CN103728949B - 一种水电机组一体化控制装置 - Google Patents

Abstract

一种水电机组一体化控制装置，由机组主体控制单元、机组保护控制单元、机组励磁控制单元、机组远动通信控制单元，机组GPS对时单元，机组现地控制单元，仿真闭环测试单元以及机组分析单元等模块组成。本发明在满足常用基本功能的基础上，将主要功能单元进行了一体化高度集成，充分满足了小水电增效扩容的技术经济性要求，具有集成度高、适用性强、性价比高的特点。本发明针对农村小水电的实际特点，基于统一的硬件平台，实现了机组控制的各种功能，主体控制单元内部统一了通信接口，优化了系统结构，降低了系统成本，适用于小型水电机组的监视与控制。

Description

一种水电机组一体化控制装置

技术领域

本发明属于工业控制技术领域，具体地涉及一种水电厂机组一体化控制装置的实现方案。

背景技术

我国水力资源丰富，水电作为清洁能源得到了国家的大力支持，目前全国大约有5万座左右的水电站在运行。其中1995年以前建成的水电站，容量较小，受到当时的自动化技术的限制，自动化水平普遍比较落后，发电机保护、水电机组控制器普遍采用继电器的方式实现，远远落后于目前的水电计算机监控系统的技术发展现状。

同时，小型的水电站在保证技术性能的前提下，对系统的性价比具有较高要求，所以大中型水电监控系统的技术方案用于小型水电站是行不通的。

国内研究机构及厂家针对小型水电站也提出了一些解决方案。

市场现有的水电一体化控制器硬件平台不统一、通信接口不统一、信号不同功能单元重复采集，与保护、控制、励磁、调速等各个功能单元不同厂家制造、并设计相互独立所置，而本产品设计时各功能单元采用统一硬件平台、对资源进行了统一管理。

市场现有的水电一体化控制器在追求经济性的同时，会牺牲调节性能和可靠性，而本装置调节性能满足水电机组控制的行业标准；

市场现有的水电一体化控制器，没有考虑远程调试、远程维护的功能，难以提高远方技术支持手段；

市场现有的水电一体化控制器没有考虑AGC、AVC的接口，随着机网协调的不断普及，这种需求越来越迫切；

市场现有的水电一体化控制器缺乏很好的仿真调试手段，存在着无法进行一体化装置离线闭环测试的问题；

发明内容

为了解决现有技术中存在的以上问题，本发明公开了一种水电机组一体化控制装置的实现方法。

本发明具体采用以下技术方案：

一种水电机组一体化控制装置，包括机组主体控制单元、机组励磁控制单元、机组保护控制单元、机组GPS对时单元、机组远动通讯控制单元、机组现地控制单元模块、机组仿真闭环测试单元、机组分析单元等结构构成。其中机组主体控制单元处于本装置的核心地位，与励磁控制单元，保护控制单元，GPS对时单元，远动通讯控制单元，现地控制单元等模块的进行数据交互和指令传输。仿真闭环测试单元，机组分析单元模块通过采集机组主体控制单元的数据信息，实现各自的测试分析功能。

本发明还进一步包括以下优选技术方案：

所述机组主体控制单元包括通过通用IO功能模块与机组主体控制单元的控制器相连的交流采样模块、残压测速模块、温度巡检模块、同期模块、无线通讯等专用功能模块相连，各模块通过导轨安装固定在一体化控制装置内部，并在机组主体控制单元内部统一通信接口。

所述励磁控制单元与机组主体控制单元相连，采用分块设计，将励磁控制屏、晶闸管整流屏、灭磁开关等硬件模块布置在一体化控制装置的前端，支持采用无刷励磁控制方式完成对机组的起励、调节、灭磁控制功能。

