水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)改造

郭漢權(quán)

身份證號(hào)碼：440106197903084055

摘要：本文以某水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)改造工程為例，對(duì)水電站工程現(xiàn)狀及存在的問題進(jìn)行了分析與研究，并對(duì)水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)技改方案進(jìn)行了探討，以期能夠提高水電站的效益，確保水電站的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：水電站；綜合自動(dòng)化系統(tǒng)；改造方案；運(yùn)行穩(wěn)定

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水電站也向著智能化的方向改進(jìn)。目前，采用綜合自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)成為水電站的發(fā)展趨勢，其對(duì)水力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性具有非常重要的意義，是促進(jìn)水電站安全運(yùn)行的重要措施。本文作者根據(jù)多年工作經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐，對(duì)某水電站的狀況以及存在問題進(jìn)行了分析，并針對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)以及微機(jī)保護(hù)配置兩大方面對(duì)水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造探討、分析，目的是為了提高水電站安全、可靠穩(wěn)定運(yùn)行水平，降低運(yùn)行維護(hù)成本，可供參考。

1 工程現(xiàn)狀及存在的問題

某水電站為壩后引水式季節(jié)性電站，裝機(jī)容量為2×6500kW。該電站建成投產(chǎn)運(yùn)行幾十余年來，給當(dāng)?shù)氐膰窠?jīng)濟(jì)發(fā)展、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了可靠的電力能源，產(chǎn)生了較好的社會(huì)效益。

目前水庫防洪與發(fā)電的客觀條件良好，但是電站控制、保護(hù)、計(jì)量等自動(dòng)化設(shè)備陳舊，數(shù)據(jù)采集通信不暢，與控制系統(tǒng)不配套，維護(hù)代價(jià)過高，所以機(jī)組自動(dòng)化在運(yùn)行中，頻繁出現(xiàn)故障，效率下降，電能質(zhì)量下降，無法產(chǎn)生最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)技改方案

針對(duì)電站存在的問題，按照安全可靠，技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的原則對(duì)電站進(jìn)行綜合自動(dòng)化系統(tǒng)改造，系統(tǒng)建成后，將實(shí)現(xiàn)集信息采集、傳輸、優(yōu)化調(diào)度與自動(dòng)監(jiān)控于一體的現(xiàn)代化電站管理功能，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由監(jiān)控系統(tǒng)、微機(jī)保護(hù)、計(jì)量、同期等幾個(gè)部分組成，電站自動(dòng)化綜合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1。

圖1 電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)

電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能迅速、準(zhǔn)確、有效地完成對(duì)電站被控對(duì)象的安全監(jiān)視和控制，系統(tǒng)采用全分布開放式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，設(shè)主控級(jí)計(jì)算機(jī)兼操作人員工作站和系統(tǒng)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備用。

電站設(shè)置獨(dú)立的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，控制級(jí)別分為站控級(jí)、現(xiàn)地自動(dòng)＼手動(dòng)控制級(jí)，現(xiàn)地控制級(jí)按被控對(duì)象配置機(jī)組LCU、公用設(shè)備LCU等現(xiàn)地控制單元?，F(xiàn)地單元和監(jiān)控主機(jī)之間由以太網(wǎng)連接，現(xiàn)地單元將信號(hào)傳送到監(jiān)控主機(jī)，并接受其指令，實(shí)現(xiàn)集中自動(dòng)控制。

站控級(jí)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理各現(xiàn)地控制單元的工作、收集有關(guān)信息并作相應(yīng)處理和存儲(chǔ)，設(shè)備預(yù)留與遠(yuǎn)方調(diào)度計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的接口和功能。

