汾河水電站信息系統(tǒng)改造探析

孟慧海

（山西省萬家寨引黃工程管理局，山西 太原 030012）

1 概況

汾河水庫設(shè)計(jì)總庫容7.21億m3，最大回水長度18 km，最大回水面積32 km2，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚的大（二）型水利樞紐。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水設(shè)計(jì)，2000年一遇洪水校核。

汾河水電站為壩后引水式季節(jié)性電站，裝機(jī)容量2×6500 kW。該電站建成投產(chǎn)運(yùn)行幾十年來，給當(dāng)?shù)貒窠?jīng)濟(jì)發(fā)展、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了可靠的電力能源。近年來，由于機(jī)組設(shè)備老化、效率下降，運(yùn)行中出現(xiàn)了不穩(wěn)定的情況，導(dǎo)致電能輸出質(zhì)量下降。目前汾河水庫防洪與發(fā)電的客觀條件良好，根據(jù)當(dāng)前農(nóng)村水電增容擴(kuò)容改造項(xiàng)目精神，結(jié)合實(shí)際充分利用水資源，對現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了改造。

2 汾河水電站監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況

2.1 原有監(jiān)控系統(tǒng)

汾河水電站監(jiān)控系統(tǒng)為通過國際小水電合作項(xiàng)目。全套監(jiān)控設(shè)備為加拿大Powerbase自動化公司捐贈，于2006年開始啟用，電站自動化監(jiān)控屬國際化產(chǎn)品。

2.2 水電站信息系統(tǒng)運(yùn)行狀況

電站在2013年和2014年運(yùn)行期間連續(xù)出現(xiàn)異常停機(jī)的工況，經(jīng)反復(fù)運(yùn)行調(diào)整，電站一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)。究其原因有：

第一，機(jī)組數(shù)據(jù)信息采集出現(xiàn)故障，連續(xù)出現(xiàn)異常停機(jī)。數(shù)據(jù)信息采集出現(xiàn)故障，運(yùn)行人員無法及時(shí)全方位了解發(fā)電機(jī)、軸承的運(yùn)行狀況。2013年八九月及2014年二三月發(fā)電期間異常停機(jī)次數(shù)均超過10次，安全運(yùn)行無法保證。運(yùn)行期間每次事故停機(jī)，跳閘后水輪機(jī)控制模塊不能發(fā)送關(guān)閉調(diào)速器和蝶閥信號，導(dǎo)致機(jī)組過速運(yùn)行，易產(chǎn)生“飛車”現(xiàn)象。

第二，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用過高。經(jīng)調(diào)查，該系統(tǒng)運(yùn)行8年來的設(shè)備更換維護(hù)費(fèi)用過高，且使用界面為英文界面，運(yùn)行人員只能做到簡單操作，對異常情況很難及時(shí)處理；另外由于該系統(tǒng)是原裝進(jìn)口系統(tǒng)，需國外技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)支持，維護(hù)費(fèi)用大大增加，且不能及時(shí)解決，對電站造成不小的損失。

第三，自動化體系與國內(nèi)差別大。該系統(tǒng)的開停機(jī)、同期、數(shù)據(jù)處理等程序都是固化在各種模塊內(nèi)，缺少靈活性，對于不同或臨時(shí)增加的一些現(xiàn)場要求進(jìn)行更改還需求助于生產(chǎn)廠家技術(shù)人員，導(dǎo)致不能滿足或不能及時(shí)滿足生產(chǎn)需要。而國內(nèi)運(yùn)行流程的數(shù)據(jù)處理是通用和透明的，同期裝置為獨(dú)立的操作儀器，可根據(jù)工況進(jìn)行調(diào)整。這與國內(nèi)目前采用的成熟方案有較大差異。

第四，數(shù)據(jù)采集通信不暢。溫度的采集主要通過模塊采集，僅在觸摸屏上進(jìn)行顯示，不能送至后臺，導(dǎo)致運(yùn)行人員無法及時(shí)全方位了解發(fā)電機(jī)、軸承等處的溫度，加大了運(yùn)行人員的勞動強(qiáng)度。

第五，控制方式與國內(nèi)成熟產(chǎn)品存在差異。由于模塊的過于集成化，某一模塊出現(xiàn)問題導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，特別是保護(hù)裝置融合在一體，在監(jiān)控失效的同時(shí)，保護(hù)裝置退出工作，影響了機(jī)組的手動運(yùn)行，且運(yùn)行人員對出現(xiàn)的異常情況不能及時(shí)排查。

第六，運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定。目前該系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)停機(jī)狀態(tài)，運(yùn)行狀態(tài)極不穩(wěn)定。

第七，通信系統(tǒng)與國內(nèi)設(shè)備不兼容。該系統(tǒng)采用485通訊，通訊方式具有相對局限性，其通信規(guī)約屬早期的通訊規(guī)約，國內(nèi)應(yīng)用并不廣泛，而現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)基本具備以太網(wǎng)口，便于組成網(wǎng)絡(luò)，方便數(shù)據(jù)傳遞。

