計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在張河灣水電站的應(yīng)用

彭瑞雙

（河北省石家莊市水電及農(nóng)村電氣化發(fā)展處，石家莊 050011）

張河灣水電站位于石家莊市井陘縣南部山區(qū)，距縣城45km。為壩后式電站，系利用張河灣水庫(kù)引水發(fā)電；總裝機(jī)2×320kW，采用兩機(jī)一變單母線的電氣主接線方式，接入電力系統(tǒng)電壓為10kV，一回出線并入國(guó)家10kV電網(wǎng)。

該水電站于2008年10月完成初步設(shè)計(jì)，2009年10月開工建設(shè)，2010年11月竣工并投入使用。該水電站采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，整個(gè)水電站設(shè)備的控制、測(cè)量、監(jiān)視和保護(hù)均有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成。

采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，一是有效減少水電站運(yùn)行人員，降低電力生產(chǎn)成本和避免了運(yùn)行人員誤操作。由于水電站設(shè)備的一些重復(fù)操作、調(diào)節(jié)、運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)的記錄均由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在不須運(yùn)行人員干預(yù)的情況下自動(dòng)完成，避免了因人為因素造成的誤操作，因其自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)少人甚至無(wú)人值守，從而降低電力生產(chǎn)成本，提高電站經(jīng)濟(jì)效益。二是進(jìn)一步提高水電站設(shè)備運(yùn)行的可靠性。常規(guī)自動(dòng)控制系統(tǒng)是由繼電器或靜態(tài)集成電路等構(gòu)成，運(yùn)行時(shí)若某一部分發(fā)生故障，運(yùn)行人員不易發(fā)現(xiàn)。若此時(shí)水電站設(shè)備再發(fā)生事故，就有可能造成拒動(dòng)或誤動(dòng)的嚴(yán)重后果。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)則可避免這個(gè)缺點(diǎn)，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)可通過(guò)自檢來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)自身的故障，從而進(jìn)一步提高水電站設(shè)備運(yùn)行的可靠性。三是以選型的方式代替電氣設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作。采用常規(guī)控制，電氣設(shè)計(jì)非常繁瑣，訂貨時(shí)要向廠家提供原理圖、布置圖，還要進(jìn)行各種繼電器的選型。而自動(dòng)控制設(shè)備集成后，設(shè)計(jì)單位只提供一次主接線和保護(hù)配置及自動(dòng)化要求即可，故能以選型的方法代替電氣設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試工作。水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的性能大大優(yōu)于常規(guī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，既適用于新建電站使用，也適用于老電站對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行完整改造。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置

張河灣水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用全開放、模塊化、分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由主控層（上位機(jī)）和現(xiàn)地層組成，兩層設(shè)備功能各自獨(dú)立，互不影響。

1.1 主控層 （上位機(jī)）

（1）主控層監(jiān)控設(shè)備由主機(jī)/操作員工作站、打印機(jī)、UPS電源、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，主控制層是電站的實(shí)時(shí)控制中心，負(fù)責(zé)全廠的自動(dòng)化功能 （AGC、AVC、發(fā)電優(yōu)化等），采集和處理現(xiàn)地控制層的數(shù)據(jù) （制作各種運(yùn)行報(bào)表、重要設(shè)備的運(yùn)行檔案、各種運(yùn)行參數(shù)等），全站的人機(jī)對(duì)話 （全站設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)視、事故和故障報(bào)警、對(duì)運(yùn)行設(shè)備的人工干預(yù)及監(jiān)控系統(tǒng)各種參數(shù)的修改和設(shè)置等），與現(xiàn)地控制層和調(diào)度端的通訊及時(shí)鐘同步等。

（2）主控層通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用以太網(wǎng)，通訊介質(zhì)為超五類雙絞線，設(shè)置1臺(tái)16口10/100Mpbs自適應(yīng)交換機(jī)，其通訊協(xié)議為TCP/IP。主控層與LCU控制層之間通過(guò)通訊總線連接。

1.2 現(xiàn)地控制 (LCU)

現(xiàn)地控制層共設(shè)有4套現(xiàn)地控制單元（LCU），即1號(hào)機(jī)組LCU、2號(hào)機(jī)組LCU、主變線路LCU和公共設(shè)備LCU。

（1）1號(hào)機(jī)組LCU、2號(hào)機(jī)組LCU分別完成對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的保護(hù)和監(jiān)控。1號(hào)機(jī)組LCU、2號(hào)機(jī)組LCU主要由以下裝置組成：可編程控制器 （PLC）、TFT彩色觸摸屏、發(fā)電機(jī)保護(hù)、操作控制設(shè)備、I/O電源和擴(kuò)展繼電器等。