所述机组保护控制单元与机组主体控制单元相连，采用分块设计，由发电机控制模块、断路器操作模块、操作显示器、装置CT四部分组成；其中装置CT、发电机控制模块、断路器操作模块采用导轨安装方式固定在一体化控制装置内部，操作显示器用卡扣在屏柜前端上卡紧，用装置附带的电缆连接操作显示器与发电机控制模块连接。

所述GPS对时单元可接受GPS信号，同时跟踪多颗卫星，获取标准时间，并可把标准时间信息传送到机组主体控制单元模块的控制器，同步一体化控制装置的系统时间；GPS对时单元还提供了秒脉冲、RS232与RS485等3种与机组主体控制单元模块的控制器和机组分析单元通讯的方式秒脉冲的功能为每整秒开始时，提供一个长度为200ms的高电平脉冲；RS232与RS485的功能为每整秒发送一串54字节的对时报文，内含时分秒等信息。

所述远动通讯控制单元实现了远动与通信管理机的一体化，一方面通过各种通讯规约接入水电机组一体化控制装置所集成的机组主体控制单元、保护功能单元、励磁控制单元；另一方面还可以通过IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、CDT等多种远动通讯规约转出与调度端进行数据通讯。水电机组一体化控制装置还预留了AGC和AVC功能的接口，满足用户的特殊需求；通信方式上针对农村水电的特点支持专用数据网及远程无线通信，提供了信息远程无线传送控制接口。

所述现地控制单元采用了手动控制按钮和触摸屏终端两种方式来实现与机组主体控制单元间的通讯，该现地控制单元均布局在所述一体化控制装置的前屏，触摸屏终端与机组主体控制单元通过MODBUSTCP通讯规约进行数据交换，实现对机组的现地控制。

所述仿真闭环测试单元与机组主体控制单元相连，通过仿真闭环测试逻辑软件来实现仿真闭环测试功能，在控制逻辑中设置了仿真测试与实时运行两种工况功能切换按钮。

所述机组分析单元通过对机组的相关数据信息整理、分析，过滤出事故信息和报警信息，生成详细的事故关联、顺序、组合分析报告，对与事先定义的事件相关联的数字量、模拟量、操作日志、报警信息等，按照时标进行图形、曲线、报告一体化分析事故原因。

本发明具有以下有益效果：

在保证自动化控制器高性能的前提下，同时降低了水电机组一体化控制器的成本，具有实用性。

附图说明

图1是本发明的水电一体化控制装置结构框图。

图2是典型的水电一体化控制装置实现方案图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的技术方案进一步说明。

如图1所示为水电一体化控制装置结构框图。

水电机组一体化控制装置的机组主体控制单元，基于统一硬件平台，实现了通用IO采集硬件模块，温度巡检模块、测速模块、交流采样模块，同期模块，无线通讯模块的一体化。信号采集按照一体化装置统一考虑，避免信息重复采集，电源部分接口灵活，交直流通用，110V、220V自适应。机组主体控制单元各硬件模块的详细说明如下所示：

通用IO采集模块采用CSC-830控制器系列的IO采集硬件，可扩展15个本地I/O硬件模块，并可通过通讯，扩展多个从站单元。

交流采样模块取代了传统的变送器，具有集成度高、采集信息丰富的智能化特点，提供了四路电压输入和四路电流输入，在电压信号采集接口设计上模块内置PT，可兼容相电压57.74v和220v两个量程，电流信号采集接口设计上通过外置CT来测量电流，同时也可作为一路三相电能测量模块或三路单相电能模块使用。交流采样模块提供4路交流电压4路交流电流通道，主要完成现场A、B、C、0四相电压电流基本有效值,A、B、C三相有功功率和无功功率，A相电压电流信号频率信号采集工作。本模块可以测量一路三相信号：Ua+与Ua-为A相电压输入，Ub+与Ub-为B相电压输入，Uc+与Uc-为C相电压输入，U0+与U0-用于测量零序电压；Ia+与In为A相电流输入，Ib+与In为B相电流输入，Ic+与In为C相电流输入，I0+与I0-用于测量零序电流。同时前三路电压和电流信号可以计算单相功率。通过P=PA+PB+PC可以计算三相总有功功率。通过Q=QA+QB+QC可以计算三相总无功功率。本模块也可以测量单相信号：Ua+与Ua-、Ub+与Ub-、Uc+与Uc-、U0+与U0-用于测量4路单相电压信号；Ia+与In、Ib+与In、Ic+与In、I0+与I0-用于测量4路电流信号。同时前三路电压和电流信号可以计算单相功率。

