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生产过程自动化华中科技大学水电与数字化工程学院1.概论1.1水电站在电力系统中的作用电源电力系统电网火电水电核电风力与潮汐发电输电线路变电站负载电力系统的组成：水电站生产的特点：水能是一种非常优越的能源水能是一种再生能源水能是一种洁净能源水能可以综合利用水电能源可以储备电能无法储存，发电与用电必须保持平衡。为了协调发电与用电的矛盾，利用水库对河川的径流进行调节，即利用水库先把输入的水能储蓄起来，然后按照系统的需要供水电站使用。另外，抽水蓄能电站可以把水能转换成为电能，还可以把电能转换成为水能。担负电力系统的调峰、调频任务由于电力系统的发电和用电必须保持平衡，但用电在一天内的波动很大，因此系统中应有一部分机组担任调峰、调频的任务。火电机组启动、停机慢，高效率区域窄，不益担任电力系统的调峰、调频任务；水电机组启动、停机快，高效率区域宽，且操作方便，益担任电力系统的调峰、调频任务。担负电力系统的事故备用备用容量=系统可用电源容量-发电负荷；由于水电机组具有启动、停机快的特点，故宜于承担电力系统的事故备用容量。担负电力系统的调峰、调频任务由于电力系统的发电和用电必须保持平衡，但用电在一天内的波动很大，因此系统中应有一部分机组担任调峰、调频的任务。火电机组启动、停机慢，高效率区域窄，不益担任电力系统的调峰、调频任务；水电机组启动、停机快，高效率区域宽，且操作方便，益担任电力系统的调峰、调频任务。担负电力系统的事故备用备用容量=系统可用电源容量-发电负荷；由于水电机组具有启动、停机快的特点，故宜于承担电力系统的事故备用容量。备用容量包括负荷备用、事故备用和检修备用。负荷备用：用于调整系统中短时的负荷波动，并满足计划外负荷增加的需要，一般为系统最大负荷的2—5%。事故备用：用于代替系统中发生事故和故障的发电设备的工作，以便维持系统的正常供电，一般为系统最大负荷的5—10%。检修备用：为检修发电设备而设置的。1.2水电站自动化的目的自动化程度是水电站现代化水平的重要标志之一，同时自动化技术又是水电站安全经济运行必不可少的技术手段。随着机组容量的不断增大，自动化技术对水电站安全经济运行起着越来越重要的作用。水电站自动化是指：应用先进的控制技术、计算机技术、通讯技术和优化技术等，使水电站生产过程的操作、控制和监视能够在无人和少人参与的情况下，按照预定的计划或程序自动的进行。实现水电站自动化的目的：提高水电站运行的可靠性实现水电站自动化以后，通过各种自动装置能够快速准确和及时地进行检测、记录和报警，当出现不正常工作状态时，发出相应的告警信号，通知运行人员及时地加以处理；发生事故时，能够自动紧急停机或断开发生事故的设备，并可自动投入备用机组或设备。保证电能质量电能质量的两个最主要的指标是电压和频率：ΔU≤±5%Ur;Δf≤±(0.2-0.5)%fr由于电力系统的负荷是随时在变化的，要维持电压和频率在规定的范围内，可以通过自动装置可以快速而准确地调整机组的有功和无功，来保证高质量的电能质量。特别是在事故情况下，通过自动装置快速的调节和控制对迅速恢复电能质量具有决定性的意义。提高水电站运行的经济性水电站的经济运行是指：通过自动化装置或系统合理地制定水电站的运行计划，在保证水电站发电设备安全的前提下，满足电网调度需要，获取最大的发电效益，最大限度地延长设备的使用寿命。提高劳动生产率应用自动装置和系统来完成水电站运行中的各项任务，减少运行人员直接参与操作、控制、监视检查和记录等工作，改善了劳动条件，减轻了劳动强度，提高了运行管理水平。1.3水电站自动化的内容自动控制水电机组的运行方式，实现开、停机和并网、发电转调相或调相转发电等过程的自动化实现水电机组的安全经济运行实现对包括主变、母线和线路等主要电气设备的控制、监视和保护完成对水工建筑物运行工况的监视与控制水电站自动化是各种自动化装置和系统来完成的。