淺談小型水電站自動化技術(shù)及應(yīng)用

鐘建淑

（隆昌縣石盤灘水電管理站，四川 內(nèi)江 642150）

我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人民群眾的生活水平不斷提高，用電需求越來越大，對電能質(zhì)量的要求日益增高。隨著國家對水資源的開發(fā)利用程度不斷加大，水電站的電氣自動化系統(tǒng)被應(yīng)用到各種水利樞紐工程中，發(fā)揮了更大的作用。

一、水電站自動化的作用

隨著電子技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電氣自動化在水電站中得到廣泛應(yīng)用。水電站的自動化就是用計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)代替人工操作、控制和監(jiān)視等，能夠在無人（或少人）直接參與的情況下，按預(yù)定的計劃和程序自動地進(jìn)行。水電站自動化程度是水電站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行必不可少的技術(shù)手段。

水電站實現(xiàn)自動化后，提高了工作的可靠性、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；根據(jù)實際情況進(jìn)行合理調(diào)度，保持高水頭運(yùn)行，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益；還能保證電能質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件，降低運(yùn)行費(fèi)用和電能成本。

二、水電站自動化的內(nèi)容

水電站自動化的內(nèi)容主要包括以下幾個方面：

1 完成對水輪發(fā)電機(jī)組的自動控制：自動完成開停機(jī)和并網(wǎng)操作；自行保持水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，依據(jù)體系的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及電站的有關(guān)條件自行選取運(yùn)行最佳效果的機(jī)組數(shù)量，實現(xiàn)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配，依據(jù)體系的負(fù)荷變化調(diào)整機(jī)組的無功功率及有功功率等。

2 加大對水輪發(fā)電機(jī)組及相關(guān)輔助設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行監(jiān)視。例如：對發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子及定子回路進(jìn)行電量監(jiān)控，監(jiān)控發(fā)電機(jī)的鐵芯、軸承及定子繞組的溫度，控制發(fā)電機(jī)組的冷卻體系及潤滑體系，對機(jī)組的調(diào)速體系工作予以監(jiān)控等。

3 加大對輔助設(shè)備的監(jiān)控力度：其包含的內(nèi)容有：控制水泵、控制油泵、控制空壓機(jī)等機(jī)械設(shè)備。

4 加大對主要電氣設(shè)備及水工建筑項目的監(jiān)控、控制及保護(hù)力度。

三、自動化技術(shù)的發(fā)展

1 常規(guī)自動控制系統(tǒng)

水電站常規(guī)自動控制系統(tǒng)應(yīng)用最普遍，它是由電磁式繼電器構(gòu)成自動控制回路，主要完成順序控制，電磁式繼電器還可以構(gòu)成水電站的保護(hù)。它的弱點(diǎn)在于調(diào)節(jié)性能較差，難以實現(xiàn)對水電站設(shè)備的自動調(diào)節(jié)及巡回檢測等問題。

2 晶體管自動控制系統(tǒng)

70年代隨著晶體管集成電路的應(yīng)用，利用晶體管模擬或數(shù)字電路技術(shù)可構(gòu)成水電站的各種自動調(diào)節(jié)、巡回檢測或保護(hù)裝置。它是由硬件構(gòu)成的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，當(dāng)控制對象調(diào)節(jié)參數(shù)要改變時須修改硬件電路；電路集成度不高，元件數(shù)量多，存在老化、工作點(diǎn)和溫度漂移等問題。

3 計算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)

伴隨著現(xiàn)今科學(xué)技術(shù)水平的逐步提高，計算機(jī)電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域中，并發(fā)揮了十分重要的作用。形成了一種以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)，模塊形式的計算機(jī)水電站監(jiān)控體系?，F(xiàn)今，該體系已經(jīng)不斷替代以往的、常規(guī)的、人工操作的控制形式，極大程度增強(qiáng)的水電站的自動化能力。

對于自動化體系來講，其構(gòu)成的內(nèi)容有：計算機(jī)設(shè)備、可編程控制設(shè)備、智能計算機(jī)接口、特定的職能監(jiān)控設(shè)備、繼電保護(hù)設(shè)備等，利用符合要求的以太網(wǎng)，將各個現(xiàn)場的控制站同總控制設(shè)備連接起來，依據(jù)功能進(jìn)行分類，組成分層分布形式的監(jiān)控體系。