2.1.1 監(jiān)控系統(tǒng)組成

主要包括以下內(nèi)容：

1）兩臺(tái)監(jiān)控主機(jī)；2）一臺(tái)操作員工作站；3）二套發(fā)電機(jī)現(xiàn)地控制單元LCU，包括交流采樣裝置等；4）一套公用現(xiàn)地控制單元LCU，包括交流采樣裝置等；5）一套工業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（包括智能交換機(jī)、防火墻等）；6）一套電站公用的GPS系統(tǒng)時(shí)鐘同步裝置；7）一套逆變穩(wěn)壓電源；8）一套語音報(bào)警系統(tǒng)裝置；9）一臺(tái)打印機(jī)；10）以太網(wǎng)交換；11）通信附件及電纜；12）一套中控室控制臺(tái)；13）備品備件、專用工具及維修試驗(yàn)設(shè)備；14）提供的軟件包括：系統(tǒng)軟件；支持軟件；應(yīng)用軟件。

2.1.2監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)象

主要包括以下內(nèi)容：

1）兩臺(tái)水輪機(jī)及其輔助設(shè)備；2）兩臺(tái)三相同步發(fā)電機(jī)及其輔助設(shè)備；3）一臺(tái)主變壓器；4）35kV母線；5）6kV母線；6）電站公用設(shè)備及閘門；7）油系統(tǒng)；8）排水系統(tǒng)；9）氣系統(tǒng)；10）電站廠用電系統(tǒng)；11）直流電系統(tǒng)；12）電站水力監(jiān)測系統(tǒng)

2.1.3監(jiān)控系統(tǒng)功能

電站監(jiān)控主機(jī)設(shè)在中控室，監(jiān)控系統(tǒng)通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總線接口與各測控單元通訊，實(shí)現(xiàn)全站數(shù)據(jù)采集和處理，實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)，安全運(yùn)行監(jiān)視，屏幕顯示，事故處理指導(dǎo)和恢復(fù)操作指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組控制操作和輔助設(shè)備等的控制；系統(tǒng)可根據(jù)運(yùn)行值班人員的指令說程序設(shè)定，參考現(xiàn)地的狀況，手動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)行控制，亦可下傳至現(xiàn)地LCU控制，使全站保持最佳運(yùn)行工況。另外系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)通信，鍵盤操作，文件打印，電站設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理，系統(tǒng)診斷，軟件開發(fā)及培訓(xùn)等功能，以達(dá)到“無人值班、少人值守”的要求。

2.2 微機(jī)保護(hù)配置

電站的保護(hù)裝置采用NED-800系列的微機(jī)繼電保護(hù)裝置，與監(jiān)控系統(tǒng)有通信接口，各保護(hù)裝置在中控室統(tǒng)一組屏安裝。其中：主變壓器保護(hù)裝置三套，組屏一面；35kVPT監(jiān)測裝置一套；兩臺(tái)發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置各一套，組屏一面，6kVPT監(jiān)測裝置一套，1臺(tái)站變保護(hù)裝置，10kV線路監(jiān)測裝置一套。

保護(hù)裝置的設(shè)置根據(jù)電氣主接線和《繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)程》確定，這里不做敘述。電站機(jī)電設(shè)備參數(shù)：主變壓器型號(hào)：SF11-20000/35，20000kVA，38.5kV±2×2.5%/6.3kV。發(fā)電機(jī)型號(hào)：SF7000-16/3300；額定電壓Un=6.3kV；功率因數(shù)COSΦ=0.8。經(jīng)過整定后得出保護(hù)裝置完成預(yù)定保護(hù)功能所需的動(dòng)作參數(shù)值，達(dá)到整定值，保護(hù)裝置動(dòng)作。

微機(jī)主要保護(hù)功能及配置概述如下：

2.2.1 主變壓器保護(hù)

1）主變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

主變設(shè)置縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置，保護(hù)為比率制動(dòng)式，應(yīng)能反映出變壓器引出線、套管及內(nèi)部的短路等故障，能躲過勵(lì)磁涌流和外部短路產(chǎn)生的不平衡電流，并具有防止誤動(dòng)及CT斷線閉鎖功能。保護(hù)分別瞬時(shí)動(dòng)作于主變高/低壓側(cè)斷路器跳閘。差動(dòng)保護(hù)整定結(jié)果：

