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關(guān)于壩后式電站監(jiān)控系統(tǒng)的改造分析論文
概述
潮州市鳳凰水電廠位于廣東省潮安區(qū)北部山區(qū)， 由鳳凰水庫、一級(jí)電站和二級(jí)電站組成。一級(jí)電站位于潮安區(qū)鳳凰鎮(zhèn)，為壩后式電站，裝機(jī)容量2×1600kW，該電站建于1978 年，自投用以來一直采用常規(guī)的電磁型保護(hù)控制系統(tǒng)，為保證電站安全、可靠、穩(wěn)定、滿發(fā)運(yùn)行和提高電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，需對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改造。
1 微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)
電站的改造按“無人值班，少人值守”的原則進(jìn)行，改造后的電站控制系統(tǒng)采用全計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過中控室控制臺(tái)上的操作員工作站能實(shí)現(xiàn)對(duì)全站主要設(shè)備進(jìn)行一對(duì)一的控制操作。
電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為全計(jì)算機(jī)監(jiān)控方式， 該系統(tǒng)由64 位的UNIX 操作系統(tǒng)和SJK-3000 水電站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)分為兩層： 電站控制層和現(xiàn)地控制單元層。兩層之間采用100Mbps 快速光纖以太網(wǎng)總線連接， 整個(gè)系統(tǒng)為分布式星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 電站控制層負(fù)責(zé)全站電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)控制及其運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視，其主要功能包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集處理、報(bào)警、事件顯示記錄、通信控制、生產(chǎn)管理和指導(dǎo)、系統(tǒng)診斷、應(yīng)用軟件開發(fā)和培訓(xùn)等。現(xiàn)地控制單元層負(fù)責(zé)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備、開關(guān)站設(shè)備和電站公用設(shè)備等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和監(jiān)視，當(dāng)電站控制層因事故退出運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)地控制單元層可以獨(dú)立運(yùn)行不受影響。
2 監(jiān)控系統(tǒng)的配置
2.1 電站控制層的配置
(1)選用二臺(tái)SWR-1002 逆變電源，單臺(tái)容量為3kVA/1H，工作方式為互為備用;
(2) 采用光纖100Mbps 快速以太網(wǎng)， 配一臺(tái)24 口，3COM，100M網(wǎng)絡(luò)交換機(jī);
(3)二臺(tái)操作員工作站，采用“COMPAQ ALPHASERER DS10”服務(wù)器，工作方式為互為熱備用，每臺(tái)工作站配有二套COMPAQ 21 寸顯示器;
(4)一臺(tái)工程師工作站，采用美國ICS、PIV 工控機(jī)，配一套NEC21 寸顯示器;
(5)一臺(tái)通信工作站，采用美國ICS、PIV 工控機(jī)，配一套NEC 21寸顯示器;
(6)一臺(tái)EPSON LQ1600K 打印機(jī)，一臺(tái)HP 5100LB 打印機(jī)，一臺(tái)HP3256A 打印機(jī)共享器;
(7)一臺(tái)TP-2000 標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí)鐘提供精確校時(shí);
(8)一套智能模擬返回屏。
2.2 現(xiàn)地控制單元層的配置
全站共設(shè)置了三個(gè)現(xiàn)地控制單元，其中二臺(tái)機(jī)組LCU，一臺(tái)開關(guān)站公用設(shè)備LCU，都采用AWS-8420TP 一體化工控機(jī)。配置了GE90-30 可編程控制器、PM130P 電量采集裝置、DAS-IA 微機(jī)溫度裝置和SID-2H 單對(duì)象自動(dòng)同期裝置。現(xiàn)地控制單元都各自單獨(dú)由一臺(tái)SWR-1002(1kVA)逆變電源提供電源。
2.3 軟件配置
