水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與常規(guī)控制區(qū)別與應(yīng)用

摘 要：結(jié)合大河水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與常規(guī)控制區(qū)別和應(yīng)用，進(jìn)一步說(shuō)明水電站采用自動(dòng)化控制對(duì)提高水電站的安全控制、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及運(yùn)行管理優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：水電站；計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；常規(guī)

眾所周知，水電站在電力系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著電能輸送的繁重任務(wù)，對(duì)電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著舉足輕重的作用。尤其是廣東每年眾多水力發(fā)電站的不斷投入運(yùn)行使水電站的安全控制、電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及運(yùn)行管理越顯得更為重要，如果水電站仍依靠原來(lái)的人工操作，依靠原來(lái)水電站的舊設(shè)備，而不進(jìn)行技術(shù)改造的話，必然沒(méi)法滿足安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需要，更談不上適應(yīng)現(xiàn)代水利水電管理模式的需求。

1. 傳統(tǒng)的水電站監(jiān)控存在的缺點(diǎn)

1.1 安全性、可靠性不能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)高可靠性的要求

傳統(tǒng)的水電站大多數(shù)采用常規(guī)的設(shè)備，尤其是二次設(shè)備中的繼電保護(hù)采用電磁型或晶體管裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性不高，本身又沒(méi)有故障自診斷的能力，只能靠一年一度的整定值的校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，才進(jìn)行調(diào)整與檢修或必須等到保護(hù)裝置發(fā)生拒動(dòng)或誤動(dòng)后才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

1.2 供電質(zhì)量缺乏科學(xué)的保證

衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)是頻率和電壓。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，電力系統(tǒng)供電質(zhì)量不斷提高，傳統(tǒng)的水電站，大多數(shù)不具備科學(xué)調(diào)測(cè)手段，不能滿足目前發(fā)展的電力市場(chǎng)的需求。

1.3 控制室占地面積大，增加了建筑投資

實(shí)現(xiàn)了綜合自動(dòng)化的水電站與傳統(tǒng)的水電站相比，在一次設(shè)備方面，目前還沒(méi)有多大的差別，而差別較大的是二次設(shè)備。傳統(tǒng)的水電站，二次設(shè)備多數(shù)采用電磁式或晶體管式，體積大、笨重，因此，主控制室、繼電保護(hù)室占地面積大。如果水電站實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化，則會(huì)大大減少占地面積，這對(duì)國(guó)家眼前和長(zhǎng)遠(yuǎn)的利益都是很有意義的。

1.4 不適應(yīng)實(shí)時(shí)控制的要求

水電站要做到優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須及時(shí)掌握系統(tǒng)的運(yùn)行工況，才能采取一系列的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)手段。但傳統(tǒng)的水電站不能滿足及時(shí)提供運(yùn)行參數(shù)的要求，沒(méi)法進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，不利于水電工程的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1.5 維護(hù)工作量大，設(shè)備可靠性差，不利于提高運(yùn)行管理水平和自動(dòng)化水平

常規(guī)的保護(hù)裝置和自動(dòng)裝置多為電磁型或晶體管型，例如晶體管型保護(hù)裝置，其工作點(diǎn)易受環(huán)境溫度影響，因此其整定值必須定期停電校驗(yàn)，每年校驗(yàn)保護(hù)定值的工作量是相當(dāng)大的；也無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方修改保護(hù)或自動(dòng)裝置的定值。

2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與常規(guī)控制的區(qū)別

常規(guī)水電站的二次設(shè)備由以下幾部分組成：繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、測(cè)量?jī)x表、操作控制屏和中央信號(hào)屏以及遠(yuǎn)動(dòng)裝置（較多電站沒(méi)有遠(yuǎn)動(dòng)裝置）。在微機(jī)化以前，上述各組成部分不僅功能不同，實(shí)現(xiàn)的原理和技術(shù)也各不相同，因而長(zhǎng)期以來(lái)形成了不同專業(yè)和不同管理部門(mén)。80年代以來(lái)，由于集成電路技術(shù)和微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，上述二次設(shè)備開(kāi)始采用微機(jī)型裝置。例如，微機(jī)繼電保護(hù)裝置、微機(jī)型自動(dòng)裝置、微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和微機(jī)RTU等。這些微機(jī)型裝置盡管功能不同，但其硬件結(jié)構(gòu)大同小異，除微機(jī)系統(tǒng)本身外，一般都是由對(duì)各種模擬量的數(shù)據(jù)采集回路和1/0回路組成，而且所采集的量和所控制的對(duì)象還有許多是共同的。

