汾河水庫水電站自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用

程天立

（山西省汾河水庫管理局 山西太原 030006）

汾河水電站為壩后引水季節(jié)性電站,裝機(jī)容量2×6 500 kW,出口電壓6.3 kV,設(shè)計(jì)水頭52 m,設(shè)計(jì)流量2×14.75 m3/s,年平均發(fā)電量2 200萬kW·h,年均收入600萬元左右。水電站能否安全可靠運(yùn)行,能否達(dá)到“無人值守，少人值班”的綜合自動(dòng)化水平，對(duì)于汾河水電站結(jié)合灌溉、工業(yè)供水及生態(tài)用水為主的電站調(diào)度運(yùn)行十分重要。

1 汾河水電站自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)簡介

加拿大Powerbase系統(tǒng)提供了從水源到線路完整的控制、監(jiān)視、保護(hù)系統(tǒng)，是按照中小型水力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的,典型應(yīng)用在2.5MW以下的電站。Powerbase系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),可根據(jù)不同電站特殊要求選擇適用模塊,具有安裝方便、集成化程度高,自編程能力強(qiáng),升級(jí)容易，體積小,結(jié)構(gòu)緊湊,運(yùn)行維護(hù)簡單,穩(wěn)定可靠.考慮到靈活性,并提供了現(xiàn)場的特定控制和保護(hù)特性。

對(duì)于中小型水力發(fā)電而言，與傳統(tǒng)基于PLC控制器的系統(tǒng)相比,Powerbase提供低成本、實(shí)用的解決方案，系統(tǒng)可采用多個(gè)制造商的控制部件組合.Powerbase安裝軟件具有先進(jìn)的自動(dòng)編程能力,消除了基于PLC系統(tǒng)對(duì)開發(fā)軟件的需求。

汾河水電站主要用了Powerbase系統(tǒng)的GDI-20顯示模塊、TCM-40水輪機(jī)控制模塊、EXP-30擴(kuò)展模塊、GPM-40線路和發(fā)電機(jī)設(shè)備保護(hù)模塊,LSE-10/LCM導(dǎo)葉線性編碼器和位置傳感器。

2 汾河水電站改造的內(nèi)容

汾河水電站綜合自動(dòng)化技術(shù)改造,控制部分主要采用加拿大的Powerbase水機(jī)控制系統(tǒng),根據(jù)汾河水電站的實(shí)際情況高壓系統(tǒng)仍采用汾河水電站現(xiàn)有方式,對(duì)Powerbase自動(dòng)化控制系統(tǒng)的TCM-40調(diào)速控制單元進(jìn)行了改進(jìn),把PID的連續(xù)量變成一個(gè)脈沖量；配套設(shè)備提供單位選擇了長沙華能自控集團(tuán)有限公司、天津水利水電研究所,對(duì)汾河水庫配套設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)和施工.長沙華能自控集團(tuán)公司主要提供的配套設(shè)備是調(diào)速器電液轉(zhuǎn)換模塊，氣機(jī)控制屏,公用控制屏,主變/線路保護(hù)屏各一套,輔機(jī)控制箱以及電站綜合自動(dòng)化后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)等.天津水利水電研究所提供的自動(dòng)化元件,測溫屏,碟閥控制柜,輔機(jī)控制屏等。國內(nèi)配套設(shè)備與Powerbase控制系統(tǒng)的有效結(jié)合使汾河水庫水電站圓滿實(shí)現(xiàn)了發(fā)電自動(dòng)化。

3 汾河水電站自動(dòng)化改造的主要原則

1）汾河水電站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布開放式結(jié)構(gòu),滿足于安全可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)用,技術(shù)先進(jìn),功能齊全和便于擴(kuò)充等基本原則。

2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主、常規(guī)控制為輔進(jìn)行總體設(shè)計(jì)及配置,計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠滿足自動(dòng)控制和安全自動(dòng)化要求,保證電站運(yùn)行管理能達(dá)到較高的水平。

3）系統(tǒng)為容錯(cuò)設(shè)計(jì),任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障均不會(huì)引起系統(tǒng)誤操作而降低系統(tǒng)其他性能。LCU也不會(huì)因主控層發(fā)生故障而影響穩(wěn)中有各自的監(jiān)控功能。

4）系統(tǒng)設(shè)備選用國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)廠商成熟可靠,標(biāo)準(zhǔn)化的硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和漢化系統(tǒng)，保證系統(tǒng)有穩(wěn)定可靠的備品備件和產(chǎn)品升級(jí)與更新?lián)Q代,充分保證用戶的投資和利益。

5）系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速的特點(diǎn),具有先進(jìn)性和向上兼容性,軟件采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì),便于硬件設(shè)備的擴(kuò)充及系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展。

