水電站控制及輔機(jī)技術(shù)淺析

魏春榮

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆伊寧 835000)

1 水電行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

能源安全問題一直是全球關(guān)注的焦點(diǎn)。水電的可再生性及其在開發(fā)環(huán)節(jié)的種種優(yōu)勢(shì)使其在能源建設(shè)方面極具優(yōu)勢(shì)。同樣，水電在我國(guó)能源發(fā)展史上扮演著極其重要的角色，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的一大支柱。21世紀(jì)，隨著電力行業(yè)體制改革，提高了水電開發(fā)建設(shè)的積極性和資金投入，我國(guó)水電建設(shè)進(jìn)入全速發(fā)展時(shí)期。21世紀(jì)初，公伯峽1號(hào)機(jī)組正式投產(chǎn)，標(biāo)志著中國(guó)水電裝機(jī)總量超過美國(guó)，突破1億kW大關(guān)，成為世界水電裝機(jī)容量最大的國(guó)家。隨著溪洛渡、向家壩、小灣、拉西瓦等一批大型水電站的相繼開工建設(shè)，中國(guó)的水電事業(yè)又上了一個(gè)新臺(tái)階。

2 水電站控制技術(shù)

2.1 水電站控制技術(shù)發(fā)展史及現(xiàn)狀

水電行業(yè)發(fā)展伊始，水電開發(fā)者就一直在探索水電站的控制技術(shù)，以此來對(duì)水電站主要設(shè)備實(shí)施全面、快捷的管理。20世紀(jì)30年代，蘇聯(lián)的工作人員就開始了關(guān)于水電站控制技術(shù)的研究，希望建立一種自動(dòng)控制系統(tǒng)。從20世紀(jì)發(fā)展到今天，水電站控制技術(shù)發(fā)生了天翻地覆的變化，但總體是朝著自動(dòng)化、智能化、便捷化的方向發(fā)展?？偨Y(jié)以往水電站控制技術(shù)的發(fā)展歷程，可以將各時(shí)期的水電站控制系統(tǒng)按照自動(dòng)化程度分為三種:早期自動(dòng)控制技術(shù)、大規(guī)模晶體管集成電路控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。

早期自動(dòng)控制技術(shù)是一種傳統(tǒng)的控制技術(shù)，主要是由電磁繼電器來完成水電站設(shè)備的控制和安全保護(hù)。不同的電氣設(shè)備需要采用不同的常規(guī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。常規(guī)自動(dòng)控制技術(shù)雖然使水電站的機(jī)電設(shè)備可自動(dòng)控制，但是由于它的調(diào)節(jié)性能很難得到保證，使得它難以完成對(duì)水電站設(shè)備的全自動(dòng)控制。

20世紀(jì)六七十年代，晶體管集成電路的出現(xiàn)和應(yīng)用，彌補(bǔ)了之前水電站設(shè)備控制采用常規(guī)自動(dòng)控制技術(shù)的不足之處，晶體管集成電路控制技術(shù)有較好的調(diào)節(jié)性能，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站的機(jī)電設(shè)備的調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)檢測(cè)，并保護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)行，在真正意義上實(shí)現(xiàn)了水電站設(shè)備的自動(dòng)調(diào)節(jié)。但它也有諸多限制，如需要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行不同參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)就需要改變電路參數(shù)，使得晶體管集成電路控制技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中并不完美。

20世紀(jì)80年代，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域。1984年，富春江水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的成功應(yīng)用，揭開了我國(guó)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)蓬勃發(fā)展的新篇章。進(jìn)入21世紀(jì)以來，計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)日益成熟，被越來越廣泛地應(yīng)用于水電站建設(shè)中。目前我國(guó)水電站自動(dòng)化控制已經(jīng)達(dá)到很高的水平，國(guó)內(nèi)的二灘、葛洲壩、龍灘等大型水電站基本實(shí)現(xiàn)了“無人化 (少人值班)”的智能化模式。

2.2 智能控制技術(shù)在水電站的應(yīng)用

所謂的智能化控制技術(shù)，就是在沒有人控制的基礎(chǔ)上，借助先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)，對(duì)電站進(jìn)行自動(dòng)化控制，智能化地對(duì)電站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，智能化控制是通過可編程控制器、智能控制裝置、計(jì)算機(jī)、微機(jī)繼電保護(hù)裝置等裝置來實(shí)現(xiàn)的，通過現(xiàn)場(chǎng)總線、標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)將現(xiàn)場(chǎng)控制器以及各智能裝置進(jìn)行有機(jī)的連接，并最終構(gòu)成了按功能分工協(xié)作的綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

在實(shí)際應(yīng)用中，智能化控制技術(shù)通常按“無人值班，少人值守”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，是以計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為主，配以常規(guī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化控制模式。

2.2.1 智能控制系統(tǒng)的核心

圖1為某水電站的智能控制系統(tǒng)。可以看出，該水電站的控制系統(tǒng)由電站現(xiàn)場(chǎng)控制子系統(tǒng)、主廠房監(jiān)控子系統(tǒng)、輔助設(shè)備監(jiān)控與保護(hù)子系統(tǒng)三大控制子系統(tǒng)組成。三大控制子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接，成為一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。