差動(dòng)速斷保護(hù)電流整定范圍：1.00-100.00A（0.8～10In）整定值18.35A。

差動(dòng)保護(hù)起動(dòng)電流整定范圍：0.10-50.00A（0.3～0.5In）整定值1.84A。

差動(dòng)制動(dòng)電流整定范圍：0.10-50.00A（0.8～1.2In）整定值3.67A。

比例制動(dòng)系數(shù)0.20-0.90整定值0.50。

二次諧波制動(dòng)系數(shù)：0.10-0.50整定值0.17。

2）主變壓器高壓側(cè)復(fù)合電壓啟動(dòng)的過電流保護(hù)此保護(hù)作為主變壓器后備保護(hù)，應(yīng)能反應(yīng)由外部相間短路引起的變壓器過電流等故障。保護(hù)應(yīng)帶時(shí)限動(dòng)作于主變壓器高壓側(cè)斷路器跳閘。保護(hù)的整定：

動(dòng)作電流整定范圍：0.2～20A整定值7.34A。

負(fù)序動(dòng)作電壓整定范圍：1～30V整定值6V。

相間動(dòng)作低電壓整定范圍：1～100V整定值70V。

動(dòng)作時(shí)間整定范圍：0.1～10s整定值1.5s。

3）主變壓器低壓側(cè)復(fù)合電壓啟動(dòng)的過電流保護(hù)

此保護(hù)作為主變壓器后備保護(hù)，應(yīng)能反應(yīng)由外部相間短路引起的變壓器過電流等故障。保護(hù)應(yīng)帶時(shí)限動(dòng)作于主變壓器低壓側(cè)斷路器跳閘。保護(hù)的整定：

動(dòng)作電流整定范圍：0.2～20A整定值5.18A。

負(fù)序動(dòng)作電壓整定范圍：1～30V整定值6V。

相間動(dòng)作低電壓整定范圍：1～100V整定值70V。

動(dòng)作時(shí)間整定范圍：0.1～10s整定值1.2s。

另外還要實(shí)現(xiàn)主變壓器的瓦斯保護(hù)，溫度保護(hù)，油位保護(hù)壓力釋放保護(hù)和過負(fù)荷保護(hù)。兩個(gè)站用變壓器高、低壓側(cè)設(shè)置速斷保護(hù)即可。

2.2.2 發(fā)電機(jī)保護(hù)

1）發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)

此保護(hù)為比率制動(dòng)式，用于反應(yīng)發(fā)電機(jī)定子繞組及其引出線上的相間短路，具有CT斷線閉鎖功能。保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作于停機(jī)、滅磁、斷路器跳閘。

動(dòng)作電流整定范圍：0.05～5A整定值1.21A。

比例制動(dòng)系數(shù)：0.15～0.4整定值0.2。

2）發(fā)電機(jī)復(fù)合電壓過電流保護(hù)

此保護(hù)作為發(fā)電機(jī)的后備保護(hù)，應(yīng)能反應(yīng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部及其引出線的短路故障。帶時(shí)限動(dòng)作于發(fā)電機(jī)斷路器跳閘、滅磁、停機(jī)。保護(hù)的整定：

動(dòng)作電流整定范圍：0.2～20A整定值5.347A。

負(fù)序動(dòng)作電壓整定范圍：1～30V整定值6.5V。

相間動(dòng)作低電壓整定范圍：1～100V整定值70V。

動(dòng)作時(shí)間整定范圍：0.1～10s整定值2s。

3）發(fā)電機(jī)定子繞組接地保護(hù)

90%～95%定子繞組接地保護(hù)可由基波零序電壓原理構(gòu)成，為提高保護(hù)的靈敏度，零序電壓元件輸入回路應(yīng)加裝用于消除三次諧波的濾波器。保護(hù)帶時(shí)限動(dòng)作于信號(hào)或動(dòng)作于停機(jī)。保護(hù)的整定：

