水電站現(xiàn)地控制單元（LCU）軟件設計
摘 要：水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)利用自動控制、計算機技術實現(xiàn)整個電站的自動化監(jiān)測和控制目標，提高電站控制的安全性、可靠性，實現(xiàn)工程管理的科學化、現(xiàn)代化，充分發(fā)揮樞紐工程經(jīng)濟效益和社會效益。本文通過對于丹竹水電站現(xiàn)地控制單元的研究，確保系統(tǒng)的經(jīng)濟實用、安全可靠、技術先進、易于維護，提升自動化、信息化水平。
關鍵詞：現(xiàn)地控制單元；順序控制；準同期
1 前言
廣東省梅縣丹竹水電站位于梅州市境內，是梅江干流中的一個梯級。電站內裝設4臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機組。單機容量為8500KW，發(fā)電機額定電壓6.3KV，額定功率因素0.9，電站采用擴大單元（兩機一變）接線方案。電站共裝設2臺主變壓器，高壓側電壓為110KV，兩回110KV線路接入梅州110KV電網(wǎng)。該電站機組已經(jīng)投產(chǎn)發(fā)電。配置五套LCU，分別為機組LCU1, 機組LCU2, 機組LCU3, 機組LCU4,和公用/廠用電/開關站LCU。所有LCU均以GE90-30PLC 為核心進行實時數(shù)據(jù)采集和處理，順序控制，和提供（機組）有/無功調節(jié)，事故追憶和提供現(xiàn)地人機界面等功能。在PLC梯形邏輯編寫和調試過程中，充分考慮了軟件的可移植性和通用性，軟件按功能劃分，既為一個整體又相互獨立。
系統(tǒng)接受梯調的調度指令，實現(xiàn)AGC、AVC、廠內經(jīng)濟運行、自動監(jiān)測和閉環(huán)控制，提高電廠運行經(jīng)濟效益，提高電廠安全運行水平，改善職工運行條件及提高電能生產(chǎn)的質量?，F(xiàn)地級監(jiān)控層LCU直接控制和監(jiān)視主設備的運行，在整個系統(tǒng)中，它作為一個智能終端，但也可以作為獨立的裝置單獨運行。
2 現(xiàn)地級機組LCU的功能
2.1 數(shù)據(jù)采集及處理
1) 開關量采集及處理
狀態(tài)開關量的采集及處理：機組LCU按周期掃查全部開入量，進行狀態(tài)檢查，更新數(shù)據(jù)庫，在開關量發(fā)生變位時，可以產(chǎn)生事件記錄，并根據(jù)控制流程進行動作處理或接點復歸處理。處理內容事先由設計人員根據(jù)機組的運行要求編寫在控制流程之中。當事故類信號變位時，LCU根據(jù)流程控制機組進行事故停機。如屬于故障類信號變位時，LCU則進行登錄和報警處理。所有事件記錄，流程的執(zhí)行情況不僅保存于機組LCU，還全部送廠級監(jiān)控層。在狀態(tài)開關量中，有一種綜合開關量，這實際是一種若干個開入量按一定邏輯關系得到的一個中間變量，此量可供其他LCU或裝置使用，如機組空載狀態(tài)，機組發(fā)電狀態(tài)等即屬于這一類，往往以開出的方式引出，或僅作為LCU本身內部的一個宏變量供流程使用。機組LCU狀態(tài)開關量共有90多個，這些量包括：斷路器的開/合，導葉的位置，油位的高低，油泵的啟、停等。
中斷開關量的采集與處理：中斷開關量具有中斷能力，響應速度快（<10ms），可按其變位發(fā)生時間的先后形成事件順序記錄。水輪機、發(fā)電機、瓦溫過高、壓力油泵、過速信號、機組的勵磁、保護等事故信號作為中斷開關量輸入，共20多點。機組LCU一旦收到這些表明機組發(fā)生事故的信號，會立即中斷當前的工作，快速轉到事故流程進行處理。并按要求形成事件順序記錄。
