小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用度探討

鄭曉丹，丁國(guó)平，任 健

（1.浙江水利水電?？茖W(xué)校，浙江 杭州 310018；2.杭州南望自動(dòng)化技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310013；3.浙江水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310006）

0 引言

自20世紀(jì)90年代末起，我國(guó)各地小水電站陸續(xù)進(jìn)行了技術(shù)改造，2002年國(guó)家頒布了GB 50071—2002《小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，新建的小型水電站基本都采用了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。在小水電站改造過(guò)程中，一些老電站由于未能從電站實(shí)際設(shè)備情況出發(fā)，導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)與原有設(shè)備不匹配，使監(jiān)控系統(tǒng)成為虛設(shè)；一些新建的小水電站沒有從自身的需要考慮，超規(guī)模配置監(jiān)控系統(tǒng)造成浪費(fèi)?？偨Y(jié)這些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，筆者提出小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用度的概念，尤其對(duì)老電站，因其設(shè)備基礎(chǔ)各異，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用更應(yīng)視具體情形而定。

1 小水電計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展

1.1 監(jiān)控理念與監(jiān)控方式的改變

最早的小水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)要求僅限于機(jī)電合一值班，當(dāng)時(shí)采用的是以常規(guī)控制裝置為主、計(jì)算機(jī)為輔的監(jiān)控方式（CASC）；而后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的逐漸成熟轉(zhuǎn)變成中控室少人值班，計(jì)算機(jī)與常規(guī)控制裝置雙重監(jiān)控形式（CCSC）；直至過(guò)渡到如今提倡的水電廠以 “無(wú)人值班（少人值守）”為要求、以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控方式（CBSC）。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)演變

早期計(jì)算機(jī)較貴，水電廠一般只設(shè)1臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)全廠進(jìn)行集中監(jiān)控，承擔(dān)水電廠全部監(jiān)控任務(wù)，全廠的數(shù)據(jù)采集和處理、異常狀態(tài)報(bào)警等任務(wù)均由該計(jì)算機(jī)分時(shí)執(zhí)行，整個(gè)系統(tǒng)都依賴1臺(tái)計(jì)算機(jī)，可靠性不夠；后隨著計(jì)算機(jī)價(jià)格的下降，出現(xiàn)了多微機(jī)、功能分散式監(jiān)控系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集、調(diào)整控制、事件順序記錄、通信等功能均由相應(yīng)獨(dú)立微機(jī)完成。功能分散式監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雖然提高了可靠性，但仍未解決監(jiān)控系統(tǒng)信息過(guò)于集中的問(wèn)題，逐漸發(fā)展到如今的分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)于小水電站，分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)一般分2層進(jìn)行控制，一層為現(xiàn)地控制層按控制對(duì)象設(shè)置單獨(dú)的控制單元，如機(jī)組現(xiàn)地控制單元、開關(guān)站及公用現(xiàn)地控制單元、微機(jī)保護(hù)測(cè)控單元、輔機(jī)控制單元等，各控制單元一般安裝在所控設(shè)備所在地，該設(shè)備的控制由各自控制單元處理；另一層廠站控制層配置各種工作站、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、打印設(shè)備、UPS、GPS衛(wèi)星時(shí)鐘、電話語(yǔ)音報(bào)警、模擬返回屏、操作控制臺(tái)等，負(fù)責(zé)一些全廠性的功能，如水電站運(yùn)行的監(jiān)視、操作、信息管理、遠(yuǎn)動(dòng)和優(yōu)化控制等。整個(gè)分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)由統(tǒng)一操作系統(tǒng)控制多個(gè)分布的資源，如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件、外設(shè)、各種程序和數(shù)據(jù)庫(kù)等。

2 小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用度探討

2.1 小水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用度分析

我國(guó)小水電數(shù)量大、分布廣，為縣辦工業(yè)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)、農(nóng)田排灌、生活照明及農(nóng)副產(chǎn)品加工等起到至關(guān)重要的作用。由于已開發(fā)的小水電管理方式千差萬(wàn)別，管理水平參差不齊，人才和資金的短缺，造成多數(shù)小水電的自動(dòng)化程度較低，技術(shù)比較落后，嚴(yán)重影響設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。在計(jì)算機(jī)技術(shù)飛快發(fā)展的今天，小水電改造以及應(yīng)用計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)對(duì)提高農(nóng)村小水電站的自動(dòng)化程度和運(yùn)行的可靠性，降低一線人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高小水電站的綜合經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義。小水電的改造應(yīng)該以經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性、適用性和可靠性為原則。本文提出小水電計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用度的研究，應(yīng)用度包含兩個(gè)方面：①是否全部小水電都需要改造為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，若需要改造，那么按照怎樣的應(yīng)用度實(shí)施；②進(jìn)行改造為計(jì)算機(jī)監(jiān)控的小水電，各硬件系統(tǒng)的配置度應(yīng)如何考慮。

