大黑汀水庫東壩電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)想

張曉軍，付靚

（引灤工程管理局大黑汀水庫管理處，河北遷西064300）

大黑汀水庫東壩電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)想

張曉軍，付靚

（引灤工程管理局大黑汀水庫管理處，河北遷西064300）

基于分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的自動化監(jiān)控系統(tǒng)對大黑汀水庫東壩電站進(jìn)行改造，以計算機監(jiān)控系統(tǒng)替代以人工操作為主的監(jiān)視測量設(shè)備來滿足水電站的運行要求。針對東壩電站的安裝及運行方式提出了切實可行的設(shè)計構(gòu)想及系統(tǒng)組成，系統(tǒng)具有先進(jìn)性、可靠性、經(jīng)濟性，可操作性極強。

水電站；自動化；監(jiān)控；改造

大黑汀水庫位于河北省唐山市遷西縣城北約5 km的灤河干流上。水庫西壩建有渠首電站和河床電站2座壩后式水電站，共安裝5臺水輪發(fā)電機，總裝機容量23.4 MW。東壩電站位于距西壩渠首電站1 300 m的水庫大壩東側(cè)，總裝機容量1 000 kW，由2臺單機容量500 kW的臥式水輪發(fā)電機組（站內(nèi)運行編號為6#機和7#機）組成，機組采用一機一變的運行方式將輸出的6.3 kV電壓分別通過自身的升壓變壓器升壓成10 kV等級電壓送至位于大壩西側(cè)的變電站內(nèi)，然后再由另一臺變壓器升壓為35 kV后送入電網(wǎng)。東壩電站由于興建時科技發(fā)展水平等條件限制，設(shè)計理念落后，采用的各類設(shè)備及元器件型號已經(jīng)老舊，目前已經(jīng)完全不能達(dá)到水電站安全、穩(wěn)定運行的要求。

1 東壩電站現(xiàn)狀

目前，東壩電站的監(jiān)測項目僅限于發(fā)電機電氣設(shè)備運行參數(shù)和機組溫度、冷卻水等幾組必需的水輪機運行參數(shù)，不僅增大了運行人員的工作強度，還極大地提高了機組運行的不確定性，更不能滿足現(xiàn)代水電站機組的安全運行標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)就機組主要監(jiān)測設(shè)備應(yīng)用中存在的問題簡述如下。

1.1 水輪機控制屏

水輪機控制屏由DZ系列中間繼電器及翻板式電壓繼電器組成，主要用于手動開機過程中對各開機條件的檢測及閉鎖，以確保機組開機過程中無故障，同時在機組運行過程中完成機組轉(zhuǎn)速的檢測及過速保護。其存在的問題包括各類繼電器老化，信號檢測量少，僅能完成最基本的信號量監(jiān)視，且全程均需人工參與才能確保機組安全運行。

1.2 機組保護屏

機組保護屏由電磁式差動繼電器、電流繼電器和翻板式電壓或電流繼電器組成，用于保護機組電氣參數(shù)。其存在的問題包括參數(shù)整定精度差，機械式鎖定機構(gòu)容易受振動等因素的影響，保護效果差，可靠性低。

1.3 機組勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)

機組的勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)（調(diào)速器）均各自獨立運行，彼此無任何聯(lián)系，只能依靠運行人員根據(jù)運行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗手動調(diào)整機組的運行狀態(tài)。

此外，由于年久失修，目前該電站基本處于癱瘓狀態(tài)。其主要表現(xiàn)在：進(jìn)水閘門控制設(shè)備損壞，不能完成正常的起、落閘門操作；機組出口開關(guān)（同期點）合、跳閘機構(gòu)卡阻導(dǎo)致機組并網(wǎng)困難；機組勵磁系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)失控現(xiàn)象等。

由于上述現(xiàn)象的存在，整個東壩電站需要投入大量人力、物力才能維持機組的基本運行。目前，整個電站運行控制方式為手動操作，因此對運行人員在數(shù)量和基本業(yè)務(wù)素質(zhì)等方面要求較高。眾所周知，大量的人為操作其誤差是較大的，因此在很大程度上影響了電站機組的運行質(zhì)量，機組運行的可靠性和安全性也不能保證。為提高電站的運行效率、減少運行成本，必須對整個東壩電站進(jìn)行徹底改造，采用新的計算機監(jiān)控技術(shù)代替目前的手動控制方式。

2 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)想

2.1 設(shè)計思路

對東壩電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計以信息采集全面精準(zhǔn)、控制功能齊全可靠、自動化程度高為基本設(shè)計原則，以整個系統(tǒng)實現(xiàn)“無人值班、少人值守”為設(shè)計目的，確保東壩電站現(xiàn)場不再有常規(guī)運行值班人員而改為定期現(xiàn)場巡視、遠(yuǎn)程操控的運行方式。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

東壩電站的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用雙層分布開放式結(jié)構(gòu)，即由廠站級中央控制層和現(xiàn)地級控制單元層組成。其中，廠站級中央控制層安裝在大壩西側(cè)的渠首電站中控室內(nèi)，由操作員工作站（上位機）、網(wǎng)絡(luò)打印機和工程師工作站等設(shè)備組成；現(xiàn)地級控制單元層由各個獨立的現(xiàn)地控制單元組成，各現(xiàn)地控制單元分別安裝在被控設(shè)備本地。現(xiàn)地控制單元與中央控制層通過光纖進(jìn)行物理連接，用于完成各類數(shù)據(jù)的傳輸。