脈沖量采集與處理：每臺機組LCU為2路脈沖量，分別采集機組有功和無功電度。脈沖信號分別取自有功及無功脈沖電度表，根據(jù)每臺機組的PT/CT變比和脈沖電度表每度的脈沖個數(shù)，即可計算出每臺機組的電度累加值。計算結果可與電磁式電度表計值進行比較和修正，以保證計量的準確性。
2) 模擬量采集與處理
交流模擬量：通過GE程90-30的PTM模塊實現(xiàn)機組的交流采樣，采集參數(shù)包括：電壓、電流、有功、無功、頻率、功率因素等電量。
一般模擬量：主要包括直流電量及非電量性模擬量（溫度量除外），主要有：轉子電流及電壓、導葉開度、差壓、機組的工作水頭等信號。這些信號由變送器轉換為4~20mA信號供PLC采集。
溫度量：溫度量將采用48路智能溫度巡檢裝置進行采集，采用二線制接線方式輸入，測溫電阻為PT100，采集對象包括水輪發(fā)電機空氣冷卻器、發(fā)電機定子、軸承等共計30多路。溫度巡檢裝置根據(jù)測溫電阻在不同的溫度下具有不同電阻值的原理，將電阻轉換成相應的電量供計算機處理。PLC將通過RS485接口定時進行采集。根據(jù)運行需要，設置以上模擬量低低限（LL）、低限（L）、高限（H）、高高限（HH）報警值，系統(tǒng)提供越復限報警及處理功能。
2.2 控制與操作
機組LCU可以接受上位機或LCU操作面板上的輸入命令，執(zhí)行相應操作。機組LCU都是通過其開出繼電器的空接點去動作現(xiàn)場設備，共使用單接點形式的開出點50多點，分別作用于各種管路的電磁閥、電路的斷路器、高壓油泵、潤滑油泵、漏油箱油泵的電動機等現(xiàn)地設備輸入點。
機組的控制操作需要編寫以下主要流程：
1) 機組順序控制流程。該流程包括以下幾種工況：停機—空載；空載—發(fā)電；發(fā)電—空載；空載—停機。
2) 緊急停機流程。
3) 發(fā)電組事故報警流程。
4) 發(fā)電組事故報警及停機流程。
5) 高壓頂起油泵控制流程。
6) 潤滑油泵控制流程。
7) 漏油箱油泵控制流程。
8) 故障、事故音響處理流程。
9) 其它流程。
2.3 機組的有功和無功調節(jié)
LCU裝置對機組有功（P）、無功（Q）調節(jié)是根據(jù)LCU控制面板或主機設置的P、Q值，通過對機組的導葉開度和勵磁電壓進行調節(jié)，使機組按給定的P、Q值運行。對于P、Q的調節(jié)，LCU輸出的調節(jié)量采用脈寬的方式，調節(jié)脈沖均通過中間繼電器輸出給微機調速器和微機勵磁調節(jié)器，在P、Q的調節(jié)中還設立了發(fā)電機電壓、電流、P、Q負荷差等多種調節(jié)保護，確保P、Q調節(jié)在安全的范圍內進行。PLC直接通過以太網(wǎng)與廠級網(wǎng)絡進行通訊，可確保當現(xiàn)地LCU中操作面板出現(xiàn)故障，監(jiān)控系統(tǒng)仍能從遠方監(jiān)控所控設備（包括機組開、停機控制、增減有、無功率等）。
2.4 人機接口
機組LCU配置操作面板作為人機交互的窗口。運行人員通過操作面板可以進行機組的啟、停，斷路器的分、合，有功、無功的給定等多種操作。對于操作中的錯誤或不合法的命令，LCU拒絕控制命令的執(zhí)行。對合法的命令，顯示控制的過程及最終結果。在操作面板上可對機組的動作情況和當前的工作狀態(tài)以及各種電流、電壓量、溫度量、有功、無功值進行監(jiān)視，LCU的這種完整的操作顯示功能使它即使脫離上位機仍能獨立運行。操作面板發(fā)生故障，不影響系統(tǒng)的正常運行，主機仍能對機組LCU進行監(jiān)控。
2.5 診斷功能
機組LCU具有對本身的硬件及各控制單元進行全面的保護性自我檢驗功能，并根據(jù)檢驗結果采取相應的保護性措施，防止出現(xiàn)不良結果。LCU同時向主機報告診斷的結果，根據(jù)自診斷記錄，值班維護人員可以了解LCU裝置工作是否良好，指導處理異常情況。
