小水電站按水位自動(dòng)控制方法的研究

劉加英

（杭州華辰電力控制工程有限公司，浙江杭州 310014）

1 工程概況

YAVUZ水電站為引水式電站，電站位于土耳其AMASYA，電站裝機(jī)容量3×7 500 kW，發(fā)電機(jī)出口電壓為10.5 kV，一機(jī)一變，兩條出線，出線電壓為35 kV。引水系統(tǒng)由明渠、前池以及壓力鋼管組成，其中渠道總長3 235 m，壓力鋼管長約80 m，渠道和壓力鋼管之間有一前池。前池底面積約3 829 m2，表面積約4 476 m2，最淺處深5.6 m，最深處約11 m，前池頂高程285.1 m，容積較大。前池右側(cè)設(shè)有溢流堰，溢流堰頂高程284.1 m。

引水系統(tǒng)由明渠以及壓力鋼管組成，前池在其中間起到調(diào)整和穩(wěn)定水流的作用，在機(jī)組增、減負(fù)荷時(shí)，消減上游渠道來流所產(chǎn)生的涌浪。當(dāng)機(jī)組突然甩負(fù)荷時(shí)，壓力鋼管中產(chǎn)生水力瞬變，鋼管中流量的改變將引起前池水位的變化，明渠中產(chǎn)生非恒定流動(dòng)。

工程主要建筑物有：取水口、引水渠道、前池、泄水道、電站廠房及尾水渠。

壓力前池設(shè)置在引水渠道或無壓隧洞的末端，是水電站無壓引水建筑物與壓力管道的連接建筑物。

壓力前池的作用：

（1）平穩(wěn)水壓、平衡水量。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，引用流量的改變使渠道中的水位產(chǎn)生波動(dòng)，由于前池有較大的容積，就可減少渠道水位波動(dòng)的振幅，穩(wěn)定發(fā)電水頭。另外，前池還可起到暫時(shí)補(bǔ)充不足水量和容納多余水量的作用，適應(yīng)水輪機(jī)流量的改變。

（2）均勻分配流量。從渠道中引來的水經(jīng)過壓力前池能夠均勻地分配給各壓力管道，管道進(jìn)口設(shè)有控制閘門。

（3）排出多余水量。電站停機(jī)時(shí)，向下游供水。

（4）攔阻污物和泥沙。前池設(shè)有攔污柵、攔沙、排沙及防凌等設(shè)施，防止渠道中漂浮物、冰凌、有害泥沙進(jìn)入壓力管道，保證水輪機(jī)正常運(yùn)行。

2 系統(tǒng)組成與調(diào)節(jié)原理

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)的組成

YAVUZ電站采用的SCADA系統(tǒng)是開放環(huán)境下全分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，功能上分層分布。該電站監(jiān)控系統(tǒng)采用以計(jì)算機(jī)為主、簡化常規(guī)控制設(shè)備為輔的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，分為電站控制級和單元控制級。單元控制級包括三套機(jī)組LCU、一套公用LCU、一套開關(guān)站LCU、一套前池LCU、一套溢洪門LCU。每套LCU均配有觸摸屏，PLC采用GE 90-30系列PLC，可實(shí)時(shí)監(jiān)控所管轄設(shè)備是否正常運(yùn)行。機(jī)組LCU、公用LCU、開關(guān)站LCU安裝在廠房，前池LCU、溢洪門LCU安裝在壩區(qū)，各LCU之間均可通過光纖環(huán)網(wǎng)交換數(shù)據(jù)。電站控制級由兩臺工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和一臺通訊服務(wù)器組成，其功能為采集和處理電站主要設(shè)備的數(shù)據(jù)，存入歷史數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對電站主要設(shè)備的控制與操作，并能在電站內(nèi)實(shí)現(xiàn)有功/無功分配及電壓控制，監(jiān)視電站主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在顯示器上顯示，編制和打印運(yùn)行報(bào)表和事故/故障報(bào)表，通過控制鏈路與調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)通信。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓樸圖Fig.1 Network topography

