基于有限元分析的巖質(zhì)塊體穩(wěn)定性評價(jià)方法

2013-05-12 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),以及其主要功能模塊。重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)功能實(shí)施方面其關(guān)鍵技術(shù)與思路,以便為國內(nèi)外同類工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞丹竹水電站監(jiān)控系統(tǒng)功能

一、概述

1.工程概況

廣東省梅縣丹竹水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)共分為現(xiàn)地LCU控制和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制二種控制方式(詳見圖1),主要設(shè)備包括5個LCU控制柜分別針對1#~4#機(jī)組及公用設(shè)備(高壓配電和油、水、氣等輔助設(shè)備)進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)顯示,2臺計(jì)算機(jī)應(yīng)用服務(wù)器和2臺操作員工作站位于中控室通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控,同時,本系統(tǒng)還具有通過Modem的遠(yuǎn)程撥號(RAS)功能,用戶在任何地點(diǎn),都可通過電話線撥號連入系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

2.計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。監(jiān)控系統(tǒng)按“無人值班、少人值守”的原則設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)“遙信、遙測、遙控、遙調(diào)”功能。采用開放、分層分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),系統(tǒng)為C/S結(jié)構(gòu),有兩臺熱備冗余的服務(wù)器和兩臺操作員工作站。整個系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(快速以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議),并由現(xiàn)地控制層(機(jī)組LCU1-4、高壓配電設(shè)備及共用輔助設(shè)備的LCU5單元)和計(jì)算機(jī)中控層構(gòu)成。監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及設(shè)備配置見圖1所示。

整個計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)專用局域以太網(wǎng)絡(luò)并由兩個層次實(shí)現(xiàn),即:

在現(xiàn)地層采用10Mbps子網(wǎng)絡(luò)與中控層的監(jiān)控系統(tǒng)相連,同時,采用Modbus和Profibus等與各種傳感器、智能設(shè)備、自動化元件相連。

在中控層,網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)利用虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(VLAN)組成獨(dú)立的100Mbps快速以太網(wǎng)絡(luò),并與各個設(shè)備相連接,形成了以中控室交換機(jī)為核心的星型結(jié)構(gòu)的局域以太網(wǎng)絡(luò)。并且網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)預(yù)留有足夠的接口與梅江梯級調(diào)度中心、梅江流域水情測報(bào)系統(tǒng)、和地方電力調(diào)度等系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。

另外本系統(tǒng)還能通過遠(yuǎn)程Modem撥號實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)方的連接,構(gòu)成遠(yuǎn)方監(jiān)控層,用戶在任何地點(diǎn),通過電話線撥號可連入系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控,但此方式連接的安全級別要非常高,本系統(tǒng)只能由系統(tǒng)管理員(站長級別)才能登錄系統(tǒng)監(jiān)控。

(2)系統(tǒng)的主要特點(diǎn),主要有:

①星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由工程本身的特點(diǎn)所決定的,因?yàn)楸倦娬疽院髸制跀U(kuò)充容量、增加機(jī)組臺數(shù),又不能影響原系統(tǒng)運(yùn)行,對系統(tǒng)的擴(kuò)展性要求很高,而星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具備可擴(kuò)展性、可用率和開放性的特點(diǎn),所以采用了星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),對以后機(jī)組的增加非常方便,只需在交換機(jī)上增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。

圖1丹竹水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

②網(wǎng)絡(luò)資源配置優(yōu)化?？紤]監(jiān)控系統(tǒng)各控制層的實(shí)際信息量,本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在現(xiàn)地控制層采用10M網(wǎng)絡(luò),在中控層采用100M網(wǎng)絡(luò)。這樣就形成廠高效、合理、結(jié)構(gòu)清晰的網(wǎng)絡(luò),不僅優(yōu)化了資源配置,而且合理地分配了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量實(shí)現(xiàn)自動分配管理,通過適當(dāng)?shù)呐渲?可以實(shí)現(xiàn)對端口設(shè)備、VLAN、通信流和策略的管理,擴(kuò)展控制平面數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)性能以及安全、高可用性和QoS方面的智能服務(wù)。