操作員站的系統(tǒng)軟件采用64 位的UNIX 操作系統(tǒng)， 監(jiān)控軟件采用NSPOWR800; 其它上位機(jī)和LCU 的系統(tǒng)軟件都采用WINDOWXP的操作系統(tǒng)，監(jiān)控軟件采用NSPRO2.0 的組態(tài)軟件。
3 系統(tǒng)主要功能
3.1 數(shù)據(jù)采集與處理
系統(tǒng)對(duì)電站主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集，并作必要的預(yù)處理，存于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，供計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行畫面顯示、制表打印以及計(jì)算控制等。
電站現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)的采集基本上由各自的LCU 單元和視頻監(jiān)測點(diǎn)來完成，現(xiàn)場數(shù)據(jù)包括：數(shù)字量、模擬量、脈沖量、視頻量等。不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)其采集與處理的方法各不相同。
(1)模擬量的采集與處理:模擬量包括電量模擬量、非電量模擬量以及溫度量。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過有效性檢驗(yàn)、標(biāo)度換算、梯度計(jì)算、越復(fù)限判斷等處理后形成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中。
(2)開關(guān)量的采集與處理:計(jì)算機(jī)狀態(tài)監(jiān)控平臺(tái)能以中斷方式迅速響應(yīng)開關(guān)量信號(hào)，并做出一系列必要的反應(yīng)及自動(dòng)操作。對(duì)信號(hào)的處理包括光電隔離、接點(diǎn)防抖動(dòng)處理、硬件及軟件濾波、基準(zhǔn)時(shí)間補(bǔ)償和數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)等，最后經(jīng)格式化處理后存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中。
(3)視頻數(shù)據(jù)的采集與處理：計(jì)算機(jī)視頻監(jiān)控平臺(tái)對(duì)9 個(gè)視頻采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過解析形成視頻流數(shù)據(jù)，可以通過視頻圖像管理系統(tǒng)進(jìn)行顯示和管理、可以通過硬盤錄像系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份以及可以通過以太總線把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)狀態(tài)監(jiān)控平臺(tái)。
(4)人工采集：對(duì)無法采集到的信號(hào)，允許運(yùn)行值班人員和系統(tǒng)操作人員對(duì)其進(jìn)行人工設(shè)定，并對(duì)其作相應(yīng)的標(biāo)志。
3.2 控制與調(diào)節(jié)
(1)控制與調(diào)節(jié)的對(duì)象：#1、#2 機(jī)組及其輔助設(shè)備和線路等。
(2)控制與調(diào)節(jié)方式：包括遠(yuǎn)方控制方式和現(xiàn)地控制方式。遠(yuǎn)方控制方式能完成自動(dòng)開停機(jī)、自動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)、增減負(fù)荷、調(diào)節(jié)頻率和電壓、給定負(fù)荷或負(fù)荷曲線、給定發(fā)電機(jī)出口電壓、給定系統(tǒng)頻率等。現(xiàn)地控制方式完成自動(dòng)開停機(jī)、自動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)、工況轉(zhuǎn)換、負(fù)荷調(diào)整等操作。
3.3 運(yùn)行安全監(jiān)視和事件報(bào)警
運(yùn)行安全監(jiān)視和事件報(bào)警包括：
(1)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視:監(jiān)控系統(tǒng)可以使運(yùn)行人員通過CRT 對(duì)全站各主設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。
(2)參數(shù)越限報(bào)警與記錄: 包括越限報(bào)警，越復(fù)限自動(dòng)顯示、記錄和打印;對(duì)于重要參數(shù)及數(shù)據(jù)還將進(jìn)行越限后至復(fù)限前的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及召喚顯示;啟動(dòng)相關(guān)量分析功能，作故障原因提示。
