淺談小型水電站無人值守運(yùn)行模式

董彩宏，楊建偉，岳偉志，劉德利

(石家莊科林電氣股份有限公司, 河北 石家莊 050061)

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淺談小型水電站無人值守運(yùn)行模式

董彩宏，楊建偉，岳偉志，劉德利

(石家莊科林電氣股份有限公司, 河北 石家莊 050061)

摘要：針對目前部分水電站無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端集中控制、水電站數(shù)據(jù)無法在線實(shí)時傳輸?shù)缴霞壵{(diào)度控制中心等方面存在的問題，提出了實(shí)現(xiàn)水電站自動化、遠(yuǎn)端集中化的建設(shè)性方案，該方案可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性、可靠性。圖1幅。

關(guān)鍵詞：小水電站；自動化；遠(yuǎn)端集中控制；無人值守

0引言

由于我國小型水電站數(shù)量眾多且大多地處偏僻，交通十分不便，給其上級主管單位的管理帶來許多困難，而且現(xiàn)行的運(yùn)行管理模式也造成運(yùn)行管理費(fèi)用比較高。但如果將自動化技術(shù)中的遠(yuǎn)端集中控制及無人值守的運(yùn)行方式應(yīng)用在小型水電站上，則可以大大降低運(yùn)行成本，推動和促進(jìn)水電站運(yùn)行管理體制的改革。

遠(yuǎn)端集中控制，就是對水電站的一切控制(如機(jī)組啟動、停機(jī)、工況轉(zhuǎn)換、有功及無功調(diào)整、運(yùn)行監(jiān)視及設(shè)備操作等)都是在距離水電站較遠(yuǎn)的控制中心完成，在水電站內(nèi)不實(shí)施操作。

無人值守，是指水電站內(nèi)無值守人員，廠房內(nèi)無值班人員，水電站完全封閉，對水電站的一切控制都是由上級調(diào)度控制中心值班人員或由自動裝置實(shí)施，并通過電站內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)自動完成；而其巡檢、清掃、維護(hù)均由上級調(diào)度控制中心定期派人員完成。

遠(yuǎn)端集中控制是實(shí)現(xiàn)無人值守的基礎(chǔ)，無人值守是遠(yuǎn)動控制實(shí)施的目的。

1自動化技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人值班的意義

水電站自動化就是要使水電站生產(chǎn)過程的操作、控制和監(jiān)視能夠在無人直接參與的情況下，按預(yù)定的計(jì)劃或程序自動地進(jìn)行。水電站自動化程度是水電站現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志，同時，自動化技術(shù)又是水電站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行必不可少的技術(shù)手段。小型水電站自動化的作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1提高小型水電站運(yùn)行的可靠性

小型水電站大多存在運(yùn)行維護(hù)人員專業(yè)水平不理想的現(xiàn)實(shí)情況，造成水電站運(yùn)行可靠性較低，設(shè)備隱患不能及時發(fā)現(xiàn)，誤操作較多，電站利用率下降。水電站實(shí)現(xiàn)自動化及完全無人值班后，一方面可通過各種自動裝置快速、準(zhǔn)確、及時地進(jìn)行檢測、記錄和報(bào)警，既可防止不正常工作狀態(tài)發(fā)展成事故,又可使發(fā)生事故的設(shè)備免遭更嚴(yán)重的損壞，從而提高了供電的可靠性。另一方面，通過各種自動裝置來完成水電站的各項(xiàng)操作和控制(如開停機(jī)操作和并網(wǎng))，不僅可以大大減少運(yùn)行人員誤操作的可能，從而也減少了發(fā)生事故的機(jī)會；而且還可大大加快操作或控制的過程，尤其在發(fā)生事故的緊急情況下，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行和對用戶的正常供電，具有非常重大的意義。

1.2提高小型水電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性

水電站實(shí)現(xiàn)自動化后，可根據(jù)系統(tǒng)分配給電站的負(fù)荷和電站的具體條件，合理地進(jìn)行調(diào)度，保持高水頭運(yùn)行；同時合理選擇開機(jī)臺數(shù)，使機(jī)組在高效率區(qū)運(yùn)行，以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。如何實(shí)現(xiàn)各電站合理最優(yōu)調(diào)度，避免不必要的棄水，充分利用好水力資源，對于梯級電站來說尤為重要。此外，水電站通常是水利資源綜合利用的一部分，要兼顧電力系統(tǒng)、灌溉、防洪等多項(xiàng)要求，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件復(fù)雜，單憑人工控制很難實(shí)現(xiàn)。實(shí)行自動化以后，將有助于電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。特別是對于具有調(diào)節(jié)能力的水電站，應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)不但可對水庫來水進(jìn)行預(yù)報(bào)計(jì)算，還可綜合水位、流量、系統(tǒng)負(fù)荷和各機(jī)組參數(shù)等參量，按經(jīng)濟(jì)運(yùn)行程序進(jìn)行自動控制，大大提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

