基于有限元分析的巖質塊體穩定性評價方法

2013-05-12 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

摘要本文介紹廣東省梅縣丹竹水電站計算機監控系統的結構與特點,以及其主要功能模塊。重點強調功能實施方面其關鍵技術與思路,以便為國內外同類工程計算機監控系統的建設提供借鑒。

關鍵詞丹竹水電站監控系統功能

一、概述

1.工程概況

廣東省梅縣丹竹水電站計算機監控系統共分為現地LCU控制和遠程計算機控制二種控制方式(詳見圖1),主要設備包括5個LCU控制柜分別針對1#~4#機組及公用設備(高壓配電和油、水、氣等輔助設備)進行監控和數據顯示,2臺計算機應用服務器和2臺操作員工作站位于中控室通過以太網實現計算機遠程監控,同時,本系統還具有通過Modem的遠程撥號(RAS)功能,用戶在任何地點,都可通過電話線撥號連入系統進行監控。

2.計算機監控系統的結構及特點

(1)系統結構實現。監控系統按“無人值班、少人值守”的原則設計,實現“遙信、遙測、遙控、遙調”功能。采用開放、分層分布式計算機系統,系統為C/S結構,有兩臺熱備冗余的服務器和兩臺操作員工作站。整個系統采用星型網絡結構(快速以太網TCP/IP協議),并由現地控制層(機組LCU1-4、高壓配電設備及共用輔助設備的LCU5單元)和計算機中控層構成。監控系統的結構及設備配置見圖1所示。

整個計算機監控系統專用局域以太網絡并由兩個層次實現,即:

在現地層采用10Mbps子網絡與中控層的監控系統相連,同時,采用Modbus和Profibus等與各種傳感器、智能設備、自動化元件相連。

在中控層,網絡交換機利用虛擬網絡技術(VLAN)組成獨立的100Mbps快速以太網絡,并與各個設備相連接,形成了以中控室交換機為核心的星型結構的局域以太網絡。并且網絡交換機預留有足夠的接口與梅江梯級調度中心、梅江流域水情測報系統、和地方電力調度等系統聯網。

另外本系統還能通過遠程Modem撥號實現與遠方的連接,構成遠方監控層,用戶在任何地點,通過電話線撥號可連入系統進行監控,但此方式連接的安全級別要非常高,本系統只能由系統管理員(站長級別)才能登錄系統監控。

(2)系統的主要特點,主要有:

①星型網絡結構。本系統采用的網絡結構是由工程本身的特點所決定的,因為本電站以后會分期擴充容量、增加機組臺數,又不能影響原系統運行,對系統的擴展性要求很高,而星型網絡結構具備可擴展性、可用率和開放性的特點,所以采用了星型網絡結構,對以后機組的增加非常方便,只需在交換機上增加網絡節點即可實現擴容。

圖1丹竹水電站計算機監控系統結構

②網絡資源配置優化。考慮監控系統各控制層的實際信息量,本網絡系統在現地控制層采用10M網絡,在中控層采用100M網絡。這樣就形成廠高效、合理、結構清晰的網絡,不僅優化了資源配置,而且合理地分配了網絡負載。網絡系統能夠根據網絡流量實現自動分配管理,通過適當的配置,可以實現對端口設備、VLAN、通信流和策略的管理,擴展控制平面數據包轉發性能以及安全、高可用性和QoS方面的智能服務。

③冗余臨控系統。監控系統兩臺服務器工作方式互為熱備用,工控軟件能實現這一功能。當上用機發生故障時,備用機的數據庫具有對故障系統相同的內容且繼續對過程作數據登錄,并且對以前登錄的數據具有完全的訪問權限,一旦主用機恢復正常,就可以自動地進行數據同步,切換過程無擾動,提高了自動化水平和系統安全性能。

④可靠的AGC、AVC高級管理軟件。系統在AGC、AVC投入運行后自動進行控制;在AGC運行時,可按給定日負荷曲線運行,也可以按實時給定總有功運行。在AVC運行時,可按給定電壓曲線運行。

