水電站監(jiān)控裝置的效用和意義

韓會(huì)彬

國(guó)網(wǎng)四川映秀電廠 四川都江堰 611830

水電站電氣自動(dòng)化是一門涉及多方面理論和新技術(shù)的綜合性科學(xué)技術(shù)。近年來(lái)，由于電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展及計(jì)算機(jī)性能的顯著提高，通過日趨成熟的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、微機(jī)保護(hù)技術(shù)及視頻處理技術(shù)對(duì)水電站生產(chǎn)過程進(jìn)行操作、控制和監(jiān)視，可實(shí)現(xiàn)水電站在無(wú)人直接參與的情況下，按預(yù)定的計(jì)劃或程序自動(dòng)運(yùn)行，達(dá)到提高生產(chǎn)效率、安全經(jīng)濟(jì)性、可靠性、改善工作環(huán)境等目的[1]。

1 概況

水電站呈河床式布置，設(shè)計(jì)水頭為2.1m，流量為10m3/s，共裝配6臺(tái)套GD-WS-175型豎井貫流式水輪機(jī)、6臺(tái)SFW160-8/740型發(fā)電機(jī)。水電站采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，按“無(wú)人值班、少人值守”進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組、相關(guān)輔機(jī)設(shè)備、重要電氣設(shè)備及水工建筑物的安全運(yùn)行進(jìn)行全面監(jiān)視與控制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)在水電站運(yùn)行管理中的綜合應(yīng)用。

2 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

整個(gè)系統(tǒng)采用開放式分層分布結(jié)構(gòu)、符合開放系統(tǒng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的開放式環(huán)境下全分布計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與樞紐同步投運(yùn)，并留有接口與其他管理信息計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，保證了其系統(tǒng)可靠、實(shí)用、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、靈活和便于擴(kuò)充。

（1）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用光纖以太環(huán)網(wǎng)，樞紐內(nèi)監(jiān)控主機(jī)、通信計(jì)算機(jī)設(shè)備以及PLC均掛在以太網(wǎng)上，PLC可通過現(xiàn)場(chǎng)總線同閘門開度儀、直流系統(tǒng)及各種傳感器和自動(dòng)化設(shè)備等進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[2]。

（2）系統(tǒng)工作原理。計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)分為兩級(jí)，即主控級(jí)與現(xiàn)控級(jí)?？刂茩?quán)分“控制室、現(xiàn)地”兩級(jí)，可以無(wú)憂切換?？刂茩?quán)順序?yàn)椋含F(xiàn)地、控制室。遠(yuǎn)方控制經(jīng)授權(quán)方可進(jìn)行操作?？刂葡到y(tǒng)中心設(shè)置帶密碼的授權(quán)、核對(duì)程序?，F(xiàn)地級(jí)與主控級(jí)采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，環(huán)網(wǎng)交換機(jī)具備網(wǎng)管功能，控制室交換機(jī)采用模塊化交換機(jī)。主控級(jí)通過GPRS無(wú)線上網(wǎng)設(shè)備與上級(jí)管理所實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與圖像傳輸。微機(jī)保護(hù)、微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)和直流系統(tǒng)通過RS-485串行通信口轉(zhuǎn)換為以以太網(wǎng)方式與監(jiān)控系統(tǒng)鏈接，傳感器通過RS-485串行通信口或4-20mA輸出與PLC相連。主控級(jí)通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)地級(jí)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)地控制單位對(duì)監(jiān)測(cè)監(jiān)控命令的執(zhí)行[3]?，F(xiàn)地控制級(jí)PLC裝置是系統(tǒng)最后一級(jí)也是最優(yōu)先的一級(jí)控制，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)控制命令，并上傳現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信號(hào)，實(shí)施對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的邏輯控制。即使在監(jiān)控發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，也能夠采用現(xiàn)地PLC控制裝置保證機(jī)組正常運(yùn)行和程序控制的各種運(yùn)行操作。

