小型水電站自動化運行和維護的可行性研究

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能、太陽能、水能、潮汐能、地熱能和生物質能，這些資源在滿足我國能源需求方面發(fā)揮著至關重要的作用。在可再生能源的組合中，小型水電站(SHP)貢獻了約8%的發(fā)電量，SHP的平均運行和維護(O&M)成本占投資成本的1%～5%之間。對于手動控制的低功率小型水電站來說，由于運營商需要每天24 h監(jiān)控SHP的運行，故手動控制水電站的成本較高。為了降低這個成本，可在水電站中利用自動化技術加強監(jiān)控，還能一定程度上提升供電可靠性，保障供電質量，大大降低運行與維護成本[1]。且水電站電氣設備運行維護及故障檢修技術也隨著時代的變化不斷更新[2]，已有學者[3-5]意識到自動化對水電站發(fā)展的重要作用并對其進行相關研究，為我國水電事業(yè)的發(fā)展做出一定貢獻，促使其實現(xiàn)自動化運行。

本文以寧夏小型水電站的數(shù)據(jù)為基礎進行分析，鑒于信息和通信技術的高速發(fā)展，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控和自動化控制，使SHP（自動控制）的服務系統(tǒng)轉型。反之，通過新開發(fā)的服務，實現(xiàn)更高效的運行和維護(O&M)。研究SHP自動化在運行維護期間引入新產(chǎn)品和服務的可行性。基于規(guī)則開發(fā)出新的SHP運行和維護（O&M）模型，并針對不同自動化級別的場景進行模擬。

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化為電能。因此，SHP的運行會受各種環(huán)境因素的影響，其中最重要的是水流流速。例如，當流量較大時，一些小型水電站的凈水頭高于運行極限，SHP停止運行。另一方面，當流量過小時，SHP停止運行，以維持正常河流生態(tài)系統(tǒng)所需的流量。

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

O&M模型是由運行模型和維護模型兩部分組成。運行模型定義了SHP如何根據(jù)環(huán)境參數(shù)運行，以及何時發(fā)生需要維護的事件；維護模型將事件的組合與其執(zhí)行所需的時間聯(lián)系起來。以上模型只考慮活動所需的時間，而不考慮成本。因為設備、勞動力和服務等事物產(chǎn)生的成本在不同的實施方案中存在差異，存在不確定性，故不考慮。

2.1 運行模型

小型水電站的運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（DM）和汽輪機維護（TM）。

每個事件都由一組特定的條件觸發(fā)。例如，當水流流速低于預定極限時，SHP停止。此外，幾個事件可能在同一天同時發(fā)生。事件及對應條件如表1所示，其中Q(t)是t時對應的流量，Qhf和Qlf分別是高流量和低流量的極限值，Qd是觸發(fā)控制動作的最小流量差，nss、nmm、ndm和ntm是相關事件的年度發(fā)生頻率。

表1 事件與對應條件

圖1 所示為該模型與示例流量Q(t)間的執(zhí)行結果。

圖1 模型執(zhí)行結果

2.2 維護模型

維護模型是將SHP操作模擬的結果轉換為維護所需的時間，表2說明了手動控制SHP維護所需的時間。如規(guī)則r5，當HF、LF和CF不發(fā)生時，維護所需時間為每天檢查的次數(shù)n乘以檢查的時間tv。事件組合所需的維護時間是根據(jù)專家經(jīng)驗和調查數(shù)據(jù)設定的。

表2 SHP維護時間示例

維護模型允許出現(xiàn)不同的場景。所需的維護時間可以根據(jù)O&M策略和自動化水平來確定。例如，當用手動監(jiān)視和控制時，對某些事件的響應會很慢。文中提出的O&M模型在Wolfram Mathematica軟件中對實際工況進行模擬，模擬的準確性取決于專家對模型中所用參數(shù)和時間的評估。

3 SHP自動化場景

文中定義了3種自動化場景：①手動控制；②基本自動化；③完全自動化。

3.1 手動控制

手動控制表示SHP操作和維護的狀態(tài)。在此場景中，SHP的所有部分都不是自動，全靠手動完成。每天操作員都會多次巡查SHP，并根據(jù)可用流量調整渦輪機的設置。

