自動(dòng)化控制在小型水電站中的應(yīng)用

岳彬彬 徐 瑋 岳松林

（江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安223001）

0 引言

江蘇省薔薇河地涵管理所屬于省廳直屬水利管理單位，在職編制員工17名，管理著沭新退水閘、薔薇河地涵、桑墟電站、沭新北船閘。桑墟水電站位于沭新河尾，下游是黃泥薔薇河，主要通過灌溉水進(jìn)行發(fā)電。本工程于1986年5月竣工，7月開始并網(wǎng)發(fā)電，有效緩解了電網(wǎng)供電的壓力，與此同時(shí)兼顧排水、灌溉，設(shè)計(jì)流量25m3／s?，F(xiàn)水電站配置5臺(tái)發(fā)電機(jī)，總裝機(jī)容量575kW。水電站上游底板高程2.887m，下游為0.8m。上游配置2.3m×3.56m 的鋼制閘門以及 QPKYⅡ－160－2.5型液壓啟閉機(jī)，下游檢修閘門為1.5m×3.56m鋼筋砼平面直升門，配置5臺(tái)手搖螺桿啟閉機(jī)。自動(dòng)化控制在桑墟水電站中的應(yīng)用，是擺在我們面前的重要研究課題。

1 水電站自動(dòng)化控制的基本含義

水電自動(dòng)化控制指的是使用電氣、機(jī)械、電子設(shè)備，結(jié)合預(yù)定程序使水電運(yùn)營操作、監(jiān)視以及控制能夠在少人或無人狀態(tài)下按照計(jì)劃進(jìn)行自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)，這是水電站安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必備條件，能夠進(jìn)一步提高水電站工作的可靠性及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益，保證電能質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，大幅提高勞動(dòng)效率。通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用，水電站能實(shí)現(xiàn)少人或無人值守的目標(biāo)，這是小型水電站自身發(fā)展壯大的實(shí)際需求，也是水電站實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理的重要標(biāo)志。小型水電站自動(dòng)化系統(tǒng)的綜合配置是建立在計(jì)算機(jī)監(jiān)控基礎(chǔ)上的，進(jìn)而對(duì)整個(gè)水電站或整個(gè)流域、梯級(jí)電站進(jìn)行水文測(cè)報(bào)，對(duì)公用設(shè)備、機(jī)組、輔助設(shè)備的工況進(jìn)行監(jiān)視以及啟?？刂疲瑢?duì)全站的負(fù)荷進(jìn)行合理分配。與此同時(shí)，采用自動(dòng)化系統(tǒng)后水電站能夠由上級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)進(jìn)行全方位、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)控制。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是小型水電站自動(dòng)化系統(tǒng)綜合配置的基礎(chǔ)與核心。

2 小型水電站自動(dòng)化系統(tǒng)的綜合配置

2.1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)為分層分布開放式結(jié)構(gòu)，采用冗余的環(huán)形光纖以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分為3級(jí)，即遠(yuǎn)方、控制室、現(xiàn)地，可以進(jìn)行無擾動(dòng)切換。越接近設(shè)備，系統(tǒng)的控制權(quán)限越高?？刂茩?quán)順序?yàn)椋含F(xiàn)地—控制室—遠(yuǎn)方。遠(yuǎn)方控制經(jīng)相關(guān)授權(quán)方可進(jìn)行操作?？刂葡到y(tǒng)中設(shè)置帶密碼的授權(quán)、核對(duì)程序。

2.1.1 監(jiān)控模式

早期的計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)不完善，監(jiān)控系統(tǒng)不可靠、不穩(wěn)定，所以水電站的監(jiān)控通常以常規(guī)監(jiān)控為主，以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為輔。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)監(jiān)控的可靠性與安全性大幅度提高，傳統(tǒng)的監(jiān)控方式逐漸被淘汰。全計(jì)算機(jī)監(jiān)控模式對(duì)于技術(shù)、設(shè)備的要求比較高，相對(duì)來說投資比較大；而以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主，輔以常規(guī)監(jiān)控的模式，則投資比較少，對(duì)系統(tǒng)要求比較低，與小型水電站生產(chǎn)過程及設(shè)備簡單、在整個(gè)電力系統(tǒng)中地位與作用相對(duì)較弱、退出運(yùn)行影響不大等特點(diǎn)相吻合。所以說，小型水電站應(yīng)該采用以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主、以常規(guī)監(jiān)控為輔的監(jiān)控模式。

2.1.2 監(jiān)控系統(tǒng)的功能配置

系統(tǒng)各級(jí)之間采用具有冗余功能的環(huán)形光纖以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)選用進(jìn)口知名品牌，具備網(wǎng)管功能，采用導(dǎo)軌卡槽安裝方式。控制室通過光纖與遠(yuǎn)方傳送遙控、遙調(diào)、遙信、遙測(cè)和遙視數(shù)據(jù)，同時(shí)可以通過Internet采用TCP／IP規(guī)約與上級(jí)管理部門調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與圖像傳輸。

遠(yuǎn)方控制設(shè)在管理所辦公樓內(nèi)，距泵站控制室約250m，通過千兆光纖與泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)信息采集與調(diào)度指令的下發(fā)，必要時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。與此同時(shí)，泵站、清污機(jī)閘等的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)要上傳給遠(yuǎn)方控制。

