1、摘 要水电是我国重点发展的绿色能源，水电生产具有开停机方便、运行费用低，对环境污染小等优点，合理充分地利用水电能源对我国的经济发展起着巨大的推动作用，因此有效地对水力机组运行参数进行检测、分析、优化，对水轮机组高效稳定运行将起到重要作用。本文采用虚拟仪器技术，通过 LabVIEW 的方法，开发了一套水力机组运行实时监测系统，该系统不仅实现了水轮机运行参数的实时检测、分析、计算以及水力机组能量特性模型的建立，而且为建立水力机组优化运行系统打下基础。本文主体分为两部分，每部分内容如下：第一部分：采用虚拟仪器的概念，构建了实时监测系统的硬件结构并详细介绍了硬件的选型设计。该系统的硬件部分主要采用了美
2、国 NI 公司的产品，包括信号调理设备以及数据采集卡，经过试验验证，该系统硬件结构不论采集精度、速度以及抗干扰能力都能够满足实时监测系统的要求。第二部分：利用图形化编程语言 LabVIEW 建立了数据采集系统，实现了水轮机的工作水头、流量、出力等参数的实时在线监测、显示、处理以及存储，同时可根据水力机组实时监测的数据计算水轮机的运行效率，并实时显示，使工作人员随时了解水轮机的运行状况。本系统的开发对于充分利用水资源，提高水电站的经济效益，实现水力机组的高效稳定运行及优化运行均具有一定的实际指导意义。关键词：水力机组；优化运行；数据采集；虚拟仪器；监测系统目 录摘 要ABSTRACT第 1章 绪
3、 论 .11.1 水电站系统的发展概论 .11.1.1 国内外发展状况 .21.1.2 水电站控制方式的演变 .31.1.3 小型水电站计算机监控现状 .5第 2章 中小型水电站监控系统设计 .72.1 中小型水电站运行的特点 .72.2 水电站监控系统的设计要求 .82.3 监控系统的主要设计任务 .102.3.1 监控系统的系统结构设计 .102.3.2 水电站的电厂分层设计 .12第 3 章 上位机的软件设计 .143.1 虚拟仪器及 LABVIEW 概述 .143.1.1 虚拟仪器技术 .153.1.1.1 虚拟仪器与传统仪器的对比 .153.1.1.2 虚拟仪器的构成 .153.1.
4、1.3 虚拟仪器的特点 .173.1.2 LabVIEW.183.2 LabVIEW 各种通信方式介绍与实现 .203.3 系统通信方式的比较与原则 .213.4 上下机间的数据传递 .223.5 数据采集 .223.6 系统程序前面板 .223.7 系统程序框图 .243.8 水利机组运行实时监测系统采集的实现 .25第 4章 基于虚拟仪器的水利机组运行参数数据采集系统 .274.1 数据库的访问技术 .274.1.1 系统数据库平台 .274.1.2 LabVIEW 的数据库访问方式 .274.1.3 LabSQL 工具包简介 .284.1.4 LabSQL 的安装及配置 .304.1.5
5、 LabVIEW 访问数据库的流程 .314.2 数据库表单设计 .324.3 数据库采集系统的软件结构 .364.4 数据采集系统的功能 .37第 5 章 展望与总结 .385.1 展望 .385.2 总结 .38致 谢 .40参考文 献 .410第 1 章 绪论1.1 水电站控制系统的发展概况水电站最根本的任务是实现安全经济运行,随着国民经济的持续发展,电力需求迅猛增长,兴建的水电站越来越多,其容量也越来越大,如正在建设的三峡水电站,总装机容量高达 18200MW。为了实现安全发供电,需要经常监测的量成千上万,需要实现的控制功能也越来越复杂。特别是抽水蓄能电厂的出现,机组的工况不仅有发电、
6、调相、而且还有抽水、各种工况之间的相互转换,使控制功能进一步复杂。为了实现水电站的优化运行以期达到整个系统的经济运行,需要进行的计算更为复杂。以上这些复杂的工作使原来在水电站上广泛使用的布线逻辑型自动装置越来越难以胜任,因此采用更为先进的技术成了迫不及待的任务。与此同时,计算机科学发展异常迅猛,技术日新月异,其性能日趋完善,而价格日益下降,这为计算机监控取代常规的布线逻辑型自动装置提供了良好的物质基础。早在 20 世纪 70 年代,计算机已开始应用于水电站,起先用于各项离线计算和工况的监测,后来,逐渐进入到控制领域。它经历了一段从低级到高级,从顺序控制到闭环调节控制,从局部控制到全厂控制,从电
7、能生产领域扩展到水情测报、水工建筑物的监控。航运管理控制等各个方面,从监控到实现经济运行,从个别电厂监控到整个梯级和流域监控的发展过程。出现了一批用微机构成的调速器、励磁调节器、同期装置和继电保护装置等。多媒体技术应用使电厂中控室的设计发生了巨大的变化。巨大的模拟显示屏正在逐渐被计算机显示器所代替;常规操作盘基本上已被计算机监控系统的值班员控制台所取代。运行人员的操作已从过去的扭把手、按开关转为计算机键盘和鼠标操作。运行人员的工作性质也发生了质的变化,从过去的日常监控和频繁操作转变为巡视,经常的监测和控制调节工作都由计算机系统去完成。运行人员的劳动强度大大减轻,人数也大大减少,甚至出现了“无人
