基于有限元分析的岩质块体稳定性评价方法

2013-05-12 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

摘要本文介绍广东省梅县丹竹水电站计算机监控系统的结构与特点,以及其主要功能模块。重点强调功能实施方面其关键技术与思路,以便为国内外同类工程计算机监控系统的建设提供借鉴。

关键词丹竹水电站监控系统功能

一、概述

1.工程概况

广东省梅县丹竹水电站计算机监控系统共分为现地LCU控制和远程计算机控制二种控制方式(详见图1),主要设备包括5个LCU控制柜分别针对1#~4#机组及公用设备(高压配电和油、水、气等辅助设备)进行监控和数据显示,2台计算机应用服务器和2台操作员工作站位于中控室通过以太网实现计算机远程监控,同时,本系统还具有通过Modem的远程拨号(RAS)功能,用户在任何地点,都可通过电话线拨号连入系统进行监控。

2.计算机监控系统的结构及特点

(1)系统结构实现。监控系统按“无人值班、少人值守”的原则设计,实现“遥信、遥测、遥控、遥调”功能。采用开放、分层分布式计算机系统,系统为C/S结构,有两台热备冗余的服务器和两台操作员工作站。整个系统采用星型网络结构(快速以太网TCP/IP协议),并由现地控制层(机组LCU1-4、高压配电设备及共用辅助设备的LCU5单元)和计算机中控层构成。监控系统的结构及设备配置见图1所示。

整个计算机监控系统专用局域以太网络并由两个层次实现,即:

在现地层采用10Mbps子网络与中控层的监控系统相连,同时,采用Modbus和Profibus等与各种传感器、智能设备、自动化元件相连。

在中控层,网络交换机利用虚拟网络技术(VLAN)组成独立的100Mbps快速以太网络,并与各个设备相连接,形成了以中控室交换机为核心的星型结构的局域以太网络。并且网络交换机预留有足够的接口与梅江梯级调度中心、梅江流域水情测报系统、和地方电力调度等系统联网。

另外本系统还能通过远程Modem拨号实现与远方的连接,构成远方监控层,用户在任何地点,通过电话线拨号可连入系统进行监控,但此方式连接的安全级别要非常高,本系统只能由系统管理员(站长级别)才能登录系统监控。

(2)系统的主要特点,主要有:

①星型网络结构。本系统采用的网络结构是由工程本身的特点所决定的,因为本电站以后会分期扩充容量、增加机组台数,又不能影响原系统运行,对系统的扩展性要求很高,而星型网络结构具备可扩展性、可用率和开放性的特点,所以采用了星型网络结构,对以后机组的增加非常方便,只需在交换机上增加网络节点即可实现扩容。

图1丹竹水电站计算机监控系统结构

②网络资源配置优化。考虑监控系统各控制层的实际信息量,本网络系统在现地控制层采用10M网络,在中控层采用100M网络。这样就形成厂高效、合理、结构清晰的网络,不仅优化了资源配置,而且合理地分配了网络负载。网络系统能够根据网络流量实现自动分配管理,通过适当的配置,可以实现对端口设备、VLAN、通信流和策略的管理,扩展控制平面数据包转发性能以及安全、高可用性和QoS方面的智能服务。

③冗余临控系统。监控系统两台服务器工作方式互为热备用,工控软件能实现这一功能。当上用机发生故障时,备用机的数据库具有对故障系统相同的内容且继续对过程作数据登录,并且对以前登录的数据具有完全的访问权限,一旦主用机恢复正常,就可以自动地进行数据同步,切换过程无扰动,提高了自动化水平和系统安全性能。

④可靠的AGC、AVC高级管理软件。系统在AGC、AVC投入运行后自动进行控制;在AGC运行时,可按给定日负荷曲线运行,也可以按实时给定总有功运行。在AVC运行时,可按给定电压曲线运行。

二、监控系统功能

1.主要功能模块

本系统的功能从控制权限来分有两层:中央控制层及现地控制层。系统既具备通用的数据采集与处理、运行监视、集中控制与调节及报表系统制作等基本的监控系统功能,也具有为满足工程特点所要求的功能:事件顺序记录(SOE)、事故追忆(PDR)、自动监测和闭环控制、AGC/AVC自动控制。