電站裝機(jī)容量小，值班人員多、負(fù)擔(dān)重的電站，不一定要上計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可走逐步報(bào)廢重建的路子；而經(jīng)過(guò)評(píng)估確實(shí)值得改造的電站則須根據(jù)電站自身裝機(jī)容量的大小，在系統(tǒng)中的地位、作用等實(shí)際情況，進(jìn)行合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式選擇和硬件配置。對(duì)機(jī)組臺(tái)數(shù)少、單機(jī)容量在2 000 kW以下的電站可采用只設(shè)1臺(tái)計(jì)算機(jī)的集中監(jiān)控系統(tǒng)；單機(jī)容量在2 000～5 000 kW的電站視電站自身經(jīng)濟(jì)實(shí)力、人員冗余度、發(fā)展等需要既可選擇采用計(jì)算機(jī)與常規(guī)控制裝置雙重監(jiān)控形式，也可采用以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控方式；單機(jī)容量在5 000 kW以上的小型水電站改造時(shí)，則提倡采用以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控方式。

2.2 典型常規(guī)小水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用度

單機(jī)容量在5 000 kW以上的水電站在小型水電站中所占比例最大、地位相對(duì)較高，稱其為典型常規(guī)小水電站。其系統(tǒng)應(yīng)用度一般可按照以下要求設(shè)置：①電站正常運(yùn)行完全依靠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；②電站機(jī)組輔助設(shè)備控制系統(tǒng)、公用設(shè)備控制系統(tǒng)的有關(guān)設(shè)備按計(jì)算監(jiān)控系統(tǒng)的要求作相應(yīng)改造，更換電站原配置的不能滿足計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)要求的自動(dòng)化元件，配全電站油、氣、水系統(tǒng)非電量監(jiān)測(cè)變送器；③電氣保護(hù)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)全微機(jī)保護(hù)為原則，改造后的電站保護(hù)裝置應(yīng)采用國(guó)內(nèi)技術(shù)先進(jìn)、可靠性高的微機(jī)保護(hù)裝置，并具有與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的通信接口；④增加計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與電站水情雨情測(cè)報(bào)系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，并預(yù)留與地區(qū)供電局的調(diào)度通信接口。

2.2.1 電站控制層硬件配置度

電站控制層設(shè)備一般設(shè)2套操作員工作站（雙機(jī)熱備用）、1套工程師（兼培訓(xùn)）/通信工作站、1套多媒體語(yǔ)音報(bào)警裝置、2臺(tái)打印機(jī)終端、1套GPS、1套UPS電源和1套微機(jī)控制臺(tái)等。

主控站1和主控站2采用同型號(hào)工控機(jī)，并配置液晶彩色顯示器，它是全廠集中監(jiān)視和控制的人機(jī)接口，可對(duì)全廠設(shè)備進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，直接進(jìn)行各種控制操作、發(fā)布操作命令，AGC/AVC計(jì)算和處理，數(shù)據(jù)庫(kù)管理，在線及離線計(jì)算，實(shí)時(shí)圖形顯示，事故、故障信號(hào)的報(bào)警等。

工程師/通信工作站采用與主控站同型號(hào)工控機(jī)，使其具有主控機(jī)的功能，可作為主控機(jī)的熱備用微機(jī)，配置液晶彩色顯示器等設(shè)備，該站主要用于系統(tǒng)的維護(hù)、培訓(xùn)仿真、系統(tǒng)通信及進(jìn)一步的應(yīng)用開發(fā)。

