中小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)升級改造與應(yīng)用研究

趙東聲 高忠臣 桂勇華 袁惠群 張福興

摘?要：以水力發(fā)電為代表的清潔能源替代化石能源是未來人們能源供給格局的大勢所趨。本文在分析水電站基本運行架構(gòu)及電站監(jiān)控系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，重點介紹了中小型水力電站在終端系統(tǒng)監(jiān)控、機組調(diào)優(yōu)控制、消防系統(tǒng)預(yù)警、故障診斷處理、電氣“五防”保護、系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度、機組后備保護、數(shù)據(jù)信息采集處理等方面升級改造的重點建設(shè)內(nèi)容，為相關(guān)管理部門決策提供參考價值。

關(guān)鍵詞：中小型水電站;監(jiān)控預(yù)警;升級改造;調(diào)度優(yōu)化

1 緒論

近年來，隨著化石能源使用數(shù)量的不斷增加，化石能源的自身儲量和環(huán)境污染面臨的壓力越來越大。受此影響，傳統(tǒng)火力發(fā)電新增容量和在所有發(fā)電容量中的占比逐年下降。國家開始重視與發(fā)展中小型水電站，尤其在一些對環(huán)境保護要求較高的區(qū)域，對清潔能源的開發(fā)力度更大。我國水利資源豐富但區(qū)域性特點明顯，主要分布在長江流域等。除了加大新電站建立，國家和企業(yè)開出臺了有關(guān)電站升級改造的相關(guān)政策，以此促使現(xiàn)有水電站的升級改造與提質(zhì)增效。

水電站的升級改造不但能夠促進(jìn)能源的使用效率，而且有助于提高電能的生產(chǎn)質(zhì)量，并能夠節(jié)約大量的人力、物力等資源。隨著計算機技術(shù)在水電站領(lǐng)域的深度利用，電站的升級改造及系統(tǒng)應(yīng)用已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界普遍關(guān)心的重點問題。為此，本文結(jié)合中小型水電站的實際需求，從電站基本運行架構(gòu)、電站升級改造內(nèi)容、電站系統(tǒng)應(yīng)用效果三個方面進(jìn)行分析討論，為相關(guān)管理人員提高決策和服務(wù)質(zhì)量提供參考。

2 電站基本運行架構(gòu)

相比于傳統(tǒng)火力發(fā)電和大型清潔能源發(fā)電單元，中小型水電站具有自身特點：（1）中小型水電站具有完善的監(jiān)控保護系統(tǒng)、消防預(yù)警系統(tǒng)、電氣“五防”系統(tǒng)、優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)等，并能夠?qū)崿F(xiàn)不同系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)與管理，但是系統(tǒng)的規(guī)模相對較小、運行難度相對較大;（2）系統(tǒng)受到外界環(huán)境變化及自身運況的影響，致使機組啟停頻繁、老化速度加快，需要技術(shù)更新及設(shè)施改造的費用相對較高;（3）對專業(yè)技術(shù)及人員的要求相對較高，以及對系統(tǒng)整體自動化運行和設(shè)備設(shè)施的可靠性要求相對苛刻。因此，需要具備完善的系統(tǒng)運行架構(gòu)，以保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、長效運行。

參考文獻(xiàn)[1]可知，中小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)由底向上分為設(shè)備設(shè)施及信息采集層、廠站信息管控層以及調(diào)度集中管控層，并且每臺機組構(gòu)成一個獨立的現(xiàn)地控制單元（LCU），如圖2所示。其中，設(shè)備設(shè)施及信息采集層包括水電站各類運行設(shè)備設(shè)施（比如水輪機、勵磁調(diào)節(jié)器、調(diào)速器、開關(guān)柜等），這些設(shè)備通過物理、邏輯互聯(lián)發(fā)揮特定的功能，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。同時，信息采集系統(tǒng)將這些設(shè)備設(shè)施的相關(guān)信息進(jìn)行匯集、整理，輸送到制定的單元。廠站信息管控層主要負(fù)責(zé)設(shè)備設(shè)施的就地管理與優(yōu)化運行，能夠在廠站范圍內(nèi)實現(xiàn)對單個機組或機組群的狀態(tài)監(jiān)視、優(yōu)化管控等。調(diào)度集中管控層實現(xiàn)隨整個中小型水電站所有機組的優(yōu)化運行，并根據(jù)上級調(diào)度指令實現(xiàn)對轄區(qū)范圍內(nèi)系統(tǒng)的調(diào)優(yōu)。