在該電站智能控制系統(tǒng)中，工作站中的計(jì)算機(jī)主機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。工作站的作用是控制水電站發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行操作，如開機(jī)、停機(jī)等，以之對(duì)各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、收集和存儲(chǔ)，對(duì)整個(gè)水電站的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和發(fā)配電系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控。工作站中配置一臺(tái)計(jì)算機(jī)主機(jī)、一套GPS校時(shí)裝置以及相關(guān)的設(shè)備，如打印機(jī)、自動(dòng)報(bào)警裝置、后備UPS不間斷電源等設(shè)備。不得不提一下，工作站中配備GPS校時(shí)系統(tǒng)的緣由:由于監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)間分辨率的要求，必須保證工作站中計(jì)算機(jī)主機(jī)和下面三組LCU時(shí)鐘同步，故在工作站中需要配置高精度的時(shí)鐘校準(zhǔn)系統(tǒng)。

2.2.2 輔助設(shè)備的保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)

輔助設(shè)備的保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)是智能控制系統(tǒng)中獨(dú)立于現(xiàn)地控制級(jí)系統(tǒng)的部分，通過局部以太通訊網(wǎng)絡(luò)共同聯(lián)系到工作站計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心。由圖1可以看出，輔助設(shè)備的保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)主要由機(jī)組保護(hù)屏和主變線路保護(hù)系統(tǒng)組成。機(jī)組保護(hù)屏部分主要負(fù)責(zé)1號(hào)和2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的保護(hù)和后備保護(hù)工作。主變線路保護(hù)系統(tǒng)由主變主保護(hù)、主變后備保護(hù)、線路保護(hù)、廠用變保護(hù)、主變零序保護(hù)等單元組成，與機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)共同完成對(duì)輔助設(shè)備的監(jiān)測(cè)和防護(hù)工作。

2.2.3 現(xiàn)地控制級(jí)系統(tǒng)

除工作站計(jì)算機(jī)主機(jī)核心之外，智能控制系統(tǒng)中最為重要的就是現(xiàn)地控制級(jí)系統(tǒng)?，F(xiàn)地控制級(jí)系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中的宏觀表現(xiàn)就是三組現(xiàn)地控制單元(LCU)，即1號(hào)機(jī)組現(xiàn)地控制單元、2號(hào)機(jī)組現(xiàn)地控制單元和公用現(xiàn)地控制單元，三組LCU系統(tǒng)構(gòu)成了智能控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在水電站機(jī)電設(shè)備布置LCU監(jiān)控系統(tǒng)，一般是對(duì)發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)測(cè)采集的數(shù)據(jù)將通過電站局部以太網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)诫娬镜谋O(jiān)控中心，從而掌握電站設(shè)備的運(yùn)行工況。三組LCU監(jiān)控系統(tǒng)的組成是完全一致的，都是由電量采集裝置、交流量采集系統(tǒng)、直流電源、可編程控制器PLC、信號(hào)燈和逆變電源表計(jì)組成。LCU監(jiān)控系統(tǒng)中最為重要的組成部件就是可編程控制器PLC，其工作原理是通過可編程序的存儲(chǔ)單元執(zhí)行邏輯運(yùn)算和控制指令，通過端口信號(hào)模擬控制水電站的運(yùn)行過程來實(shí)現(xiàn)輸入和輸出。

2.2.4 以太局部通訊網(wǎng)

現(xiàn)地控制級(jí)系統(tǒng)和工作站、監(jiān)控中心是通過電站局部以太網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通來實(shí)現(xiàn)的。該局部以太通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由收發(fā)機(jī)、光開關(guān)、光耦合器等設(shè)備和通訊光纖、電纜組成。采用TCP/IP接口協(xié)議和IEEE80213接口標(biāo)準(zhǔn)，具有100Mbit/s的傳輸速率，以太局部通訊網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)使電站設(shè)備的功能狀態(tài)以及電氣信號(hào)的傳遞工作得到很好的保障。

3 水電站輔機(jī)技術(shù)

3.1 輔機(jī)技術(shù)的發(fā)展

在水電站的設(shè)備系統(tǒng)中，輔機(jī)設(shè)備主要是機(jī)組壓油裝置、空氣壓縮機(jī)和各功能水泵、風(fēng)機(jī)等。水電站輔機(jī)技術(shù)的發(fā)展，就是為了對(duì)水電站各輔機(jī)設(shè)備實(shí)施系統(tǒng)控制，使其能夠?yàn)殡娬局髟O(shè)備服務(wù)。當(dāng)然，在水電站智能控制系統(tǒng)中，輔機(jī)控制系統(tǒng)也是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，根據(jù)主設(shè)備的不同分為多個(gè)相對(duì)獨(dú)立、又能通過某些方式互相聯(lián)系的分系統(tǒng)，用這些系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡(luò)對(duì)水電站在運(yùn)行過程中所需要的各種輔機(jī)設(shè)備實(shí)施系統(tǒng)控制。