2.6 通信功能
1) 機組LCU與廠級監(jiān)控層的通信。通過以太網(wǎng)實現(xiàn)，通信的主要內容有：將LCU采集到的各種信息、正在執(zhí)行的控制操作、內部自診斷結果即時送上主機。接受主機的時間設定值和GPS時鐘同步信號。接受主機的P、Q設定值及控制命令等。
2) 機組LCU與微機保護裝置的通信。通過RS485總線將運行狀態(tài)、報警等 信號采集并傳送到廠級監(jiān)控層主機。
3) 與其他設備的通信。LCU能夠通過硬布線的方式，將調速器、勵磁裝置的運行狀態(tài)、報警等信號采集并傳送到廠級監(jiān)控層主機。
2.7 準同期功能
機組LCU上裝的微機準同期裝置可以萬無一失地捕捉到第一次出現(xiàn)的準同期時機，而且能絕對保證發(fā)電機在無相差的情況下并入電網(wǎng)。由于采用深圳智能公司生產(chǎn)的最新型的SID-2CV全中文智能準同期裝置，主機和LCU可通過RS485接口與準同期裝置直接通信，實行遠程監(jiān)視。
3 公用和開關站LCU功能
由于公用和開關站LCU采用與機組LCU相同的控制結構及設備，因此，其數(shù)據(jù)采集與處理，控制與操作，人機接口，自診斷，通信等方面的基本功能，與機組LCU大致相同。公用LCU有兩面盤柜，第一面盤柜主要安裝PLC、操作面板，完成數(shù)據(jù)采集和控制。第二面盤柜主要安裝全部開出量中間繼電器、GPS、線路準同期裝置等。綜合電量變送器安裝在開關站現(xiàn)地屏上。UPS及電池安裝于計算機室。
3.1 公用LCU監(jiān)控項目
1） 2臺廠用變高低壓側斷路器；主變的高低壓側斷路器、隔離開關及隔離刀閘；2回110KV斷路器、隔離開關及隔離刀閘；400V廠用電I－－-II段母線聯(lián)絡開關；廠用電至閘壩的電源斷路器；6.3KV母線至船閘的電源斷路器；10KV外接電源變壓器，高低壓側斷路器。
2） 1~2號技術供水水泵； 1~2號滲漏水泵；1~2號消防泵；1~2號中壓氣機；1~2號低壓氣機；火災報警控制器總火警信號。對1~2號技術供水水泵、 1~2號滲漏水泵、1~2號中壓氣機、1~2號低壓氣機等公用設備的數(shù)據(jù)采集，公用LCU可通過Genius總線和以上設備相聯(lián)。在公用LCU的I/O點設計時暫不考慮。
3） 上下游水位；上下游水位差；直流母線電壓。
4） 1~2號廠變；1~2號船閘變的有功電度；110KV線路的有功及無功電度；1~2號主變高壓側有功及無功電度；有功及無功電度的測量方法同機組LCU。
3.2 公用LCU控制流程
主要控制流程有以下幾個：
廠變高壓側斷路器控制流程；
廠用電I、II分段，斷路器控制流程；
110KV線路斷路器控制流程；
110KV線路隔離刀閘控制流程；
主變110KV高低側斷路器控制流程；
主變110KV高低側隔離刀閘控制流程；
故障、事故音響處理流程。
4 結束語
廣東省梅縣丹竹水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)在系統(tǒng)實施過程中廣泛應用了自動控制技術、計算機技術、數(shù)據(jù)庫技術、總線技術等，提升了整個水電站的自動化監(jiān)測和控制水平，提高了系統(tǒng)控制的安全性、可靠性，實現(xiàn)了工程管理的科學化、現(xiàn)代化，充分發(fā)揮了工程經(jīng)濟效益和社會效益。從現(xiàn)在已投入的系統(tǒng)運行來看，技術先進、可行、穩(wěn)定，為國內外同類型的水電站項目計算機技術推廣應用提供嘗試。
參考文獻：
[1]計算機控制技術與系統(tǒng)．呂振中．中國電力出版社，2000