系统功能模块见图2所示。

2.系统功能模块应用

(1)系统基本功能模块。本系统的基本功能模块包括:中控层监控模块、高压配电监控模块、全站公用辅机设备监控模块、机组监控模块及数据库管理及报表生成模块。

中控层监控模块是基于美国GEFANUC公司提供的CIMPLICITY6.0SCADA/HMI平台软件开发而成的。运行环境为两台冗余的应用库服务器(DELLP530)及两台冗余操作员工作站(DELLP340),操作系统采用Windows2000AdvanceScrver/Professional。中控层应用服务器通过10M以太网络完成同现地控制层LCU1~LCU5间的数据传输。中控层监控模块能实现全站的数据采集、中央控制与调节、提供系统运行管理的友好界面(如:报警、操作)。

图2丹竹水电站计算机监控系统功能模块结构图

数据库管理及报表生成模块,其功能分布于中控层的应用服务器。应用服务器配置有MSSQLServer2000数据库软件,通过历史数据的统计、分析可编制用户所需的各种报表;中控层的数据库管理及报表生成模块则是通过DSE公司提供的智能报表软件,可完成全站内运行管理所需的报表。

高压配电监控模块、全站公用辅机设备监控模块及机组监控模块均属于现地控制层(LCU)功能模块。其主要由美国GEFANUC公司提供的VERSEPRO可编程逻辑编程软件开发而成。运行环境为GEFANUC公司的GE90-30系列PLC。具有对各LCU所监控设备的现地监视、控制及报警功能。

(2)事件顺序记录(SOE)和事故追忆(PDR)模块。系统提供了功能强大的故障顺序记录功能(SOE),时间分辨率不大于1ms,当故障发生时,能记录256个SOE点。作为SOE点,当其状态变化至特定状态时,即启动事件顺序记录功能。一般是对系统中重要设备的开、关等信号进行记录,通过SOE记录可以准确地判断出设备跳闸的先后顺序,查清事故的起因。SOE记录将3分钟内发生的SOE数据记作一个SOE事件,可记录20组SOE事件。

当电站发生事故时,计算机监控系统能记录在事故发生前1分钟,事故发生后1分钟的一些重要模拟量参数值的变化情况(PDR),并用专用的工具软件将这段时间内的数据以趋势显示的形式提取出来进行分析。通过趋势能分析在这段时间内的总体变化过程,可以方便地观察某一数据在这段时间内的最大值、最小值、变化速率、有无突然变化等情况;还可以将几个相关数据放在同一图形中,比较这些数据的变化规律,判断是否由于某一数据的变化导致其他参数的相应改变,造成事故现象。

历史SOE可以记录1个月内的SOE记录;历史事故追忆可以记录1个月内的事故追忆记录。通过系统对SOE和事故追忆准确、详实的记录,可以帮助分析人员尽快查明事故原因,排除机组故障;在以后的运行中吸取经验,保证机组的安全稳定运行。

(3)自动监测和闭环控制模块。系统对机组的闭环控制是通过LCU装置对机组有功(P)、无功(Q)调节来实现,根据LCU控制面板或主机设置的P、Q值,通过对机组的导叶开度和励磁电压进行调节,使机组按给定的P、Q值运行。

机组有功和无功调节采用脉冲方式与调速器和励磁装置接口,脉冲宽度和脉冲间距根据给定值与实际测量值采用PID算法得出,其中脉冲宽度(kl*dPork1*dQ)由参数k1控制,脉冲间距(k2/dPork2/dQ)由参数k2控制(dPordQ为有功或无功测量值与给定值的差值)。

脉冲调节原则为既快速平稳又要避免超调和防止负荷波动。

①机组有功调节过程如下:

调节禁止:死区Pset-P≤100kWorP-Pset≤100kW(Pset-有功设定值,P-有功测量整形值),当有功调节进入死区后不给调速器发增减脉冲;频率过高禁止,当机组频率f≥50.50Hz时禁止增加有功,以防止当机组在单机、单变、单线运行方式下开关站或线路眺闸造成机组过速

