、正在执行的控制操作、内部自诊断结果即时送上主机。接受主机的时间设定值和GPS时钟同步信号。接受主机的P、Q设定值及控制命令等。
2) 机组LCU与微机保护装置的通信。通过RS485总线将运行状态、报警等 信号采集并传送到厂级监控层主机。
3) 与其他设备的通信。LCU能够通过硬布线的方式，将调速器、励磁装置的运行状态、报警等信号采集并传送到厂级监控层主机。
2.7 准同期功能
机组LCU上装的微机准同期装置可以万无一失地捕捉到第一次出现的准同期时机，而且能绝对保证发电机在无相差的情况下并入电网。由于采用深圳智能公司生产的最新型的SID-2CV全中文智能准同期装置，主机和LCU可通过RS485接口与准同期装置直接通信，实行远程监视。
3 公用和开关站LCU功能
由于公用和开关站LCU采用与机组LCU相同的控制结构及设备，因此，其数据采集与处理，控制与操作，人机接口，自诊断，通信等方面的基本功能，与机组LCU大致相同。公用LCU有两面盘柜，第一面盘柜主要安装PLC、操作面板，完成数据采集和控制。第二面盘柜主要安装全部开出量中间继电器、GPS、线路准同期装置等。综合电量变送器安装在开关站现地屏上。UPS及电池安装于计算机室。
3.1 公用LCU监控项目
1） 2台厂用变高低压侧断路器；主变的高低压侧断路器、隔离开关及隔离刀闸；2回110KV断路器、隔离开关及隔离刀闸；400V厂用电I－－-II段母线联络开关；厂用电至闸坝的电源断路器；6.3KV母线至船闸的电源断路器；10KV外接电源变压器，高低压侧断路器。
2） 1~2号技术供水水泵； 1~2号渗漏水泵；1~2号消防泵；1~2号中压气机；1~2号低压气机；火灾报警控制器总火警信号。对1~2号技术供水水泵、 1~2号渗漏水泵、1~2号中压气机、1~2号低压气机等公用设备的数据采集，公用LCU可通过Genius总线和以上设备相联。在公用LCU的I/O点设计时暂不考虑。
3） 上下游水位；上下游水位差；直流母线电压。
4） 1~2号厂变；1~2号船闸变的有功电度；110KV线路的有功及无功电度；1~2号主变高压侧有功及无功电度；有功及无功电度的测量方法同机组LCU。
3.2 公用LCU控制流程
主要控制流程有以下几个：
厂变高压侧断路器控制流程；
厂用电I、II分段，断路器控制流程；
110KV线路断路器控制流程；
110KV线路隔离刀闸控制流程；
主变110KV高低侧断路器控制流程；
主变110KV高低侧隔离刀闸控制流程；
故障、事故音响处理流程。
4 结束语
广东省梅县丹竹水电站计算机监控系统在系统实施过程中广泛应用了自动控制技术、计算机技术、数据库技术、总线技术等，提升了整个水电站的自动化监测和控制水平，提高了系统控制的安全性、可靠性，实现了工程管理的科学化、现代化，充分发挥了工程经济效益和社会效益。从现在已投入的系统
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