由于水電站采用微機(jī)裝置投人運(yùn)行以后，顯示出許多原來(lái)電站常規(guī)的二次設(shè)備所不能具備的優(yōu)越性。因此，“水電站微機(jī)裝置”在近幾年來(lái)便成為熱門(mén)的話題，引起了有關(guān)部門(mén)的注意和重視，其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

a） 水電站微機(jī)裝置利用當(dāng)代計(jì)算機(jī)的技術(shù)和通信技術(shù)，提供了先進(jìn)技術(shù)的設(shè)備，改變了傳統(tǒng)的二次設(shè)備模式，信息共享，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，減少了連接電纜，減少控制室占地面積，降低造價(jià)，改變了水電站的面貌。

b） 提高了自動(dòng)化水平，減輕了值班員的操作量，減少了維修工作量。

c） 隨著水電站復(fù)雜程度的增加（如：結(jié)合水庫(kù)防洪、灌溉、供水等），水電站與有關(guān)工程綜合成調(diào)度中心，及時(shí)掌握調(diào)度中心匯總的信息以便調(diào)動(dòng)工程的生產(chǎn)運(yùn)行。

d） 提高水電站的運(yùn)行可控性，要求更多地采用遠(yuǎn)方集中控制、操作、反事故措施等。

e） 采用少人值班管理模式，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減少人為誤操作的可能。

f） 全面提高運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，雖然采用常規(guī)的繼電保護(hù)和控制設(shè)備，也可實(shí)現(xiàn)上述一些要求，但全面滿足上述要求則是微機(jī)裝置需解決的問(wèn)題。

3 大河水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

大河水庫(kù)（電站）工程位于漠陽(yáng)江的支流西山河上，水庫(kù)的控制面積438 km2，總庫(kù)容3.322億m3，大河電站裝機(jī)容量為2x 15MW，采用韶關(guān)水輪機(jī)廠生產(chǎn)的HLD74 -LJ- 225水輪機(jī)，SF5 -24/5500發(fā)電機(jī)，設(shè)計(jì)水頭42 m，設(shè)計(jì)年均利用時(shí)間2 900 h，多年平均發(fā)電量8 700萬(wàn)kW-h。兩臺(tái)SF8 - 2000/110變壓器連接大崆、大春、大圭三回出線。

為適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，提高經(jīng)濟(jì)效益，大河水電廠采用北京水科院研制的開(kāi)放式分層分布H9000計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由主控層和現(xiàn)地控制單元層兩級(jí)組成。主控級(jí)由三個(gè)工作站組成，承擔(dān)不同的系統(tǒng)功能。其中操作員工作站兩個(gè)，電話語(yǔ)音報(bào)警工作站一個(gè)。兩臺(tái)操作員工作站可同時(shí)工作，一個(gè)完成監(jiān)視控制任務(wù)，另一個(gè)只進(jìn)行正常監(jiān)視。當(dāng)監(jiān)控工作站發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)視工作站可以升為監(jiān)控站，完成監(jiān)控任務(wù)。操作員工作站采用雙屏顯示。

現(xiàn)地控制單元（LCU）采用90/30PLC。全廠共設(shè)三套現(xiàn)地控制單元（LCU），包括二臺(tái)機(jī)組LCU、一臺(tái)公用LCU。機(jī)組LCU配有獨(dú)立同期裝置、機(jī)組順控裝置、溫度巡檢裝置，公用LCU配有一套同期裝置和電量綜合變送器。在LCU脫機(jī)運(yùn)行時(shí)，可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠主設(shè)備控制、監(jiān)控和調(diào)節(jié)。系統(tǒng)主控級(jí)各站與現(xiàn)地控制單元的遞接采用開(kāi)放式總線型以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)通訊介質(zhì)：