测速模块针对谐波污染的信号源进行了处理，市场上现有产品电气残压测速模块当谐波污染较大时不可靠，有些水电站周围有钢铁等电气污染大户，电能质量很差，引起测速模块测量结果波动很大，从而引起水电监控系统误动，引起跳机。本模块在设计上采用外接转速脉冲传感器、电压互感器信号，信号测量电路有隔离、放大、整形功能，两路信号完全独立。当齿盘信号断线时，自动切换到PT信号，0.3v到250v范围内的信号电压能长期可靠工作，300v内也能短时工作。测速齿盘将其方波信号输入单片机，在换算成对应的频率、转速、转速百分比等信息送给上位机。测速装置在机组各转速点输出开关信号和机组转速对应的模拟量信号。同时还具有机组蠕动报警功能，当机组停机发生蠕动时，发出蠕动报警信号。

温度巡检模块采用智能切换技术实现了温度巡检，针对农村小水电巡检通道有限的实际特点，有效解决了市场上巡检装置不可靠的问题。本模块主要完成现场热电阻信号的采集与处理，模块上的CPU负责进行数据的运算和处理，同时其也通过扩展总线与主控制器模块进行通信。热电阻的引线采用三线制接线方式，保证数据采集的精度。本模块整体结构设计上采用两层板卡通过级联端子连接而成。具有12路热电阻采集功能，12路通道之间不隔离，输入信号经限幅、滤波及信号处理后送入ADC进行模数转换，ADC和CPU之间电气隔离，用SPI总线传输数据，提高了数据采集的可靠性。

SOE（事件顺序记录）的处理，开入模块发生SOE时主动上送，无需在控制器组态，实时性高，分辨率达到2ms，上位机接收到报文后实时显示，而市场上同类产品的SOE功能实现均不实现SOE报文主动上送，需要在PLC控制器中采用组态、编程的方式实现。

水电机组控制器的组态方面，采用了标准化技术，配置灵活，针对不同配置的小机组，采用虚点和实点分离的技术，实现了通用性，减少了工程调试、维护工作量。

水电机组一体化控制装置的机组保护控制单元，基于统一平台，实现了主保护、后备保护一体化，保护装置与操作箱一体化。

针对农村小水电的发电机保护，从经济性而言既不能采用大机组主保护、后备保护、操作箱独立设置的方案，同时也不能追求低成本在功能上、可靠性方面大幅裁减。本保护装置由发电机控制模块模块、断路器操作模块、操作显示器、装置CT四部分组成，整个装置具有体积小、结构紧凑、安装方便等特点

针对农村水电发电机容量小的特点，基于统一的硬件平台，实现了小型发电机主保护和后备保护的一体化设计。

具备了一体化的操作箱功能

-实现对高压开关的操作，实现防跳功能，防跳回路可解除；

-跳合闸电流自适应；

-监视跳、合闸回路，具有控制回路断线告警功能；

-断路器位置继电器TWJ、HWJ，反映断路器的状态；

-跳闸保持、合闸保持。

1)保护定值、故障录波支持远程维护功能。

具备远方查看下传装置定值功能，方便了装置的维护；

故障录波功能，录取故障时模拟量、开入量、状态量，为事故分析提供支持；

2)提供Profibus DP/RS485(Modbus)现场总线接口,为用户提供完善的组网方案；

发电机保护控制单元可采用2种不同的通信接口对外通信组网，每种通信方式均可用双通道与主站进行数据交换，增强通信的可靠性，可以通过整定改变接口的规约类型，使用灵活方便。