[2]水電廠計算機監(jiān)視與控制．王定一．中國電力出版社，2001，8
[3]網(wǎng)絡交換．Karen Webb．人民郵電出版社，1998
關鍵詞：現(xiàn)地控制單元；順序控制；準同期
1 前言
廣東省梅縣丹竹水電站位于梅州市境內，是梅江干流中的一個梯級。電站內裝設4臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機組。單機容量為8500KW，發(fā)電機額定電壓6.3KV，額定功率因素0.9，電站采用擴大單元（兩機一變）接線方案。電站共裝設2臺主變壓器，高壓側電壓為110KV，兩回110KV線路接入梅州110KV電網(wǎng)。該電站機組已經(jīng)投產(chǎn)發(fā)電。配置五套LCU，分別為機組LCU1, 機組LCU2, 機組LCU3, 機組LCU4,和公用/廠用電/開關站LCU。所有LCU均以GE90-30PLC 為核心進行實時數(shù)據(jù)采集和處理，順序控制，和提供（機組）有/無功調節(jié)，事故追憶和提供現(xiàn)地人機界面等功能。在PLC梯形邏輯編寫和調試過程中，充分考慮了軟件的可移植性和通用性，軟件按功能劃分，既為一個整體又相互獨立。
系統(tǒng)接受梯調的調度指令，實現(xiàn)AGC、AVC、廠內經(jīng)濟運行、自動監(jiān)測和閉環(huán)控制，提高電廠運行經(jīng)濟效益，提高電廠安全運行水平，改善職工運行條件及提高電能生產(chǎn)的質量?，F(xiàn)地級監(jiān)控層LCU直接控制和監(jiān)視主設備的運行，在整個系統(tǒng)中，它作為一個智能終端，但也可以作為獨立的裝置單獨運行。
2 現(xiàn)地級機組LCU的功能
2.1 數(shù)據(jù)采集及處理
1) 開關量采集及處理
狀態(tài)開關量的采集及處理：機組LCU按周期掃查全部開入量，進行狀態(tài)檢查，更新數(shù)據(jù)庫，在開關量發(fā)生變位時，可以產(chǎn)生事件記錄，并根據(jù)控制流程進行動作處理或接點復歸處理。處理內容事先由設計人員根據(jù)機組的運行要求編寫在控制流程之中。當事故類信號變位時，LCU根據(jù)流程控制機組進行事故停機。如屬于故障類信號變位時，LCU則進行登錄和報警處理。所有事件記錄，流程的執(zhí)行情況不僅保存于機組LCU，還全部送廠級監(jiān)控層。在狀態(tài)開關量中，有一種綜合開關量，這實際是一種若干個開入量按一定邏輯關系得到的一個中間變量，此量可供其他LCU或裝置使用，如機組空載狀態(tài)，機組發(fā)電狀態(tài)等即屬于這一類，往往以開出的方式引出，或僅作為LCU本身內部的一個宏變量供流程使用。機組LCU狀態(tài)開關量共有90多個，這些量包括：斷路器的開/合，導葉的位置，油位的高低，油泵的啟、停等。
中斷開關量的采集與處理：中斷開關量具有中斷能力，響應速度快（<10ms），可按其變位發(fā)生時間的先后形成事件順序記錄。水輪機、發(fā)電機、瓦溫過高、壓力油泵、過速信號、機組的勵磁、保護等事故信號作為中斷開關量輸入，共20多點。機組LCU一旦收到這些表明機組發(fā)生事故的信號，會立即中斷當前的工作，快速轉到事故流程進行處理。并按要求形成事件順序記錄。
脈沖量采集與處理：每臺機組LCU為2路脈沖量，分別采集機組有功和無功電度。脈沖信號分別取自有功及無功脈沖電度表，根據(jù)每臺機組的PT/CT變比和脈沖電度表每度的脈沖個數(shù)，即可計算出每臺機組的電度累加值。計算結果可與電磁式電度表計值進行比較和修正，以保證計量的準確性。
2) 模擬量采集與處理