3.1 現(xiàn)地控制單元

現(xiàn)地控制單元LCU通過(guò)PLC可編程控制器，完成對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)采集與處理功能，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向主控級(jí)上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，其中包括：

3.1.1機(jī)組：①機(jī)組電氣量采集；②機(jī)組溫度量采集；③機(jī)組非電采集；④機(jī)組電氣、機(jī)械保護(hù)報(bào)警量采集；⑤機(jī)組輔助設(shè)備模擬量、狀態(tài)量、報(bào)警量采集；⑥機(jī)組累計(jì)發(fā)出的有功電度和無(wú)功電度。

3.1.2 開(kāi)關(guān)站：①電氣量采集；②開(kāi)關(guān)狀態(tài)量采集；③電氣保護(hù)報(bào)警量采集；④累計(jì)發(fā)出有功電度和無(wú)功電度。

3.1.3 公用設(shè)備（包括400 V廠用電系統(tǒng)、高壓氣機(jī)、碟閥油壓裝置、油水風(fēng)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等）：①電氣量采集；②壓力數(shù)據(jù)采集；③設(shè)備狀態(tài)量采集；④電氣、機(jī)械保護(hù)報(bào)警量采集；⑤水位信號(hào)的采集。

3.2 主控級(jí)功能

監(jiān)控系統(tǒng)主控級(jí)自動(dòng)定時(shí)地周期地采集單元控制級(jí)各LCU的有關(guān)過(guò)程參數(shù)（如模擬量、開(kāi)關(guān)量、狀態(tài)量等）并存人數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，對(duì)電站單元控制級(jí)各機(jī)組LCU發(fā)出控制命令，實(shí)現(xiàn)中控室集中監(jiān)控及管理。

3.2.1 運(yùn)行監(jiān)視及事件報(bào)警

a） 定時(shí)更新全站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，在上位機(jī)顯示運(yùn)行監(jiān)視圖、操作接線圖等各種畫(huà)面以及趨勢(shì)曲線一覽表等。實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)，通過(guò)上位機(jī)顯示使操作人員以可清晰的監(jiān)視全站的運(yùn)行狀態(tài)、操作過(guò)程和報(bào)警信息。

b） 對(duì)各LCU采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬量越限比較，超限采用二級(jí)制，對(duì)開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)變化進(jìn)行分析，對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警處理，發(fā)出聲響、報(bào)警打印，自動(dòng)彈出事故提示，畫(huà)面閃光及變色打印事故追憶等，便操作人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理事故。

C） 對(duì)運(yùn)行設(shè)備和各種數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔、統(tǒng)計(jì)，形成運(yùn)行日志，維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)并形成日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表，還可以對(duì)各種報(bào)表進(jìn)行定時(shí)打印、召喚打印和歷史打印。

d） 通過(guò)事故追憶分析事故原因。事故追憶功能是指監(jiān)控對(duì)象發(fā)生事故時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能按照事先設(shè)定的要求和記錄格式：對(duì)事故發(fā)生前后一段時(shí)間內(nèi)與事故相關(guān)的一些重要參量的測(cè)值進(jìn)行自動(dòng)記錄、歸檔，為事故分析提供歷史數(shù)據(jù)。

3.2.2 系統(tǒng)界面及操作

a） 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用圖形人機(jī)對(duì)話方式，操作人員可以通過(guò)控制臺(tái)上的功能鍵盤(pán)和鼠標(biāo)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交換，調(diào)用各種畫(huà)面監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行工況，啟動(dòng)打印記錄，修改越限值，拷貝需要的畫(huà)面等，并對(duì)監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。

b） 全廠電氣接線圖，發(fā)電機(jī)組監(jiān)視圖，顯示機(jī)組的開(kāi)、停機(jī)狀態(tài)，斷路器和隔離開(kāi)關(guān)的分、合閘狀態(tài)，各電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)電壓、電流、有功、無(wú)功值，1號(hào)、2號(hào)廠變、廠用母線I段，廠用母線Ⅱ段，及廠用母線至各配電開(kāi)關(guān)柜的接線，能顯示斷路器、隔離開(kāi)關(guān)的分合閘狀態(tài)及廠用變壓器低側(cè)電流，廠用變壓器有功、無(wú)功、廠用低壓母線低壓值，以及能夠顯示機(jī)組的各種非電量參數(shù)，包括導(dǎo)葉開(kāi)度、上游水位、下游水位、凈水頭等。