3)故障事件记录，为运行优化和事故分析提供数据信息；

装置保存最近200次的保护跳闸事件，包括保护动作原因、动作参数、发生时间（年、月、日、时、分、秒、毫秒）。所有上述记录数据都保存在非易失存储器中，掉电后数据不丢失。不但可通过操作显示器查阅历史记录，也可通过通信方式来读取历史记录。

4)电磁兼容性能，为装置稳定运行提供了保障。

单独组屏的励磁控制系统在国内市场是比较成熟的，但针对农村小水电的具体情况，机组容量小，尤其对于采用无刷励磁的低压机组而言，励磁容量小，在方案上励磁电源采用了机端PT，代替了励磁变，并且采用了与机组控制器、机组保护一起组屏的方案，节省了空间、节省了造价、系统更加紧凑、但并没有降低系统的性能。

农村小水电虽然要求低成本，但是首先要保证性能优异、高可靠性、功能完备，机组励磁控制单元将励磁控制器、整流单元、灭磁回路、灭磁开关等集中组屏，采用了高精度交流采样、更高的控制速度、具备PSS功能。

水电机组一体化控制装置具备仿真闭环测试单元，方便了装置投运前的动态、静态功能闭环测试，建立了水轮发电机、水电厂一次设备、调速器等数字化模型，在调试状态实现自测试功能。

水轮机的数学模型非常复杂，具有很强的非线性特征

$M=f1(y,h,n)=\frac{\∂f1}{\∂y}\·y+\frac{\∂f1}{\∂h}\·h+\frac{\∂f1}{\∂n}\·n$

$Q=f2(y,h,n)=\frac{\∂f2}{\∂y}\·y+\frac{{\∂f2}^5}{\∂h}\·h+\frac{\∂f2}{\∂n}\·n$

其中：M水轮机转矩，Q为水轮机流量，y为导叶开度，h为水头，n为转速，分别为水轮机转矩对导叶、水头、转速的传递系数，分别为水轮机流量对导叶、水头、转速的传递系数，目前很难用解析表达式描述。

本方案采用理想水轮机模型，该模型既考虑了导叶开度对出力的影响，又考虑了引水系统水锤效应，方便用于一体化控制器工艺流程测试：

$\frac{p}{y}=\frac{1-T_w\·s}{1+0.5\·T_w\·s}$

其中：y为导叶开度

P为输出功率

Tw为水锤效应时间常数（0.5～4秒）

另外输出功率P还应该与水头有关，可考虑一个函数f(H)进行修正。

同时建立了水电站、水轮机辅机及调速系统的数字化模型，用于离线闭环测试。

本控制器设计了两种工作模式：

当处于调试模式时，一体化控制器装置的输入信号由闭环测试系统提供，实现对一体化控制器的离线、闭环测试，实现对机组控制器组态、控制策略的正确性进行离线测试，也同时达到了对上位系统实时曲线、历史曲线、报表、日志等各种功能的测试。

当在调试模式完成调试后，切换到运行模式即可投入现场运行，一体化控制器装置的输入信号由现场提供。

远程控制技术，小水电位置偏远，一体化控制设备提供了远程控制接口，用于一体化装置运行状态监护，运行故障排除，远程技术支持等，能够接受远方的调试、查询、维护、诊断。旨在解决工程调试时及运行中的问题，提供更方便快捷的故障排除与技术支持。