（2）主變/線路LCU實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器、線路的保護(hù)和監(jiān)控。變壓/線路LCU的主要裝置包括：可編程控制器 （PLC）、TFT彩色觸摸屏、變壓器線路保護(hù)、電子式電度表、I/O電源和擴(kuò)展繼電器等。

（3）公共設(shè)備LCU實(shí)現(xiàn)對(duì)電站前池水位、集水井水位等公共部位的保護(hù)監(jiān)控。公共設(shè)備LCU的主要裝置包括：可編程控制器 （PLC）、TFT彩色觸摸屏、計(jì)算機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，手動(dòng)準(zhǔn)同期裝置、GPS衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)、I/O電源和擴(kuò)展繼電器等。

2 系統(tǒng)功能

2.1 主控層 （上位機(jī)）功能

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)整個(gè)水電站的所有現(xiàn)地控制單元進(jìn)行控制、管理，是水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的核心[1]。主要完成全站運(yùn)行自動(dòng)化及其管理，歷史數(shù)據(jù)存檔、檢索、報(bào)表生成，運(yùn)行操作記錄，故障報(bào)警，各種畫面顯示，與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)等功能。

（1）數(shù)據(jù)采集與管理：1號(hào)機(jī)組、2號(hào)機(jī)組的電氣參數(shù)，包括電壓、電流、頻率、有功、無(wú)功、電度等；機(jī)組開關(guān)量數(shù)據(jù)，包括斷路器狀態(tài)、PLC工況、保護(hù)動(dòng)作信號(hào)等；機(jī)組的溫度量、機(jī)組工況轉(zhuǎn)換；1號(hào)調(diào)速器、2號(hào)調(diào)速器及勵(lì)磁控制、保護(hù)、狀態(tài)信號(hào)；主變保護(hù)、狀態(tài)信號(hào)。

（2）控制與調(diào)節(jié)：機(jī)組和主變監(jiān)控，機(jī)組自動(dòng)開機(jī)、停機(jī)，自動(dòng)發(fā)電控制 （AGC），自動(dòng)電壓控制 （AVC）， 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 （EDC）， 機(jī)組負(fù)荷調(diào)整，機(jī)組同期并網(wǎng)等。

（3）數(shù)據(jù)顯示與打?。憾〞r(shí)打印用戶自行制定的報(bào)表，召喚打印歷史報(bào)表，召喚打印實(shí)時(shí)報(bào)表，可人工設(shè)定報(bào)表打印時(shí)間。

（4）故障與事故報(bào)警：機(jī)組溫度故障/事故報(bào)警，機(jī)組PLC故障報(bào)警，發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作報(bào)警，主變保護(hù)動(dòng)作報(bào)警；故障/事故信號(hào)的記錄和打印。

（5）站內(nèi)及遠(yuǎn)方通信：與機(jī)組控制單元通信,與主變控制保護(hù)單元通信。

（6）系統(tǒng)自診斷及遠(yuǎn)程診斷功能：監(jiān)控系統(tǒng)具有完善的系統(tǒng)自檢、診斷和自恢復(fù)功能，同時(shí)具有遠(yuǎn)方在線診斷功能，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連通遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)，進(jìn)行遠(yuǎn)方在線診斷[2]。

2.2 現(xiàn)地控制層功能

各現(xiàn)地控制單元能對(duì)所管轄的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行完善的監(jiān)控。它們經(jīng)輸入、輸出接口與生產(chǎn)過(guò)程相連，通過(guò)通訊接口與電站控制層交換信息?，F(xiàn)地控制單元對(duì)電站控制層具有相對(duì)獨(dú)立性，它們能脫離電站控制層直接完成生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理、單元設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、調(diào)整控制等功能。

2.2.1 機(jī)組現(xiàn)地控制單元

1號(hào)機(jī)組、2號(hào)機(jī)組的控制保護(hù)單元是由機(jī)組監(jiān)控PLC、機(jī)組保護(hù)測(cè)控裝置、計(jì)算機(jī)溫度巡檢儀、計(jì)算機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置、轉(zhuǎn)速信號(hào)裝置、輸出繼電器、交直流兩用電源和監(jiān)控軟件等組成。PLC配有24路數(shù)字量輸入、16路數(shù)字量輸出、4路模擬量輸入和2路串行通信接口。

（1）測(cè)量功能：實(shí)時(shí)測(cè)量機(jī)組三相電壓、三相電流、有功功率、無(wú)功功率、頻率、功率因數(shù)、有功電度、無(wú)功電度、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流等電氣參數(shù)；實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)電機(jī)的軸承溫度、發(fā)電機(jī)定子繞組和鐵芯溫度等非電氣參數(shù)。

（2）狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組、進(jìn)水閥、調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，故障、事故狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。