二、監控系統功能

1.主要功能模塊

本系統的功能從控制權限來分有兩層:中央控制層及現地控制層。系統既具備通用的數據采集與處理、運行監視、集中控制與調節及報表系統制作等基本的監控系統功能,也具有為滿足工程特點所要求的功能:事件順序記錄(SOE)、事故追憶(PDR)、自動監測和閉環控制、AGC/AVC自動控制。

系統功能模塊見圖2所示。

2.系統功能模塊應用

(1)系統基本功能模塊。本系統的基本功能模塊包括:中控層監控模塊、高壓配電監控模塊、全站公用輔機設備監控模塊、機組監控模塊及數據庫管理及報表生成模塊。

中控層監控模塊是基于美國GEFANUC公司提供的CIMPLICITY6.0SCADA/HMI平臺軟件開發而成的。運行環境為兩臺冗余的應用庫服務器(DELLP530)及兩臺冗余操作員工作站(DELLP340),操作系統采用Windows2000AdvanceScrver/Professional。中控層應用服務器通過10M以太網絡完成同現地控制層LCU1~LCU5間的數據傳輸。中控層監控模塊能實現全站的數據采集、中央控制與調節、提供系統運行管理的友好界面(如:報警、操作)。

圖2丹竹水電站計算機監控系統功能模塊結構圖

數據庫管理及報表生成模塊,其功能分布于中控層的應用服務器。應用服務器配置有MSSQLServer2000數據庫軟件,通過歷史數據的統計、分析可編制用戶所需的各種報表;中控層的數據庫管理及報表生成模塊則是通過DSE公司提供的智能報表軟件,可完成全站內運行管理所需的報表。

高壓配電監控模塊、全站公用輔機設備監控模塊及機組監控模塊均屬于現地控制層(LCU)功能模塊。其主要由美國GEFANUC公司提供的VERSEPRO可編程邏輯編程軟件開發而成。運行環境為GEFANUC公司的GE90-30系列PLC。具有對各LCU所監控設備的現地監視、控制及報警功能。

(2)事件順序記錄(SOE)和事故追憶(PDR)模塊。系統提供了功能強大的故障順序記錄功能(SOE),時間分辨率不大于1ms,當故障發生時,能記錄256個SOE點。作為SOE點,當其狀態變化至特定狀態時,即啟動事件順序記錄功能。一般是對系統中重要設備的開、關等信號進行記錄,通過SOE記錄可以準確地判斷出設備跳閘的先后順序,查清事故的起因。SOE記錄將3分鐘內發生的SOE數據記作一個SOE事件,可記錄20組SOE事件。

當電站發生事故時,計算機監控系統能記錄在事故發生前1分鐘,事故發生后1分鐘的一些重要模擬量參數值的變化情況(PDR),并用專用的工具軟件將這段時間內的數據以趨勢顯示的形式提取出來進行分析。通過趨勢能分析在這段時間內的總體變化過程,可以方便地觀察某一數據在這段時間內的最大值、最小值、變化速率、有無突然變化等情況;還可以將幾個相關數據放在同一圖形中,比較這些數據的變化規律,判斷是否由于某一數據的變化導致其他參數的相應改變,造成事故現象。

歷史SOE可以記錄1個月內的SOE記錄;歷史事故追憶可以記錄1個月內的事故追憶記錄。通過系統對SOE和事故追憶準確、詳實的記錄,可以幫助分析人員盡快查明事故原因,排除機組故障;在以后的運行中吸取經驗,保證機組的安全穩定運行。

(3)自動監測和閉環控制模塊。系統對機組的閉環控制是通過LCU裝置對機組有功(P)、無功(Q)調節來實現,根據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,使機組按給定的P、Q值運行。

機組有功和無功調節采用脈沖方式與調速器和勵磁裝置接口,脈沖寬度和脈沖間距根據給定值與實際測量值采用PID算法得出,其中脈沖寬度(kl*dPork1*dQ)由參數k1控制,脈沖間距(k2/dPork2/dQ)由參數k2控制(dPordQ為有功或無功測量值與給定值的差值)。

脈沖調節原則為既快速平穩又要避免超調和防止負荷波動。

①機組有功調節過程如下:

調節禁止:死區Pset-P≤100kWorP-Pset≤100kW(Pset-有功設定值,P-有功測量整形值),當有功調節進入死區后不給調速器發增減脈沖;頻率過高禁止,當機組頻率f≥50.50Hz時禁止增加有功,以防止當機組在單機、單變、單線運行方式下開關站或線路眺閘造成機組過速

