小型水電站的自動化改造

楊友棟，陳立輝

（1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省水文管理中心，浙江 杭州 310009）

水電是一種重要的能源，因其清潔性和可再生性，得到大力發(fā)展。隨著制造裝備技術(shù)水平的提高，水電技術(shù)得到飛速的提高，經(jīng)過多年的發(fā)展，水電技術(shù)已經(jīng)十分成熟。相對于發(fā)達(dá)國家，我國的水電開發(fā)比例仍然較低。為了解決能源短缺與生態(tài)環(huán)保問題，水電站開發(fā)在我國經(jīng)歷了一個高速發(fā)展的階段，在經(jīng)過20多年的不斷興建，已建成大量的大大小小各種型式的水電站。在這些已建成的水電站中，有著數(shù)量龐大的裝機容量在50 000 kW以下的小型水電站。隨著小型水電站的進(jìn)一步開發(fā)，小型水電站的數(shù)量、裝機容量、年發(fā)電量仍在增加。這些小型水電站分布較為分散，主要位于交通不太便利的偏遠(yuǎn)山區(qū)，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)村電網(wǎng)的主力軍，是電網(wǎng)主網(wǎng)的有力補充，解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)供電難題，為促進(jìn)當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)、經(jīng)濟發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。

1 小型水電站存在的問題

在眾多建成的農(nóng)村小型水電站中，存在著一大批總裝機容量從幾百千瓦到兩三千千瓦的小型水電站。這些小型水電站大多數(shù)建成于20世紀(jì)八九十年代，已經(jīng)運行20多年，機組設(shè)備接近使用壽命，亟待改造。這種類型小型水電站很多依據(jù)地形情況修建，電站規(guī)模較小，引水系統(tǒng)比較簡單，設(shè)備數(shù)量較少，接線較為簡單，整體具有以下幾點共性:①出線電壓低。總裝機容量小，出線電壓為10 kV等級，送出線路不長，T接于附近的10 kV農(nóng)村電網(wǎng)，不敷設(shè)單獨的送電線路。②單機容量小。為了充分的利用引水量，提高利用小時，充分利用水能，均設(shè)置有幾臺機組，在總裝機容量較小的情況下，單機容量必然會小，一般不超過單機1 000 kW。③機組額定電壓低。機組單機容量小，為了降低成本，采用低壓機組，機組額定電壓采用400 V。

小規(guī)模的小型水電站在經(jīng)過多年的運行，已經(jīng)在運行過程中凸顯眾多問題，而且問題越來越嚴(yán)重，影響正常生產(chǎn)，甚至難以滿足現(xiàn)場安全運行的要求。綜合目前的情況，主要存在下列幾個問題:①運行人員不足。經(jīng)濟發(fā)展的浪潮下，小型水電站已經(jīng)難覓年輕人的身影，留下的一些運行人員已經(jīng)瀕臨退休，運行人員面臨青黃不接的狀況。②機組老化嚴(yán)重。小規(guī)模的小型水電站建造年代久遠(yuǎn)，設(shè)備大多數(shù)運行了20 a左右。大多數(shù)機電設(shè)備制造于20世紀(jì)，機組老化嚴(yán)重、效率低下、影響電站發(fā)電效益，且存在眾多的安全隱患。③自動化水平低。眾多的小型水電站還停留在手動操作的水平，手動開機、停機，手動投切勵磁，手動剎車等等，機組的起停、發(fā)電處于手工操作階段，自動化水平極其低下，電能質(zhì)量不高。④繼電保護(hù)水平低。大量的小型機組還在使用繼電器組成的繼電保護(hù)，這種類型的繼電保護(hù)接線復(fù)雜、故障率高、維修工作量大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上時代的發(fā)展。

2 解決方案

在大電網(wǎng)智能化的大背景，水電站自動化水平逐步發(fā)展完善，尤其是大中型水電站的自動化水平已經(jīng)很高，小型水電站的自動化水平與大中型水電站相比，差距較為明顯。在水電站自動化總體水平提高的基礎(chǔ)上，小型水電站的自動化水平獲得長足的進(jìn)步，基本上已經(jīng)可以實現(xiàn)“無人值班、少人值守”的運行模式。新建的水電站已經(jīng)實現(xiàn)計算機監(jiān)控系統(tǒng)，完全實現(xiàn)自動化，降低運行成本，提高水能利用效率，處于自動化低谷區(qū)的農(nóng)村小型水電站急需自動系統(tǒng)改造升級，自動化缺少的設(shè)備需要增設(shè)，自動化水平低的需要升級。當(dāng)前小型水電站的自動化系統(tǒng)基本上采用分層分布式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，主要分為集控層、網(wǎng)絡(luò)層與現(xiàn)地控制單元3層。