6）系統(tǒng)上層網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu),下層采用工業(yè)控制現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

7）系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好,抗干擾能力強(qiáng),計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件安全可靠,能適應(yīng)電站現(xiàn)場環(huán)境的要求。

8）系統(tǒng)能與勵(lì)磁,調(diào)速器,直流系統(tǒng)等站內(nèi)智能設(shè)備及遠(yuǎn)方調(diào)度進(jìn)行通信,同時(shí)預(yù)留大壩測控等系統(tǒng)通信接口,可實(shí)現(xiàn)用遙測,遙信,遙調(diào)等功能。

9）系統(tǒng)人機(jī)接口功能強(qiáng)，操作控制簡潔,方便,靈活。

10）計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以按用手動(dòng)優(yōu)先,下層優(yōu)先或用戶指定的其他方式設(shè)置必要的硬件和軟件,使運(yùn)行操作人員能方便地在各控制層之間,計(jì)算機(jī)控制與簡化常規(guī)控制設(shè)備之問選定對(duì)設(shè)備的控制權(quán),對(duì)無控制權(quán)的控制設(shè)備進(jìn)行閉鎖。

11）系統(tǒng)高度可靠,高度冗余,其本身的局部故障不會(huì)影響現(xiàn)場調(diào)和的正常運(yùn)行,且系統(tǒng)的MTBF.MTTR及各項(xiàng)可用性指標(biāo)均達(dá)到《水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)條件》（DL578-95）及《水力發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T5065-96）的要求。

4 汾河水電站自動(dòng)化改造監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)

1）系統(tǒng)采用分層分布開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)的軟硬件均采用模塊化建構(gòu)化的設(shè)計(jì)。

2）監(jiān)控軟件采用面向?qū)ο?全模塊化結(jié)構(gòu)化編程,采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu),采用堆疊式模塊組成,各模塊獨(dú)立完成相應(yīng)功能,編程擴(kuò)展方便,易組態(tài),全開放。

3）操作系統(tǒng)采用運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)成熟,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,抗病毒功能強(qiáng)的實(shí)時(shí)多任務(wù)開放式操作系統(tǒng),用戶接接口支持多窗口操作,具有友善的用戶界面。

4）機(jī)組控制采用模塊式可編程控制器（PLC）,監(jiān)控界面采用菜單形式,并具有強(qiáng)大的實(shí)時(shí)圖形界面顯示,可方便進(jìn)行機(jī)組控制和參數(shù)設(shè)置。

5）國際標(biāo)準(zhǔn)的模塊化結(jié)構(gòu),模塊互換能力強(qiáng)。

6）不同監(jiān)控層的設(shè)備相互獨(dú)立,局部故障不影響整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行,現(xiàn)地控制層在監(jiān)控系統(tǒng)退出后仍能對(duì)機(jī)組進(jìn)行正?？刂撇僮?。

7）系統(tǒng)主要設(shè)備都具備自檢功能,對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)和所有軟、硬件具有巡檢功能,大大提高系統(tǒng)的可靠性。

8）可以多主方式工作,網(wǎng)絡(luò)上任一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,可以不分主從,方便地構(gòu)成多主系統(tǒng)。

9）主機(jī)、輔機(jī)監(jiān)控設(shè)備和公用開關(guān)站的保護(hù)設(shè)備均相對(duì)獨(dú)立，僅通過通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，整體可靠性不受局部影響,具備高度的靈活性和擴(kuò)展性,便于系統(tǒng)維護(hù)。

5 汾河水庫水電站自動(dòng)化系統(tǒng)的功能

5.1 數(shù)據(jù)采集和處理

監(jiān)控系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),從各現(xiàn)地控制單元采集機(jī)組、主變、線路、廠用和公用設(shè)備等設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài),包括溫度量、模擬量、狀態(tài)量、報(bào)警量、SOE量和電度量等.系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的比較、處理和更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫及歷史數(shù)據(jù)庫,并用于畫面顯示、刷新、控制調(diào)節(jié)、記錄檢索、統(tǒng)計(jì)、操作、管理指導(dǎo)等。

5.1.1 數(shù)據(jù)采集

（1）模擬量采集.模擬量包括電氣模擬量、非電氣模擬量和溫度量。電氣量主要為電流、電壓、頻率、功率因素、有功功率及無功功率等.非電氣量主要包括壓力、流量、水位、油位以及機(jī)組的擺度、振動(dòng)等。