控制室設(shè)于泵站控制樓二樓，通過管理所局域網(wǎng)將泵站實(shí)時(shí)運(yùn)行信息與數(shù)據(jù)（如運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)、水位曲線、流量等）上傳至上級(jí)管理部門，通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)地建立通信，通過工作站的監(jiān)測(cè)監(jiān)控界面顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài)，同時(shí)下發(fā)控制命令，監(jiān)督現(xiàn)地監(jiān)控單元對(duì)監(jiān)測(cè)監(jiān)控命令的執(zhí)行。

現(xiàn)地控制是系統(tǒng)最后一級(jí)也是最優(yōu)先的一級(jí)，它向下接收各類傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入／輸出信息，采集設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)信號(hào)；向上接收上級(jí)控制主機(jī)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控命令，并上傳現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息，實(shí)施對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的邏輯控制。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)是自動(dòng)化系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，要想建立現(xiàn)代化、自動(dòng)化的小型水電站，必須要求網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可靠性、合理的帶寬、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)吞吐能力以及可維護(hù)性、集成性與開放性，從而保障信息交換的順利進(jìn)行以及實(shí)時(shí)通信?，F(xiàn)階段，各個(gè)小型水電站普遍采用工業(yè)以太網(wǎng)的形式進(jìn)行連接，它有著擴(kuò)展方便、速度快、開放性好等優(yōu)勢(shì)。

2.2.1 站內(nèi)通訊

值班員工作站與控制室工作站以以太網(wǎng)的形式進(jìn)行連接，在現(xiàn)地層配置一體化工控機(jī)，內(nèi)部設(shè)置智能化模板，集中采集壓力、溫度、電氣量等信號(hào)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換之后，與工作站通過RS485總線進(jìn)行通訊。值班員工作站通過標(biāo)準(zhǔn)接口RS232、RS485完成與直流系統(tǒng)、勵(lì)磁裝置、微機(jī)調(diào)速器的通訊。

2.2.2 梯級(jí)水電站通訊

在梯級(jí)水電站主站與分站的通訊工作站間加裝調(diào)制解調(diào)器、防浪涌以及防雷保護(hù)裝置，并通過專用通道進(jìn)行通訊，收集各個(gè)分站的數(shù)據(jù)與信息輸送到主站，從而實(shí)現(xiàn)主站對(duì)分站的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

2.2.3 水電站與調(diào)度通訊

通訊工作站將發(fā)電計(jì)劃與電站信息通過電力載波上報(bào)到調(diào)度，調(diào)度能夠全面、動(dòng)態(tài)掌握電站信息，從而有利于對(duì)防洪度汛以及發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行統(tǒng)一合理配置。

2.3 自動(dòng)化軟件

小型水電站的自動(dòng)化軟件包括操作系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)用軟件以及工具軟件。上述軟件對(duì)全部系統(tǒng)資源進(jìn)行共同管理，從而有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、人機(jī)接口、自行診斷、通訊調(diào)度、設(shè)計(jì)參數(shù)等功能。操作系統(tǒng)要求具有控制界面良好、可靠性高、可移植性強(qiáng)、通用性好、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。現(xiàn)階段 Windows NT是常用的操作系統(tǒng)，該軟件的可靠性、穩(wěn)定性以及實(shí)用性都比較好，保密性能良好，能管理計(jì)算機(jī)的所有資源，比如外部設(shè)備、存儲(chǔ)器、CPU等，并提供系統(tǒng)資源與軟件接口。監(jiān)控系統(tǒng)軟件應(yīng)能有效實(shí)現(xiàn)全站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)控，并具備數(shù)據(jù)管理、信息采集與處理、人機(jī)聯(lián)系、歷史數(shù)據(jù)管理、雙機(jī)切換、時(shí)鐘管理等功能。應(yīng)用軟件包括電壓控制軟件、發(fā)電軟件、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行軟件、用電監(jiān)控軟件、公用設(shè)備軟件等。工具軟件一般來說主要包括PLC編程軟件、3D圖形軟件以及開發(fā)工具等，它能有效實(shí)現(xiàn)軟件連接、程序編譯，使監(jiān)控系統(tǒng)向用戶開放，方便用戶，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。

2.4 水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)

大部分水電站都兼?zhèn)涔喔?、防洪的功能，桑墟水電站在有效緩解電網(wǎng)供電壓力的同時(shí)，兼顧排水、灌溉重任。因此，在水電站自動(dòng)化控制中，一方面要做好水庫發(fā)電的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，盡可能提高經(jīng)濟(jì)效益，另一方面還需全面準(zhǔn)確地掌握水情、汛情，做好防洪度汛工作。自動(dòng)水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)不僅要快捷、準(zhǔn)確、及時(shí)地采集水情，同時(shí)還需要在較短的時(shí)間內(nèi)作出洪水預(yù)報(bào)。水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)對(duì)于中小型水電站的發(fā)電、防洪、灌溉、調(diào)峰等有著非常重要的作用。水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)有多種不同的通訊途徑，比如衛(wèi)星通訊、短波通訊、超短波通訊等，可結(jié)合地質(zhì)條件以及水電站實(shí)際情況選擇合理的通訊方式。

3 結(jié)語

本文從水電站自動(dòng)化控制的基本含義以及重要性入手，從4個(gè)大的方面——計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、自動(dòng)化軟件、水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)著手，詳細(xì)論述了自動(dòng)化控制在小型水電站中的應(yīng)用情況，希望能為同行提供借鑒。

［1］鄭康平，潘建忠.計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)在某水電站中的應(yīng)用［J］.廣東水利水電，2006（4）

［2］趙英，季紹勇.基于四嶺水電站的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用研究［J］.浙江水利水電專科學(xué)校報(bào)，2009（2）