基波零序電壓整定范圍：1～50V整定值13V。

動(dòng)作時(shí)間整定范圍：0.1～10s整定值0.5s。

4）發(fā)電機(jī)定子繞組過負(fù)荷保護(hù)

此保護(hù)采用單相式，延時(shí)后發(fā)出定子繞組過負(fù)荷信號(hào)。

動(dòng)作電流整定范圍：1～20A整定值4.68A。

動(dòng)作時(shí)間整定范圍：0.1～10s整定值0.5s。

5）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)

此保護(hù)應(yīng)能反應(yīng)轉(zhuǎn)子繞組上的任一點(diǎn)接地故障及絕緣電阻的降低，保護(hù)的靈敏度不應(yīng)隨轉(zhuǎn)子接地點(diǎn)的變化而改變。保護(hù)帶延時(shí)動(dòng)作于信號(hào)。保護(hù)的整定：

轉(zhuǎn)子接地電阻整定范圍：0.5kΩ～50kΩ整定值5kΩ。

動(dòng)作時(shí)間整定范圍：1～10s整定值3s。

除以上主要保護(hù)外還要實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的過電壓保護(hù)和失磁保護(hù)，保護(hù)帶延時(shí)動(dòng)作于發(fā)電機(jī)解列、滅磁、失磁故障。

2.2.3 微機(jī)PT監(jiān)測裝置

微機(jī)PT監(jiān)測裝置設(shè)置于母線，能實(shí)現(xiàn)過電壓保護(hù)、低電壓保護(hù)、接地保護(hù)、PT斷線報(bào)警等功能。

3 計(jì)量

電站計(jì)量系統(tǒng)采用智能電子式電度表，電度表應(yīng)滿足計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，具有脈沖輸出及數(shù)據(jù)輸出，并且有分時(shí)計(jì)費(fèi)功能及失壓記錄功能，要能與公用LCU串行通信，系統(tǒng)所有電度表組一面屏安裝。計(jì)量方式如下：

1）電站計(jì)量點(diǎn)設(shè)置在變壓器高壓側(cè)35kV出線側(cè)。計(jì)量方式為雙向計(jì)量。

2）兩臺(tái)發(fā)電機(jī)出口均設(shè)置計(jì)量點(diǎn)。計(jì)量方式為單向計(jì)量。

3）附近10kV電源進(jìn)線（去站用變壓器）計(jì)量點(diǎn)。計(jì)量方式為單向計(jì)量。

4 同期

電站同期點(diǎn)定在兩臺(tái)發(fā)電機(jī)出口側(cè)，采用微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期和手動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，設(shè)置同期屏一面。

在發(fā)電機(jī)工作方式下，對(duì)待并入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)，準(zhǔn)同期裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率、電壓，合閘相位與電網(wǎng)相同，當(dāng)調(diào)整到具備并網(wǎng)條件時(shí)，自動(dòng)合上發(fā)電機(jī)的同期合閘開關(guān)，完成發(fā)電機(jī)的自動(dòng)并網(wǎng)，或者用戶可以手動(dòng)按面板的“確認(rèn)”鍵或其它“認(rèn)可”操作進(jìn)行合閘。手動(dòng)同期裝置和自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置應(yīng)是互相獨(dú)立、互不干擾的兩套裝置。

5 結(jié)語

總之，水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，其對(duì)水電站的穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的意義。實(shí)踐證明，經(jīng)過水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)改造，大大提高了該水電站自動(dòng)化水平，降低了運(yùn)行成本，保證了水電站安全、可靠運(yùn)行。然而，水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)仍在發(fā)展，無論從其技術(shù)性、重要性、投資數(shù)和任務(wù)量都占有相當(dāng)?shù)牡匚?，市場前景十分廣闊，相信將高新技術(shù)的應(yīng)用和現(xiàn)場實(shí)際要求的有機(jī)結(jié)合，將促進(jìn)水電站綜臺(tái)自動(dòng)化技術(shù)更加完善。