第八，電站監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行方式與國內(nèi)存在差異。國內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)具有獨(dú)立的同期裝置、獨(dú)立的溫度巡檢裝置、保護(hù)裝置的分布式系統(tǒng)。加拿大Powerbase小型水電站系統(tǒng)采用該公司獨(dú)立研發(fā)的系統(tǒng)。在機(jī)組保護(hù)等方面采用了整體化分級模塊的方式，當(dāng)其中一個(gè)模塊出現(xiàn)問題時(shí)會影響其他模塊的工作與運(yùn)行。而且在顯示運(yùn)行狀況時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)全英文界面，不便于運(yùn)行人員操作和掌握。

2.3 電站監(jiān)控系統(tǒng)改造必要性分析

2.3.1 完善電站安全運(yùn)行

目前，國內(nèi)的水電站自動化系統(tǒng)日趨成熟，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)充分參考了國際標(biāo)準(zhǔn)，控制水平也達(dá)到了國外同類技術(shù)水平，并且可結(jié)合國內(nèi)電站運(yùn)行特點(diǎn)建設(shè)。信息系統(tǒng)具有良好的通用性、可擴(kuò)容性和升級能力。

2.3.2 運(yùn)行基礎(chǔ)可靠

目前，汾河電站正在進(jìn)行增容改造工程項(xiàng)目，其水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速、輔機(jī)系統(tǒng)、電氣設(shè)備均進(jìn)行了更新，與原有自動化系統(tǒng)相對接，存在很大的困難，直接影響到電站運(yùn)行。建立新的系統(tǒng)可根據(jù)新采購設(shè)備重新合理設(shè)計(jì)，避免設(shè)備與控制不配套。

2.3.3 便于與運(yùn)行人員相結(jié)合

國內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的人員培訓(xùn)和技術(shù)支持比較完善，而且不存在語言和交流上的困難，對運(yùn)行人員素質(zhì)要求較低，有利于人員技術(shù)水平短期內(nèi)較大提高。

2.3.4 實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)對電站通信及調(diào)度自動化

目前，電站電力系統(tǒng)通信方式和信息采集方式均不穩(wěn)定，新系統(tǒng)的建立將為電網(wǎng)通信打下良好基礎(chǔ)。

3 改造方案

3.1 改造原則

一是電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用最新的計(jì)算機(jī)硬件、軟件及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，按全計(jì)算機(jī)監(jiān)控、微機(jī)保護(hù)進(jìn)行配置，計(jì)算機(jī)監(jiān)控、保護(hù)系統(tǒng)能夠滿足自動控制和安全自動化要求，保證電站運(yùn)行管理能達(dá)到“無人值班，少人值守”。

二是電站監(jiān)控系統(tǒng)滿足工業(yè)要求的安全可靠、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。

三是系統(tǒng)設(shè)備選用國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國內(nèi)成熟穩(wěn)定的技術(shù)產(chǎn)品，并且在國內(nèi)有良好的運(yùn)行業(yè)績和穩(wěn)定的運(yùn)行時(shí)間，保證系統(tǒng)有穩(wěn)定可靠的備品備件和產(chǎn)品升級與更新?lián)Q代，充分保證電站的投資和利益。

四是系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)，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。

五是系統(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，能完成各種現(xiàn)地控制，滿足電站運(yùn)行人員操作習(xí)慣。

六是監(jiān)控系統(tǒng)具有多種通信接口，便于與勵磁、調(diào)速器、直流系統(tǒng)等站內(nèi)智能設(shè)備進(jìn)行通信，同時(shí)預(yù)留遠(yuǎn)方調(diào)度等通信接口。

3.2 改造方案

電站監(jiān)控系統(tǒng)采用全分布開放式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，單層工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。其控制級別分為站控級、現(xiàn)地控制級。

站控級設(shè)主控級計(jì)算機(jī)兼操作人員工作站和系統(tǒng)服務(wù)器2臺，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備用。同時(shí)設(shè)置通信服務(wù)器1臺以及GPS和網(wǎng)絡(luò)交換等設(shè)備。站控級主要完成以下功能：負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理各現(xiàn)地控制單元的工作、收集有關(guān)信息并作相應(yīng)處理和存儲；通過人機(jī)接口對數(shù)據(jù)庫和畫面在線修改、進(jìn)行人工設(shè)定、設(shè)置監(jiān)控狀態(tài)、修改定值等，并可下傳控制指令至現(xiàn)地級。

現(xiàn)地控制級配置機(jī)組LCU、公用設(shè)備LCU等現(xiàn)地控制單元。主要完成以下功能：現(xiàn)地LCU完成機(jī)組各種模擬量、開關(guān)量的采集、計(jì)算、工程量變換，進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性校核等；顯示機(jī)組參數(shù)和狀態(tài)量、機(jī)組輔助設(shè)備的狀態(tài)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘；機(jī)組LCU自動按流程完成開停機(jī)操作。在接收站控級命令后，自動完成主/備轉(zhuǎn)換及運(yùn)行工況調(diào)節(jié)或分步手動完成；機(jī)組LCU通過自動準(zhǔn)同期裝置或手動準(zhǔn)同期裝置，進(jìn)行同期操作；公用設(shè)備LCU完成對變電站和全廠公用設(shè)備的信息采集和控制。

4 結(jié)論

汾河水電站于2015年4月通過了機(jī)組試運(yùn)行驗(yàn)收。目前，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定、狀態(tài)良好，運(yùn)行人員對新系統(tǒng)可以較快熟悉，機(jī)組運(yùn)行效率得到了提高，達(dá)到了原改造目標(biāo)。