（2）開關(guān)量采集。開關(guān)量按其采集方式及信號(hào)重要程度的不同將其分為中斷型開關(guān)量和非中斷型開關(guān)量兩種。中斷型開關(guān)量系指事故信號(hào)、斷路器分合及重要繼電保護(hù)的動(dòng)作信號(hào),監(jiān)控系統(tǒng)能迅速響應(yīng)這些信號(hào)并做出一系列必要的反應(yīng)及自動(dòng)操作，中斷型開關(guān)量信號(hào)輸入為無源接點(diǎn)輸入,中斷方式接收。非中斷型開關(guān)量信號(hào)是指除中斷型開關(guān)量信號(hào)以外的那部分開關(guān)量信號(hào),包括各類故障信號(hào)、斷路器及隔離開關(guān)的位置信號(hào)、機(jī)組設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、手動(dòng)自動(dòng)方式選擇的位置信號(hào)等。監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)的采集方式為定時(shí)掃查。

5.1.2 數(shù)據(jù)處理

（1）數(shù)據(jù)變碼、校驗(yàn)傳遞誤差、誤碼分析和數(shù)據(jù)傳輸糾錯(cuò)控制。

（2）更新全站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫,根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫,對(duì)顯示畫面的數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行刷新或修改。

（3）各機(jī)組有功功率和無功功率計(jì)算和累加,以及全站有功、無功定時(shí)平衡計(jì)算。

（4）全站有功和無功電度累計(jì)和平衡計(jì)算。

5.2 安全監(jiān)視

安全監(jiān)視包括狀態(tài)監(jiān)視、越限監(jiān)視、過程監(jiān)視、趨勢記錄和監(jiān)控系統(tǒng)異常監(jiān)視。

5.2.1 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視

運(yùn)行人員可以通過監(jiān)控系統(tǒng)的大屏幕彩色顯示器對(duì)電站機(jī)組、輸電系統(tǒng)、公用系統(tǒng)等主要設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)監(jiān)視。

5.2.2 過程監(jiān)視

對(duì)機(jī)組開、停工情況轉(zhuǎn)換,各電壓等級(jí)設(shè)備運(yùn)行方式改變的倒閘操作等過程所經(jīng)歷的主要步驟予以監(jiān)視。并在顯示器上顯示過程,當(dāng)過程發(fā)生阻滯時(shí),顯示阻滯原因,并將設(shè)備轉(zhuǎn)換到安全狀態(tài)。

5.2.3 參數(shù)越復(fù)限報(bào)警記錄

監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)某些參數(shù)以及計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行越限監(jiān)視,有些量如溫度量等還將進(jìn)行趨勢記錄,即進(jìn)行梯度變化監(jiān)視。這些處理包括越限報(bào)警、梯度越限報(bào)警、自動(dòng)顯示、記錄和打印。

5.2.4 監(jiān)控系統(tǒng)異常監(jiān)視

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件或軟件發(fā)生異常現(xiàn)象立即報(bào)警。

5.2.5 趨勢記錄分析

對(duì)發(fā)電機(jī)定子溫度、軸承溫度、主變壓器油溫等進(jìn)行趨勢記錄,趨勢變化速率超過限值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

趨勢分析包括歷史趨勢分析和實(shí)時(shí)趨勢分析.歷史趨勢分析主要分析機(jī)組在中、長期運(yùn)行過程中所監(jiān)測參數(shù)的變化趨勢,用以分析、掌握機(jī)組的運(yùn)行狀況。實(shí)時(shí)分析用以分析信號(hào)的變化趨勢及變化率，特別是啟停過程中信號(hào)的變化趨勢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障征兆,提高機(jī)組運(yùn)行安全性。

5.3 控制與調(diào)節(jié)

監(jiān)控系統(tǒng)具有對(duì)全站主要機(jī)電設(shè)備和油、汽、水、風(fēng)等輔助系統(tǒng)的各種設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制操作功能。

5.3.1 控制方式

控制方式主要分為電站中控和設(shè)備現(xiàn)地兩級(jí)。平時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的控制方式主要使用電站中控級(jí),設(shè)備現(xiàn)地僅用于調(diào)試和應(yīng)急處理。電站中控和現(xiàn)地的控制權(quán)選擇通過現(xiàn)地控制開關(guān)進(jìn)行切換。

5.3.2 控制對(duì)象

監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)電站機(jī)組、斷路器、隔離開關(guān)和輔助設(shè)備等進(jìn)行操作。操作類型包括機(jī)組的開、停各種工況的轉(zhuǎn)換;斷路器、隔離開關(guān)的分合;輔助設(shè)備的開、停等。

6 汾河水電站自動(dòng)化改造的主要技術(shù)總結(jié)