③冗余臨控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)兩臺服務(wù)器工作方式互為熱備用,工控軟件能實(shí)現(xiàn)這一功能。當(dāng)上用機(jī)發(fā)生故障時,備用機(jī)的數(shù)據(jù)庫具有對故障系統(tǒng)相同的內(nèi)容且繼續(xù)對過程作數(shù)據(jù)登錄,并且對以前登錄的數(shù)據(jù)具有完全的訪問權(quán)限,一旦主用機(jī)恢復(fù)正常,就可以自動地進(jìn)行數(shù)據(jù)同步,切換過程無擾動,提高了自動化水平和系統(tǒng)安全性能。

④可靠的AGC、AVC高級管理軟件。系統(tǒng)在AGC、AVC投入運(yùn)行后自動進(jìn)行控制;在AGC運(yùn)行時,可按給定日負(fù)荷曲線運(yùn)行,也可以按實(shí)時給定總有功運(yùn)行。在AVC運(yùn)行時,可按給定電壓曲線運(yùn)行。

二、監(jiān)控系統(tǒng)功能

1.主要功能模塊

本系統(tǒng)的功能從控制權(quán)限來分有兩層:中央控制層及現(xiàn)地控制層。系統(tǒng)既具備通用的數(shù)據(jù)采集與處理、運(yùn)行監(jiān)視、集中控制與調(diào)節(jié)及報(bào)表系統(tǒng)制作等基本的監(jiān)控系統(tǒng)功能,也具有為滿足工程特點(diǎn)所要求的功能:事件順序記錄(SOE)、事故追憶(PDR)、自動監(jiān)測和閉環(huán)控制、AGC/AVC自動控制。

系統(tǒng)功能模塊見圖2所示。

2.系統(tǒng)功能模塊應(yīng)用

(1)系統(tǒng)基本功能模塊。本系統(tǒng)的基本功能模塊包括:中控層監(jiān)控模塊、高壓配電監(jiān)控模塊、全站公用輔機(jī)設(shè)備監(jiān)控模塊、機(jī)組監(jiān)控模塊及數(shù)據(jù)庫管理及報(bào)表生成模塊。

中控層監(jiān)控模塊是基于美國GEFANUC公司提供的CIMPLICITY6.0SCADA/HMI平臺軟件開發(fā)而成的。運(yùn)行環(huán)境為兩臺冗余的應(yīng)用庫服務(wù)器(DELLP530)及兩臺冗余操作員工作站(DELLP340),操作系統(tǒng)采用Windows2000AdvanceScrver/Professional。中控層應(yīng)用服務(wù)器通過10M以太網(wǎng)絡(luò)完成同現(xiàn)地控制層LCU1~LCU5間的數(shù)據(jù)傳輸。中控層監(jiān)控模塊能實(shí)現(xiàn)全站的數(shù)據(jù)采集、中央控制與調(diào)節(jié)、提供系統(tǒng)運(yùn)行管理的友好界面(如:報(bào)警、操作)。

圖2丹竹水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)庫管理及報(bào)表生成模塊,其功能分布于中控層的應(yīng)用服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器配置有MSSQLServer2000數(shù)據(jù)庫軟件,通過歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析可編制用戶所需的各種報(bào)表;中控層的數(shù)據(jù)庫管理及報(bào)表生成模塊則是通過DSE公司提供的智能報(bào)表軟件,可完成全站內(nèi)運(yùn)行管理所需的報(bào)表。

高壓配電監(jiān)控模塊、全站公用輔機(jī)設(shè)備監(jiān)控模塊及機(jī)組監(jiān)控模塊均屬于現(xiàn)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(fā)而成。運(yùn)行環(huán)境為GEFANUC公司的GE90-30系列PLC。具有對各LCU所監(jiān)控設(shè)備的現(xiàn)地監(jiān)視、控制及報(bào)警功能。

(2)事件順序記錄(SOE)和事故追憶(PDR)模塊。系統(tǒng)提供了功能強(qiáng)大的故障順序記錄功能(SOE),時間分辨率不大于1ms,當(dāng)故障發(fā)生時,能記錄256個SOE點(diǎn)。作為SOE點(diǎn),當(dāng)其狀態(tài)變化至特定狀態(tài)時,即啟動事件順序記錄功能。一般是對系統(tǒng)中重要設(shè)備的開、關(guān)等信號進(jìn)行記錄,通過SOE記錄可以準(zhǔn)確地判斷出設(shè)備跳閘的先后順序,查清事故的起因。SOE記錄將3分鐘內(nèi)發(fā)生的SOE數(shù)據(jù)記作一個SOE事件,可記錄20組SOE事件。