該自動化體系的特點(diǎn)主要包含以下幾方面內(nèi)容：其一，分層分布形式的體系，能夠依據(jù)監(jiān)控的對象，合理配置相應(yīng)功能，具備較強(qiáng)的分散特性、靈活特性及開放特性；其二，利用冗余配置的方法，具備較強(qiáng)的可靠性能；其三，利用中文形式的Windows操作體系及職能通信技術(shù)，為系統(tǒng)升級提供方便；其四，組態(tài)較為靈活。人機(jī)接口的性能較強(qiáng)，有助于進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試、設(shè)計與運(yùn)行工作。

該體系的重要功能在于以下內(nèi)容：第一，能夠自行監(jiān)控并記錄電站的情況。計算機(jī)監(jiān)控體系可以自行收集電站的設(shè)備信息、并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析設(shè)備的運(yùn)行情況，包含：對設(shè)備模擬量信息的監(jiān)控、對設(shè)備開關(guān)量的監(jiān)控、事故、問題的警報監(jiān)控、SOE記錄及顯示等；第二，能夠?qū)崿F(xiàn)電站的自行控制。依據(jù)電站的真實工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)并合理操控電站設(shè)備。包含停開機(jī)組或者并列機(jī)組，機(jī)組負(fù)荷的自動調(diào)節(jié)、斷路設(shè)備的操控等；第三，監(jiān)管并保護(hù)發(fā)電機(jī)組、主變線路等設(shè)備的性能；第四，變電站運(yùn)行管理實現(xiàn)自動化。能夠自行生成報表，記錄操作方式，記錄并保存電站設(shè)備的整定值及參數(shù)；第五，實現(xiàn)系統(tǒng)通信。能夠同水情測報體系、上級調(diào)速、辦公自動化等利用計算機(jī)完成系統(tǒng)通信，進(jìn)而讓資源共享，更好的發(fā)揮該體系的綜合價值及效益。

綜合自動化的模式是自動化系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)，一般有三種模式：1、以常規(guī)控制設(shè)備為主，計算機(jī)為輔；2、以計算機(jī)為主，常規(guī)控制設(shè)備為輔；3、全計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)水電站裝機(jī)容量和各自的具體情況選用不同模式的監(jiān)控系統(tǒng)。

四、自動化技術(shù)的應(yīng)用

我站建于上世紀(jì)80年代，站內(nèi)二次設(shè)備采用傳統(tǒng)的電磁型繼電器保護(hù)裝置，由于投運(yùn)時間久，其機(jī)電設(shè)備老化較嚴(yán)重，維護(hù)更新的工作量及費(fèi)用逐年增加，有較大的安全隱患。因此實施經(jīng)濟(jì)合理、先進(jìn)可行的改造已成為當(dāng)前工作面臨的迫切問題。

1 設(shè)計思想和方案

設(shè)備的特點(diǎn)：水輪發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量為5*1670kW。調(diào)速器為機(jī)-液調(diào)速器，最大工作油壓為25kg/cm2。勵磁裝置是晶體管型產(chǎn)品，二次控制、測量和保護(hù)部分是電磁型產(chǎn)品。高壓開關(guān)柜為GG-1A，內(nèi)配已屬淘汰系列的SN-10型少油式油開關(guān)。

針對設(shè)備特點(diǎn)，本著技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、實用經(jīng)濟(jì)合理的原則進(jìn)行全面考慮。依據(jù)其知道觀念明確內(nèi)容及預(yù)案：第一，保證水輪發(fā)電機(jī)組維持不變；第二，通過計算機(jī)監(jiān)控體系替代以往監(jiān)控體系，實現(xiàn)自動化，對微機(jī)進(jìn)行測量、保護(hù)、控制及通信；第三，通過微機(jī)形式的勵磁設(shè)備替代以往形式的勵磁設(shè)備，從而同相應(yīng)的工作需求相吻合，滿足計算機(jī)設(shè)備監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)；第四，增加調(diào)速設(shè)備的測量部分及電液轉(zhuǎn)換部分，進(jìn)而同計算機(jī)監(jiān)控體系的標(biāo)準(zhǔn)像吻合，同時不改變調(diào)速設(shè)備的機(jī)械操控部分；第五，替換6.3千伏的高壓開關(guān)柜、35千伏的斷路器等，滿足各類運(yùn)行情況，并保證計算機(jī)監(jiān)控體系的要求；第六，改變直流體系內(nèi)控制部分及整流問題，保留以往的蓄電池；第七，新加設(shè)一系列閉路電視的監(jiān)控體系，進(jìn)而更好的發(fā)揮該體系的作用。