8、值班”的水电站。采用计算机监控已成了水电站主流。11.1.1 国内外发展现状从 20 世纪 70 年代起,计算机监控在国外一些水电站上取得了实质性的进展,出现了用计算机控制的水电。最初,由于计算机价格比较昂贵,全厂只用一台计算机实现对主要工况的监视和操作,通常采用开环调节控制。后来,随着计算机性能改善和价格下降,出现了采用多台计算机实现闭环调节控制的水电站。高性能微机的出现使微机在水电站监控系统中得到普遍的应用。现在,新投入的水电站大都采用由多台计算机构成的计算机监控系统。世界各国的发展是不平衡的,目前关于水电站实现计算机监控的情况还缺乏完整统计资料。就国家来说,美国,法国,日本和加拿大等国在
9、这方面是比较领先的。国外研制水电站计算机监控系统有许多公司,其中比较著名的有,加拿大的CAE 公司、瑞士和德国的 ABB 公司。德国的西门子公司。法国的 ALSToM 公司(原 CEGELEC 公司)、日本的日立公司和东芝公司、美国和加拿大的贝利公司，奥地利的依林(ELIN)公司等。各公司都推出自己的系列产品,在世界各地得到了广泛应用。我国水电站计算机监控系统的研制工作起步并不晚。早在 70 年代末,原水电部就组织了南京自动化研究所(现改为电力自动化研究院)、长江流域规划办公室(现改为长江水利委员会)和华中工学院(现改为华中科技大学)研究葛洲坝水电站采用计算机监控系统问题。随后,中国水利水电科
10、学院研究院(简称水科院)自动化研究所开始了富春江水电站计算机监控系统的研制工作。天津电气传动设计研究所(简称天传所)也开始了永定河梯级水电站计算机监控系统的研制工作。这些监控系统于 80 年代中期先后投入运行。与此同时,我国也引进了一些国外研制的监控系统。采用 CAE 公司产品的有葛洲坝大江电厂、隔河岩水电站和龚嘴梯调。采用西门子公司产品的有鲁布格水电站、广州抽水蓄能电厂 C 二期。龚嘴水电站,采用 ABB 公司产品的有潘家口、天生桥二级、溪口、宝兴河梯级和二滩等水电站。采用贝利公司产品的有十三陵抽水蓄能电厂和天荒坪抽水蓄能电厂，采用法国 cEGELEC 公司产品的有广州抽水蓄能电厂(一期)、
11、高坝洲水电站、采用依林公司产品的有小浪底水电站。十多年来,国内的研制单位也取得了很大的成就。己投运的几十个计算机监控系统中绝大多数是由国内单位研制的。技术水平也有了很大的提高,达到了国2外 90 年代的水平。许多新技术,如分层分布处理、分布式数据库、开放系统、网络、多媒体、专家系统等,都得到了相应的应用。电力自动化研究院和水科院自动化研究所还推出了自己的系列产品,不仅在国内电站得到广泛的应用,甚至还出口到国外。根据近年来的实践,新建的大中型水电站已基本采用计算机监控系统,不采用的己是少数。1.1.2 水电站控制方式的演变随着计算机技术的不断发展,水电站监控的方式也随之改变,计算机系统在水电站监
12、控系统中的作用及其与常规设备的关系也发生了变化,其演变过程大致如下。1.以常规控制装置为主、计算机为辅的监控方式早期由于计算机价格比较昂贵,而且人们对它的可靠性不够信任,因此,计算机只起监视、记录打印、经济运行计算、运行指导等作用,水电站的直接控制功能仍由常规控制装置来完成“采用此方式时,对计算机可靠性的要求不是很高,即使计算机局部发生故障,水电站的正常运行仍能维持,只是性能方面有所降低。采用这种控制方式的典型例子是依泰普水电站运行的初期(80 年代上半期)。当时采用这种控制方式的理由是,根据巴西和巴拉圭的国情,认为采用计算机监控系统的经验还不够成熟,缺乏相应的技术力量,故而先采用能实现数据采
13、集和监视记录等功能的计算机系统,而水电站的控制仍由常规设备来完成。这样,可以为将来可实现控制功能的系统作准备,同时可以减少前期的投资。后来,依泰普水电站已将它更新为具有复杂控制功能的、比较完善的计算机监控系统。国内采用这种控制方式的典型例子是富春江水电站综合自动化的一期工程(80 年代上半期) 。一期工程是一个实时监测系统,实现数据的采集和处理!提供机组经济运行指导和全厂运行状态的监视记录,计算机不直接作用于生产过程的控制。这在当时是适合的,后来也被更 新为能实现控制功能的比较完善的计算机监控系统。这种控制方式的缺点是,功能和性能都比较低,并对整个水电站自动化水平的提高有一定的限制,目前新建水