3 電站升級擴建內(nèi)容

中小型電站增效擴容改造運行概況，發(fā)電機出口電壓為63kV，設(shè)兩段6.3kV母線并以隔離開關(guān)分段方式連接。2臺2300kW機組、1臺1100kW機組與1臺8000kVA變壓器相連于I段母線，另外1臺2300kW機組配1臺3150kVA變壓器連接于II段母線，組成機變組單元接線。兩臺主變高壓側(cè)共同連接于66kV母線，構(gòu)成單母線接線方式。電站以2回66kV出線“Π”接在松城線。同時，計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用全分布開放式的全廠集中監(jiān)控方案，設(shè)有負(fù)責(zé)完成全廠集中監(jiān)控任務(wù)的電廠級集中控制系統(tǒng)及負(fù)責(zé)完成機組、升壓站、公用設(shè)備監(jiān)控任務(wù)的現(xiàn)地控制系統(tǒng)?，F(xiàn)地控制系統(tǒng)以可編程控制器或智能模塊為基礎(chǔ)構(gòu)成，現(xiàn)地控制系統(tǒng)的設(shè)備靠近被控對象布置。電廠控制系統(tǒng)與現(xiàn)地控制系統(tǒng)之間的通信聯(lián)系采用星型交換式100Mbps以太網(wǎng)的方式。

改造后的中小型水電站具備更加完善的系統(tǒng)管控功能，能夠?qū)崿F(xiàn)終端系統(tǒng)監(jiān)控、機組調(diào)優(yōu)控制、消防系統(tǒng)預(yù)警、故障診斷處理、電氣“五防”保護、系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度、機組后備保護、數(shù)據(jù)信息采集處理等，具體分別介紹如下：

（1）終端系統(tǒng)監(jiān)控及信息采集：能夠?qū)崿F(xiàn)對所有廠站設(shè)備的運行、狀態(tài)等實現(xiàn)全時監(jiān)控，這些設(shè)備設(shè)施包括升壓站的線路、斷路器、隔離開關(guān)、母線電壓互感器、主變壓器、廠房滲漏排水系統(tǒng)、消防供水系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)、全廠通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、400V廠用配電裝置等設(shè)備。同時，交流電氣量的采集使用交流采樣裝置，裝置能承受交流2000V電壓1min而不發(fā)生擊穿、飛弧等現(xiàn)象，在外界電場、磁干擾下輸出值變化不超過基本誤差絕對值。

（2）消防系統(tǒng)預(yù)警及故障診斷處理：能夠?qū)S站內(nèi)整個消防系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)任何事故的提前預(yù)警，并通過響應(yīng)的聲、光等傳輸?shù)秸{(diào)度人員，確保整個廠站系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。同時，消防預(yù)警系統(tǒng)采用控制中心報警系統(tǒng)形式，主要由集中式火災(zāi)自動報警聯(lián)動控制器主機和通訊主機組成。消防控制中心設(shè)置在中央控制室，火災(zāi)自動報警聯(lián)動控制器主機和通訊主機采用二總線制。此外，調(diào)度人員對上傳的警報信息進(jìn)行分析處理，結(jié)合處理結(jié)果對各類故障進(jìn)行妥善處理。比如，照明和其它非消防電源強切控制分手動和自動方式，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，由報警主機通過相應(yīng)的輸入/輸出模塊，輸出控制信號至相應(yīng)的配電盤切斷上述電源，在手動方式下，由消防控制中心手動切斷相應(yīng)部位的空調(diào)風(fēng)機和非消防電源，同時事故照明與疏散指示自動投入使用。