1.3保證電能質(zhì)量

電力產(chǎn)品中電壓和頻率是作為衡量電能質(zhì)量好壞兩項(xiàng)基本指標(biāo)，電壓正常偏移不超過額定值的±5%，頻率正常偏移不超過額定值的±0.2～0.5 Hz。電壓或頻率的穩(wěn)定主要取決于電力系統(tǒng)中無功功率和有功功率的平衡，因此要維持系統(tǒng)電壓和頻率在規(guī)定范圍內(nèi)，就必須迅速而又準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)有關(guān)發(fā)電機(jī)組發(fā)出的有功和無功功率。特別是在發(fā)生事故的情況下，快速的調(diào)節(jié)或控制對迅速恢復(fù)電能質(zhì)量具有決定性的意義；而這個過程，單純靠手動操作，無論在速度方面還是在精度方面都是難于實(shí)現(xiàn)的，只能借助于自動裝置來完成。小型水電站經(jīng)常脫網(wǎng)運(yùn)行，這種情況下，提高電能質(zhì)量，保證用發(fā)電設(shè)備及農(nóng)村用電設(shè)備安全就顯得尤為重要。

2技術(shù)關(guān)鍵

2.1水電站站內(nèi)自動化

(1)水工建筑物。對于水工建筑物部分，其進(jìn)水口閘門須設(shè)置冗余控制，既可實(shí)現(xiàn)站內(nèi)手動及監(jiān)控系統(tǒng)自動控制開關(guān)，也可以由遠(yuǎn)端控制中心控制開關(guān)。

(2)水力機(jī)械及輔助設(shè)備。對于在發(fā)生后將產(chǎn)生災(zāi)難性后果的事故(如飛車、調(diào)速器低油壓緊急停機(jī)、冷卻水失去等)，必須設(shè)置多級或多重保護(hù)措施；對于在發(fā)生后短期內(nèi)不會造成嚴(yán)重后果的事故，必須發(fā)出告警信號通知站內(nèi)及遠(yuǎn)端控制中心，并可以就地及監(jiān)控系統(tǒng)控制。

(3)機(jī)電。電氣設(shè)備的自動倒閘操作、監(jiān)控系統(tǒng)開停機(jī)操作等，其閉鎖裝置及條件必須更加嚴(yán)密，防止誤動。

(4)消防。全站要裝設(shè)自動煙火報(bào)警裝置，信號同時作用于站內(nèi)及遠(yuǎn)端控制中心，并由監(jiān)控系統(tǒng)自動控制啟動消防設(shè)施。

(5)操作機(jī)構(gòu)。對于以上各項(xiàng)保護(hù)，要根據(jù)實(shí)際需要，將操作機(jī)構(gòu)設(shè)置冗余，防止拒動情況導(dǎo)致事故的發(fā)生或擴(kuò)大。

(6)其他。為防止壓力鋼管、技術(shù)供水干管、消防供水干管破裂后導(dǎo)致水淹廠房，相應(yīng)要裝設(shè)預(yù)警裝置，同時應(yīng)自動快速關(guān)閉閘門或電動閥門，并由上級調(diào)度中心遠(yuǎn)方控制關(guān)閉。集水井排水能力要適當(dāng)加大，站內(nèi)要有足夠的防水及告警措施。對于無人值守電站還必須設(shè)置防盜竊監(jiān)視系統(tǒng)，其音像信號直接作用于遠(yuǎn)端控制中心，并由遠(yuǎn)端控制中心開啟站內(nèi)音響警報(bào)，并召喚安全保衛(wèi)人員趕赴現(xiàn)場進(jìn)行處理。還必須設(shè)置防生物措施，以防由于動物進(jìn)入站內(nèi)或植物生長而導(dǎo)致事故發(fā)生，并由防盜竊監(jiān)視系統(tǒng)予以輔助監(jiān)視，巡檢人員要定期進(jìn)行檢查和維護(hù)。