其中：基础自动装置（或系统）用于完成对发电设备进行某项特定控制或检测任务的装置（或系统）。如：水轮机调速器、自动励磁调节器、温度巡检装置等。综合自动装置（或系统）用于实现对水电站或发电设备进行某项综合控制的装置（或系统）。如：频率－电压成组调节装置、电压－无功成组调节装置、闸门控制系统等。从控制论的角度看水电站的自动控制装置（或系统）可分为：顺序控制如用于完成机组自动开、停机组控制的机组自动装置等。恒值控制如用于完成机组转速调节任务的水轮机调速器和用于完成机组电压调节任务的自动电压调节器等。跟踪控制如用于完成泻洪流量控制任务的闸门控制系统等。1.４水电站自动化技术的发展情况广泛采用计算机控制技术微机调速器、微机调节器、微机保护和计算机监控系统等。采用现代检测技术和信号分析技术采用新型传感器和振动信号分析技术。应用先进控制技术应用智能控制、非线性控制、模糊控制等。应用网络通讯技术和数据库技术应用现场总线、局域网和远动技术。应用现代制造技术应用现代机械液压随动系统、整流器、软启动器等。1.5计算机技术在水电生产过程中的应用计算机技术在水电生产过程中最重要的应用是计算机监控系统，主要完成自动检测、优化计算、自动控制、自动事故处理和运行管理的任务。计算机监控系统具有控制功能完善，数据处理方便，操作显示集中，运行安全可靠的特点。它是由计算机技术、信号处理技术、测量技术、网络通讯技术和人机接口技术相互发展和渗透而产生的。与常规控制系统相比，具有显著的优越性。目前，我国大中型水电站广泛地应用了的计算机监控技术，并在水电生产过程中发挥了重要作用。水电站计算机监控技术发展概况水电站计算机应用的初创时期（60年代）：计算机只是起到“离线”的应用，即计算机与控制对象没有直接的联系，运行人员将水电站运行中的参数（如：水位、流量、电压、频率等），经计算机的外设输入到计算机，由计算机根据预先编制的数学模型和程序进行综合分析计算和逻辑判断后得到优化运行方式，然后经计算机的输出设备显示或打印出来，运行人员根据计算结果操作和调节运行设备。集中式计算机控制系统的发展时期（60年代中－７０年代中）：到了这个时期，由于在计算机上提供了与过程装置之间的接口，人们开始试验用直接的方法使计算机与控制对象直接的联系，并获得成功。计算机配上变送器、执行器和信号连接装置就完全可以实现对水电生产过程的控制。中央计算机ＡＩＤＩＤＯＡＯ水电生产过程变送器执行器集中式计算机控制系统把几十个甚至几百个控制回路以及上千个过程变量的显示、操作和控制集中在单一计算机上来实现，其优点为：控制功能齐全，可以实现常规控制难以实现甚至不能实现的功能和最优控制、联锁功能等复杂控制。但是，它存在三个主要问题：第一是集中的脆弱性问题，单台计算机控制几十到上百个回路，把危险也集中了，一旦发生故障，将导致生产过程的全面瘫痪；第二是性能问题，单台计算机的速度和容量不够，负载过重；第三是开发问题，由于技术进步，不断提出新的要求，使软件越来越复杂，造成开发人员需求上的短缺和开发周期的不断增加。目前，小型电站仍可采用集中式计算机控制系统。早期的水电站分层计算机监控系统（70年代中－８０年代末）：集中型计算机控制系统存在的问题促使计算机监控系统向分散化发展，由此产生了监督计算机控制系统（ＳＣＣ，SupervisoryComputerControl)。ＳＣＣ由二级计算机组成，第一级计算机与生产过程连接，取代常规仪表和控制器承担测量和控制任务；第二级计算机根据水电站生产过程的工况信息和数学模型进行计算，给第一级计算机提供最优控制的信息。第二级计算机第一级计算机常规控制器水电生产过程人机界面分层分布式计算机监控系统（９0年代后）：水电站电力生产管理的集中性和控制的分散性这一实际需要，要求水电站计算机控制系统采用分层分布式结构。这种结构与水电生产过程的管理结构相一致，一般分为三级：过程控制（仪表）级、控制管理（现地控制）级、生产管理（电站）级。各级既相互独立，又相互联系。