淺析小水電站按水位自動(dòng)控制的方法

林智海

（廣東粵水水電發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510610）

0 引言

YAVUZ 水電站為引水式電站，其引水系統(tǒng)由明渠和壓力鋼管組成，前池在其中間，有著調(diào)整和穩(wěn)定水流的作用，在機(jī)組增、減負(fù)荷時(shí)，削減上游渠道水流產(chǎn)生的流浪，當(dāng)機(jī)組突然甩負(fù)荷時(shí)，在壓力鋼管中產(chǎn)生的壓力突變，鋼管中流量的變化引起水位的改變，在明渠中將產(chǎn)生非恒定流。取水口、引水渠道、前池、泄水道、尾水渠和電站廠房等為該水電站的主要建筑物。

壓力前池的作用：①平穩(wěn)水壓，平衡水量；②均勻分配流量；③排除多余水量，電站停機(jī)時(shí)，向下游排出水量；④攔阻污泥和泥沙。在前池中設(shè)有攔沙等裝置，能有效的紡織泥沙流入管道，確保水輪機(jī)的正常工作。

1 系統(tǒng)的組成

YAVUZ 電站采用的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是全開(kāi)放環(huán)境下的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，在功能上也是分層分布的。如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 Network topology graph

該電站的監(jiān)控系統(tǒng)采用的是計(jì)算機(jī)為主，簡(jiǎn)化常規(guī)設(shè)備為輔的設(shè)計(jì)原則，分為電站控制級(jí)和單元控制級(jí)。單元控制級(jí)包括三套機(jī)組LCU，一套公用LCU，一套前池LCU，一套開(kāi)關(guān)站LCU，一套溢洪門(mén)LCU。在各LCU 之間都能通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)交換數(shù)據(jù)。電站控制級(jí)由兩臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和一臺(tái)通訊服務(wù)器組成，其功能就是采集處理電站設(shè)備的數(shù)據(jù)，存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電站設(shè)備的控制和操作，監(jiān)視電站的運(yùn)行狀態(tài)，控制鏈路與調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)的通信。

機(jī)組LCU 負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)的采集機(jī)組相關(guān)運(yùn)行的參數(shù)，監(jiān)測(cè)機(jī)組正常的開(kāi)停機(jī)工作，以及完成對(duì)機(jī)組負(fù)荷的調(diào)節(jié)。

開(kāi)關(guān)站LCU 主要負(fù)責(zé)的是采集三臺(tái)主變和兩條出線的參數(shù)、狀態(tài)信號(hào)以及控制操作。

公用LCU 主要負(fù)責(zé)的是實(shí)時(shí)采集直流裝置、消防水泵等輔助設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)信號(hào)等。

前池LCU 主要負(fù)責(zé)的是實(shí)時(shí)采集前池水位和前池閘門(mén)的信號(hào)以及對(duì)前池進(jìn)水閘門(mén)的控制操作。

溢洪門(mén)LCU 主要負(fù)責(zé)的是實(shí)時(shí)采集壩區(qū)水位信號(hào)、溢洪門(mén)信號(hào)以及對(duì)溢洪門(mén)的控制操作。

2 調(diào)節(jié)原理

規(guī)定按水位標(biāo)準(zhǔn)選擇開(kāi)機(jī)數(shù)量，前池水位在282.9～283.9 米時(shí)，開(kāi)一臺(tái)機(jī)；水位在283.9～284.15 米時(shí)，開(kāi)兩臺(tái)機(jī)；水位在284.15 米以上時(shí)開(kāi)三臺(tái)機(jī)。圖2 為調(diào)節(jié)水位的控制流程圖。

當(dāng)前池水位太高時(shí)，首先通過(guò)增大3臺(tái)機(jī)組出力來(lái)調(diào)節(jié)，如果在三臺(tái)機(jī)組滿載運(yùn)行情況下，前池水位還是太高，要通過(guò)減小水庫(kù)閘門(mén)的開(kāi)度減少來(lái)水量，來(lái)控制水位。反之如果水位過(guò)低時(shí)，首先通過(guò)增大水庫(kù)閘門(mén)的開(kāi)度來(lái)增加來(lái)水量，在水庫(kù)閘門(mén)全開(kāi)的情況下，前池水位還是偏低，自動(dòng)減少機(jī)組出力甚至關(guān)閉機(jī)組?？傊褪歉鶕?jù)前池水位，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組出力達(dá)到最有效的利用水能。