汾河水電站技改后自動(dòng)化程度達(dá)到微機(jī)控制與保護(hù)、機(jī)組自動(dòng)化開停機(jī)、微機(jī)自動(dòng)監(jiān)測、報(bào)表資料自動(dòng)整理、打印報(bào)表等.按照本電站的規(guī)模,為達(dá)到安全可靠、先進(jìn)實(shí)用的目的,選用MTC-3S系統(tǒng).系統(tǒng)分為三層,由工程師工作站、操作員（兼通信）工作站、現(xiàn)地控制單元三部分組成。

兩臺(tái)操作員工作站主機(jī)均采用美國DELL品牌,配置同品牌的19英寸彩色液晶顯示器.2臺(tái)操作員工作站互為熱備用,系統(tǒng)采用最新的軟件及網(wǎng)絡(luò)技術(shù),通過交換機(jī)與通信管理機(jī)交換數(shù)據(jù),按全計(jì)算機(jī)監(jiān)控進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)配置.系統(tǒng)投入運(yùn)行后,全部保護(hù)、控制、監(jiān)視、測量和報(bào)警功能均通過微機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)完成。同時(shí),完全滿足遙測、遙信、遙調(diào)及遙脈功能和無人值班（少人值班）的需要。為提高系統(tǒng)的可靠性,在現(xiàn)地監(jiān)控單元上保留了必要的簡易常規(guī)控制。

現(xiàn)地保護(hù)控制裝置按照不同的現(xiàn)地控制單元，以相對(duì)獨(dú)立的方式布置，保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)各自獨(dú)立配置,在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)失效的情況下,仍能獨(dú)立完成現(xiàn)地控制單元的監(jiān)測和斷路器等的控制監(jiān)視功能。

現(xiàn)地保護(hù)控制裝置之間RS485現(xiàn)場總線技術(shù),RS485總線網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的抗干擾、抗震動(dòng)性,適用于較大的溫度范圍,適合于電站較惡劣的工業(yè)環(huán)境,其傳輸速率已遠(yuǎn)滿足電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)信息傳輸速度的要求。

通信系統(tǒng)配置有通信管理機(jī),主要負(fù)責(zé)公用LCU、全站所有智能化設(shè)備、微機(jī)保護(hù)及加拿大Powerbase公司生產(chǎn)的第四代TCM4的水電自動(dòng)保護(hù)與控制設(shè)備通信，并預(yù)留有水情測報(bào)系統(tǒng)、大壩監(jiān)控裝置通信接口。

7 汾河水電站自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)論

兼容性:系統(tǒng)可與多個(gè)制造商的控制設(shè)備隨意組合。

擴(kuò)展性:系統(tǒng)為用戶提供了EXP-30擴(kuò)展模塊,隨著需求的增加或有其他用途時(shí),可更新系統(tǒng)。

集成化成度高:Powerbase系統(tǒng)采用了集成模塊,安裝軟件具有先進(jìn)的自動(dòng)編程能力,消除了國內(nèi)基于PLC系統(tǒng)對(duì)開發(fā)軟件的需求,Powerbase系統(tǒng)大大降低了實(shí)際控制單元的成本。

安全穩(wěn)定性:Powerbase技術(shù)簡化了人工開、停機(jī)程序,使機(jī)組接到開、停機(jī)指令后,Powerbase系統(tǒng)自動(dòng)檢索開停機(jī)條件,執(zhí)行開、停機(jī)命令.運(yùn)行中Powerbase系統(tǒng)隨時(shí)對(duì)采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比,使機(jī)組始終處于最優(yōu)工況下發(fā)電。

遠(yuǎn)距離操作性:Powerbase系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離對(duì)一個(gè)或多個(gè)電站進(jìn)行控制。同時(shí),還可以通過收機(jī)短信形式把故障、事故信號(hào)傳送給管理人員。

總體而言,山西汾河水庫水電站綜合自動(dòng)化技術(shù)改造是成功的，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求與期望。

8 結(jié)束語

（1）加拿大Powerbase公司產(chǎn)品與國內(nèi)產(chǎn)品配套應(yīng)用于中國小水電的模式體現(xiàn)出的最大特點(diǎn)是性價(jià)比高,但為了發(fā)揮其效益,還有很多技術(shù)課題需要完成，例如:Powerbase公司產(chǎn)品機(jī)組控制方式要符合中國小水電實(shí)際情況，服務(wù)體系有待進(jìn)一步加強(qiáng),解決長期維護(hù)方面的問題；國內(nèi)配套廠家要與Powerbase公司產(chǎn)品一起完善產(chǎn)品功能，才能提高其適用性。

（2）為了充分地發(fā)揮綜合自動(dòng)化性能,避免設(shè)備瓶頸現(xiàn)象,汾河水電站目前還亟待進(jìn)一步改造設(shè)備,比如發(fā)電機(jī)勵(lì)磁設(shè)備、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等。