某水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

歐耘天

（韶關(guān)市水利水電勘測設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東韶關(guān) 512026）

電力資源作為重要的能源之一，可滿足人們生產(chǎn)生活用電需求。而為確保電力資源的穩(wěn)定、安全供應(yīng)，需要做好水電站建設(shè)工作。我國幅員遼闊，水電站分布廣泛，不乏一些水電站在長期的使用中超負(fù)荷工作或者處于年久失修的狀態(tài)，設(shè)施老舊，故障頻發(fā)。而隨著技術(shù)的創(chuàng)新，自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)研究及應(yīng)用更為成熟，也帶動(dòng)水電站自動(dòng)化監(jiān)控改造，以提升電能質(zhì)量，提升供電服務(wù)水平。

1 水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)組成

目前，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用表現(xiàn)對應(yīng)不同的水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成模式。①以計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)作為輔助監(jiān)控的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，核心構(gòu)成是常規(guī)的自動(dòng)化裝置，負(fù)責(zé)對水電站運(yùn)行情況相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理。該模式下，一旦自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)問題，水電站其他自動(dòng)化裝置仍可正常工作，以確保電能供應(yīng)的穩(wěn)定。②以計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為主控制系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)[1]。這種監(jiān)控系統(tǒng)的核心操作體是自動(dòng)化裝置，多數(shù)情況下不保留常規(guī)的自動(dòng)化裝置，但這種自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行安全性要求較高，若計(jì)算機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)問題，會造成整個(gè)水電站供電系統(tǒng)的癱瘓。③雙重配置的監(jiān)控系統(tǒng)。自動(dòng)化裝置與常規(guī)監(jiān)控裝置同時(shí)運(yùn)行，增強(qiáng)水電站運(yùn)行中的穩(wěn)定性與安全性。目前在水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)改造中得到了廣泛應(yīng)用。

1.2 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

水電站是借助水力發(fā)電，利用水流作用，推動(dòng)水利機(jī)械水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將水流產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。水電站中設(shè)置自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，主要是發(fā)揮計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、相關(guān)輔助監(jiān)控設(shè)備及電氣監(jiān)控設(shè)備的作用，負(fù)責(zé)整個(gè)水電站的的自動(dòng)化功能：安全監(jiān)視、控制操作等；歷史數(shù)據(jù)處理：運(yùn)行報(bào)表、設(shè)備檔案、運(yùn)行參數(shù)等；人機(jī)對話：對運(yùn)行設(shè)備的監(jiān)視、事故和故障報(bào)警，對運(yùn)行設(shè)備的人工干預(yù)及各種參數(shù)的修改和設(shè)置等，以幫助水電站工作人員及時(shí)了解生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理以及對設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視、調(diào)整和控制等功能。保證水電站供電穩(wěn)定性，更好滿足客戶用電需求。

2 水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

在水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)明確設(shè)計(jì)原則。具體來說，要堅(jiān)持實(shí)用性、可靠性原則，在設(shè)計(jì)水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，堅(jiān)持面向應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)實(shí)效發(fā)揮[2]。秉承逐步完善的理念，讓技術(shù)應(yīng)用更理想，設(shè)備運(yùn)作更成熟。要堅(jiān)持先進(jìn)性、成熟性、可擴(kuò)展性原則，在滿足實(shí)用性原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)水利發(fā)電站的具體情況，選擇先進(jìn)的設(shè)備，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，綜合的布線方式及模塊化設(shè)計(jì)。以更好地適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)管理的需要，以系統(tǒng)可擴(kuò)展性能優(yōu)勢的發(fā)揮，方便后續(xù)新設(shè)備的增加，新功能的擴(kuò)展讓步，也讓不同系統(tǒng)能有效兼容。要堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)性原則，爭取最少的成本投入，獲得最理想的效益回報(bào)[3]。這要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型都要綜合對比，優(yōu)中選優(yōu)，以確保整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及改造建設(shè)對應(yīng)最理想的。