圖2 控制流程圖一Fig.2 Control flow chart 1

3 控制過(guò)程

在正常情況下，水電站要實(shí)現(xiàn)按水位優(yōu)化運(yùn)行需要具備以下條件：各LCU 運(yùn)行正常，上位機(jī)IPC 運(yùn)行正常，光纖環(huán)網(wǎng)通訊正常，前池水位計(jì)工作正常，調(diào)速器要具備按水頭調(diào)節(jié)的功能。中控室的操作人員在上位機(jī)的IPC 人－－機(jī)界面上選擇“按水位運(yùn)行模式”，同時(shí)人工設(shè)定進(jìn)入按水位運(yùn)行模式的運(yùn)行的機(jī)組臺(tái)數(shù)和開(kāi)停機(jī)的先后順序。前池LCU 在接收到上位機(jī)的指令后,依據(jù)前臺(tái)水位的實(shí)際值來(lái)確定所開(kāi)機(jī)的臺(tái)數(shù)和運(yùn)行機(jī)組運(yùn)行的具體模式（指的是按給定功率運(yùn)行還是水頭－－開(kāi)度的模式）。當(dāng)水電站按水位運(yùn)行模式時(shí)，必須保證其中有一臺(tái)機(jī)組是按水頭－－開(kāi)度模式運(yùn)行，而其他機(jī)組是按效率的最高點(diǎn)的給定值運(yùn)行。機(jī)組LCU 和前池LCU 必須通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)來(lái)交換信息，也是為了實(shí)現(xiàn)水位調(diào)節(jié)模式下機(jī)組LCU 和前池LCU 的直接控制。

前池LCU 接收到各機(jī)組LCU 的信號(hào)有：允許開(kāi)啟機(jī)組進(jìn)出口閘門(mén)、機(jī)組事故關(guān)閉機(jī)組進(jìn)水口閘門(mén)、允許關(guān)閉機(jī)組進(jìn)水口閘門(mén)、機(jī)組開(kāi)機(jī)、機(jī)組狀態(tài)、機(jī)組停機(jī)指令、機(jī)組允許開(kāi)機(jī)、機(jī)組開(kāi)機(jī)失敗、機(jī)組關(guān)機(jī)失敗等等各類信號(hào)。而前池LCU 傳達(dá)到各機(jī)組LCU 的信號(hào)有：機(jī)組進(jìn)水口閘門(mén)全開(kāi)位置、機(jī)組進(jìn)水口閘門(mén)全關(guān)位置、按給定功率模式運(yùn)行命令、按水頭－開(kāi)度模式運(yùn)行命令、機(jī)組開(kāi)指令、機(jī)組關(guān)指令。機(jī)組初始的開(kāi)機(jī)順序?yàn)椋?號(hào)機(jī)→2 號(hào)機(jī)→3 號(hào)機(jī)→1 號(hào)機(jī)。機(jī)組初始的停機(jī)順序?yàn)椋? 號(hào)機(jī)→2 號(hào)機(jī)→1 號(hào)機(jī)→3 號(hào)機(jī)。

按前池當(dāng)前水位，前池LCU 只需要一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，選擇優(yōu)先級(jí)最高的某機(jī)組開(kāi)機(jī)。當(dāng)機(jī)組LCU 接到前池LCU 傳達(dá)的開(kāi)機(jī)指令后，開(kāi)機(jī)完成并網(wǎng)發(fā)電，同時(shí)發(fā)布信號(hào)到前池LCU 告知其機(jī)組已并網(wǎng)，然后前池LCU 再根據(jù)當(dāng)期安水位環(huán)境下所運(yùn)行的機(jī)組臺(tái)數(shù)的數(shù)量在確定是否需要再開(kāi)機(jī)，并將最后并網(wǎng)的機(jī)組按水頭－－－開(kāi)度模式運(yùn)行，而其他已并網(wǎng)的機(jī)組是按效率最高點(diǎn)的給定值運(yùn)行。

（1）當(dāng)前池水位在282.9～283.9 米時(shí)，經(jīng)前池LCU 判斷后，判定只需要1 臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，按初始的開(kāi)機(jī)順序選擇機(jī)組編號(hào)，當(dāng)開(kāi)機(jī)機(jī)組接收到前池LCU 的開(kāi)機(jī)指令后，完成開(kāi)機(jī)并網(wǎng)的工作。前池LCU 收到開(kāi)機(jī)機(jī)組的開(kāi)機(jī)并網(wǎng)信號(hào)后，又向該機(jī)組發(fā)送按“水頭－開(kāi)度模式運(yùn)行”信號(hào)，機(jī)組收到該指令后，向調(diào)速器發(fā)送“按水位運(yùn)行模式”運(yùn)行的命令，由調(diào)速器按“水頭－－開(kāi)度”曲線模式運(yùn)行。詳見(jiàn)圖3。

（2）如果在第一臺(tái)機(jī)組全開(kāi)的情況下，前池水位依然持續(xù)上升，水位達(dá)到283.9～284.15 米時(shí)，經(jīng)前池LCU 判斷后，認(rèn)為需要開(kāi)第二臺(tái)機(jī)運(yùn)行，將按初始開(kāi)機(jī)順序選擇第二臺(tái)機(jī)。第二臺(tái)機(jī)的運(yùn)行將按“水頭－開(kāi)度”曲線模式運(yùn)行，而第一臺(tái)機(jī)將將改成按效率最高點(diǎn)的給定值運(yùn)行。第二臺(tái)機(jī)按水頭－開(kāi)度模式運(yùn)行。如圖4 所示。