機(jī)組LCU負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集機(jī)組相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)信號、監(jiān)控機(jī)組正常的開停機(jī)操作及機(jī)組負(fù)荷的調(diào)節(jié)。當(dāng)電站處于“水位控制模式”運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)前池水位進(jìn)行開停機(jī)操作，并負(fù)責(zé)機(jī)組負(fù)荷的調(diào)節(jié)，保證前池水位不會(huì)太高而引起溢水。

公用LCU負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集廠變、直流裝置、滲漏排水泵、消防水泵、空壓機(jī)等輔助設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)信號，根據(jù)集水井水位、儲氣罐壓力等信號自動(dòng)啟停相關(guān)設(shè)備。

開關(guān)站LCU負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集三臺主變及兩條出線的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)信號及控制操作。

前池LCU負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集前池水位、前池閘門的信號及機(jī)組前池進(jìn)水口閘門的控制操作。

溢洪門LCU負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集壩區(qū)水位、溢洪門的信號及溢洪門的控制操作。

2.2 控制原理

前池水位在282.9～283.9 m，開一臺機(jī)；水位在283.9～284.15 m，開兩臺機(jī)；水位在284.15 m以上，開三臺機(jī)。當(dāng)前池水位太高時(shí)，首先通過增大3臺機(jī)組的出力來調(diào)節(jié)，如果3臺機(jī)組都已滿負(fù)荷運(yùn)行而前池水位還太高，減小水庫閘門開度減少來水量。反之，如果前池水位太低，首先通過增大水庫閘門開度增加來水量，當(dāng)水庫閘門全開而前池水位還偏低時(shí)，自動(dòng)減少機(jī)組出力，甚至自動(dòng)關(guān)閉機(jī)組。根據(jù)前池水位，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組的出力最有效地利用水能。

2.3 控制過程

正常情況下，電站實(shí)現(xiàn)按水位優(yōu)化運(yùn)行需具備下列條件：上位機(jī)IPC運(yùn)行正常、各LCU工作正常、前池水位計(jì)工作正常、光纖環(huán)網(wǎng)通訊正常、調(diào)速器具備按水頭調(diào)節(jié)的功能。

中控室操作員在上位機(jī)IPC的人-機(jī)界面上選擇“按水位運(yùn)行模式”，同時(shí)人工設(shè)定進(jìn)入按水位運(yùn)行模式的機(jī)組臺數(shù)和開、停機(jī)的順序，例如：1號、2號、3號。前池LCU接收上位機(jī)命令后，根據(jù)前池水位的實(shí)際值確定開機(jī)臺數(shù)以及每臺運(yùn)行機(jī)組是按給定功率運(yùn)行還是水頭-開度運(yùn)行的模式。在電站按水位運(yùn)行模式運(yùn)行時(shí)，保證只有一臺機(jī)組按水頭-開度模式運(yùn)行，其他機(jī)組按效率最高點(diǎn)的給定值運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)水位調(diào)節(jié)模式下前池LCU與機(jī)組LCU直接的控制，機(jī)組LCU和前池LCU需通過光纖環(huán)網(wǎng)交換信息。

圖3 控制流程圖二Fig.3 Control flow chart II

圖4 控制流程圖三Fig.4 Control flow chart III

圖5 控制流程圖四Fig.5 Control flow chart IV

各機(jī)組LCU上傳給前池的信號有：允許開啟機(jī)組進(jìn)水口閘門、允許關(guān)閉機(jī)組進(jìn)水口閘門、機(jī)組事故關(guān)進(jìn)水口閘門、機(jī)組允許開機(jī)、機(jī)組發(fā)電狀態(tài)、機(jī)組無事故、機(jī)組開機(jī)令、機(jī)組停機(jī)令、機(jī)組開機(jī)失敗、機(jī)組停機(jī)失敗等信號。