在高流量的情況下，操作員須停止SHP，并在現(xiàn)場控制大壩的進水閘門，當高流量時期結束時，操作員啟動SHP。在低流量時期開始時，操作員停止SHP并關閉進水閘門，在此期間，操作員很少巡查SHP。當流量再次上升時，操作員需要重新啟動SHP。

當電網(wǎng)和SHP中的保護措施啟動時，SHP會隨之停止。在該情況下，操作員必須訪問SHP，通常需要重新啟動SHP。根據(jù)多年經(jīng)驗可知，急停和維護事件是全年隨機觸發(fā)的；大壩維護可在高流量期間進行；修復大壩結構最好在低流量或正常條件下進行。

表3 手動控制SHP的維護時間

3.2 基本自動化

在基本自動化場景中，建立SHP遠程監(jiān)控。使用適當?shù)膫鞲衅?、可編程控制器和通信調制解調器可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控。通過這次升級，日常檢查被遠程檢查取代。遠程監(jiān)控每次檢查需要操作員大約1 min的時間。對于其他事件，操作員還須要現(xiàn)場巡查SHP。

表4 基本自動化SHP的維護時間

3.3 全自動化

完全自動化包括遠程監(jiān)控、遠程啟動/停止、根據(jù)可用流量自動控制SHP渦輪機并遠程控制閘門。遠程控制閘門的功能與基本自動化的SHP完全不同。除了小型維護和渦輪機維護之外，所有O&M檢查都可以遠程進行，代替了操作員的現(xiàn)場檢查。

表5 全自動SHP的維護時間

3.4 比較3種自動化場景

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

圖2 SHP 3種自動化情景模擬

4 O&M自動化可行性評估

4.1 SHP運營商

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

圖3 顯示了2個具有不同檢查時間的SHP。圖3（a）SHP的規(guī)模比圖3（b）SHP的規(guī)模大一點，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，基本自動化大大減少了正常運行期間O&M的時間。然而，需要根據(jù)流量進行控制時，操作員仍必須到場對SHP進行檢查。全自動化在以下2種情況更能體現(xiàn)其優(yōu)點：根據(jù)流量進行控制和高流量時，如圖3（b）中，O&M的時間更少，證明了全自動化在高流量時更為便利。

圖3 比較2個SHP的O&M時間

4.2 O&M服務提供商

圖4 顯示了水電站的總O&M時間。假設O&M服務提供商（基本和完全自動化）的控制中心距離SHP有2 h的車程。在基本自動化的情況下，O&M服務提供商比SHP運營商(手動控制)需要更多的O&M時間。出現(xiàn)這種情況是因為O&M服務提供商的出行時間超過了SHP運營商(手動控制)的出行時間。因此，只有在SHP完全自動化的情況下，O&M服務才是更便捷的選擇。

圖4 比較SHP運營商和O&M服務提供商的O&M時間

4.3 政府部門

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

圖5 SHP的平均O&M時間

從政府部門的角度出發(fā)，基本自動化在遠程監(jiān)測電力生產(chǎn)和流量時，大大縮減了人力物力的出行時間，且可以實時監(jiān)測流量對生態(tài)環(huán)境的影響。另一方面在發(fā)生洪水時，完全自動化更有助于提供控制洪水的相關策略。

5 結論

本研究以小型水電站為例，探討了O&M自動化的可行性。從SHP運營商、O&M服務供應商和政府部門的角度出發(fā)，分析了手動控制、基本自動化和全自動化的變化規(guī)律。結果表明：基本自動化對位于偏遠地區(qū)的小型水電站，且需要花費大量時間進行日常檢查的操作員非常有利；在流量變化迅速的情況下，完全自動化是最適用的。建議服務提供商提供O&M服務時，應以完全自動化為主，因為基本自動化對服務提供商而言無明顯優(yōu)點。建議政府部門應努力補貼實現(xiàn)基本自動化，這將使遠程監(jiān)測電力生產(chǎn)和流量成為可能，并實時監(jiān)測流量對生態(tài)環(huán)境的影響程度。完全自動化的建設在洪水易發(fā)地區(qū)更有現(xiàn)實意義，可以快速協(xié)調控制河流流量。為了確保SHP生產(chǎn)可持續(xù)能源，今后的研究工作應側重于將提出的方法擴展到更大規(guī)模，同時考慮不同區(qū)域和國家的具體情況。