PLC在中小型水电站监控系统中的应用

摘要:文章主要是研究目前我国中小型水电站常用的配置模式及PLC在中小型水电站监控系统中的应用,研究PLC在现地控制单元(LCU)中的数据采集、数据处理及通讯的功能。

关键词:PLC;水电站;监控系统

可编程控制器(以下简称PLC)是自动控制技术、计算机技术和通信技术3者结合的通用工业自动化装置,在工业生产各领域得到广泛的应用,已成为工业自动化的支柱之一。我国是一个水资源很丰富的国家,各地都有很多中小型水电站。水电站监控系统现已由常规继电器控制模式向计算机监控系统模式转变。很多中小型水电站现还处于电磁式常规控制模式。常规自动控制系统是针对特定的控制对象而构成,不同控制对象的控制系统不相同,当控制对象的保护种类及控制顺序要改变时,则要改变自动控制回路。常规自动控制系统的弱点在于调节性能较差,难以实现对水电站设备的自动调节及巡回检测。整个电站的运行都需要人工调节、参与,甚至部分设备的控制调节依赖于人工经验判断。基于这种运行模式,电站的控制运行的可靠性、可维护性及自动化程度都很低。所以采用PLC用于中小型水电站监控系统中,以提高水电站的自动化水平。

一、水电站监控系统简介

对于一个小型水电站的监控系统来说,在整个操作控制流程中比较重要的是水轮机组的开停机流程控制以及站内油、气、水辅助系统的控制。因此应用PLC进行控制的重点就是水轮机组的开停机流程控制以及站内油、气、水辅助系统的控制。

(一)中小型水电站计算机监控系统设计原则

1、电站计算机监控系统,系统按“无人值班”(少人值守)的原则进行设计,既可实现站内监控,又能实现远程监控。

2、系统高度可靠,实时性好,抗干扰能力强,适应现场环境。

3、选用开放式、全分布的系统结构,系统配置和设备选型适应计算机发展迅速的特点,具有选进性和向后兼容性,充分保护用户的投资。

4、软件采用模块化、结构化设计,保证系统的可扩性,满足功能增加及规模扩充的需要。

5、采用成熟的、可靠的、标准化的硬件、软件、网络结构。

6、监控系统响应速度快,可靠性和可用率高,可维护性好。

7、监控系统人机接口功能强,适应电厂运行习惯操作。

目前大多数设计院和计算机监控生产厂家,对水电站综合自动化系统都是按分层分布开放式,无人值班(少人值守)的运行方式设计,整个系统在物理上分为两层:电站主控层和现地控制层。

(二)中小型水电站计算机监控系统配置模式

1、集中式结构。该模式两层之间的网络结构是基于现场总线或以太网联接的实时通讯网络。其特点就是所有监控功能在一台主机上运行,简单、可靠、造价低、投资少。适用于对监控系统要求不高的小型水电站综合自动化系统。

2、星形网/环网结构模式。采用PLC直接连接以太网的全开放、分层、分布式网络结构。该结构适用于通信协议复杂,协议数较多而PLC通信接口数较少,对监控系统要求较高的中小型水电站综合自动化系统。网络结构为星形网或环网。

3、双机热备模式。双机热备模式用于监控系统可靠性要求极高的中型水电站,可以采用基于以太网联接的冗余组网方式。

二、PLC在监控系统中的应用

(一)PLC的原理简介

在中小型水电站监控系统中,PLC主要用于分站层设备,在水电站中可实现数据采集、控制调节的作用。从广义上来说,PLC也是一种计算机控制系统,只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。所以PLC与计算机控制系统的组成十分相似,也具有中央处理器(CPU)、存贮器、输入输出(I/O)接口、电源等,如图1所示。

(二)基于PLC的本地层

我国将PLC应用于水电厂生产设备的监控始于20世纪80年代,由于PLC一般按照工业使用环境的标准进行设计,可靠性高、抗干扰能力强、编程简单实用、接插性能好,很快被电站用户和系统集成商接受,得到了较好的应用。由于各种PLC的设计原理差异较大,产品的功能、性能以及可以构成现地系统的规模有很大的不同。一般来说,根据不同电站在安全性能(包括可靠性、可维护性等)、应用功能、控制规模、系统结构等方面的实际需求进行选择,还是可以找到合适的PLC的。目前我国很大一部分电站的自动化系统都是采用PLC构成现地控制部分的,通过合理的配置和搭配,它们基本上都能在系统中担负起相应责任,完成相应的功能。

(三)PLC在本地层的实时数据采集功能

PLC在本地层的控制对象有水轮机组、机组辅助控制设备、全站公用辅助控制设备、开关站的断路器控制,本文主要论讨PLC在监控系统中对水轮机组的数据采集。PLC主要采集信号量如下:

1、模拟量采集和处理

一是定时采集。

二是越限检查。

三是保护措施,当PLC检查到某些(以后定义)模拟量超过预先设定的限值时,对被监控的设备采取相应保护措施,如减机组出力、机组解列、停机等。

四是对机组有功、无功、电流、电压量的采集。

2、数字量采集和处理

一是定时采集,状态检查,更新数据库。

二是事件顺序记录与报警。有中断能力的开关量变位时,立即响应,组织事件顺序记录、报警处理等。

三是保护措施,当LCU接收到事故信号时,应根据该事故信号对被监控的设备采取相应保护措施,如减机组出力、机组解列、停机等。

3、电度量采集与处理

机组电度量采集通过串口的连接方式与智能电度表(每个LCU一个)相连。该智能电度表并安装在LCU屏内。

4、综合量计算

机组效率、功率因数、开关动作次数累计、主辅机动作次数累计、运行时间累计等综合量计算。

(四)PLC的顺序控制功能与数据处理

机组PLC的主要软件功能模块包括:事故紧急停机、开机至空转、空转至空载、空载至发电、发电至空载、空载至空转、空转至停机备用等。其中,紧急停机流程具有最高优先级,事故停机流程次之,正常停机流程再次之。任一停机流程启动的同时,即退出当前正在执行的非停机流程,非停机流程之间是并列关系,不可能同时进行。