（3）電氣“五防”保護：改造升級后的廠站具備功能健全、安全可靠的電氣“五防”功能，實現(xiàn)帶載狀態(tài)下禁止隔離開關(guān)進(jìn)行開閉操作，操作設(shè)備和指令要求設(shè)備不匹配時禁止操作，處于接地狀態(tài)的情況下禁止閉合接地刀閘，對變配電室等孔洞進(jìn)行封堵、加裝提示語和標(biāo)識牌等，防止誤入帶電間隔。同時，微機五防系統(tǒng)主機通過RS232/485串口或網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控后臺機通訊，實時接收相關(guān)遙信量及遙測值，當(dāng)斷路器或電動刀閘的位置與監(jiān)控后臺機的位置信息不符合時，系統(tǒng)報警并實時自動對位。五防系統(tǒng)應(yīng)可對監(jiān)控后臺機的遙控操作實施強制閉鎖，監(jiān)控后臺機的遙控操作命令必須經(jīng)過微機五防系統(tǒng)防誤主機判定不違反五防邏輯方可執(zhí)行，對錯誤的操作命令自動切斷并反饋信號給監(jiān)控系統(tǒng)。此外，對連接不良或波特率設(shè)置不正確時，系統(tǒng)以語音的形式提示與監(jiān)控系統(tǒng)連接失敗。用戶能很好的判斷五防與監(jiān)控系統(tǒng)或RTU的連接情況，并進(jìn)行針對型的檢測。

（4）機組、系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度：包括對全廠設(shè)備的監(jiān)控、自動電壓控制（AVC）、事故分析處理、趨勢分析處理、經(jīng)濟運行、運行培訓(xùn)仿真等，同時對斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)的操作應(yīng)具備“五防”閉鎖。完成全廠的運行自動化及其管理，包括AGC，AVC，歷史數(shù)據(jù)存檔、歸類、檢索和管理;完成設(shè)備運行的實時監(jiān)視與控制，來自現(xiàn)地控制單元LCU的實時信息直接在上顯示刷新，以及事故、故障語音報警等，并負(fù)責(zé)與當(dāng)?shù)卣{(diào)度中心等通信。同時，機組優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)不但能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備設(shè)施及信息采集層、廠站信息管控層以及調(diào)度集中管控層各層的優(yōu)化調(diào)度，而且能夠有效處理層與層之間的信息傳輸，不但能夠?qū)崿F(xiàn)下層信息及時上傳到對應(yīng)的調(diào)度單元，而且能夠?qū)⑸霞壣傻恼{(diào)度指令下達(dá)到對應(yīng)的設(shè)施執(zhí)行相關(guān)操作。

（5）運行日志及系統(tǒng)可視化：升級改造后的系統(tǒng)能夠?qū)﹃P(guān)鍵數(shù)據(jù)信息、重要操作生成運行日志以及與日志對應(yīng)的報告，保存后能夠供后續(xù)人員進(jìn)行各類分析及故障溯源。比如，狀態(tài)運行分析時能夠利用日志及可視化功能實現(xiàn)故障檢測、閾值調(diào)整、判斷是否越限等;狀態(tài)趨勢分析能夠利用報表中統(tǒng)計的最大值、最小值、平均值等顯示關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施運行的現(xiàn)況及未來的發(fā)展變化趨勢，輔助相關(guān)工作人員分析設(shè)備狀態(tài)量隨相關(guān)狀態(tài)的變化規(guī)律?？傊?，運行日志及系統(tǒng)可視化提供了人機交互的接口，可以幫助運行人員由粗到細(xì)、由大及小逐級選擇希望得到的信息。

4 結(jié)語

系統(tǒng)升級改造是中小型水電站不斷完善自身功能、持續(xù)提質(zhì)增效的重要保障。本文以中小型水電站為研究對象，對中小型水電站系統(tǒng)特點、設(shè)備設(shè)施及信息采集層、廠站信息管控層、調(diào)度集中管控層進(jìn)行系統(tǒng)分析和介紹，據(jù)此提出中小型水電站在終端系統(tǒng)監(jiān)控及信息采集、消防系統(tǒng)預(yù)警及故障診斷處理、電氣“五防”保護、系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度、運行日志及系統(tǒng)可視化等方面的建設(shè)內(nèi)容，不僅能夠為電站機組的安全、穩(wěn)定運行提供重要支撐作用，而且為未來機組調(diào)度的優(yōu)化決策提供重要的技術(shù)依據(jù)。

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