互联网的快速发展，使远程监控与操作的实现具备了物质条件；

水电的主子站模式，为远程的使用提供了最基本的应用环境和原始需求。

远程主要由以下三部分构成

-远程中心端：

功能：提供远程维护的操作平台，远程的所有操作均在中心端进行

部署位置：提供远程技术支持及维护的工程师所在端

-远程控制端：

功能：提供远程维护的数据收集及转发

部署位置：工程运行现场的某台pc机，与一体化屏柜相连。

-远程就地端：

功能：收集运行节点数据发送至控制端，接受控制端指令

部署位置：需进行远程维护的现场运行节点

在授权的前提下，能够实现在远方通过远程功能对水电一体化装置进行程序升级、参数修改、在线调试、数据获取、故障诊断等。

远程通信技术，小水电位置偏远，虽然容量较小，但是数量众多，随着电力系统的发展，上级调度中心需要对众多小水电进行监控，而目前与上级调度中心往往没有专用的通道，专线造价高，一体化控制设备提供了信息远程GPRS无线传送接口，能够利用无线通道，实现与远方控制中心的通信功能。

GPRS无线通信接口实现了水电机组的遥测、遥信状态信息的上送，同时接收上级调度中心下发的遥控、遥调控制指令。

提供AGC、AVC应用的接口及功能，参与机网协调，给梯级调度预留接口。

在未来一段时间，随着风电、光伏等新能源不断接入电网，间歇性、随机性及带来的不可控性给电网的运行带来了一些新的挑战，而水电启停快速的调节特性给新能源的运行带来了互补的因素。同时由于小水电位置偏远、容量相对较小，与上级调度中心协调监控的程度很低，目前基本处于不可控、不可观测的现状，但是对于上级调度中心而言，这种需求随着自动化技术的发展越来越迫切。

现地控制单元采用了手动控制按钮部分主要完成紧急停机，开机，停机，复归，就地/远方切换开关等功能，方式通过硬件接线的方式实现

现地控制单元同时采用了触摸屏终端方式来实现与机组控制单元模块间的通讯。该控制单元模块均布局在装置的前屏。触摸屏终端与机组控制单元模块通过MODBUSTCP通讯规约进行数据交换，实现对机组开机，停机，负荷控制，远方/就地切换，开入开出触点状态查询等功能。

机组分析单元，能够实现对控制器事故信息的自动整理，生成详细的事故关联、顺序、组合分析报告，按照时标分析各种事件及事故原因。

智能数据事件分析能够根据运行过程保存的历史数据信息，由用户自定义需要分析的事件，并关联相关参数，实现计算机辅助事件分析，能够按照时标对事件发生的前因后果进行追忆分析。

事故分析以水电机组一体化控制装置的数字量或SOE信号的变位信息为出发点，将其相关的其他数字量、模拟量、操作日志、报警信息在统一的界面中显示，以人机交互的方式形成集图形、曲线、报告一体化的关联、顺序、组合分析结果，供事故分析人员进行事后分析。

如图2所示为基于水电机组一体化控制器实现的针对小水电站的高性价比的解决方案。按照水电机组配置一体化控制装置，实现对机组的控制和保护；另外公用及开关站部分采用开关站一体化控制器实现，其中包括线路保护、变压器保护、开关站测控、公用测控等功能，同时采用一台多点同期装置实现对水电站内多个同期点的自动切换。通过一台嵌入式的远动通信控制单元实现与上级调度中心的通信功能，通信信道支持采用GPRS无线通信、调度数据网等多种方式，控制的方式具备AGC、AVC控制接口，支持机网协调控制。

Claims (7)

1.一种水电机组一体化控制装置，所述一体化控制装置包括机组主体控制单元、机组励磁控制单元、机组保护控制单元、机组GPS对时单元、机组远动通讯控制单元、机组现地控制单元、机组仿真闭环测试单元、机组分析单元等部分基于统一的硬件平台集中整合而成；其特征在于：

所述机组主体控制单元包括通过通用IO功能模块与机组主体控制单元的控制器相连的交流采样模块、残压测速模块、温度巡检模块、同期模块、无线通讯模块，各模块通过导轨安装固定在一体化控制装置内部，并在机组主体控制单元内部统一通信接口；

其中，所述残压测速模块外接转速脉冲传感器、电压互感器信号，两路信号完全独立，当齿盘信号断线时，自动切换到PT信号，残压测速模块还设置机组蠕动报警功能，当机组停机发生蠕动时，发出蠕动报警信号；