水電站輔助設(shè)備控制系統(tǒng)相比電站核心控制系統(tǒng)是比較簡(jiǎn)單的，作為整個(gè)智能控制系統(tǒng)的組成部分，是隨著水電站的控制系統(tǒng)發(fā)展而發(fā)展的，但與主要設(shè)備控制系統(tǒng)的控制策略是有所區(qū)別的。輔助設(shè)備的作用在于保證發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行，因此保障輔助設(shè)備的安全可靠性和準(zhǔn)確性是輔助設(shè)備控制系統(tǒng)的首要目

標(biāo)。在實(shí)際控制中，需要具備以下功能:輔助設(shè)備控制系統(tǒng)必須是與電站整個(gè)控制系統(tǒng)聯(lián)系的，在監(jiān)控中心能實(shí)時(shí)地觀測(cè)到各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài);各輔助設(shè)備能根據(jù)電站運(yùn)行的需要獨(dú)立運(yùn)行，滿足電站運(yùn)行的需求;輔助設(shè)備應(yīng)能在出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)備用設(shè)備，同時(shí)將切換信息傳遞給監(jiān)控中心;輔助設(shè)備的運(yùn)行狀況和相關(guān)參數(shù)的采集，在數(shù)據(jù)異常時(shí)能夠獨(dú)立報(bào)警并反饋給監(jiān)控中心。

3.2 輔機(jī)技術(shù)在水電站中的應(yīng)用

在目前水電站的輔機(jī)控制系統(tǒng)中，通常采用PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備來完成對(duì)輔機(jī)設(shè)備實(shí)施控制的，該系統(tǒng)與電站監(jiān)控中心共同完成輔機(jī)設(shè)備的監(jiān)控要求。

圖2為我國(guó)某水電站的輔機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，各個(gè)輔助設(shè)備都設(shè)置了自己的PLC作為控制器，同時(shí)通過水電站內(nèi)部局域網(wǎng)向監(jiān)控中心傳達(dá)自身檢測(cè)的狀態(tài)信息并監(jiān)控中心指令。

圖2 輔機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中，在集中控制室即監(jiān)控中心的公共系統(tǒng)屏上通過控制信號(hào)單元即由一臺(tái)PLC來實(shí)現(xiàn)對(duì)油、氣、水系統(tǒng)的控制?？刂茖?duì)象主要包括不同壓強(qiáng)等級(jí)壓縮空氣，各種水泵、油泵和碟閥等。輔助設(shè)備控制系統(tǒng)通過裝設(shè)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)儀表將壓力、溫度以及液位等現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀況傳送到PLC系統(tǒng)，PLC根據(jù)檢測(cè)來的信號(hào)獨(dú)立運(yùn)行，無需外部指令，只需通過通訊單元將運(yùn)行與故障數(shù)據(jù)送至監(jiān)控中心。

4 結(jié) 語

綜上所述，水電站的智能化控制技術(shù)以計(jì)算機(jī)信息管理技術(shù)為核心，配以自動(dòng)獲取設(shè)備信息單元，將生產(chǎn)控制過程和信息的反饋有機(jī)結(jié)合在一起，在真正意義上實(shí)現(xiàn)了水電生產(chǎn)的自動(dòng)化控制。水電站智能化控制系統(tǒng)的實(shí)施，一方面把水電站整體運(yùn)行可靠性提升到可視化的角度，實(shí)現(xiàn)水能資源更加經(jīng)濟(jì)、合理的利用;另一方面，智能化控制系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)施的，可以極大提高工作效率，減少人員配置，從而降低運(yùn)行成本，提升水電站的運(yùn)行效益。

水電行業(yè)控制系統(tǒng)的信息化、自動(dòng)化、智能化控制目前是以“無人化”原則為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的，通過自動(dòng)獲取電站各個(gè)運(yùn)行設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)來判別設(shè)備的健康信息。智能化控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)電站運(yùn)行的安全性，準(zhǔn)確地判別當(dāng)前流量情況、電網(wǎng)的負(fù)荷，對(duì)電站的運(yùn)行做出準(zhǔn)確的調(diào)整，以此來提升水電站的效益。雖然我國(guó)水電站的自動(dòng)化智能控制技術(shù)起步較早，目前的技術(shù)實(shí)施相對(duì)成熟，管理也相對(duì)規(guī)范，但與某些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)水資源開發(fā)的總體水平還是落后的。目前，我國(guó)正在進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)的加速調(diào)整，在未來若干年內(nèi)，國(guó)內(nèi)水電行業(yè)將保持較快的發(fā)展速度，承擔(dān)的能源供應(yīng)任務(wù)也會(huì)愈加沉重。因此，必須對(duì)各種規(guī)模的水電站實(shí)施智能化控制，根據(jù)自身的情況不斷完善系統(tǒng)優(yōu)化，這對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)水電行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

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