前池LCU下發(fā)至各機(jī)組LCU的信號有：機(jī)組進(jìn)水口閘門全開位置、機(jī)組進(jìn)水口閘門全關(guān)位置、機(jī)組開機(jī)令、機(jī)組停機(jī)令、按給定功率模式運(yùn)行命令、機(jī)組有功給定值、按水頭-開度曲線模式運(yùn)行命令。

初始的開機(jī)順序?yàn)椋?號機(jī)→2號機(jī)→3號機(jī)→1號機(jī)。

初始的停機(jī)順序?yàn)椋?號機(jī)→2號機(jī)→1號機(jī)→3號機(jī)。

按當(dāng)前水位，前池LCU認(rèn)為只需要1臺機(jī)組運(yùn)行時(shí)，即選擇優(yōu)先級最高的某臺機(jī)組開機(jī)。當(dāng)該機(jī)組的LCU接到開機(jī)令后，開機(jī)并完成并網(wǎng)發(fā)電，同時(shí)發(fā)信號到前池LCU告之該機(jī)組已并網(wǎng)。前池LCU根據(jù)當(dāng)前水位下機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)的需量確定是否需要再開機(jī)，并將最后并網(wǎng)的機(jī)組投入按水頭-開度曲線運(yùn)行，其他已并網(wǎng)機(jī)組置為最佳效率點(diǎn)運(yùn)行。

當(dāng)前池水位在282.9～283.9 m，前池LCU判斷后，認(rèn)為只需要1臺機(jī)組運(yùn)行時(shí)，按預(yù)定的開機(jī)順序選擇機(jī)組編號，當(dāng)被選中的機(jī)組LCU接到開機(jī)令后，完成開機(jī)并網(wǎng)發(fā)電操作。前池LCU收到該機(jī)組的并網(wǎng)發(fā)電信號，向該機(jī)組LCU發(fā)送按“水頭-開度曲線模式運(yùn)行”命令，該機(jī)組LCU收到命令后向調(diào)速器發(fā)送“按水位運(yùn)行模式”命令，由調(diào)速器自動(dòng)按水頭-開度曲線維持前池水位。第1臺機(jī)按水頭-開度曲線模式運(yùn)行。詳見圖3。

如果水位繼續(xù)上升，第1臺機(jī)在導(dǎo)葉全開的情況下運(yùn)行一段時(shí)間后水位仍然上升，當(dāng)前池水位在283.9～284.15 m時(shí)，前池LCU判斷后，認(rèn)為只需要2臺機(jī)組運(yùn)行，將按預(yù)定的開機(jī)順序選擇開第2臺機(jī)。當(dāng)?shù)?臺機(jī)投運(yùn)后，前池LCU會(huì)將第2臺機(jī)設(shè)成按水頭-開度曲線模式運(yùn)行，將第1臺機(jī)改成按最佳功率給定值運(yùn)行，同時(shí)發(fā)送最高效率的給定值給第1臺機(jī)。這樣，第1臺機(jī)按功率給定值模式運(yùn)行，第2臺機(jī)按水頭-開度曲線模式運(yùn)行。詳見圖4。

同樣，如果水位繼續(xù)上升，水位在284.15 m以上，前池LCU判斷后，認(rèn)為需要3臺機(jī)組運(yùn)行，將按預(yù)定的開機(jī)順序選擇開第3臺機(jī)。第3臺機(jī)投運(yùn)后，前池LCU會(huì)將第3臺機(jī)設(shè)成按水頭-開度曲線模式運(yùn)行，第1臺機(jī)、第2臺機(jī)改成按最佳功率給定值運(yùn)行，同時(shí)發(fā)送最高效率的給定值給第1臺機(jī)、第2臺機(jī)。這樣，第1臺機(jī)、第2臺機(jī)按功率給定值運(yùn)行，第3臺機(jī)按水頭-開度曲線模式運(yùn)行。詳見圖5。