參考文獻(xiàn)：

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按照上述數(shù)據(jù)分析方法，對(duì)基坑的水平位移和沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)成果進(jìn)行分析，將計(jì)算得到的坐標(biāo)位移ΔX，ΔY轉(zhuǎn)化為該點(diǎn)沿基坑邊界向基坑內(nèi)（+）外（-）的數(shù)值變化情況。本文給出了2013年9月1日到2014年2月22日之間F1～F5五個(gè)水平位移監(jiān)測點(diǎn)和C1～C5五個(gè)沉降點(diǎn)的50期觀測值相對(duì)于初始監(jiān)測時(shí)的累計(jì)水平位移和沉降變化。并繪制出了對(duì)應(yīng)的累計(jì)水平位移過程曲線和沉降變化曲線（如圖2、圖3所示）。通過曲線擬合和回歸分析對(duì)數(shù)據(jù)成果進(jìn)行分析預(yù)報(bào)。

圖3 水平位移監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)位移量過程曲線

以位移點(diǎn)F2點(diǎn)舉例論證。通過二項(xiàng)式擬合插值得到：

Y=-0.0064X2+0.6162X+6.503 （13）

分析，我們發(fā)現(xiàn)

R2=0.858

R Square對(duì)應(yīng)的數(shù)值為測定系數(shù)（determination coefficient），它是相關(guān)系數(shù)的平方。0.8575接近于1，說明線性擬合較好。點(diǎn)位變化明顯，現(xiàn)場踏勘和綜合經(jīng)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場周邊高層建筑的地下室開始頻繁施工，導(dǎo)致水平位移變化趨勢有所加大。

以沉降點(diǎn)C5從2013年12月1日到2014年2月22日的19個(gè)觀測值為回歸模型的分析點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行回歸分析。結(jié)果如表1、表2。

（1）相關(guān)系數(shù)（correlation coefficient）R的評(píng)價(jià)。一般地，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值在0.8～1的范圍內(nèi)，可判斷回歸自變量和因變量具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性。本例R=0.9999，表明線性關(guān)系較好。

（2）R Square對(duì)應(yīng)的數(shù)值為測定系數(shù)，它是相關(guān)系數(shù)的平方，即有R2=0.9998。

（3）Adjusted對(duì)應(yīng)的是校正測定系數(shù)（adjusted determination coefficient）

表1 回歸統(tǒng)計(jì)表格

表2 方差分析表格

從以上回歸統(tǒng)計(jì)值發(fā)現(xiàn)，AdjustedR2=0.9442，證明該次擬合效果較好。

從表2看出，數(shù)據(jù)的殘差較小，擬合的效果很好。Significance F對(duì)應(yīng)的是在顯著性水平下的Fα臨界值，其實(shí)等于P值，即棄真概率。所謂“棄真概率”即模型為假的概率，顯然1-P便是模型為真的概率?？梢姡琍值越小越好。對(duì)于本例，P=3.153E-33<0.0001，故置信度達(dá)到99.999%以上。

通過回歸分析說明該點(diǎn)在給定時(shí)間段內(nèi)，觀測效果較好，數(shù)據(jù)成果可信度很高，預(yù)測模型較為準(zhǔn)確。需要說明的是，由于監(jiān)測現(xiàn)場情況較為復(fù)雜，在運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行預(yù)測時(shí)，需要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況以及以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行更為合理準(zhǔn)確的判斷和預(yù)測。

2 結(jié)束語

綜上所述，基坑若發(fā)生變形，將會(huì)對(duì)整體的建筑施工產(chǎn)生極為不利的影響。因此，施工方必須要引起重視，做好基坑變形監(jiān)測的工作，并采取措施做好控制，以保障基坑施工的質(zhì)量，從而為保障工程的施工安全。

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