c） 機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)程監(jiān)視圖，能分步顯示開(kāi)停機(jī)流程框圖，顯示機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)程中發(fā)電機(jī)組有功，無(wú)功，機(jī)端電壓，定子電流，及勵(lì)磁電流、電壓實(shí)時(shí)數(shù)值，及斷路器，滅磁開(kāi)關(guān)，調(diào)速器等投切狀態(tài)及控制方式，并且能發(fā)出開(kāi)停機(jī)（計(jì)算機(jī)控制時(shí)），調(diào)帶功率、頻率等指令。

全廠供排水系統(tǒng)圖、全廠油系統(tǒng)圖、全廠壓縮空氣系統(tǒng)圖、全廠水力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖、全廠負(fù)荷系統(tǒng)圖，顯示了全廠的運(yùn)行工況。

3.3 計(jì)算機(jī)監(jiān)控的效果

3.3.1 操作安全性

a）計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)設(shè)備的操作均有閉鎖條件和確認(rèn)菜單對(duì)話框，運(yùn)行人員只有在條件滿足并通過(guò)確認(rèn)后才能執(zhí)行，這樣，減少人為誤操作，提高運(yùn)行的可靠性。 b） 本系統(tǒng)設(shè)有密碼分級(jí)管理，運(yùn)行人員使用前必須先注冊(cè)，經(jīng)確認(rèn)后才能操作。同時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)記錄操作時(shí)間和操作人姓名，這樣就能避免無(wú)關(guān)人員操作設(shè)備造成事故。

3.3.2 控制安全性

a） 選用高性能的硬件，合理配置系統(tǒng)，選用成熟的組態(tài)軟件，采取正確的控制方式，并把一些安全防范設(shè)于每道控制程序之中。把常規(guī)由運(yùn)行人員把關(guān)的問(wèn)題現(xiàn)由計(jì)算機(jī)把關(guān)，具有相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋O(jiān)視，判斷和防誤閉鎖功能，對(duì)保證設(shè)備安全運(yùn)行起到重大作用。

b） 在事故處理方面由于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)詳細(xì)記錄開(kāi)關(guān)設(shè)備狀態(tài)，電氣模擬量、繼電保護(hù)動(dòng)作的情況，時(shí)間分辨高，并有事故追憶軟件，對(duì)分析事故、查找事故原因迅速除故障起到很大的作用。

3.4 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面

3.4.1與常規(guī)監(jiān)控方式比較起來(lái)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用集中監(jiān)控。設(shè)備控制操作簡(jiǎn)單，免去常規(guī)操作繁鎖的操作步驟，減少人為操作錯(cuò)誤，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約人力資源，降低經(jīng)營(yíng)成本。

3.4.2 采用微機(jī)同期裝置，并網(wǎng)速度快，減少水資源浪費(fèi)。

4. 結(jié)語(yǔ)

大河水電站通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施以來(lái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電站的自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)監(jiān)視與調(diào)節(jié)，明顯提高電站的自動(dòng)化管理水平和安全運(yùn)行水平；H9000監(jiān)控裝置的開(kāi)停機(jī)、并網(wǎng)、電機(jī)出力等操作自如，電站實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，年發(fā)電量達(dá)到原設(shè)計(jì)效果。

我省中小水電站總裝機(jī)近500萬(wàn)kW，中小水電站作為我省水利水電的半壁河山，更應(yīng)適應(yīng)當(dāng)今科技發(fā)展步伐，裝備一流設(shè)備裝置。總之，水電站實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)化可以全面地提高水電站的技術(shù)水平和運(yùn)行管理水平，使其能適應(yīng)現(xiàn)代化水電運(yùn)營(yíng)的需要。

作者簡(jiǎn)介

林智海（1978—），男，民族：漢族。大學(xué)本科畢業(yè)，自動(dòng)控制工程師。從事水電站自動(dòng)化微機(jī)監(jiān)控研究工作。