針對東壩電站水輪發(fā)電機組的運行及控制方式，現(xiàn)將整個電站現(xiàn)地控制層設(shè)計成6#機組現(xiàn)地控制單元、7#機組現(xiàn)地控制單元和公共設(shè)備控制單元。計算機監(jiān)控系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

圖1東壩電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)框圖

圖1 中上方虛框內(nèi)為操作員工作站，安裝于渠首電站的中央控制室內(nèi)；中間為網(wǎng)絡(luò)傳輸部分，由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如以太網(wǎng)交換機、光纖和串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊等）組成，負(fù)責(zé)完成現(xiàn)地控制單元與中央控制層之間的數(shù)據(jù)傳輸；最下方為現(xiàn)地控制單元，包括6#機、公共設(shè)備和7#機現(xiàn)地控制單元。

3 實現(xiàn)功能

基于電站“無人值守、少人值班”的設(shè)計構(gòu)想，整個電站監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確有效地完成對機組的監(jiān)視和控制，能夠按預(yù)定要求或由實時運算結(jié)果直接控制每臺機組和主要開關(guān)，實現(xiàn)單機控制，也可以根據(jù)AGC算法給定全廠總負(fù)荷向電站主站級計算機給出全站有功功率和無功功率給定值。

3.1 主機現(xiàn)地控制單元

主機現(xiàn)地控制單元有兩套，即6#機現(xiàn)地控制單元和7#機現(xiàn)地控制單元，主要負(fù)責(zé)完成對水輪發(fā)電機組的開、停機操作以及對機組運行狀態(tài)的監(jiān)視和管理，同時以網(wǎng)絡(luò)通信的方式實現(xiàn)對其它設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸及管理。機組現(xiàn)地控制單元框圖，如圖2所示。

圖2 機組現(xiàn)地控制單元框圖

每套現(xiàn)地控制單元由PLC模塊、輸出繼電器、測速裝置等組成，主要完成對機組的邏輯控制和數(shù)據(jù)采集。

其它設(shè)備（如勵磁系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)）以主機控制單元為核心，按照機組主機控制單元發(fā)出的指令相對獨立地完成對機組各參數(shù)的控制及操作并以串口通信的方式與主機控制單元進(jìn)行信息傳輸。

快速門控制系統(tǒng)由獨立的PLC模塊組成，用于控制進(jìn)水閘門起落和蝸殼充水閥開關(guān)，它與主機現(xiàn)地控制單元之間通過485通信口進(jìn)行物理連接，機組開停機操作以串行通信的形式傳達(dá)給閘門控制單元，閘門控制單元在接收到數(shù)據(jù)后根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容確定閘門或充水閥門的開或關(guān)。

3.2 公共設(shè)備現(xiàn)地控制單元

公共設(shè)備現(xiàn)地控制單元主要用于電站公用設(shè)備及現(xiàn)場的控制及監(jiān)視，包括照明系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、直流電源系、廠用電、廠房溫度監(jiān)視和控制等。

3.3 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集為自動化監(jiān)控中的一環(huán)，起著至關(guān)重要的作用，數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容和質(zhì)量直接影響著整個監(jiān)控系統(tǒng)的自動化程度。水電站所采集的數(shù)據(jù)包括電氣量和非電氣量兩大類，就數(shù)據(jù)性質(zhì)又可分為模擬量和開關(guān)量。其中，非電氣量模擬量和開關(guān)量由各現(xiàn)地控制單元的PLC完成采集、分析和處理，如機組溫度、蝸殼壓力、壓力油油壓、冷卻水狀態(tài)、斷路器位置等；電氣模擬量主要是電壓、電流、功率等，由智能儀表完成采集，然后通過485通信口以Modbus協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給現(xiàn)地控制單元，再由現(xiàn)地控制單元PLC模塊分析處理并傳輸至安裝在中央控制室的上位機（操作員工作站）。

4 結(jié)語

電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用開放式分層、全分布式的體系結(jié)構(gòu)，按照“無人值班、少人值守”要求，以計算機監(jiān)控為主、簡易常規(guī)控制為輔的原則進(jìn)行設(shè)計。目前，已對電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)改造提出了切實可行的改造思路，單元環(huán)節(jié)的控制邏輯已經(jīng)通過仿真測試，部分環(huán)節(jié)已經(jīng)通過硬件測試，系統(tǒng)技術(shù)成熟、功能完備、可操作性強。

隨著科技的飛速發(fā)展，無線控制技術(shù)、人工智能技術(shù)等勢必會更廣泛地應(yīng)用在水電行業(yè)中，如何更好地改造好電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)，是每一位工作在水利一線技術(shù)人員永遠(yuǎn)研究的課題。大黑汀水庫東壩電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計提出了一種很好的思路，達(dá)到了提高電站發(fā)電質(zhì)量和經(jīng)濟效益的目的。

TV736

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：1004-7328（2017）01-0058-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.018

2016—10—12

張曉軍（1966—），男，工程師，主要從事水電站的運行管理工作。