所述温度巡检模块采用智能切换技术实现了温度巡检，完成现场热电阻信号的采集与处理，热电阻的引线采用三线制接线方式，保证数据采集的精度；所述温度巡检模块整体结构设计上采用两层板卡通过级联端子连接而成，具有12路热电阻采集功能，12路通道之间不隔离，输入信号经限幅、滤波及信号处理后送入ADC进行模数转换；

所述仿真闭环测试单元与机组主体控制单元相连，通过仿真闭环测试逻辑软件来实现仿真闭环测试功能，在控制逻辑中设置了仿真测试与实时运行两种工况功能切换按钮：当处于调试模式即仿真测试时，一体化控制器装置的输入信号由闭环测试单元提供，实现对一体化控制装置的离线、闭环测试，对控制策略的正确性的离线测试，对上位系统实时曲线、历史曲线、报表、日志各种功能的测试；当在调试模式完成调试后，切换到实时运行模式即可投入现场运行，一体化控制装置的输入信号由现场提供。

2.根据权利要求1所述的水电机组一体化控制装置，其特征在于：

所述励磁控制单元与机组主体控制单元相连，采用分块设计，将励磁控制屏、晶闸管整流屏、灭磁开关等硬件模块布置在一体化控制装置的前端，支持采用无刷励磁控制方式完成对机组的起励、调节、灭磁控制功能。

3.根据权利要求1所述的水电机组一体化控制装置，其特征在于：

所述机组保护控制单元与机组主体控制单元相连，采用分块设计，由发电机控制模块、断路器操作模块、操作显示器、装置CT四部分组成；其中装置CT、发电机控制模块、断路器操作模块采用导轨安装方式固定在一体化控制装置内部，操作显示器用卡扣在屏柜前端上卡紧，用装置附带的电缆连接操作显示器与发电机控制模块连接。

4.根据权利要求1所述的水电机组一体化控制装置，其特征在于：

所述GPS对时单元可接受GPS信号，同时跟踪多颗卫星，获取标准时间，并可把标准时间信息传送到机组主体控制单元模块的控制器，同步一体化控制装置的系统时间；GPS对时单元提供了秒脉冲、RS232与RS485等3种与机组主体控制单元模块的控制器和机组分析单元的接口方式，秒脉冲的功能为每整秒开始时，提供一个长度为200ms的高电平脉冲；RS232与RS485的功能为每整秒发送一串54字节的对时报文，内含时分秒等信息。

5.根据权利要求1所述的水电机组一体化控制装置，其特征在于：

所述远动通讯控制单元实现了远动和通信管理机的一体化，一方面通过通讯规约接入水电机组一体化控制装置所集成的机组主体控制单元、保护功能单元、励磁控制单元另一方面还可以通过IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、CDT等多种远动通讯规约与调度端进行数据通讯，同时水电机组一体化控制装置还预留了AGC和AVC功能的接口，满足用户的特殊需求；通信方式上针对农村水电的特点支持专用数据网及远程无线通信，提供了信息远程无线传送控制接口。

6.根据权利要求1所述的水电机组一体化控制装置，其特征在于：

所述现地控制单元采用了手动控制按钮和触摸屏终端两种方式来实现与机组主体控制单元间的通讯，该现地控制单元均布局在所述一体化控制装置的前屏，触摸屏终端与机组主体控制单元通过MODBUSTCP通讯规约进行数据交换，实现对机组的现地控制。

7.根据权利要求1所述的水电机组一体化控制装置，其特征在于：

所述机组分析单元通过对机组的相关数据信息整理、分析，过滤出事故信息和报警信息，生成详细的事故关联、顺序、组合分析报告，对与事先定义的事件相关联的数字量、模拟量、操作日志、报警信息，按照时标进行图形、曲线、报告一体化分析事故原因。