小型水電站自動(dòng)化運(yùn)行和維護(hù)的可行性研究

姜維軍

（寧夏水利信息中心，寧夏 銀川 750000）

1 引言

自然環(huán)境中的可再生能源包括風(fēng)能、太陽能、水能、潮汐能、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能，這些資源在滿足我國能源需求方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在可再生能源的組合中，小型水電站(SHP)貢獻(xiàn)了約8%的發(fā)電量，SHP的平均運(yùn)行和維護(hù)(O&M)成本占投資成本的1%～5%之間。對(duì)于手動(dòng)控制的低功率小型水電站來說，由于運(yùn)營商需要每天24 h監(jiān)控SHP的運(yùn)行，故手動(dòng)控制水電站的成本較高。為了降低這個(gè)成本，可在水電站中利用自動(dòng)化技術(shù)加強(qiáng)監(jiān)控，還能一定程度上提升供電可靠性，保障供電質(zhì)量，大大降低運(yùn)行與維護(hù)成本[1]。且水電站電氣設(shè)備運(yùn)行維護(hù)及故障檢修技術(shù)也隨著時(shí)代的變化不斷更新[2]，已有學(xué)者[3-5]意識(shí)到自動(dòng)化對(duì)水電站發(fā)展的重要作用并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究，為我國水電事業(yè)的發(fā)展做出一定貢獻(xiàn)，促使其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。

本文以寧夏小型水電站的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，鑒于信息和通信技術(shù)的高速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)化控制，使SHP（自動(dòng)控制）的服務(wù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。反之，通過新開發(fā)的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)更高效的運(yùn)行和維護(hù)(O&M)。研究SHP自動(dòng)化在運(yùn)行維護(hù)期間引入新產(chǎn)品和服務(wù)的可行性。基于規(guī)則開發(fā)出新的SHP運(yùn)行和維護(hù)（O&M）模型，并針對(duì)不同自動(dòng)化級(jí)別的場(chǎng)景進(jìn)行模擬。

2 水電站O&M模型

小型水電站的主要功能是將河流的水能轉(zhuǎn)化為電能。因此，SHP的運(yùn)行會(huì)受各種環(huán)境因素的影響，其中最重要的是水流流速。例如，當(dāng)流量較大時(shí)，一些小型水電站的凈水頭高于運(yùn)行極限，SHP停止運(yùn)行。另一方面，當(dāng)流量過小時(shí)，SHP停止運(yùn)行，以維持正常河流生態(tài)系統(tǒng)所需的流量。

就O&M而言，基本活動(dòng)如下：①日常檢查，包括檢查運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)可用流量進(jìn)行控制，并在突然停止的情況下重新啟動(dòng)SHP；②在極高或極低的流量條件下停止和啟動(dòng)SHP；③維護(hù)活動(dòng)，對(duì)大壩和渦輪機(jī)等水利設(shè)施進(jìn)行大修、小修或維護(hù)。

O&M模型是由運(yùn)行模型和維護(hù)模型兩部分組成。運(yùn)行模型定義了SHP如何根據(jù)環(huán)境參數(shù)運(yùn)行，以及何時(shí)發(fā)生需要維護(hù)的事件；維護(hù)模型將事件的組合與其執(zhí)行所需的時(shí)間聯(lián)系起來。以上模型只考慮活動(dòng)所需的時(shí)間，而不考慮成本。因?yàn)樵O(shè)備、勞動(dòng)力和服務(wù)等事物產(chǎn)生的成本在不同的實(shí)施方案中存在差異，存在不確定性，故不考慮。

2.1 運(yùn)行模型

小型水電站的運(yùn)行模型可定義為以下事件：高流量(HF)、低流量（LF）、改變流量（CF）、SHP啟停（ST）、急停（SS）、小修（MM）、大壩維護(hù)（DM）和汽輪機(jī)維護(hù)（TM）。

每個(gè)事件都由一組特定的條件觸發(fā)。例如，當(dāng)水流流速低于預(yù)定極限時(shí)，SHP停止。此外，幾個(gè)事件可能在同一天同時(shí)發(fā)生。事件及對(duì)應(yīng)條件如表1所示，其中Q(t)是t時(shí)對(duì)應(yīng)的流量，Qhf和Qlf分別是高流量和低流量的極限值，Qd是觸發(fā)控制動(dòng)作的最小流量差，nss、nmm、ndm和ntm是相關(guān)事件的年度發(fā)生頻率。