(3)事件順序記錄與報(bào)警:當(dāng)電站發(fā)生事故造成斷路器跳閘、重合閘動(dòng)作等情況時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)立即以中斷方式響應(yīng)，并自動(dòng)顯示、記錄和打印事故名稱及時(shí)間、相關(guān)設(shè)備的動(dòng)作情況以及自動(dòng)推出相關(guān)畫面，作事故原因分析及提示處理的方法。
(4)故障狀態(tài)顯示記錄:監(jiān)控系統(tǒng)定時(shí)掃描和監(jiān)測各故障狀態(tài)信號(hào)，一旦發(fā)生狀態(tài)變化將在CRT 上即時(shí)顯示出來，同時(shí)記錄故障及其發(fā)生的時(shí)間，并用語音報(bào)警。
(5)事故追憶及相關(guān)量記錄:當(dāng)電站發(fā)生事故時(shí)，需對(duì)事故發(fā)生前后的某些重要參數(shù)及相關(guān)量進(jìn)行追憶記錄，以供運(yùn)行人員事后分析。
(6)溫度巡檢:機(jī)組測溫除了數(shù)字溫度儀(由主機(jī)廠配套，裝于機(jī)組測溫制動(dòng)屏)以外，還配置了溫度巡檢裝置，用于測量軸瓦、定子鐵芯、風(fēng)冷等的溫度。它們具有越限報(bào)警、重要瓦溫的變化率趨勢報(bào)警以及實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前最高瓦溫和溫度的平均值等功能， 并通過RS232 口或RS485 口與機(jī)組LCU 單元交換信息。
3.4 人機(jī)接口畫面
在線顯示實(shí)時(shí)圖形， 使運(yùn)行人員對(duì)全廠生產(chǎn)過程進(jìn)行安全監(jiān)視，并通過狀態(tài)工作站和視頻工作站的功能鍵盤或PLC浪費(fèi)電能、降低負(fù)荷能力、干擾通信系統(tǒng)、引起系統(tǒng)諧振等。為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，需進(jìn)行諧波抑制。
諧波抑制的具體措施有：
(1)變壓器采用Δ/Y 結(jié)線，可消除3 的整數(shù)倍的高次諧波;
(2)增加整流變壓器二次側(cè)相數(shù);
(3)使用無諧波污染的綠色變頻器;
(4)使用無源濾波器或有源濾波器;
(5)改善三相不平衡度;
(6)加裝交流濾波裝置。
5 平衡三相負(fù)荷實(shí)現(xiàn)節(jié)能
低壓線路中，由于單相及高次諧波的影響，三相負(fù)荷存在不平衡，會(huì)對(duì)供配電網(wǎng)絡(luò)造成如下主要危害：
(1)影響變壓器及電機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行;
(2)引起供配電網(wǎng)絡(luò)相線及零線電能損耗加大;
(3)引起照明燈具壽命縮短(電壓過高)或照度偏低(電壓過低)及電視機(jī)的損壞等;
(4)對(duì)于通信系統(tǒng)，會(huì)增大干擾，影響正常通信質(zhì)量。
為了減少三相負(fù)荷不平衡造成的能耗， 應(yīng)及時(shí)調(diào)整三相負(fù)荷，使配電變壓器出口處的電流不平衡度不大于10%，干線及支線首端的不平衡度不大于20%，中性線的電流不超過額定電流的25%。三相配電干線的各項(xiàng)負(fù)荷宜分配平衡，最大相負(fù)荷不宜超過三相負(fù)荷平均值的115%，最小相負(fù)荷不宜小于三相負(fù)荷平均值的85%。
6 優(yōu)化照明設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能
照明節(jié)能作為建筑供配電節(jié)能的重要組成部分，對(duì)于提高能源利用率、節(jié)約電能有著十分重要的作用。具體可參照《建筑照明設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50034-2004 等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。在此僅提出照明節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個(gè)方面：
(1)燈具的合理選擇與布置
以往使用的普通白熾燈和日光燈、汞燈等，它們的光效低、顯色性差、壽命短。三基色緊湊型熒光燈是一種小管徑、高效能的綠色照明光源，俗稱節(jié)能燈。它含汞量少，可減少污染。LED 節(jié)能燈則是繼緊湊型熒光燈后的新一代照明光源，它環(huán)保不含汞、可回收再利用、功率小、高光效、長壽命、即開即亮、耐頻繁開關(guān)、光衰小、色彩豐富、可調(diào)光、變幻豐富，其替代傳統(tǒng)照明光源是大勢所趨。
(2)優(yōu)質(zhì)電子鎮(zhèn)流器的應(yīng)用