调节方法:操作员可在操作员工作站通过键盘鼠标设定,PLC允许的设定值范围0~12000kW,如果设定值不在此范围,PLC自动将实发值给设定值。

参数整定:k1=1/1200,k2=19500。

②机组无功调节过程如下:

调节禁止:死区Qset-Q≤100kVarorQ-Qset≤100kVar(Qset-无功设定值,Q-无功测量整型值),当无功调节进入死区后不给励磁装置发增减脉冲;电压过高禁止,当机端电压Uab≥6750V时禁止增加无功,以防止当机组在单机、单变、单线运行方式下开关站或线路跳闸造成机组过电压。

调节方法:操作员可在操作员站通过键盘鼠标设定,PLC允许的设定值范围0~10000kVar,如果设定值不在此范围,PLC自动将实发值给设定值。

参数整定:k1=1/500,k2=1000

(4)AGC/AVC自动控制模块,主要有:

①自动发电控制(AGC)。本电站自动发电控制(AGC)是梅江流域梯级调度系统自动发电控制系统的一个子系统,任务是在满足各项限制条件的前提下,以迅速、经济的方式控制整个电站的有功功率来满足系统的需要。

AGC控制算法的内容。根据给定的电站功率,考虑调频和备用容量的需要,计算当前水头下电站的最佳运行机组数;根据电站供电的可靠性、设备(特别是机组)的实际安全和和经济状况确定应运行机组台号;在应运行机组间实现负荷的经济分配;校核各项限制条件,如机组气蚀振动区等,不满足时进行各种修正;用水量计算,必要时进行相应修正。

AGC控制算法。AGC控制算法将采取分阶段的方法,首先确定最佳运行机组数,然后确定机组台号,最后解决机组间负荷分配。本电站4台机组型号和容量都相同,因此,可以采用水轮机组合效率曲线交点法确定最佳运行机组数,按预先给定的开停顺序确定应运行机组台号,再用等负荷分配方法在参于AGC控制的机组间分配负荷。

水轮机组合效率曲线交点法。根据制造厂提供的水轮机模型特性曲线,求出各种水头下不同运行机组数时的效率曲线η=(P,H,4),又称水轮机组合效率曲线。

机组负荷调节时以“优先电厂出力平衡”为原则进行,即在调节中,先保证全厂出力达到发电要求,在此基础上考虑机组间的负荷转移,达到最优工况。

程序还考虑了可编程控制器是否拒绝接收下达控制命令的措施。如果连续几次不执行命令就认为该机组的可编程控制器有故障,将该机组从可参加AGC机组名单中除名,作为带固定负荷运行的机组。

②自动电压控制(AVC)。本电站自动电压控制(AVC)是梅江流域梯级调度系统自动电压控制系统的一个子系统,任务是在满足各项限制条件的前提下,控制电站机组的无功功率维持母线电压在给定值的允许范围内。

一般分两步实现上述目标,先调电压满足电压整定条件,再合理分配机组间的无功功率。机组间无功分配采用按比例分配的方法,机组LCU发给各台机组的控制信号为增减脉冲信号。

整个程序分成两大部分。第一部分是电压调整部分,调整各台机组的励磁使母线电压恢复正常。第二部部分为无功均衡部分,使各台机组无功功率按数进行分配。这两步是交错进行的,一直进行到母线电压偏差在允许范围内以及各台机组无功功率按分配系数进行分配时为止。

三、结束语

广东省梅县丹竹水电站计算机监控系统是本工程的技术亮点,在系统实施过程中广泛应用了自动控制技术、计算机技术、数据库技术、总线技术等,实现了整个电站的自动化监渊和控制的目标,提高了电站控制的安全性、可靠性,实现了工程管理的科学化、现代化,充分发挥枢纽工程经济效益和社会效益。从现在已投入的系统运行来看,技术先进、可行、稳定,为国内外同类型的水电项目计算机技术推广应用提供尝试。

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