3 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成設(shè)備及功能

根據(jù)水利樞紐工程運(yùn)行特點(diǎn)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用分層、分布、集中式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，選用兼容性強(qiáng)、使用成熟的測(cè)控設(shè)備，以保證整個(gè)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

（1）可編程序控制器PLC?？删幊绦蚩刂破鱌LC主要完成數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，同時(shí)也具有現(xiàn)地控制操作和監(jiān)視功能。系統(tǒng)共設(shè)4套PLC。其中1-3發(fā)電機(jī)組、4-6發(fā)電機(jī)組分別設(shè)置一套PLC，計(jì)2套;進(jìn)線、變壓器、清污機(jī)、皮帶機(jī)、供排水系統(tǒng)、變壓器油溫等所有公用設(shè)備設(shè)置1套PLC。PLC具有與主控級(jí)進(jìn)行通信的功能，以現(xiàn)場(chǎng)總線的方式與微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置、直流系統(tǒng)、智能儀表等進(jìn)行通信，定時(shí)向主控級(jí)傳送所需要的過程信息，也可根據(jù)主控級(jí)指令隨時(shí)上送要求的信息。故障或事故情況下及時(shí)向主控級(jí)傳送故障及事故信息，接受主控級(jí)發(fā)來(lái)的控制指令，并將執(zhí)行情況和結(jié)果回送到主控級(jí)。當(dāng)PLC與主機(jī)系統(tǒng)脫離后，實(shí)現(xiàn)對(duì)樞紐進(jìn)行必要的監(jiān)視和控制的功能，而當(dāng)其與主機(jī)恢復(fù)聯(lián)系后又能自動(dòng)地服從上位機(jī)系統(tǒng)的控制和管理[4]。

（2）監(jiān)控主計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)設(shè)2臺(tái)監(jiān)控主計(jì)算機(jī)，1主1從雙機(jī)熱備，功能包括對(duì)整個(gè)閘站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的管理、數(shù)據(jù)計(jì)算和處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、在線及離線計(jì)算功能，各圖表、曲線的生成，事故、故障信號(hào)的分析處理等。2臺(tái)監(jiān)控主機(jī)形成冗余熱備，當(dāng)主機(jī)故障時(shí)，從機(jī)立刻接管主機(jī)工作。監(jiān)控主計(jì)算機(jī)供運(yùn)行值班人員使用，具有圖形顯示、數(shù)據(jù)打印、全閘站運(yùn)行監(jiān)視和控制、發(fā)操作控制命令、作定值切換、設(shè)定與變更工作方式以及語(yǔ)言報(bào)警等功能。全閘站所有的操作控制都可以通過鼠標(biāo)器及鍵盤實(shí)現(xiàn);通過顯示器可以對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，并取得所需的各種信息，易于開發(fā)人員進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)和修改。

（3）通信計(jì)算機(jī)。通信計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)與其他系統(tǒng)及控制中心通信，通過訪問主機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)或其他方式，采集泵閘設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，上傳至監(jiān)控中心，并接受監(jiān)控中心的指控指令，對(duì)閘站內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行控制[5]。

（4）微機(jī)綜合保護(hù)裝置。系統(tǒng)配備2臺(tái)MICOM-P141型微機(jī)綜合保護(hù)裝置，裝置均選用多功能版，保護(hù)動(dòng)作有故障記錄。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方/就地操作開關(guān)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方/就地投退操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方/就地保護(hù)定值的修改，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方/就地告警信號(hào)事故信號(hào)的復(fù)位。有保護(hù)壓板用于保護(hù)投退，具有測(cè)、控、保以及通信功能，不受自動(dòng)控制系統(tǒng)控制，孤立閉環(huán)運(yùn)行，作為獨(dú)立的設(shè)備提供對(duì)電氣設(shè)備的保護(hù)，具有獨(dú)立完整的功能，在正常電源切換和事故情況下具有掉電不丟失功能，保證繼電保護(hù)的可靠性、安全性和抗干擾性。裝置與自動(dòng)控制系統(tǒng)之間的通信，可通過多種類型的便準(zhǔn)通信接口進(jìn)行。裝置通過網(wǎng)絡(luò)將所有信息實(shí)時(shí)發(fā)送到上級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，并能接收上級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)的各種控制操作及保護(hù)定值、保護(hù)投退、測(cè)量精度調(diào)校系數(shù)等各種配置參數(shù)。