上述單機(jī)性能指標(biāo)一般要求32位CPU字長(zhǎng)、奔騰IV、256 M內(nèi)存、80 G硬盤、1.44 M軟驅(qū)、1路RS232加1路RS485串行口，1個(gè)USB口，1個(gè)并行口，101標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、可讀寫式光盤驅(qū)動(dòng)器（CDROM）1個(gè)、聲霸卡1塊、I/O擴(kuò)展功能卡1塊、網(wǎng)絡(luò)通訊卡1塊、256 kB高速緩沖存儲(chǔ)器。相應(yīng)配置UPS電源，提供不間斷供電電源且供電時(shí)間不小于1 h。2臺(tái)網(wǎng)絡(luò)A4圖幅中文激光打印機(jī)，用于報(bào)表打印及報(bào)警記錄打印等。衛(wèi)星同步時(shí)鐘GPS可采用BSS標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星同步時(shí)鐘，接收GPS的授時(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，并通過(guò)對(duì)時(shí)裝置的串行接口與各工作站相連發(fā)送對(duì)時(shí)信號(hào)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)使系統(tǒng)主干網(wǎng)上各計(jì)算機(jī)時(shí)鐘與衛(wèi)星時(shí)鐘進(jìn)行同步。衛(wèi)星時(shí)鐘同步脈沖信號(hào)接入各LCU。時(shí)鐘的同步精度宜達(dá)到+/-1 ms，同步時(shí)鐘可預(yù)留4路接口。系統(tǒng)一般采用工業(yè)以太網(wǎng)，通訊傳輸介質(zhì)可用雙絞線、同軸電纜或光纜 (一般傳輸距離近、裝機(jī)容量小的電站采用雙絞線或同軸電纜；傳輸距離遠(yuǎn)、裝機(jī)容量大的電站宜用光纜)，傳輸?shù)乃俾蕿?100 Mb/s，通訊規(guī)約為 TCP/IP Modbus，配置3Com網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，支持10/100 M自適應(yīng)通信速率，同時(shí)提供16路以太網(wǎng)口，連接主控層各計(jì)算機(jī)以及機(jī)組LCU、公用設(shè)備LCU。

2.2.2 監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制層硬件配置度

現(xiàn)地控制層設(shè)機(jī)組LCU和升壓站及公用設(shè)備LCU。機(jī)組LCU一般1臺(tái)機(jī)組配1套，可直接布置在主廠房發(fā)電機(jī)層機(jī)組旁，也可布置在中控室內(nèi)。機(jī)組LCU由可編程控制器PLC、溫度巡檢裝置、多功能儀表、彩色觸摸屏、PLC（大容量電站也可采用PC機(jī)）、轉(zhuǎn)速信號(hào)裝置、剪斷銷信號(hào)裝置、微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置、手動(dòng)同期裝置、調(diào)速器油泵控制裝置、以及手動(dòng)開機(jī)、停機(jī)、緊急停機(jī)按鈕、同期開關(guān)、發(fā)電機(jī)斷路器操作開關(guān)，發(fā)電機(jī)電壓變送器，發(fā)電機(jī)功率變送器裝置等設(shè)備組成。機(jī)組LCU監(jiān)控范圍包括水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及機(jī)組輔助設(shè)備等。主要完成數(shù)據(jù)采集和處理、安全運(yùn)行監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)、事件順序檢測(cè)、數(shù)據(jù)通信、系統(tǒng)診斷、時(shí)鐘同步等。在與主控站工控機(jī)脫離聯(lián)系時(shí)，通過(guò)人機(jī)接口或操作開關(guān)能獨(dú)立工作。

升壓站及公用設(shè)備現(xiàn)地控制單元LCU由PLC、彩色觸摸屏、多功能儀表（包括線路和母線）、繼電器、微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置、電壓變送器、功率變送器等組成，一般占2面屏，布置在副廠房中控室內(nèi)，主要負(fù)責(zé)主變、高低壓配電裝置、出線和廠內(nèi)公用設(shè)備如高、低壓氣機(jī)，蝶閥油泵，集水井泵，滲漏水泵，廠用電系統(tǒng)、直流系統(tǒng)等的控制與監(jiān)視，并預(yù)留溢洪閘和進(jìn)水口閘門的監(jiān)控接口。

PLC的I/O模塊要求能帶電熱插拔，I/O擴(kuò)展采用Busx總線，速度達(dá)12 Mb/s，I/O開關(guān)量輸入、輸出，模擬量輸入點(diǎn)數(shù)視電站實(shí)際需要而定，一般公用PLC所用點(diǎn)數(shù)多于機(jī)組PLC的。

2.2.3 與LCU相配合的勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器及其他公用設(shè)備控制系統(tǒng)配置

LCU與機(jī)組輔助設(shè)備之間的通訊采用MODBUS協(xié)議。

2.2.4 勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào)速器改造

與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)配合的勵(lì)磁系統(tǒng)及調(diào)速器均應(yīng)采用微機(jī)型，由于早期實(shí)施計(jì)算機(jī)監(jiān)控改造的一批小水電站為省錢，未改造原有勵(lì)磁系統(tǒng)，結(jié)果導(dǎo)致計(jì)算機(jī)監(jiān)控與原有勵(lì)磁系統(tǒng)不匹配從而造成整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)正常開停機(jī)。因此被改造電站發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)若為模擬電路板設(shè)備，則建議整套更換為微機(jī)型勵(lì)磁裝置。小型水電站改造勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí)一般采用雙微機(jī)型自并激可控硅整流勵(lì)磁裝置，使勵(lì)磁系統(tǒng)滿足小水電發(fā)電、同步等各種運(yùn)行工況要求；整流器采用三相橋式全控整流電路；起勵(lì)方式采用殘壓為主、直流起勵(lì)為輔；滅磁方式一般采用正常時(shí)逆變滅磁，事故時(shí)滅磁開關(guān)滅磁，同時(shí)配置RS485接口，使勵(lì)磁系統(tǒng)可與機(jī)組LCU進(jìn)行通訊和控制。