14、电站已很少采用。对已运行的水电站,尤其是在中小型水电站,在常规监控系统的基础上,加一3点专用功能的全厂自动化装置,如自动巡回检测和数据采集装置,按水流或负荷调节经济运行装置等,也可取得很好的技术经济效益,投资也不大,对运行管理水平要求不太高,这种 CASC 方式还是可以采用的。国外也有不少这样的例子。2.计算机与常规控制装置双重监控方式 Computer-ConventionalsuPervi so Control 简称 CCSC)随着计算机系统可靠性的提高和价格的下降以及人们对计算机实现监控的信任度的提高,人们较容易接受让计算机直接参加控制,但对它还不是很放心,所以出现了计算机与常规控制装置
15、双重监控的方式。此时,水电站要设置两套完整的控制系统,一套是以常规控制装置构成的系统,一套是以计算机构成的系统,相互之间基本上是独立的。两套控制系统之间可以切换,互为备用,保证系统安全可靠运行。采用这种方式的原因是:(1)有些用户, 特别是大型水电站,对计算机系统的可靠性仍有较大的顾虑,总觉得计算机系统没有常规系统可靠,心理上有障碍,要设一套常规系统作后备。（2）原来的水电站运行值班人员习惯于常规设备的操作,不熟悉计算机系统的操作,需要一段适应过程。（3）计算机系统检修时,常规系统可以投入运行,不影响水电站的正常运行。（4）如果水电站己有常规系统,加设计算机监控系统可以减少干扰,不影响电厂的正
16、常运行。这一点对已运行水电站的改造是有现实意义的。国外采用这种方式的典型例子是美国邦纳维尔第二电厂(558MW)和巴斯康提抽水蓄能电厂(Z100MW)。国内采用这种控制方式的典型例子是葛洲坝大江电厂(1750MW)和龙羊峡水电站(1280MW) 。采用这种方式的缺点是:（1）由于需要设置两套完整的控制系统 ,投资比较大;（2）由于两套系统并存,相互之间要切换,二次接线复杂 ,可靠性反而有所降低。目前新建水电站已很少采用这种控制方式。3.以计算机为基础的监控方式(Computer-Baseds Supervisory Control 简称 CBSC)随着计算机系统的可靠性进一步提高和价格的进一步
17、下降,出现了以计算机为基础的监控系统。采用此方式时,常规控制部分可以大大简化,平时都采用计算机控制。因此,对计算机系统的可靠性要求就比较高,这可以采用冗余技术来解决,保证系统某一单元或局部环节发生故障时,整个系统和电厂运行还能继续进行。4采用此种方式时,中控室仅设置计算机监控系统的值班员控制台,模拟屏已成为辅助监控手段,可以简化甚至取消。国外采用这种方式的典型例子是美国的大古力水电站(615MW)。委内瑞拉的古里水电站(10000MW)、法国的孟德齐克抽水蓄能电厂(920MW)等。国内采用这种方式的典型例子是漫湾水电站(1250MW)。这种控制方式是目前国内外水电站普遍采用的计算机控制方式。4
18、.取消常规设备的全计算机控制方式随着计算机技术的进一步发展和水电站计算机监控系统运行经验的累积,出现了以计算机为唯一监控设备的全计算机控制方式,实际上它是 CBSC 方式的延伸。此时,取消了中控室常规的集中控制设备,机旁也取消了自动操作盘。中控室还保留模拟显示屏,但其信息取自计算机系统,不考虑在机组控制单元(计算机型的)发生故障时进行机旁的自动操作。此时,对计算机系统的可靠性提出更高的要求,冗余度也要进一步提高。采用这种方式的典型例子是我国隔河岩水电站(12OOMW),采用 CAE 公司的产品“这种方式投资比较大,但它有良好的应用前景,将成为未来的水电站计算机控制方式的主流。1.1.3 小型水
19、电站计算机监控现状由于早期的研制主要集中于大中型水电站,对小型水电站监控系统的研究较少,因此使得我国水电站自动化技术的发展出现了极不平衡的局面,小型水电站的自动化水平目前还处于比较落后的状态,在小型水电站自动化装置的研究方面,与国外的先进水平相比还有一段较大的差距。针对小型水电站的特点而专门进行的一项研究是在 20 世纪 90 年代中期进行的,是由国电自动化研究院与石景山发电总厂合作在下苇甸水电站容量均15MW 的 5 号和 6 号机上进行的发电综合控制装置(GCU)的研究试验。由于GCU 的设计构想是集调速、励磁、顺控、同期、测量 5 个功能于一体,因此又称为“五合一” 装置。经一段时间的试运行 ,甩 100%负荷试验,从高井到下苇甸 5号机的远方控制等情况来看,该套装置运行正常,达到预期目的。为了促进小水电站实现自动化控制,水利部亚太小水电中心和国家电力公司南京自动化股份有限公司都在小型水电站监控方式方面进行了一些探讨。此外,5武汉华工电气自动化有限责任公司,南京自动化设备厂和许昌继电器集团有限公司等科研、制造单位也做了不少工作,在我国已形成了 SDJK，DZWX，SSJ 一3000、CSCS 系列、SD200 和 SJK 一 3000 等多种产品。