交流模擬量：通過GE程90-30的PTM模塊實現(xiàn)機組的交流采樣，采集參數(shù)包括：電壓、電流、有功、無功、頻率、功率因素等電量。
一般模擬量：主要包括直流電量及非電量性模擬量（溫度量除外），主要有：轉子電流及電壓、導葉開度、差壓、機組的工作水頭等信號。這些信號由變送器轉換為4~20mA信號供PLC采集。
溫度量：溫度量將采用48路智能溫度巡檢裝置進行采集，采用二線制接線方式輸入，測溫電阻為PT100，采集對象包括水輪發(fā)電機空氣冷卻器、發(fā)電機定子、軸承等共計30多路。溫度巡檢裝置根據(jù)測溫電阻在不同的溫度下具有不同電阻值的原理，將電阻轉換成相應的電量供計算機處理。PLC將通過RS485接口定時進行采集。根據(jù)運行需要，設置以上模擬量低低限（LL）、低限（L）、高限（H）、高高限（HH）報警值，系統(tǒng)提供越復限報警及處理功能。
2.2 控制與操作
機組LCU可以接受上位機或LCU操作面板上的輸入命令，執(zhí)行相應操作。機組LCU都是通過其開出繼電器的空接點去動作現(xiàn)場設備，共使用單接點形式的開出點50多點，分別作用于各種管路的電磁閥、電路的斷路器、高壓油泵、潤滑油泵、漏油箱油泵的電動機等現(xiàn)地設備輸入點。
機組的控制操作需要編寫以下主要流程：
1) 機組順序控制流程。該流程包括以下幾種工況：停機—空載；空載—發(fā)電；發(fā)電—空載；空載—停機。
2) 緊急停機流程。
3) 發(fā)電組事故報警流程。
4) 發(fā)電組事故報警及停機流程。
5) 高壓頂起油泵控制流程。
6) 潤滑油泵控制流程。
7) 漏油箱油泵控制流程。
8) 故障、事故音響處理流程。
9) 其它流程。
2.3 機組的有功和無功調節(jié)
LCU裝置對機組有功（P）、無功（Q）調節(jié)是根據(jù)LCU控制面板或主機設置的P、Q值，通過對機組的導葉開度和勵磁電壓進行調節(jié)，使機組按給定的P、Q值運行。對于P、Q的調節(jié)，LCU輸出的調節(jié)量采用脈寬的方式，調節(jié)脈沖均通過中間繼電器輸出給微機調速器和微機勵磁調節(jié)器，在P、Q的調節(jié)中還設立了發(fā)電機電壓、電流、P、Q負荷差等多種調節(jié)保護，確保P、Q調節(jié)在安全的范圍內進行。PLC直接通過以太網(wǎng)與廠級網(wǎng)絡進行通訊，可確保當現(xiàn)地LCU中操作面板出現(xiàn)故障，監(jiān)控系統(tǒng)仍能從遠方監(jiān)控所控設備（包括機組開、停機控制、增減有、無功率等）。
2.4 人機接口
機組LCU配置操作面板作為人機交互的窗口。運行人員通過操作面板可以進行機組的啟、停，斷路器的分、合，有功、無功的給定等多種操作。對于操作中的錯誤或不合法的命令，LCU拒絕控制命令的執(zhí)行。對合法的命令，顯示控制的過程及最終結果。在操作面板上可對機組的動作情況和當前的工作狀態(tài)以及各種電流、電壓量、溫度量、有功、無功值進行監(jiān)視，LCU的這種完整的操作顯示功能使它即使脫離上位機仍能獨立運行。操作面板發(fā)生故障，不影響系統(tǒng)的正常運行，主機仍能對機組LCU進行監(jiān)控。
2.5 診斷功能
機組LCU具有對本身的硬件及各控制單元進行全面的保護性自我檢驗功能，并根據(jù)檢驗結果采取相應的保護性措施，防止出現(xiàn)不良結果。LCU同時向主機報告診斷的結果，根據(jù)自診斷記錄，值班維護人員可以了解LCU裝置工作是否良好，指導處理異常情況。
2.6 通信功能
1) 機組LCU與廠級監(jiān)控層的通信。通過以太網(wǎng)實現(xiàn)，通信的主要內容有：將LCU采集到的各種信息、正在執(zhí)行的控制操作、內部自診斷結果即時送上主機。接受主機的時間設定值和GPS時鐘同步信號。接受主機的P、Q設定值及控制命令等。