2.1 集控層

集控層由工作站構(gòu)成，工作站裝設(shè)監(jiān)控軟件和通訊服務(wù)軟件，軟件遵循“開放”系統(tǒng)設(shè)計原則，采用模塊化編程，靈活組態(tài)、適用性強，可根據(jù)不同類型和規(guī)模的水電站的需求進(jìn)行針對性設(shè)計，滿足水電站在不同時期的需求。監(jiān)控軟件主要完成電站控制、電站監(jiān)視、事故與故障處理、數(shù)據(jù)管理等功能。①電站控制:機組自動開停機、機組控制模式切換、機組自動發(fā)電、機組有功無功調(diào)節(jié)、調(diào)度與遙控。②電站監(jiān)視:全站實時運行狀態(tài)監(jiān)視、全站運行參數(shù)監(jiān)視、控制操作過程監(jiān)視、系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視。③事故與故障處理:事故與故障報警、遙測越線與遙信變位報警記錄、事故與故障記錄。④數(shù)據(jù)管理:運行參數(shù)數(shù)據(jù)庫生成、歷史運行參數(shù)查詢。

通訊服務(wù)軟件主要是完成與上級調(diào)度的通訊任務(wù)，可根據(jù)實際情況與電站的規(guī)模，與其他電站組成集中監(jiān)控。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是整個系統(tǒng)可靠運行的基礎(chǔ)，應(yīng)具有高安全可靠性、較強的數(shù)據(jù)吞吐能力，合理的帶寬及通訊的開放性、集成性、易用性和可維護(hù)性，保證系統(tǒng)的實時通信與信息交換。網(wǎng)絡(luò)通訊主要采用RS - 232/RS 485和以太網(wǎng)雙網(wǎng)冗余通訊，相比較以前的RS - 232/RS 485單通道通訊，可靠性得到提高。

2.3 現(xiàn)地控制單元

現(xiàn)地控制單元是自動化控制的基礎(chǔ)，完成對機組、機組輔助設(shè)備、其他配電設(shè)備的實時測量、控制、調(diào)節(jié)以及數(shù)據(jù)采集、處理、上傳至集控層。現(xiàn)地控制單元具有最高權(quán)限的優(yōu)先級別，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層或者集控層出現(xiàn)故障，失去與集控層聯(lián)絡(luò)時，仍然可以獨立完成對設(shè)備的監(jiān)控，通過現(xiàn)地/遠(yuǎn)地功能切換能實現(xiàn)現(xiàn)地手動操作，集控層與網(wǎng)絡(luò)層維護(hù)檢修時不影響電站的發(fā)電運行。目前自動化設(shè)備廠家較多，各大廠家均有自己特點的產(chǎn)品，造成現(xiàn)地控制單元設(shè)備種類較多，可以選擇的產(chǎn)品比較廣泛，總體可分為2類，一類為基于PLC的控制單元，另一類為高度集成的一體化控制單元。①基于PLC的控制單元:采用普及率較高的PLC，以PLC為基礎(chǔ)，配置繼電保護(hù)元件、一定數(shù)量的開關(guān)量輸入繼電器、開關(guān)量輸出繼電器、模擬量輸入變送器、人機顯示等設(shè)備，利用控制線路將各個功能連接在一起組成一個控制單元。人為增加中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，造成設(shè)備數(shù)量與費用增加，線路增多的同時使接線復(fù)雜性增大，無形中提高故障率。與此同時，由于農(nóng)村小型水電站功能要求較為簡單，數(shù)據(jù)采集的點數(shù)較少，采用的PLC一般為小型PLC，數(shù)據(jù)處理能力較差，故障發(fā)生時容易發(fā)生延時發(fā)出命令的情況，有可能造成故障的進(jìn)一步擴大。一般情況下，PLC不單獨設(shè)置屏柜，直接布置于發(fā)電機控制柜內(nèi)，且發(fā)電機控制柜大多數(shù)就近布置于水輪發(fā)電機組附近，使PLC容易受到電磁干擾和環(huán)境影響。整體來說該類設(shè)備優(yōu)點是設(shè)備的通用性強、易于擴展；缺點是抗干擾性能差、環(huán)境適應(yīng)能力較差，故障率較高，整體可靠性差。②一體化集成控制單元:以嵌入式DSP處理器為核心，采用模塊化設(shè)計，每一個具有獨立功能的部件做成一個模塊插件，通過裝置的主板插槽將各個功能組合成一個整體。主要模塊插件包括電源、DSP處理器、勵磁、交流采樣、直流采樣、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸入、模擬量輸入、通訊、人機顯示等模塊。一體化集成控制單元集成度高，集中了控制、保護(hù)、調(diào)節(jié)、監(jiān)視、采樣、通訊等各種功能，減少大量的輔助元件，接線復(fù)雜性大大降低，降低人為的故障率。主要優(yōu)點有抗干擾性能好、環(huán)境適應(yīng)能力強、數(shù)據(jù)處理能力強、插件配置更換簡易、可靠性高，與具有同等功能的PLC相比較造價便宜；缺點是受制于主板插槽的數(shù)量限制，可擴展性能差。

3 結(jié) 語

農(nóng)村小型水電站的改造是一項急需進(jìn)行的工程，通過對小型水電站的自動化改造，在提高水電站發(fā)電效率的同時有效提高電站的運行管理水平，減少運行人員數(shù)量，解決人員短缺的問題。盡管每一座水電站有其自身的要求，不能采用同一個自動化模式，但是自動化改造系統(tǒng)架構(gòu)大致相同，不同的是現(xiàn)地控制單元的選擇。對比2種不同的現(xiàn)地控制單元，在造價水平相當(dāng)?shù)那闆r下，一體化集成控制單元具有較為突出的優(yōu)點，應(yīng)優(yōu)先考慮。