改造方案的重點(diǎn)是電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，按“無人值班，少人值守”的運(yùn)行管理模式考慮，日常運(yùn)行管理完全采用計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行。計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主要監(jiān)控對象：水輪發(fā)電機(jī)組、水機(jī)自動化屏、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)及閘門系統(tǒng)；變壓器；開關(guān)設(shè)備：包括油開關(guān)、隔離開關(guān)、互感器等；低壓無功補(bǔ)償屏；全廠公用設(shè)備等。

2 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的配置

系統(tǒng)按分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計，由電站控制層和現(xiàn)地控制層組成，它們均可獨(dú)立完成遠(yuǎn)、近方式的監(jiān)控操作。

2.1 電站控制層配置

電站控制層設(shè)備設(shè)在中央控制層，由主機(jī)操作員工作站、通迅工作站、主控制臺、打印機(jī)、GPS時鐘同步裝置、語音報警系統(tǒng)、UPS電源等組成。

電站控制層負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理各現(xiàn)地控制層的工作；收集有關(guān)信息并作相應(yīng)處理和存儲；迅速、準(zhǔn)確、有效地完成本站被控制對象的監(jiān)視和控制。

2.2 現(xiàn)地控制層（LCU）配置

分為機(jī)組LCU和公共LCU兩部分。機(jī)組LCU監(jiān)控范圍包括發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)及輔助設(shè)備；公用LCU就是對公用設(shè)備進(jìn)行控制?，F(xiàn)地控制層負(fù)責(zé)對水輪發(fā)電機(jī)組、電氣一次設(shè)備及公用設(shè)備等實時監(jiān)控，通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)各控制層與全站控制層連接交換信息，實現(xiàn)現(xiàn)地設(shè)備的監(jiān)控及數(shù)據(jù)共享。當(dāng)電站控制層因故退出運(yùn)行時，現(xiàn)地控制層可以獨(dú)立運(yùn)行而不受影響。

微機(jī)保護(hù)裝置、轉(zhuǎn)速信號裝置、溫度巡檢儀、調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)等設(shè)備通過現(xiàn)地LCU與太網(wǎng)聯(lián)接，實現(xiàn)相應(yīng)參數(shù)的監(jiān)視和控制。

3 實施綜合自動化改造后的效果

該體系實現(xiàn)了全自動化的形式，僅需點(diǎn)擊特定的按鈕，就能夠?qū)崿F(xiàn)開、停設(shè)備的操控。按下開機(jī)按鈕，就可以自行完成設(shè)備的開機(jī)、并網(wǎng)、調(diào)節(jié)預(yù)定值等工作，按下停機(jī)按鈕，就可以自行完成跳閘、空載、滅磁的工作，同時具備緊急事故停機(jī)等功能。體系具有實時監(jiān)控機(jī)組、變壓器、線路、母線、直流操控電源等，如果出現(xiàn)特別狀態(tài)或者參數(shù)越限等情況，進(jìn)行報警，記錄事故有關(guān)量及順序，自行打印運(yùn)行報表，對各單元及體系進(jìn)行自動診斷。微機(jī)保護(hù)實現(xiàn)線路、主變、機(jī)組等設(shè)備保護(hù)，精確度較高、靈敏度良好、同繼電保護(hù)的要求相吻合。

結(jié)語

電站依據(jù)真實狀態(tài)，同時參考其他電站的工作經(jīng)驗，取長補(bǔ)短，該系統(tǒng)的設(shè)計思想同綜合自動化微機(jī)發(fā)展的趨勢相吻合，利用國際通用規(guī)定，合理配置體系，完善功能，選擇先進(jìn)設(shè)備，進(jìn)而實現(xiàn)遙控、遙測、保護(hù)等工作，對各類外圍設(shè)備進(jìn)行在線診斷，設(shè)備故障率明顯減少，機(jī)組并網(wǎng)和故障處理時間縮短，電站的運(yùn)行安全可靠性大大提高，從而保證自動化系統(tǒng)長期穩(wěn)定的工作?？傊?，電站采用綜合自動化系統(tǒng)后不僅提高水電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和工作的可靠性、保證電能質(zhì)量；而且能提高勞動生產(chǎn)率、改善勞動條件和減少運(yùn)行人員，從而提高電站的經(jīng)濟(jì)效益。

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