機(jī)械調(diào)速器也應(yīng)更新改造成可編程微機(jī)型調(diào)速器，一般配置專用調(diào)速器電控柜、事故電磁閥、電氣轉(zhuǎn)速信號(hào)裝置（布置在機(jī)組LCU屏上）及單相電壓互感器等，機(jī)組能手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行，現(xiàn)地/遠(yuǎn)控控制，并保證開度變化不大于1%的接力器全行程。電控柜信號(hào)燈能實(shí)時(shí)指示機(jī)組運(yùn)行狀況，設(shè)置自檢保護(hù)，并配有RS485接口，滿足機(jī)組LCU的要求。

2.2.5 其他公用設(shè)備控制系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

其他公用設(shè)備控制系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)則完全要視電站實(shí)際設(shè)備情況而定。

一般液體酸性免維護(hù)蓄電池宜更新為酸性全封閉免維護(hù)蓄電池成套裝置，并增加直流電流變送器、直流電壓變送器、RS485通信接口，滿足公用LCU的要求。

油、氣、水系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的溫度、壓力、液位、流量及機(jī)組的振動(dòng)、擺度等，如各冷卻水水流量，檢修密封壓力，油壓壓力，上、下游水位，攔污柵差壓、機(jī)組導(dǎo)葉開度、主閥開度等量均須加配變送器將信號(hào)送至公用LCU屏。

3 結(jié)語(yǔ)

改造后的小水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要承擔(dān)監(jiān)測(cè)和控制兩大功能。

監(jiān)測(cè)功能要求將水電站需要監(jiān)測(cè)的溫度、水位、油位、壓力等非電模擬量通過(guò)相應(yīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，連同電氣設(shè)備的電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、電能、功率因數(shù)、頻率、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流等電模擬量一起輸入PLC的CPU，然后經(jīng)過(guò)變送器轉(zhuǎn)換成0～5 V的直流電壓或4～20 mA的直流電流，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；而所有采集到的開關(guān)量信息要經(jīng)過(guò)光電隔離和防抖動(dòng)處理后輸入CPU，然后監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)采集到的被控制對(duì)象的狀態(tài)信息進(jìn)行分析、比較、判斷，提供出異常報(bào)警信息、操作控制信息和記錄、報(bào)表。

控制功能則要求電站一要完成機(jī)組的開、停機(jī)順序操作控制和調(diào)節(jié)控制；二要完成對(duì)水電站油壓裝置、空氣壓縮機(jī)、水泵等輔助設(shè)備的自動(dòng)控制。一般小型水電站機(jī)組及其輔助設(shè)備的控制均采用可編程序控制器PLC來(lái)完成。

根據(jù)國(guó)家對(duì)小型水電站自動(dòng)化發(fā)展的總體目標(biāo)，國(guó)家對(duì)5 MW以下的水電站并未進(jìn)行強(qiáng)行規(guī)定，各小型水電站完全應(yīng)根據(jù)自身裝機(jī)容量的大小，在系統(tǒng)中的地位、作用等實(shí)際情況，進(jìn)行合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式選擇和硬件配置。特別是每個(gè)已經(jīng)建成電站的設(shè)備基礎(chǔ)迥異，因此改造時(shí)切忌搞一刀切。本文介紹的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用度也只是總結(jié)眾多小水電的改造實(shí)例而得出的，事物都是在不斷向前發(fā)展的，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)更是發(fā)展神速，因此我們?cè)诟脑鞎r(shí)只要把握在現(xiàn)有基礎(chǔ)上如何盡快好省地實(shí)現(xiàn)上述監(jiān)測(cè)、控制兩大基本功能，同時(shí)稍具超前的眼光，力爭(zhēng)使監(jiān)控系統(tǒng)功能便于擴(kuò)展，為最終實(shí)現(xiàn)水電站全方位綜合自動(dòng)化功能奠定基礎(chǔ)。

［1］劉海波，吳昌.三峽右岸電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)與優(yōu)化［J］.水力發(fā)電，2009，35（12）:82-84.

［2］陳啟卷.中小型水電廠計(jì)算機(jī)檢測(cè)與控制［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

［3］文伯瑜，姜龍華.現(xiàn)代水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)與試驗(yàn)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2004.