2.2自動控制過程中保持機(jī)組狀態(tài)穩(wěn)定

隨著自動化元件的技術(shù)不斷提高，而且自動化元件大量應(yīng)用于水電站中，小型水電站內(nèi)自控功能基本都能實(shí)現(xiàn)。但是，小型水電站受系統(tǒng)影響較大，而且多臺機(jī)組運(yùn)行會出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況，所以在自動控制過程中應(yīng)保持機(jī)組狀態(tài)穩(wěn)定。

2.2.1 一鍵開機(jī)停機(jī)過程中保持功率因數(shù)恒定

在一鍵開機(jī)和一鍵停機(jī)的過程當(dāng)中，都有一個機(jī)組有功功率和無功功率比較大的波動過程。以一鍵停機(jī)的過程為例，在中控下達(dá)停機(jī)令以后，機(jī)組開始減少有功出力和無功出力，而有功出力和無功出力的大小是通過PLC控制繼電器的閉合來實(shí)現(xiàn)的。對于不同的機(jī)組、不同的勵磁控制器調(diào)節(jié)勵磁和水輪機(jī)導(dǎo)葉的繼電器，閉合相同的時間有功和無功的變化量是不同的。這樣問題就出來了，當(dāng)一個機(jī)組開始減有功和無功的時候，有功降低得非?？?，但是無功功率降低得非常緩慢；而PLC程序判定無功功率沒有達(dá)到設(shè)定值的時候還不會發(fā)出跳斷路器命令而是繼續(xù)降低有功無功，嚴(yán)重情況下機(jī)組已經(jīng)低頻了但是無功還很高；如果電站裝有低頻保護(hù)裝置的時候，則低頻保護(hù)動作；這樣正常的停機(jī)過程就變成了事故跳閘過程。針對于這個問題，提出了停機(jī)過程中保持功率因數(shù)恒定的思想。在PLC程序中給定停機(jī)跳斷路器的時候有功和無功功率的值，并計(jì)算出功率因數(shù)；用計(jì)算出的功率因數(shù)分別乘以上下限系數(shù)，得到一個功率因數(shù)的上下限。當(dāng)一鍵停機(jī)指令下達(dá)以后，PLC實(shí)時采集有功和無功功率的實(shí)際值并計(jì)算功率因數(shù)，當(dāng)計(jì)算得到的實(shí)際功率因數(shù)低于設(shè)定的功率因數(shù)下限的時候，則閉鎖減有功繼電器的動作；當(dāng)功率因數(shù)高于設(shè)定功率因數(shù)的上限的時候，則閉鎖減少無功繼電器的動作；當(dāng)功率因數(shù)在設(shè)定的上下限范圍內(nèi)的時候則不閉鎖任何繼電器。這樣，在整個停機(jī)的過程當(dāng)中，可以維持功率因數(shù)的恒定。當(dāng)有功和無功功率降低到設(shè)定值以后，自動跳開斷路器，解決了停機(jī)引起事故跳閘的問題。在一鍵開機(jī)的過程中，同樣按照上面的方法判定。

2.2.2機(jī)組發(fā)電過程中維持機(jī)組有功無功的穩(wěn)定措施

在機(jī)組運(yùn)行的過程中，特別是多個機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行而機(jī)組參數(shù)不一樣的時候，會發(fā)生機(jī)組間無功不平衡的現(xiàn)象，有的機(jī)組無功功率不斷增大而有的機(jī)組則不斷減小，久之則發(fā)生跳閘事故。基于這個問題，提出如下解決方案：

在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行之前，在PLC內(nèi)部設(shè)定有功功率和無功功率的值，并計(jì)算出功率因數(shù)。將有功功率和無功功率分別乘以各自的上下限系數(shù)，當(dāng)?shù)陀谙孪拗档臅r候，則增大出力，當(dāng)高于上限值的時候則減小出力。調(diào)節(jié)的過程保持功率因數(shù)的平衡(保持方法見一鍵開機(jī)停機(jī)過程)。這樣機(jī)組運(yùn)行起來以后，形成閉環(huán)的調(diào)節(jié)，保持了機(jī)組穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3可靠的通訊系統(tǒng)