當(dāng)電站發(fā)生事故時,計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能記錄在事故發(fā)生前1分鐘,事故發(fā)生后1分鐘的一些重要模擬量參數(shù)值的變化情況(PDR),并用專用的工具軟件將這段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)以趨勢顯示的形式提取出來進(jìn)行分析。通過趨勢能分析在這段時間內(nèi)的總體變化過程,可以方便地觀察某一數(shù)據(jù)在這段時間內(nèi)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(guān)數(shù)據(jù)放在同一圖形中,比較這些數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,判斷是否由于某一數(shù)據(jù)的變化導(dǎo)致其他參數(shù)的相應(yīng)改變,造成事故現(xiàn)象。

歷史SOE可以記錄1個月內(nèi)的SOE記錄;歷史事故追憶可以記錄1個月內(nèi)的事故追憶記錄。通過系統(tǒng)對SOE和事故追憶準(zhǔn)確、詳實(shí)的記錄,可以幫助分析人員盡快查明事故原因,排除機(jī)組故障;在以后的運(yùn)行中吸取經(jīng)驗(yàn),保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)自動監(jiān)測和閉環(huán)控制模塊。系統(tǒng)對機(jī)組的閉環(huán)控制是通過LCU裝置對機(jī)組有功(P)、無功(Q)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn),根據(jù)LCU控制面板或主機(jī)設(shè)置的P、Q值,通過對機(jī)組的導(dǎo)葉開度和勵磁電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),使機(jī)組按給定的P、Q值運(yùn)行。

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

脈沖調(diào)節(jié)原則為既快速平穩(wěn)又要避免超調(diào)和防止負(fù)荷波動。

①機(jī)組有功調(diào)節(jié)過程如下:

調(diào)節(jié)禁止:死區(qū)Pset-P≤100kWorP-Pset≤100kW(Pset-有功設(shè)定值,P-有功測量整形值),當(dāng)有功調(diào)節(jié)進(jìn)入死區(qū)后不給調(diào)速器發(fā)增減脈沖;頻率過高禁止,當(dāng)機(jī)組頻率f≥50.50Hz時禁止增加有功,以防止當(dāng)機(jī)組在單機(jī)、單變、單線運(yùn)行方式下開關(guān)站或線路眺閘造成機(jī)組過速

調(diào)節(jié)方法:操作員可在操作員工作站通過鍵盤鼠標(biāo)設(shè)定,PLC允許的設(shè)定值范圍0~12000kW,如果設(shè)定值不在此范圍,PLC自動將實(shí)發(fā)值給設(shè)定值。

參數(shù)整定:k1=1/1200,k2=19500。

②機(jī)組無功調(diào)節(jié)過程如下:

調(diào)節(jié)禁止:死區(qū)Qset-Q≤100kVarorQ-Qset≤100kVar(Qset-無功設(shè)定值,Q-無功測量整型值),當(dāng)無功調(diào)節(jié)進(jìn)入死區(qū)后不給勵磁裝置發(fā)增減脈沖;電壓過高禁止,當(dāng)機(jī)端電壓Uab≥6750V時禁止增加無功,以防止當(dāng)機(jī)組在單機(jī)、單變、單線運(yùn)行方式下開關(guān)站或線路跳閘造成機(jī)組過電壓。

調(diào)節(jié)方法:操作員可在操作員站通過鍵盤鼠標(biāo)設(shè)定,PLC允許的設(shè)定值范圍0~10000kVar,如果設(shè)定值不在此范圍,PLC自動將實(shí)發(fā)值給設(shè)定值。

參數(shù)整定:k1=1/500,k2=1000

(4)AGC/AVC自動控制模塊,主要有:

