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摘要：随着微机硬件功能的不断强大、通信技术的不断进步、软件思想的不断发展，水电厂的综合自动化技术也开始向着运行更为可靠、功能更为完善的方向发展，系统的开放型、扩展性也得到了很大的提高。通过完善水电厂综合自动化系统，不但可以提高设备的运行效率，还可以保证设备的稳定运行，对电厂的发展革新起到很大的作用。
关键词：水电厂；综合自动化；设计
Abstract: Along with the computer hardware function ceaseless and powerful, the technical progress of communications, software thought development, hydropower station integrated automation technology also starts to turn towards more reliable operation, function more perfect direction, system open, scalability is also greatly improved. Through the improvement of comprehensive automation system of hydropower plants, not only can improve the operation efficiency of the equipment, but also can ensure the stable operation of the power plant equipment, development innovation plays an important role in.
Key words: hydropower station; integrated automation; design
中图分类号：TN830.1文献标识码：A文章编号：
随着电力系统的进一步发展，尤其是大量的中小型水电厂的出现，对于水电厂自动化的模式提出了新的要求。传统的水电厂自动化系统虽然完全能够满足中小型水电厂的自动化需求，但成本过高；并且系统结构复杂，对于技术水平相对比较薄弱的中小型水电厂的运行维护人员而言，掌握起来难度较大。因此逐渐提出了一种新的自动化系统模式：利用先进的通讯技术，将传统水电厂自动化系统中的监控、保护、调速、励磁等独立的部分整合在一起，形成水电厂综合自动化系统，其成本更低，配置更加简单，网络更加清晰，更适用于中小型水电厂的自动化系统。
1综合自动化结构特点
机械和电气部分的控制由独立的自动控制装置实现（如调速、励磁、保护等装置）；监控系统所需要的所有测点都通过所带的I/O模块接入硬接线采集，成本高；监控系统所能获得的电气信号点数少，投资大（交流变送器）；获取各个电气、机械控制子系统的信息少；含有旋转部件的工控机，可靠性较低，硬件成本和维护量较大。
图1：综合自动化集成系统
综合自动化集成系统大大增强了各个子系统间的信息共享和交换功能，可以获得更为丰富的现场信息；减少了大量子系统间电缆，有效降低了成本；对各个设备配置单元式的测控装置，维护更为方便（变电站综合自动化模式）；对于有功无功调节由调速和励磁单独完成，调节效果更为出色；对通信的要求非常高（图1）。
由于通信和计算机技术水平的提高，通信的可靠性越来越能够得到保证，因而以往的认为十分可靠的硬接线正在逐步被专用装置的通讯所取代；水电厂电气控制子系统的功能也由于硬件性能的提升而逐步得到了完善。装置的功能增加了，而相应的硬件数目减少了。综合自动化系统正在朝着功能更加完善、结构更加紧凑、单元式、维护更加简便、使用更加简单、成本更为低廉的方向發展。
2监控系统的构成
当前监控系统的构成要点：以通用的PLC作为监控系统现地控制的核心部件，完成现地数据采集、设备状况监视、设备控制操作等功能；以硬接线的连接完成和其它系统的主要交互功能；以装于现地的工控机或其它通讯装置，实现与其它系统的通讯功能；以PLC的通讯口或现地工控机的通讯口，与上位机进行通讯，实现中控室集控功能；以上位机中的通信机通过电力载波或光纤网络和网调、梯调系统通信（图2）。
图2：监控系统设计框图
现有的监控系统基本都是按照大型水电厂的框架来设计的。优点在于功能完善、可靠性高；缺点是系统结构复杂、成本高、对使用和维护者的要求高。面向小型水力发电厂(站)的自动化装置是专门针对中小型水电厂(站)而设计的，突出了主设备的主要功能以及各功能模块间的配合，集成度高、针对性强、成本低。该装置集测量、控制、保护、调速、励磁等功能于一体。由于对功能进行了有效整合，因而减少了设备的冗余配置，可以最大限度地增强易用性和降低成本。