电站级计算机系统┅控制器控制器控制器┅局域网现地级控制系统控制器控制器控制器┅现地级控制系统控制器控制器控制器┅现地级控制系统分层分布式计算机监控系统是应用计算机技术对水电生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。该系统概括起来是由集中管理部分、分散控制检测部分和通讯部分组成。其中：集中管理部分主要用于计算机控制系统的组态和维护，水电生产过程的监视、操作、信息管理和优化控制；分散控制检测部分用于现地级单元的控制和监测；通讯部分连接计算机控制系统的各个分布部分，完成数据、命令及其它信息的传递。计算机监控系统的类型与结构计算机监控系统可分为以下几种类型：取消常规控制设备的系统，即全计算机监控系统。主控级应采用双机热备；以计算机为主，常规控制系统为辅的监控系统。主控级可采用双机或单机；以常规控制系统为主，计算机为辅的监控系统。主控级可采用单机。现地级计算机的设置原则是：每台机组设一台，置于机组旁；全厂公用部分至少设一台；根据需要，可设一台负责闸门启闭控制和水位监视的单元，置于坝上。水电站计算机监控系统采用分层分布式结构时，可以采用的网络结构有如下几种：星型结构：各工作站由点对点链路连接到公用交换中心。星的中心起着控制器的作用。网络上的工作站间交换信息都要通过中央控制器。这种拓扑结构体现了一种集中式通讯策略。交换中心节点相当复杂，但各站通讯处理负荷较轻。其缺点是中央控制器故障时会导致整个网络的通讯中断。中央控制器工作站工作站工作站工作站环型结构：网络上的所有节点都通过点对点链路连接，并构成封闭的环。线路上的信息按点对点的方式传输，即由一个工作站发出的信息只传送到下一个节点。若该节点不是发送信息的目的站，就再把信息传递到下一个节点，重复这个过程，直到发送的信息到达目的站为止。环型结构的双向传送信息可以提高网络的可靠性。工作站工作站工作站工作站总线结构：网络上的所有节点都通过硬件接口直接连接到线状传输介质（光钎、双绞线等）。任何一个工作站的发送信息都在介质上传播，并能被所有其它节点所接收。因为所有节点共享一条传输链路，所以在某一时刻只有一个节点能发送信息。因此，对介质的访问应规定某种控制协议。工作站工作站工作站工作站工作站2.1水轮发电机的并列方式1）同步发电机在电网中并列运行的概念正常情况时，在电力系统中并列运行的同步发电机是以相同的电角速度、出口的折算电压相等的情况运行，称为并列（或同步）运行。由许多同步发电机并列运行组成的电力系统相对于孤立网来讲，具有以下优点：可以提高供电的可靠性；可以提高供电的电能质量；可使负荷分配更为合理；减少电力系统的备用容量，并充分利用各种动力资源。2.水轮发电机的自动并列水轮发电机在投入电力系统并列运行以前，与系统中的其它发电机是不同步的，如果要使它与系统中已运行的发电机并列运行，则必须按一定的要求完成各种操作。这种将发电机投入电力系统并列运行的操作，称为并列操作或同期操作。用于完成并列操作的装置称为同期装置。由于同步发电机在开机时必须有并列操作，因此并列操作是水电站一项重要且经常进行的操作。在正常运行时进行并列操作，以便使机组投入系统并列运行；在系统或电站事故时，通过并列操作来迅速恢复水电站甚至整个系统的正常运行。水轮发电机有准同期和自同期两种并列方式，并且又分为手动操作和自动操作：自动（或手动）操作准同期自同期2）准同期准同期操作的过程：满足打开机组导叶到空载位置发电机接近同步转速发电机投入励磁调节水轮发电机的电压和转速判断发电机是否满足并列条件将机组投入系统并列运行不满足同步发电机并列的条件：发电机与电力系统的相序相同；发电机与电力系统的频率相同；发电机与电力系统的电压相同；发电机与电力系统的相位相同。如果完全满足并列条件的并列操作，发电机定子回路的电流将为零，对机组将不会产生电流或电磁力矩的冲击。但是，在实际操作中很难精确满足并列条件。实际上，只要造成的电流冲击和电磁力冲击不超过允许范围，就不会对机组造成危害。非同期并列操作可能使机组严重损坏：如果相位差为180