整個機(jī)組系統(tǒng)具有強(qiáng)大的通訊網(wǎng)絡(luò)，能夠迅速穩(wěn)定的將全站的信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，傳輸?shù)男畔C(jī)組遙測、遙信、告警、SOE等。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫功能將采集到的數(shù)據(jù)形成報(bào)表、曲線、記錄等記錄文件，能夠向用戶準(zhǔn)確的反映全站的實(shí)時信息和全站的歷史信息，真正的實(shí)現(xiàn)全站無人值班的要求(見圖1)。

圖1電站通信系統(tǒng)示意

如圖1所示，對于執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議的儀表或者智能設(shè)備，PLC采用與之相同的協(xié)議進(jìn)行通訊，完成對智能儀表的數(shù)據(jù)采集。對于采用非標(biāo)準(zhǔn)或者自由協(xié)議的設(shè)備，PLC則可以通過自由口通訊技術(shù)與之進(jìn)行通訊。通過PLC強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集功能，實(shí)現(xiàn)了各種智能儀表數(shù)據(jù)的上傳。PLC采集到數(shù)據(jù)以后，通過PLC內(nèi)的邏輯程序和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和PLC通訊過程中嚴(yán)格按照PLC對上所能支持的協(xié)議進(jìn)行通訊。例如，西門子S7—200系列PLC可以按照Modbus協(xié)議對計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳，而歐姆龍的CJ—2M系列PLC則可以通過FINS協(xié)議和計(jì)算監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)集成了各大知名廠商的通訊協(xié)議，能夠和多款PLC進(jìn)行完美對接。對于市場不常見的PLC，則可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的可拓展性，在其內(nèi)部進(jìn)行協(xié)議的添加。

PLC向計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)可以通過星形或者環(huán)網(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)定傳輸，對于通訊距離比較遠(yuǎn)的項(xiàng)目還可以采用光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸。PLC也可以通過總線的方式向監(jiān)控系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，因?yàn)橐源谕ㄓ嵎绞较蛴?jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的PLC，由于計(jì)算機(jī)的串口數(shù)量一般有限，故此，我們在系統(tǒng)中添加了串口服務(wù)器，將多個虛擬的串口添加到計(jì)算機(jī)中，從而完成串口通訊。

2.4可靠的遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)

小型水電站無人值守自動化系統(tǒng)以遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為核心，通過應(yīng)用到全站的自動微機(jī)保護(hù)裝置、自動微機(jī)勵磁裝置、自動微機(jī)調(diào)速裝置以及其他自動化元器件來完成對小型水電站的機(jī)組以及其他公用輔助設(shè)備的自動啟動、停止的控制和監(jiān)視，還有對負(fù)荷的調(diào)節(jié)和分配乃至整個輸電線路運(yùn)行的自動控制。完善、可靠的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能有效地完成對機(jī)組和主設(shè)備的各項(xiàng)操作和控制，提高電站的運(yùn)行管理水平。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用的是冗余設(shè)計(jì)的雙網(wǎng)配置，也就是將上位機(jī)和下位機(jī)采用雙以太網(wǎng)系統(tǒng)和雙現(xiàn)場總線網(wǎng)配置，運(yùn)行中能自動切換，保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行。

概括起來，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)有以下幾點(diǎn)要求：對計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的所有模擬量、數(shù)字量等輸入量要進(jìn)行快速巡查，具有越限報(bào)警以及事情順序記錄等功能；要能夠?qū)C(jī)組的起、停和各種工況的轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行控制，監(jiān)視以及操作；可以對機(jī)組的有功功率和電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)；電站的機(jī)組、變壓器、開關(guān)等各種設(shè)備產(chǎn)生異常情況時要能夠迅速將信息傳遞到控制中心并自動報(bào)警，同時也要能夠事故停機(jī)；要能夠自動平穩(wěn)切換以及讓管理人員能夠方便快捷地與計(jì)算機(jī)聯(lián)系，通過與控制中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的協(xié)作來實(shí)現(xiàn)遙控、遙調(diào)、遙信、遙測、遙視等五大功能。

3結(jié)語

總之，小型水電站實(shí)現(xiàn)無人值班運(yùn)行模式后不僅提高了水電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和工作的可靠性，保證了電能質(zhì)量；而且提高了勞動生產(chǎn)率，改善了勞動條件，從而提高了電站運(yùn)行的效益。隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，水資源開發(fā)利用程度的加大，水電站無人值班運(yùn)行模式將是一種發(fā)展趨勢。

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責(zé)任編輯吳昊

作者簡介：董彩宏(1966-)，女，工程師，主要從事水電站自動化系統(tǒng)的研究工作。

收稿日期：2016-01-05

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