3综合自动化装置机组主要构成部分
3.1主控 (CPU)模块
采用自行研制的智能PLC作为核心模块，完成机组测量、控制、调节等功能。如自动开停机、运行工况转换、事故停机等逻辑操作功能；有功、无功负荷自动调节功能；事故、故障报警功能；完成对导叶、轮叶、温度等的测量；完成自动准同期的调节和检定功能；完成与上位机的通讯功能。
3.2 I/O模块
I/O模块包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、温度量输入模块等。完成系统调度、I/O数据采集控制、数据预处理和模块自诊断等功能；并通过CAN现场总线完成与控制(CPU)模块的数据及信息交换。其指示灯能显示模块运行、模块故障、CAN网运行状态等。
3.3通讯模块
满足机组对外串行通讯交换信息、控制的需要；与主控(CPU)模块通过CAN现场总线交换信息。
3.4调速模块
调速模块主要完成机组转速及有功功率的调节。调速模块可测量机组和电网的频差，并实现机组频率的调节和控制，具有开机、停机、并网及增减负荷等功能。提供频率调节、功率调节、开度调节等多种调节方式，并可实现这些调节方式之间的无扰动切换。
调速模块和主控(CPU)模块紧密配合完成机组的调速功能，调速模块负责对机频和网频的采样计算，导叶开度反馈、叶轮开度反馈等模拟量的采集以及将调节输出的数字量转换为模拟量或PWM信号输出，驱动直流伺服电机或步进电机以不同的转速和不同的方向转动，从而控制接力器按要求运动。主控(CPU)模块负责协联关系的转换、PID运算和故障保护等功能。它们之间的信息交换通过CAN现场总线完成。
3.5励磁模块
励磁模块主要完成机组电压及无功功率的调节。励磁模块提供恒机端电压调节、恒励磁电流调节、恒无功调节、电压互感器断线保护、过励限制、欠励限制、V/F限制、自动起励建压等功能。它提供手动调节和自动调节两种调节模式。
由于励磁模块的时间和功能上的要求，励磁模块相对比较独立，能独立完成对机组的励磁调节。它通过CAN2现场总线向主控（CPU）模块上送控制过程信息及相关数据，主控（CPU）模块下发设定的参数和有关给定值。控制过程中的信息通过主控（CPU）模块显示。
3.6保护模块
保护模块主要完成发电机组的保护功能。保护模块采用高性能DSP处理器、14位高速AD，强弱电分离，具有高度自检功能，保证硬件的高可靠性。保护软件采用智能处理技术，避免元器件损坏引起误动。保护出口采用“启动+出口”的方式。
保护模块由于其功能的特殊性, 因此相对比较独立，即使和整个系统脱离，亦可完成其保护功能，因此保护模块具有单独的CPU模块和电源模块，同时作为装置中的一部分，通过CAN现场总线和主控(CPU)模块交换信息。
3.7公用、辅机设备结构
综合自动化装置公用、辅机设备结构示意图如图3所示。
图3：综合自动化装置公用、辅机设备结构示意图
既可采用传统的以PLC为核心模块的配置方案，也可采用单个测控装置控制单个设备的组合方案。前一种方案更适合于综合性测点更多的场合，后一种方案更适合于单元式控制的场合。相比较而言，后一种方案配置更为灵活、维护更为方便。由于各个设备的测控装置独立，因而单台设备发生故障时，只需更换相应的备件即可，其它设备运行不受影响。测控装置提供逻辑控制的组态功能，可以满足不同的现场需求。
以线路保护及变压器保护为主，和测控装置一起构成开关站的保护、测控功能；由于去掉了传统的PLC的配置方案，因而真正实现了线路及设备的单元式保护、测控。减少了设备的配置。维护更加灵活方便。
录波功能集成在保护装置中，无需单独的录波装置。保护动作时自动启动录波，能够在第一时间捕捉到现场的电气异常运行状况。保护录波网与监控网各自独立运行，相互间不受影响。可通过单独配置的通信机与系统录波网相连，遵循COMTRADE数据格式。
4结束语
采用模块化结构设计思想，维护简便，便于批量生产；通过现场总线将各智能模块联系在一起，实现整套装置的信息共享问题，将不同信息优化配置，避免重复采集，实现结构紧凑，降低造价；协同考虑五大功能，使装置实用、简单、免维护；采用编程组态技术，可实现用户的组态配置，具有结构灵活、实用性强、扩展方便的特点；装置抗恶劣环境（高抗干扰能力）能力的实现符合一系列国际标准，考虑防潮、抗干扰等措施；运用嵌入式技术，提高装置的可靠性、实时性、开放性；实现结构紧凑、工艺精美、便于安装、易于操作的装置外壳和模具外壳。
参考文献：
[1] 林辉,等.电力电子技术.武汉：武汉理工大学出版社，2002.