表1 事件與對(duì)應(yīng)條件

圖1 所示為該模型與示例流量Q(t)間的執(zhí)行結(jié)果。

圖1 模型執(zhí)行結(jié)果

2.2 維護(hù)模型

維護(hù)模型是將SHP操作模擬的結(jié)果轉(zhuǎn)換為維護(hù)所需的時(shí)間，表2說明了手動(dòng)控制SHP維護(hù)所需的時(shí)間。如規(guī)則r5，當(dāng)HF、LF和CF不發(fā)生時(shí)，維護(hù)所需時(shí)間為每天檢查的次數(shù)n乘以檢查的時(shí)間tv。事件組合所需的維護(hù)時(shí)間是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和調(diào)查數(shù)據(jù)設(shè)定的。

表2 SHP維護(hù)時(shí)間示例

維護(hù)模型允許出現(xiàn)不同的場(chǎng)景。所需的維護(hù)時(shí)間可以根據(jù)O&M策略和自動(dòng)化水平來確定。例如，當(dāng)用手動(dòng)監(jiān)視和控制時(shí)，對(duì)某些事件的響應(yīng)會(huì)很慢。文中提出的O&M模型在Wolfram Mathematica軟件中對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行模擬，模擬的準(zhǔn)確性取決于專家對(duì)模型中所用參數(shù)和時(shí)間的評(píng)估。

3 SHP自動(dòng)化場(chǎng)景

文中定義了3種自動(dòng)化場(chǎng)景：①手動(dòng)控制；②基本自動(dòng)化；③完全自動(dòng)化。

3.1 手動(dòng)控制

手動(dòng)控制表示SHP操作和維護(hù)的狀態(tài)。在此場(chǎng)景中，SHP的所有部分都不是自動(dòng)，全靠手動(dòng)完成。每天操作員都會(huì)多次巡查SHP，并根據(jù)可用流量調(diào)整渦輪機(jī)的設(shè)置。

在高流量的情況下，操作員須停止SHP，并在現(xiàn)場(chǎng)控制大壩的進(jìn)水閘門，當(dāng)高流量時(shí)期結(jié)束時(shí)，操作員啟動(dòng)SHP。在低流量時(shí)期開始時(shí)，操作員停止SHP并關(guān)閉進(jìn)水閘門，在此期間，操作員很少巡查SHP。當(dāng)流量再次上升時(shí)，操作員需要重新啟動(dòng)SHP。

當(dāng)電網(wǎng)和SHP中的保護(hù)措施啟動(dòng)時(shí)，SHP會(huì)隨之停止。在該情況下，操作員必須訪問SHP，通常需要重新啟動(dòng)SHP。根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)可知，急停和維護(hù)事件是全年隨機(jī)觸發(fā)的；大壩維護(hù)可在高流量期間進(jìn)行；修復(fù)大壩結(jié)構(gòu)最好在低流量或正常條件下進(jìn)行。

表3 手動(dòng)控制SHP的維護(hù)時(shí)間

3.2 基本自動(dòng)化

在基本自動(dòng)化場(chǎng)景中，建立SHP遠(yuǎn)程監(jiān)控。使用適當(dāng)?shù)膫鞲衅?、可編程控制器和通信調(diào)制解調(diào)器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過這次升級(jí)，日常檢查被遠(yuǎn)程檢查取代。遠(yuǎn)程監(jiān)控每次檢查需要操作員大約1 min的時(shí)間。對(duì)于其他事件，操作員還須要現(xiàn)場(chǎng)巡查SHP。

表4 基本自動(dòng)化SHP的維護(hù)時(shí)間

3.3 全自動(dòng)化

完全自動(dòng)化包括遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程啟動(dòng)/停止、根據(jù)可用流量自動(dòng)控制SHP渦輪機(jī)并遠(yuǎn)程控制閘門。遠(yuǎn)程控制閘門的功能與基本自動(dòng)化的SHP完全不同。除了小型維護(hù)和渦輪機(jī)維護(hù)之外，所有O&M檢查都可以遠(yuǎn)程進(jìn)行，代替了操作員的現(xiàn)場(chǎng)檢查。

表5 全自動(dòng)SHP的維護(hù)時(shí)間

3.4 比較3種自動(dòng)化場(chǎng)景

圖2 為SHP 3種自動(dòng)化場(chǎng)景的模擬，顯示了每日平均O&M時(shí)間從手動(dòng)控制的45 min到基本自動(dòng)化控制的27 min，完全自動(dòng)化時(shí)可降低到19 min。如圖2（b）所示，在春季和初夏(80～180 d)時(shí)，流量因頻繁降雨而隨之變化，則對(duì)應(yīng)的平均O&M時(shí)間略有增加。在基本自動(dòng)化的情況下，操作員仍然需要到場(chǎng)檢查SHP，根據(jù)流量調(diào)整參數(shù)。至于完全自動(dòng)化，對(duì)檢查的需求較少，但是操作員也需要對(duì)大壩和其他小部件進(jìn)行維護(hù)。秋季可能出現(xiàn)雷暴，此時(shí)在手動(dòng)控制和基本自動(dòng)化控制的情況下，平均O&M時(shí)間增加了大約3倍，而全自動(dòng)化控制將這一數(shù)值減少了一半。對(duì)比SHP 3種自動(dòng)化方案的模擬結(jié)果，可知隨著自動(dòng)化程度提高，平均O&M時(shí)間急劇減少。