當(dāng)前池LCU根據(jù)水位判斷需要開機(jī)，根據(jù)優(yōu)先級確定需要開機(jī)的機(jī)組編號，再判斷是否收到該機(jī)組LCU的開機(jī)允許信號。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到開機(jī)并網(wǎng)信號或收到機(jī)組開機(jī)失敗信號，繼續(xù)判斷下一優(yōu)先級機(jī)組的開機(jī)允許信號。

水位調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)前池LCU水位降低，LCU判斷需要停機(jī)，根據(jù)優(yōu)先級確定需要停機(jī)的機(jī)組編號，并發(fā)停機(jī)令。前池LCU向機(jī)組LCU發(fā)出停機(jī)令后，若收到機(jī)組停機(jī)失敗的信號，會(huì)向下一優(yōu)先級機(jī)組LCU再發(fā)停機(jī)令。停機(jī)時(shí)，按照開機(jī)的順序，最后并網(wǎng)（當(dāng)前處于水頭-開度模式運(yùn)行模式下）的機(jī)組優(yōu)先停機(jī)。停機(jī)時(shí)，前池LCU發(fā)出命令先退出機(jī)組的水頭-開度模式運(yùn)行模式，待機(jī)組完全停機(jī)完成以后，將停機(jī)優(yōu)先級次高的機(jī)組置為水頭-開度模式運(yùn)行。這樣的停機(jī)順序可避免停機(jī)時(shí)引起電站輸出功率大幅度波動(dòng)。

3 結(jié) 語

多次試驗(yàn)證明，SCADA系統(tǒng)的水位調(diào)節(jié)模式可行，水位參數(shù)設(shè)置靈活，可按照實(shí)際情況修改，設(shè)置死區(qū)。通過修改水位參數(shù)的死區(qū)，避免試驗(yàn)過程中由于水位變化頻繁而引起頻繁開停機(jī)。

按照本文描述的控制原理，根據(jù)前池水位，YAVUZ電站自動(dòng)控制系統(tǒng)可適時(shí)準(zhǔn)確地開停機(jī)、自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組的出力、有效地利用水能、盡最大可能將水能轉(zhuǎn)化成電能。水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、可靠性、適時(shí)性、有效性、安全性等優(yōu)點(diǎn)。

（1）水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)可以減小運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)可以取代常規(guī)控制、人工調(diào)節(jié)操作為主的控制模式，大大減少了電站運(yùn)行人員的工作量。用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)代替人工操作及定時(shí)巡回檢查、記錄等繁雜的勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)少人值班或無人值班，減小了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度，提高了工作效率。

（2）水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)可以提高工作效率，有效利用資源。

水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)提高了運(yùn)行人員的工作效率，實(shí)現(xiàn)了少人值班或無人值班，釋放了更多的勞動(dòng)力；其次，根據(jù)前池水位自動(dòng)控制發(fā)電機(jī)組，提高了發(fā)電效率，充分利用了水能，盡最大可能提高了能量轉(zhuǎn)化的利用率。

（3）水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)可以提高水電站發(fā)電的有效性、及時(shí)性。

水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控前池水位，根據(jù)前池水位的高低來控制發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)與停止以及引水閘門的開啟與關(guān)閉。水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)通信、PLC、計(jì)算機(jī)、上位機(jī)監(jiān)控、電氣控制等技術(shù)及時(shí)高效地控制調(diào)節(jié)發(fā)電站，其時(shí)效性大大超越了人工操作。

（4）水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)可以提高水電站發(fā)電的安全性、可靠性。

水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)取代人工操作，具有良好的可靠性，避免了人工操作的失誤或者延時(shí)?？刂葡到y(tǒng)適時(shí)檢測現(xiàn)場工作情況，反饋工作信息，根據(jù)控制流程及時(shí)做出反應(yīng)，可以很好地排除人為的危險(xiǎn)因素，保證運(yùn)行人員的人身安全以及設(shè)備的安全。