[2] 李若明,等.电厂信息综合自动化的实现〔J〕.电力系统自动化, 2004, (20): 37-39.
关键词：水电厂；综合自动化；设计
Abstract: Along with the computer hardware function ceaseless and powerful, the technical progress of communications, software thought development, hydropower station integrated automation technology also starts to turn towards more reliable operation, function more perfect direction, system open, scalability is also greatly improved. Through the improvement of comprehensive automation system of hydropower plants, not only can improve the operation efficiency of the equipment, but also can ensure the stable operation of the power plant equipment, development innovation plays an important role in.
Key words: hydropower station; integrated automation; design
中图分类号：TN830.1文献标识码：A文章编号：
随着电力系统的进一步发展，尤其是大量的中小型水电厂的出现，对于水电厂自动化的模式提出了新的要求。传统的水电厂自动化系统虽然完全能够满足中小型水电厂的自动化需求，但成本过高；并且系统结构复杂，对于技术水平相对比较薄弱的中小型水电厂的运行维护人员而言，掌握起来难度较大。因此逐渐提出了一种新的自动化系统模式：利用先进的通讯技术，将传统水电厂自动化系统中的监控、保护、调速、励磁等独立的部分整合在一起，形成水电厂综合自动化系统，其成本更低，配置更加简单，网络更加清晰，更适用于中小型水电厂的自动化系统。
1综合自动化结构特点
机械和电气部分的控制由独立的自动控制装置实现（如调速、励磁、保护等装置）；监控系统所需要的所有测点都通过所带的I/O模块接入硬接线采集，成本高；监控系统所能获得的电气信号点数少，投资大（交流变送器）；获取各个电气、机械控制子系统的信息少；含有旋转部件的工控机，可靠性较低，硬件成本和维护量较大。
图1：综合自动化集成系统
综合自动化集成系统大大增强了各个子系统间的信息共享和交换功能，可以获得更为丰富的现场信息；减少了大量子系统间电缆，有效降低了成本；对各个设备配置单元式的测控装置，维护更为方便（变电站综合自动化模式）；对于有功无功调节由调速和励磁单独完成，调节效果更为出色；对通信的要求非常高（图1）。
由于通信和计算机技术水平的提高，通信的可靠性越来越能够得到保证，因而以往的认为十分可靠的硬接线正在逐步被专用装置的通讯所取代；水电厂电气控制子系统的功能也由于硬件性能的提升而逐步得到了完善。装置的功能增加了，而相应的硬件数目减少了。综合自动化系统正在朝着功能更加完善、结构更加紧凑、单元式、维护更加简便、使用更加简单、成本更为低廉的方向發展。
2监控系统的构成
当前监控系统的构成要点：以通用的PLC作为监控系统现地控制的核心部件，完成现地数据采集、设备状况监视、设备控制操作等功能；以硬接线的连接完成和其它系统的主要交互功能；以装于现地的工控机或其它通讯装置，实现与其它系统的通讯功能；以PLC的通讯口或现地工控机的通讯口，与上位机进行通讯，实现中控室集控功能；以上位机中的通信机通过电力载波或光纤网络和网调、梯调系统通信（图2）。
图2：监控系统设计框图
现有的监控系统基本都是按照大型水电厂的框架来设计的。优点在于功能完善、可靠性高；缺点是系统结构复杂、成本高、对使用和维护者的要求高。面向小型水力发电厂(站)的自动化装置是专门针对中小型水电厂(站)而设计的，突出了主设备的主要功能以及各功能模块间的配合，集成度高、针对性强、成本低。该装置集测量、控制、保护、调速、励磁等功能于一体。由于对功能进行了有效整合，因而减少了设备的冗余配置，可以最大限度地增强易用性和降低成本。
3综合自动化装置机组主要构成部分