(五)PLC基于模糊控制的机组自动电压(AVC)调节

模糊控制系统是一种以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础;采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环机构数字自动控制,其核心是具有智能性的模糊控制器。电站AVC是指按预定条件和要求自动控制水电站母线电压或全厂元功功率的技术。在保证机组安全运行的条件下,为系统提供可充分利用的无功功率,减小电厂的功率损耗。其控制直接关系到整个系统的电压品质。为了确保系统的运行电压具有正常水平,系统必须拥有足够的无功电源来满足系统负荷和网络对无功功率的需求以及补偿无功功率的损耗。发电机是系统的主要无功电源,因此电站AVC控制已成为保证电压质量和无功平衡,提高电网可靠性和经济性必不可少的措施。

1、控制方法

理论上,用根据数学模型计算得来的最优元功目标值可指导调整系统达到最佳状态,然而,最优无功目标值的精度通常不高。因此在调节过程中,要把电站的高压母线侧中枢点电压作为控制目标而不是无功输出值。电站AVC按实际母线电压与系统给定电压的偏差对无功进行分配。AVC设定的全厂无功:

当确定了站内AVC调整的总无功容量后,需要确定机组问Ave分配原则,即各台机组需承担多少无功。

2、调节手段

电站机组除了具有发电工况、抽水工况外,还具有发电调相工况和抽水调相工况。机组在发电、抽水、发电调相三种工况均可以发出无功提高电网电压;也可以吸收无功降低电网电压。

当需要利用蓄能机组进行无功调节时,应尽可能优先采用发电或抽水工况进相或滞相运行方式,若系统不允许发电时才考虑调相方式。当蓄机组不发电的时候,利用机组作调相运行进行无功调节,实现对电压的调控,是一种简便而有效的方法,但是调相运行无疑将增加电能损耗。因此,在系统许可的条件下要尽量减少调相运行时间。

电站的电压无功控制通过发电机励磁控制实现,通过调节励磁调节器改变发电机的励磁电流,从而改变发电机的无功出力,维持电压稳定。

3、AVC控制的实现

AVC控制系统通过比较母线电压Um和设定电压的偏差后给发电机发出一无功功率设定值Qset然后调节各台参与AVC的发电机的励磁调节器,将此总无功功率分配给运行的各台机组。

PLC基于模糊控制是将人的控制经验或专家知识用语言规则形式加以描述和归纳,然后利用模糊集理论进行推到判决,并由计算机实现的一种人工智能控制方法。它不需要对控制对象建立精确的数学模型。发电机励磁控制器的性能特点人们已积累了大量的经验,可以利用模糊理论对这些经验加以描述,并通过模糊推理和判决,实现对发电机励磁控制器参数的在线调整。

(六)基于人工神经网络的PLC故障诊断

由于一些复杂设备的高效运转是以其各个组成部件的正常运转为前提,如果某一部件发生故障,轻则导致产品质量和生产效率下降,重则导致整台或整套设备停工,从而造成巨大的经济损失实践证明,在停工时间中,只有很少一部分时间用于更换或修理发生故障的部件,而绝大部分时间用于设备故障诊断因此,通过研究故障诊断技术和方法,可以大幅度减少用于设备故障诊断的时间,从而提高生产部门的经济效益。采用基于人工神经网络的PLC故障诊断,不需要向PLC控制程序中加人故障诊断程序段,不会增加PLC的扫描周期;用故障数据和非故障数据构成训练样本对神经网络训练后,就可以进行故障诊断。

可编程控制器控制系统80%的故障都是由于PLC的外围元件(执行元件、传感元件等)或由用户使用不当引起的。神经元网络是一种较好实现PLC控制系统故障诊断的方法。由于只有一个隐层的神经元BP网络能够以期望的精度副近任何非线性函数,因此由输入层、隐层、输出层组成的感知BP网络完全可以完成对PLC控制层的故障诊断。

PLC可以控制开关量,也可以实现对模拟量和位置的控制,因而PLC可以覆盖很宽广的应用范围随着生产技术的发展和生产高性能、高质量产品的需要,由PLC控制的现代化生产设备越来越复杂大量采用现代化生产设备,可以进一步提高劳动生产率和产品质量,而采用PLC作为中小型水电站监控系统,也成为了提高系统运行稳定性的有效方法。

参考文献:

1、李孝正,莫仕勋.基于PLC的小型水电站的监控系统[J].广西电业,2006(1).

2、毕明爽,张允.水电站监控系统现地控制单元(LCU)的设计探讨[J].吉林水利,2003(9).

3、杨芝雄.中小型水电站监控系统模式探计[J].云南水力发电,2000(2).

4、刘生建.浅谈控制系统中PLC的合理选择[J].龙岩学院学报,2005(3).

5、段彦,桂江峰.中小型水电站监控系统数据通信结构设计[J].中国仪器仪表,2006(4).

(作者单位:湖北水利水电职业技术学院)