調節方法:操作員可在操作員工作站通過鍵盤鼠標設定,PLC允許的設定值范圍0~12000kW,如果設定值不在此范圍,PLC自動將實發值給設定值。

參數整定:k1=1/1200,k2=19500。

②機組無功調節過程如下:

調節禁止:死區Qset-Q≤100kVarorQ-Qset≤100kVar(Qset-無功設定值,Q-無功測量整型值),當無功調節進入死區后不給勵磁裝置發增減脈沖;電壓過高禁止,當機端電壓Uab≥6750V時禁止增加無功,以防止當機組在單機、單變、單線運行方式下開關站或線路跳閘造成機組過電壓。

調節方法:操作員可在操作員站通過鍵盤鼠標設定,PLC允許的設定值范圍0~10000kVar,如果設定值不在此范圍,PLC自動將實發值給設定值。

參數整定:k1=1/500,k2=1000

(4)AGC/AVC自動控制模塊,主要有:

①自動發電控制(AGC)。本電站自動發電控制(AGC)是梅江流域梯級調度系統自動發電控制系統的一個子系統,任務是在滿足各項限制條件的前提下,以迅速、經濟的方式控制整個電站的有功功率來滿足系統的需要。

AGC控制算法的內容。根據給定的電站功率,考慮調頻和備用容量的需要,計算當前水頭下電站的最佳運行機組數;根據電站供電的可靠性、設備(特別是機組)的實際安全和和經濟狀況確定應運行機組臺號;在應運行機組間實現負荷的經濟分配;校核各項限制條件,如機組氣蝕振動區等,不滿足時進行各種修正;用水量計算,必要時進行相應修正。

AGC控制算法。AGC控制算法將采取分階段的方法,首先確定最佳運行機組數,然后確定機組臺號,最后解決機組間負荷分配。本電站4臺機組型號和容量都相同,因此,可以采用水輪機組合效率曲線交點法確定最佳運行機組數,按預先給定的開停順序確定應運行機組臺號,再用等負荷分配方法在參于AGC控制的機組間分配負荷。

水輪機組合效率曲線交點法。根據制造廠提供的水輪機模型特性曲線,求出各種水頭下不同運行機組數時的效率曲線η=(P,H,4),又稱水輪機組合效率曲線。

機組負荷調節時以“優先電廠出力平衡”為原則進行,即在調節中,先保證全廠出力達到發電要求,在此基礎上考慮機組間的負荷轉移,達到最優工況。

程序還考慮了可編程控制器是否拒絕接收下達控制命令的措施。如果連續幾次不執行命令就認為該機組的可編程控制器有故障,將該機組從可參加AGC機組名單中除名,作為帶固定負荷運行的機組。

②自動電壓控制(AVC)。本電站自動電壓控制(AVC)是梅江流域梯級調度系統自動電壓控制系統的一個子系統,任務是在滿足各項限制條件的前提下,控制電站機組的無功功率維持母線電壓在給定值的允許范圍內。

一般分兩步實現上述目標,先調電壓滿足電壓整定條件,再合理分配機組間的無功功率。機組間無功分配采用按比例分配的方法,機組LCU發給各臺機組的控制信號為增減脈沖信號。

整個程序分成兩大部分。第一部分是電壓調整部分,調整各臺機組的勵磁使母線電壓恢復正常。第二部部分為無功均衡部分,使各臺機組無功功率按數進行分配。這兩步是交錯進行的,一直進行到母線電壓偏差在允許范圍內以及各臺機組無功功率按分配系數進行分配時為止。

三、結束語

廣東省梅縣丹竹水電站計算機監控系統是本工程的技術亮點,在系統實施過程中廣泛應用了自動控制技術、計算機技術、數據庫技術、總線技術等,實現了整個電站的自動化監淵和控制的目標,提高了電站控制的安全性、可靠性,實現了工程管理的科學化、現代化,充分發揮樞紐工程經濟效益和社會效益。從現在已投入的系統運行來看,技術先進、可行、穩定,為國內外同類型的水電項目計算機技術推廣應用提供嘗試。

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