3.1主控 (CPU)模块
采用自行研制的智能PLC作为核心模块，完成机组测量、控制、调节等功能。如自动开停机、运行工况转换、事故停机等逻辑操作功能；有功、无功负荷自动调节功能；事故、故障报警功能；完成对导叶、轮叶、温度等的测量；完成自动准同期的调节和检定功能；完成与上位机的通讯功能。
3.2 I/O模块
I/O模块包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、温度量输入模块等。完成系统调度、I/O数据采集控制、数据预处理和模块自诊断等功能；并通过CAN现场总线完成与控制(CPU)模块的数据及信息交换。其指示灯能显示模块运行、模块故障、CAN网运行状态等。
3.3通讯模块
满足机组对外串行通讯交换信息、控制的需要；与主控(CPU)模块通过CAN现场总线交换信息。
3.4调速模块
调速模块主要完成机组转速及有功功率的调节。调速模块可测量机组和电网的频差，并实现机组频率的调节和控制，具有开机、停机、并网及增减负荷等功能。提供频率调节、功率调节、开度调节等多种调节方式，并可实现这些调节方式之间的无扰动切换。
调速模块和主控(CPU)模块紧密配合完成机组的调速功能，调速模块负责对机频和网频的采样计算，导叶开度反馈、叶轮开度反馈等模拟量的采集以及将调节输出的数字量转换为模拟量或PWM信号输出，驱动直流伺服电机或步进电机以不同的转速和不同的方向转动，从而控制接力器按要求运动。主控(CPU)模块负责协联关系的转换、PID运算和故障保护等功能。它们之间的信息交换通过CAN现场总线完成。
3.5励磁模块
励磁模块主要完成机组电压及无功功率的调节。励磁模块提供恒机端电压调节、恒励磁电流调节、恒无功调节、电压互感器断线保护、过励限制、欠励限制、V/F限制、自动起励建压等功能。它提供手动调节和自动调节两种调节模式。
由于励磁模块的时间和功能上的要求，励磁模块相对比较独立，能独立完成对机组的励磁调节。它通过CAN2现场总线向主控（CPU）模块上送控制过程信息及相关数据，主控（CPU）模块下发设定的参数和有关给定值。控制过程中的信息通过主控（CPU）模块显示。
3.6保护模块
保护模块主要完成发电机组的保护功能。保护模块采用高性能DSP处理器、14位高速AD，强弱电分离，具有高度自检功能，保证硬件的高可靠性。保护软件采用智能处理技术，避免元器件损坏引起误动。保护出口采用“启动+出口”的方式。
保护模块由于其功能的特殊性, 因此相对比较独立，即使和整个系统脱离，亦可完成其保护功能，因此保护模块具有单独的CPU模块和电源模块，同时作为装置中的一部分，通过CAN现场总线和主控(CPU)模块交换信息。
3.7公用、辅机设备结构
综合自动化装置公用、辅机设备结构示意图如图3所示。
图3：综合自动化装置公用、辅机设备结构示意图
既可采用传统的以PLC为核心模块的配置方案，也可采用单个测控装置控制单个设备的组合方案。前一种方案更适合于综合性测点更多的场合，后一种方案更适合于单元式控制的场合。相比较而言，后一种方案配置更为灵活、维护更为方便。由于各个设备的测控装置独立，因而单台设备发生故障时，只需更换相应的备件即可，其它设备运行不受影响。测控装置提供逻辑控制的组态功能，可以满足不同的现场需求。
以线路保护及变压器保护为主，和测控装置一起构成开关站的保护、测控功能；由于去掉了传统的PLC的配置方案，因而真正实现了线路及设备的单元式保护、测控。减少了设备的配置。维护更加灵活方便。
录波功能集成在保护装置中，无需单独的录波装置。保护动作时自动启动录波，能够在第一时间捕捉到现场的电气异常运行状况。保护录波网与监控网各自独立运行，相互间不受影响。可通过单独配置的通信机与系统录波网相连，遵循COMTRADE数据格式。
4结束语
采用模块化结构设计思想，维护简便，便于批量生产；通过现场总线将各智能模块联系在一起，实现整套装置的信息共享问题，将不同信息优化配置，避免重复采集，实现结构紧凑，降低造价；协同考虑五大功能，使装置实用、简单、免维护；采用编程组态技术，可实现用户的组态配置，具有结构灵活、实用性强、扩展方便的特点；装置抗恶劣环境（高抗干扰能力）能力的实现符合一系列国际标准，考虑防潮、抗干扰等措施；运用嵌入式技术，提高装置的可靠性、实时性、开放性；实现结构紧凑、工艺精美、便于安装、易于操作的装置外壳和模具外壳。
参考文献：
[1] 林辉,等.电力电子技术.武汉：武汉理工大学出版社，2002.
[2] 李若明,等.电厂信息综合自动化的实现〔J〕.电力系统自动化, 2004, (20): 37-39.