2) 機組LCU與微機保護裝置的通信。通過RS485總線將運行狀態(tài)、報警等 信號采集并傳送到廠級監(jiān)控層主機。
3) 與其他設備的通信。LCU能夠通過硬布線的方式，將調速器、勵磁裝置的運行狀態(tài)、報警等信號采集并傳送到廠級監(jiān)控層主機。
2.7 準同期功能
機組LCU上裝的微機準同期裝置可以萬無一失地捕捉到第一次出現(xiàn)的準同期時機，而且能絕對保證發(fā)電機在無相差的情況下并入電網(wǎng)。由于采用深圳智能公司生產(chǎn)的最新型的SID-2CV全中文智能準同期裝置，主機和LCU可通過RS485接口與準同期裝置直接通信，實行遠程監(jiān)視。
3 公用和開關站LCU功能
由于公用和開關站LCU采用與機組LCU相同的控制結構及設備，因此，其數(shù)據(jù)采集與處理，控制與操作，人機接口，自診斷，通信等方面的基本功能，與機組LCU大致相同。公用LCU有兩面盤柜，第一面盤柜主要安裝PLC、操作面板，完成數(shù)據(jù)采集和控制。第二面盤柜主要安裝全部開出量中間繼電器、GPS、線路準同期裝置等。綜合電量變送器安裝在開關站現(xiàn)地屏上。UPS及電池安裝于計算機室。
3.1 公用LCU監(jiān)控項目
1） 2臺廠用變高低壓側斷路器；主變的高低壓側斷路器、隔離開關及隔離刀閘；2回110KV斷路器、隔離開關及隔離刀閘；400V廠用電I－－-II段母線聯(lián)絡開關；廠用電至閘壩的電源斷路器；6.3KV母線至船閘的電源斷路器；10KV外接電源變壓器，高低壓側斷路器。
2） 1~2號技術供水水泵； 1~2號滲漏水泵；1~2號消防泵；1~2號中壓氣機；1~2號低壓氣機；火災報警控制器總火警信號。對1~2號技術供水水泵、 1~2號滲漏水泵、1~2號中壓氣機、1~2號低壓氣機等公用設備的數(shù)據(jù)采集，公用LCU可通過Genius總線和以上設備相聯(lián)。在公用LCU的I/O點設計時暫不考慮。
3） 上下游水位；上下游水位差；直流母線電壓。
4） 1~2號廠變；1~2號船閘變的有功電度；110KV線路的有功及無功電度；1~2號主變高壓側有功及無功電度；有功及無功電度的測量方法同機組LCU。
3.2 公用LCU控制流程
主要控制流程有以下幾個：
廠變高壓側斷路器控制流程；
廠用電I、II分段，斷路器控制流程；
110KV線路斷路器控制流程；
110KV線路隔離刀閘控制流程；
主變110KV高低側斷路器控制流程；
主變110KV高低側隔離刀閘控制流程；
故障、事故音響處理流程。
4 結束語
廣東省梅縣丹竹水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)在系統(tǒng)實施過程中廣泛應用了自動控制技術、計算機技術、數(shù)據(jù)庫技術、總線技術等，提升了整個水電站的自動化監(jiān)測和控制水平，提高了系統(tǒng)控制的安全性、可靠性，實現(xiàn)了工程管理的科學化、現(xiàn)代化，充分發(fā)揮了工程經(jīng)濟效益和社會效益。從現(xiàn)在已投入的系統(tǒng)運行來看，技術先進、可行、穩(wěn)定，為國內外同類型的水電站項目計算機技術推廣應用提供嘗試。
參考文獻：
[1]計算機控制技術與系統(tǒng)．呂振中．中國電力出版社，2000
[2]水電廠計算機監(jiān)視與控制．王定一．中國電力出版社，2001，8
[3]網(wǎng)絡交換．Karen Webb．人民郵電出版社，1998
本文標簽：水電站現(xiàn)地控制單元（LCU）軟件設計
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