①自動發(fā)電控制(AGC)。本電站自動發(fā)電控制(AGC)是梅江流域梯級調(diào)度系統(tǒng)自動發(fā)電控制系統(tǒng)的一個子系統(tǒng),任務(wù)是在滿足各項(xiàng)限制條件的前提下,以迅速、經(jīng)濟(jì)的方式控制整個電站的有功功率來滿足系統(tǒng)的需要。

AGC控制算法的內(nèi)容。根據(jù)給定的電站功率,考慮調(diào)頻和備用容量的需要,計(jì)算當(dāng)前水頭下電站的最佳運(yùn)行機(jī)組數(shù);根據(jù)電站供電的可靠性、設(shè)備(特別是機(jī)組)的實(shí)際安全和和經(jīng)濟(jì)狀況確定應(yīng)運(yùn)行機(jī)組臺號;在應(yīng)運(yùn)行機(jī)組間實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)分配;校核各項(xiàng)限制條件,如機(jī)組氣蝕振動區(qū)等,不滿足時進(jìn)行各種修正;用水量計(jì)算,必要時進(jìn)行相應(yīng)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(yùn)行機(jī)組數(shù),然后確定機(jī)組臺號,最后解決機(jī)組間負(fù)荷分配。本電站4臺機(jī)組型號和容量都相同,因此,可以采用水輪機(jī)組合效率曲線交點(diǎn)法確定最佳運(yùn)行機(jī)組數(shù),按預(yù)先給定的開停順序確定應(yīng)運(yùn)行機(jī)組臺號,再用等負(fù)荷分配方法在參于AGC控制的機(jī)組間分配負(fù)荷。

水輪機(jī)組合效率曲線交點(diǎn)法。根據(jù)制造廠提供的水輪機(jī)模型特性曲線,求出各種水頭下不同運(yùn)行機(jī)組數(shù)時的效率曲線η=(P,H,4),又稱水輪機(jī)組合效率曲線。

機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)時以“優(yōu)先電廠出力平衡”為原則進(jìn)行,即在調(diào)節(jié)中,先保證全廠出力達(dá)到發(fā)電要求,在此基礎(chǔ)上考慮機(jī)組間的負(fù)荷轉(zhuǎn)移,達(dá)到最優(yōu)工況。

程序還考慮了可編程控制器是否拒絕接收下達(dá)控制命令的措施。如果連續(xù)幾次不執(zhí)行命令就認(rèn)為該機(jī)組的可編程控制器有故障,將該機(jī)組從可參加AGC機(jī)組名單中除名,作為帶固定負(fù)荷運(yùn)行的機(jī)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(diào)度系統(tǒng)自動電壓控制系統(tǒng)的一個子系統(tǒng),任務(wù)是在滿足各項(xiàng)限制條件的前提下,控制電站機(jī)組的無功功率維持母線電壓在給定值的允許范圍內(nèi)。

一般分兩步實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),先調(diào)電壓滿足電壓整定條件,再合理分配機(jī)組間的無功功率。機(jī)組間無功分配采用按比例分配的方法,機(jī)組LCU發(fā)給各臺機(jī)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(diào)整部分,調(diào)整各臺機(jī)組的勵磁使母線電壓恢復(fù)正常。第二部部分為無功均衡部分,使各臺機(jī)組無功功率按數(shù)進(jìn)行分配。這兩步是交錯進(jìn)行的,一直進(jìn)行到母線電壓偏差在允許范圍內(nèi)以及各臺機(jī)組無功功率按分配系數(shù)進(jìn)行分配時為止。

三、結(jié)束語

廣東省梅縣丹竹水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是本工程的技術(shù)亮點(diǎn),在系統(tǒng)實(shí)施過程中廣泛應(yīng)用了自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、總線技術(shù)等,實(shí)現(xiàn)了整個電站的自動化監(jiān)淵和控制的目標(biāo),提高了電站控制的安全性、可靠性,實(shí)現(xiàn)了工程管理的科學(xué)化、現(xiàn)代化,充分發(fā)揮樞紐工程經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。從現(xiàn)在已投入的系統(tǒng)運(yùn)行來看,技術(shù)先進(jìn)、可行、穩(wěn)定,為國內(nèi)外同類型的水電項(xiàng)目計(jì)算機(jī)技術(shù)推廣應(yīng)用提供嘗試。

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