圖2 SHP 3種自動(dòng)化情景模擬

4 O&M自動(dòng)化可行性評(píng)估

4.1 SHP運(yùn)營商

對(duì)手動(dòng)控制SHP最有影響的參數(shù)是操作員的檢查時(shí)間，主要包括往返SHP以及檢查機(jī)器和大壩所需的時(shí)間，手動(dòng)控制的檢查時(shí)間越長，基本自動(dòng)化控制時(shí)的O&M時(shí)間減少的越多。如果水的流速變化較快，那么在全自動(dòng)化時(shí)，O&M時(shí)間減少的更多。由此可見，對(duì)于相對(duì)恒定的流量，基本自動(dòng)化就能滿足日常需求。

圖3 顯示了2個(gè)具有不同檢查時(shí)間的SHP。圖3（a）SHP的規(guī)模比圖3（b）SHP的規(guī)模大一點(diǎn)，圖3（a）的SHP每天需要檢查3次，每次檢查持續(xù)2 h。圖3（b）的SHP每天檢查2次，每次15 min。在圖3（a）中，基本自動(dòng)化大大減少了正常運(yùn)行期間O&M的時(shí)間。然而，需要根據(jù)流量進(jìn)行控制時(shí)，操作員仍必須到場(chǎng)對(duì)SHP進(jìn)行檢查。全自動(dòng)化在以下2種情況更能體現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn)：根據(jù)流量進(jìn)行控制和高流量時(shí)，如圖3（b）中，O&M的時(shí)間更少，證明了全自動(dòng)化在高流量時(shí)更為便利。

圖3 比較2個(gè)SHP的O&M時(shí)間

4.2 O&M服務(wù)提供商

圖4 顯示了水電站的總O&M時(shí)間。假設(shè)O&M服務(wù)提供商（基本和完全自動(dòng)化）的控制中心距離SHP有2 h的車程。在基本自動(dòng)化的情況下，O&M服務(wù)提供商比SHP運(yùn)營商(手動(dòng)控制)需要更多的O&M時(shí)間。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)镺&M服務(wù)提供商的出行時(shí)間超過了SHP運(yùn)營商(手動(dòng)控制)的出行時(shí)間。因此，只有在SHP完全自動(dòng)化的情況下，O&M服務(wù)才是更便捷的選擇。

圖4 比較SHP運(yùn)營商和O&M服務(wù)提供商的O&M時(shí)間

4.3 政府部門

圖5 顯示了SHP的平均O&M時(shí)間。目前，每個(gè)SHP每天花在O&M上的平均時(shí)間超過1 h。在基本自動(dòng)化的情況下，O&M時(shí)間減少了大約一半，而在完全自動(dòng)化的情況下，O&M時(shí)間減少大約三分之二。

圖5 SHP的平均O&M時(shí)間

從政府部門的角度出發(fā)，基本自動(dòng)化在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)電力生產(chǎn)和流量時(shí)，大大縮減了人力物力的出行時(shí)間，且可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。另一方面在發(fā)生洪水時(shí)，完全自動(dòng)化更有助于提供控制洪水的相關(guān)策略。

5 結(jié)論

本研究以小型水電站為例，探討了O&M自動(dòng)化的可行性。從SHP運(yùn)營商、O&M服務(wù)供應(yīng)商和政府部門的角度出發(fā)，分析了手動(dòng)控制、基本自動(dòng)化和全自動(dòng)化的變化規(guī)律。結(jié)果表明：基本自動(dòng)化對(duì)位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的小型水電站，且需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行日常檢查的操作員非常有利；在流量變化迅速的情況下，完全自動(dòng)化是最適用的。建議服務(wù)提供商提供O&M服務(wù)時(shí)，應(yīng)以完全自動(dòng)化為主，因?yàn)榛咀詣?dòng)化對(duì)服務(wù)提供商而言無明顯優(yōu)點(diǎn)。建議政府部門應(yīng)努力補(bǔ)貼實(shí)現(xiàn)基本自動(dòng)化，這將使遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)電力生產(chǎn)和流量成為可能，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度。完全自動(dòng)化的建設(shè)在洪水易發(fā)地區(qū)更有現(xiàn)實(shí)意義，可以快速協(xié)調(diào)控制河流流量。為了確保SHP生產(chǎn)可持續(xù)能源，今后的研究工作應(yīng)側(cè)重于將提出的方法擴(kuò)展到更大規(guī)模，同時(shí)考慮不同區(qū)域和國家的具體情況。