傳統(tǒng)的電感式鎮(zhèn)流器功率損耗大、有頻閃、功率因數(shù)低、噪聲大。而電子鎮(zhèn)流器則可使照明系統(tǒng)的光效提高15%，節(jié)電率通常在20%以上，提高了功率因數(shù)，降低了發(fā)電量，減少了廢氣煙塵的排放量，改善了環(huán)境污染。同時(shí)，因不用電感鎮(zhèn)流器，減少了硅鋼片和銅線的消耗量，也就減少了鋼鐵和銅的冶煉量，又可節(jié)約能源和消除冶煉過程中的廢氣煙塵，因而廣泛應(yīng)用于實(shí)際照明工程中。
(3)充分利用自然光
充分利用自然光，是照明節(jié)能的重要途徑之一。在設(shè)計(jì)中，電氣設(shè)計(jì)人員應(yīng)與建筑師密切配合，充分合理地利用自然光，使之與室內(nèi)人工照明有機(jī)結(jié)合，從而大大節(jié)約人工照明電能。在白天可利用頂部或側(cè)面采光，替代或部分代替人工照明。對(duì)于一些室外光線投射不進(jìn)來的地方，如地下車庫，可通過采光井或采用光導(dǎo)管(光纖)照明的方式利用自然光。
7 應(yīng)用建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能
建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)始于20 世紀(jì)70 年代的能源危機(jī)，經(jīng)過長期發(fā)展，尤其是隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)日趨完善。它可對(duì)建筑中各類設(shè)備進(jìn)行全面控制，在滿足建筑功能的前提下，最大限度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
(1)供配電監(jiān)控系統(tǒng)
供配電監(jiān)控系統(tǒng)基于現(xiàn)場總線技術(shù)，由計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)和控制設(shè)備組成。通信網(wǎng)絡(luò)將計(jì)算機(jī)、控制設(shè)備和供配電系統(tǒng)中帶有通信接口的開關(guān)連接起來，可檢測電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)以及設(shè)備等是否運(yùn)行良好，最終由工作人員在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行操作和管理，確保了供配電系統(tǒng)的節(jié)能和安全運(yùn)行。
(2)照明監(jiān)控系統(tǒng)
在一些大型公共建筑中，盡管照明的耗電量極大，但為了滿足建筑功能，不能片面地為了節(jié)能而減少照明，而應(yīng)采取科學(xué)的節(jié)能方法。照明監(jiān)控系統(tǒng)將不同時(shí)間和不同地點(diǎn)的照度轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的預(yù)設(shè)參數(shù)并存儲(chǔ)在EPROM 中，通過設(shè)定值和實(shí)際值的比較，控制照明，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。照明監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用不但可以節(jié)約大量電能，還可延長燈具壽命，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)，不同的照明控制方式還能增強(qiáng)建筑的視覺效果。
8 結(jié)語
全世界范圍內(nèi)均存在能源短缺及能源危機(jī)。為響應(yīng)國家建設(shè)節(jié)約型社會(huì)、發(fā)展節(jié)約型經(jīng)濟(jì)的號(hào)召，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能及建筑供配電節(jié)能已成當(dāng)務(wù)之急。鑒于建筑結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜多樣性，進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高能源綜合利用效率是非常必要的。采取合理的電氣節(jié)能技術(shù)措施，不僅能給建筑電氣系統(tǒng)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)有效資源的高效利用，最大限度地減少電氣系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)環(huán)境的影響，為建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保、低成本可持續(xù)發(fā)展，提供重要的節(jié)能減排技術(shù)支撐。
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