（3）控制和調(diào)節(jié)：完成機(jī)組自動(dòng)開停機(jī)、自動(dòng)同期并網(wǎng)、運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換、事故停機(jī)等邏輯操作功能，故障、事故信號(hào)報(bào)警功能，按照上位機(jī)給定的值自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組有功、無(wú)功功率。

（4）保護(hù)功能：實(shí)時(shí)反映輸入信號(hào)的故障狀態(tài)，當(dāng)某些參數(shù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，按要求快速或延時(shí)發(fā)出信號(hào)或跳閘[3]。每臺(tái)發(fā)電機(jī)配1套發(fā)電機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置，每臺(tái)發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置和機(jī)組控制合用1塊屏。保護(hù)裝置功能如下：差動(dòng)保護(hù)，定子接地保護(hù)，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)，低壓、過(guò)電壓保護(hù)，失磁保護(hù)，過(guò)負(fù)荷保護(hù)，復(fù)合電壓過(guò)電流保護(hù)，CT、PT斷線檢測(cè)、報(bào)警。

（5）通信功能：完成與上位機(jī)的通信，并通過(guò)外部通信模塊與監(jiān)視系統(tǒng) （SCADA）連接。

2.2.2 變壓器和線路及公用輔助設(shè)備現(xiàn)地控制單元

變壓器和線路及公用輔助設(shè)備現(xiàn)地控制單元，負(fù)責(zé)電站主變壓器、線路、斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘等各主要電氣設(shè)備的監(jiān)控和保護(hù)。

（1）模擬量采集和處理：完成變壓器、線路和全站公用輔助設(shè)備各類開關(guān)量、模擬量、脈沖量、溫度量等數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算處理、越限檢查、梯度檢查、中斷檢查、事件順序記錄與報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)保存等功能。

（2）狀態(tài)監(jiān)測(cè)：升壓站、線路斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)、水庫(kù)水位的測(cè)量和監(jiān)控。

（3）保護(hù)功能：主變壓器和線路微機(jī)保護(hù)裝置合用1塊保護(hù)屏。主變保護(hù)裝置功能：差動(dòng)保護(hù)，復(fù)合電壓閉鎖過(guò)電流保護(hù)，過(guò)負(fù)荷保護(hù)，重瓦斯保護(hù)，輕瓦斯保護(hù)，溫度保護(hù)、CT斷線閉鎖。線路保護(hù)裝置功能：過(guò)電流保護(hù)，低周、過(guò)周保護(hù)。

3 系統(tǒng)軟件

水電站的運(yùn)行人員、工程師可通過(guò)各自的工作站完成畫面制作、畫面顯示、打印制表、參數(shù)設(shè)置和操作控制等功能。

（1）可選擇畫面顯示，可同時(shí)顯示多幅畫面，主要包括：各類菜單顯示；電氣接線圖；機(jī)組及輔機(jī)設(shè)備的狀態(tài)模擬圖；機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換順序流程圖；各類棒圖；設(shè)備元件的管理信息；系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)圖；各類運(yùn)行報(bào)表；操作及事故處理指導(dǎo)；系統(tǒng)操作指南。

（2）打印功能：所有畫面均可隨時(shí)打印拷貝；報(bào)表可自動(dòng)定時(shí)或召喚打??；各類事故報(bào)警打印和事故追憶打印。

（3）畫面制作和參數(shù)設(shè)置：可以完成以下制作和設(shè)置功能：圖元編輯；修改接線圖、模擬圖、流程圖等；各類報(bào)表的制作編輯；修改各類參數(shù)，如報(bào)警上下限等。

（4）操作控制功能：完成對(duì)現(xiàn)地設(shè)備的操作控制。

（5）其他功能：與調(diào)度系統(tǒng)的通訊；電站事件順序記錄 (SOE)；系統(tǒng)的安全維護(hù)功能，如口令的設(shè)置與修改；系統(tǒng)對(duì)時(shí)；系統(tǒng)自診斷。

4 結(jié)語(yǔ)

張河灣水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)，其功能完善、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、人機(jī)界面友好，較好地滿足了水電站運(yùn)行管理智能化、遠(yuǎn)程化的需要。能夠達(dá)到 “遙控、遙測(cè)、遙信、遙調(diào)”四遙功能，使水電站實(shí)現(xiàn) “無(wú)人值班”或 “少人值守”的運(yùn)行管理模式，提高水電站的自動(dòng)化水平和運(yùn)行管理水平，可有效減少水電站運(yùn)行人員，降低電力生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

[1]黃少敏.水電站微機(jī)監(jiān)控與保護(hù)[M].鄭州：黃河水利出版社，2008.

[2]孫力,徐國(guó)君.小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)［M］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1999.

[3]徐錦才.小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)［M］.南京：河海大學(xué)出版社，2006.