（5）發(fā)電機(jī)組自動(dòng)發(fā)電智能控制器。發(fā)電機(jī)組選用6臺(tái)PAS661A型智能控制器，該控制器集發(fā)電機(jī)組開停機(jī)全自動(dòng)控制、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制、水輪機(jī)調(diào)速控制、準(zhǔn)同期合閘、發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)、數(shù)顯儀表、自動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)電、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)視八大功能于一體?？刂破魈峁㏑S-485通信接口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的遠(yuǎn)方監(jiān)控及集中控制。一臺(tái)發(fā)電機(jī)組僅需配置一臺(tái)控制器，就能實(shí)現(xiàn)機(jī)組自動(dòng)化控制。實(shí)現(xiàn)了一鍵式開機(jī)、一鍵式停機(jī)、快速準(zhǔn)同期自動(dòng)并網(wǎng)、自動(dòng)發(fā)電功能，還可以按水位全自動(dòng)開停機(jī)、按水位經(jīng)濟(jì)發(fā)電模式，高效和諧利用水資源。

4 應(yīng)用

（1）提高工作效率。水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行管理模式，按照少人值班、集中控制方式設(shè)計(jì)，采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組、相關(guān)輔機(jī)設(shè)備、重要電氣設(shè)備及水工建筑物的安全運(yùn)行進(jìn)行全面監(jiān)視與控制，與傳統(tǒng)管理模式相比，運(yùn)行值班人員可以減少30℅，達(dá)到人員配置少、工作效率高的目的[6]。

（2）實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，可根據(jù)不斷獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)按水位經(jīng)濟(jì)發(fā)電模式、高效和諧利用水資源進(jìn)行調(diào)整，提高了發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率，節(jié)約了人員成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益，使工程實(shí)現(xiàn)高效管理、高效運(yùn)行。

（3）保障安全可靠關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)施分組、分權(quán)限管理，只允許特殊權(quán)限用戶擁有查看和操作權(quán)限。用戶實(shí)施分類別、分權(quán)限管理，不同類別的用戶擁有不同的管理能力，并對(duì)部分用戶指定可監(jiān)控的畫面和允許修改點(diǎn)的數(shù)值。系統(tǒng)同時(shí)考慮操作習(xí)慣和步驟、通信、硬件及軟件設(shè)計(jì)的安全性，對(duì)每個(gè)功能操作提供安全檢查和校核，當(dāng)發(fā)生誤操作時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)禁止并發(fā)出告警，全方位保證水電站安全可靠運(yùn)行。

水電站采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組、相關(guān)輔機(jī)設(shè)備、重要電氣設(shè)備及水工建筑物的安全運(yùn)行進(jìn)行全面監(jiān)視與控制，在實(shí)際運(yùn)行工程中，達(dá)到了操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理等目的，實(shí)現(xiàn)了“少人值守”設(shè)想，使電站的運(yùn)行管理水平大大提高，可以為其他小型水電站的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)提供借鑒。對(duì)于已經(jīng)應(yīng)用電氣自動(dòng)化的水電站，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，找出電氣自動(dòng)化中存在的不足，并加以完善，從而使電氣自動(dòng)化的作用能夠在水電站中得以充分發(fā)揮，由此除了能夠減少各類電氣設(shè)備的故障發(fā)生幾率之外，還能為水電站帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于推動(dòng)水電站的持續(xù)發(fā)展具有重要意義[7]。