（3）如果水位繼續(xù)上升，持續(xù)到284.15 米以上，經(jīng)前池LCU 判斷后，需要第三臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，將按著初始開(kāi)機(jī)順序選擇開(kāi)啟第三號(hào)機(jī)，三號(hào)機(jī)投運(yùn)后，前池LCU將發(fā)送“水頭－開(kāi)度”曲線模式信號(hào)給三號(hào)機(jī)組LCU，使三號(hào)機(jī)機(jī)組按水頭－開(kāi)機(jī)曲線模式運(yùn)行，同時(shí)前池LCU 將最高效率的給定值信號(hào)給1 號(hào)機(jī)組和2 號(hào)機(jī)組，使1 號(hào)機(jī)組和2 號(hào)機(jī)組按最高效率點(diǎn)的給定值運(yùn)行。

圖3 控制流程圖2Fig.3 Control flow chart 2

圖4 控制流程圖3Fig.4 Control flow chart 3

當(dāng)根據(jù)水位的高低判斷需要開(kāi)機(jī)指令，當(dāng)前池LCU 的水位上升, 根據(jù)優(yōu)先級(jí)確定需要開(kāi)機(jī)的機(jī)組編號(hào)，觀察是否在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)接收到開(kāi)機(jī)信號(hào)，如果機(jī)組沒(méi)有收到再繼續(xù)判斷下一優(yōu)先級(jí)是否需要開(kāi)機(jī)，當(dāng)前池LCU 水位下降時(shí)，LCU 判斷是否停機(jī)，發(fā)出的停機(jī)信號(hào)是按照優(yōu)先級(jí)順序的，若收到信息失敗就要向下一優(yōu)先級(jí)再發(fā)指令。為了避免停機(jī)時(shí)引起電站輸出功率的大幅度波動(dòng)，停機(jī)時(shí)要先由前池LCU 發(fā)出指令先退出機(jī)組的水頭－開(kāi)度模式的運(yùn)行模式，待機(jī)組完全停機(jī)后，將停機(jī)優(yōu)先級(jí)次高的機(jī)組置為水頭－開(kāi)度模式運(yùn)行。這樣的停機(jī)順序是安全可靠，并且使功率輸出平穩(wěn)的高效方式。

4 水電站自控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

水電站的自控系統(tǒng)能夠有效利用水能，發(fā)揮實(shí)際水電站的控制調(diào)節(jié)效果，在運(yùn)行過(guò)程中安全，穩(wěn)定，可靠。

（1）水電站自控系統(tǒng)可以減少運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。傳統(tǒng)水電站的運(yùn)行模式主體主要是工作人員，每天定時(shí)巡檢，記錄，調(diào)節(jié)控制等繁雜的工作內(nèi)容，現(xiàn)在的自動(dòng)控制用計(jì)算機(jī)代替了人工，節(jié)省了體力腦力，減少了工人的工作量，釋放更多勞動(dòng)力。同時(shí)提高了工作效率和準(zhǔn)確度，能夠?qū)⑺鼙M最大可能轉(zhuǎn)化成電能。

（2）水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)可以提高水電站的有效性和及時(shí)性。自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)，監(jiān)控設(shè)置，控制體系技術(shù)能夠高效的來(lái)通過(guò)前池水位高低控制發(fā)電機(jī)組的開(kāi)停。其高效性和及時(shí)性已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超越了完全人工的操作。

（3）水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)可以提高水電站發(fā)電的安全性、可靠性。在人工操作的時(shí)期，工作人員定時(shí)定點(diǎn)的去巡檢，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的及時(shí)程度遠(yuǎn)不及監(jiān)控系統(tǒng)的快速，同時(shí)又避免了操作過(guò)程中工作人員的失誤，所以自動(dòng)控制系統(tǒng)具有一定的安全性和可靠性。

5 總結(jié)

近年來(lái)我國(guó)水電工程發(fā)展迅猛，已經(jīng)建成小水電站4 萬(wàn)多座，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)科學(xué)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步作出了巨大貢獻(xiàn)。我國(guó)的小水電站主要解決中西部的邊遠(yuǎn)地區(qū)的用電問(wèn)題，小水電站的技術(shù)起點(diǎn)低，但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，小水電站的自動(dòng)水位優(yōu)化，能夠更加高效地利用水能生產(chǎn)效益。根據(jù)控制原理和方法可以看出，SCADA系統(tǒng)的水位調(diào)節(jié)模式，避免頻繁的開(kāi)機(jī)停機(jī)，自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組，有效的將水能轉(zhuǎn)化為電能，充分體現(xiàn)了小水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)的有效安全，可靠穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。

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