3 個(gè)案：山口一級水電站運(yùn)行情況

山口一級電站為1995年8月正式投產(chǎn)發(fā)電的老電站，電站至今已運(yùn)行23 a，受當(dāng)時(shí)生產(chǎn)條件限制，機(jī)組效率較低，水輪機(jī)效率大約在為85.5%左右，經(jīng)過20多年的運(yùn)行，設(shè)備進(jìn)一步磨損、老化，效率更低，目前效率在為82%左右。存在的主要問題有：①水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片磨損、空蝕嚴(yán)重，轉(zhuǎn)輪效率偏低，機(jī)組出力度下降，出力為3 860 kW，推力軸瓦溫度偏高；②轉(zhuǎn)輪效率低，汽蝕嚴(yán)重，調(diào)速器調(diào)節(jié)柜部分經(jīng)改造后性能較好；③水力機(jī)械輔助設(shè)備老化，自動(dòng)化程度低，2#機(jī)蝶閥有機(jī)械故障，操作不靈敏；④發(fā)電機(jī)絕緣老化，2016—2017年定子線圈擊穿了3次，定子線圈無測溫電阻；⑤勵(lì)磁設(shè)備老化技術(shù)落后；⑥高低壓柜及控制設(shè)備技術(shù)落后，另外水輪機(jī)停機(jī)時(shí)不能密封，滲漏水較大，高壓柜開關(guān)為油開關(guān)，性能差；⑦控制保護(hù)仍為未常規(guī)控制保護(hù)，設(shè)備老化，技術(shù)落后，自動(dòng)化程度低，運(yùn)行不穩(wěn)定，可靠性差。由于上諸多述原因，造成電站發(fā)電效益逐年降低，而且機(jī)電設(shè)備維護(hù)工作量大，維護(hù)費(fèi)用高，水能資源得不到充分利用。因此該水電站技術(shù)改造提上議程。本文就自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)及改造進(jìn)行論述。

4 水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)實(shí)際情況明確設(shè)計(jì)思路。對山口一級水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)以信息采集全面精準(zhǔn)、控制功能齊全可靠、自動(dòng)化程度高為基本設(shè)計(jì)原則，力求通過自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“無人值班，少人值守”，變原有的常規(guī)運(yùn)行值班、人員巡視為定期現(xiàn)場巡視、遠(yuǎn)程控制。以自動(dòng)化監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對水電站運(yùn)行情況的即時(shí)把控，以做到監(jiān)控的不間斷、無死角。

4.2 設(shè)計(jì)框架

為了適應(yīng)電站今后走上科學(xué)管理運(yùn)行的要求，實(shí)行“少人值班”的原則，山口一級電站擴(kuò)容改造工程采用微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對電站進(jìn)行控制，該系統(tǒng)技術(shù)目前日益趨于成熟，配置有打印機(jī)、報(bào)警及音響系統(tǒng)功能，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[4]。工作人員在中控室微機(jī)系統(tǒng)上操作就可實(shí)現(xiàn)全廠的監(jiān)控，包括自動(dòng)執(zhí)行開機(jī)、停機(jī)、并網(wǎng)、帶上負(fù)荷等操作，發(fā)出一個(gè)停機(jī)命令就可以完成機(jī)組御負(fù)荷、停機(jī)、剎車制動(dòng)的作業(yè)全過程，并配有相應(yīng)的自動(dòng)化元件，包括電磁空氣閥、溫度信號器、示流信號及壓力信號器等。機(jī)組采用與微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)配套的可控硅自并勵(lì)磁裝置，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。自動(dòng)化改造涉及機(jī)電設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 自動(dòng)化改造涉及機(jī)電設(shè)備參數(shù)

4.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.3.1 自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在山口一級電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中力求取消原來所有常規(guī)控制屏柜，用計(jì)算機(jī)監(jiān)控保護(hù)自動(dòng)化系統(tǒng)完全取代原來的傳統(tǒng)型監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)，以對全站機(jī)電設(shè)備實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)、測量、信號、通信等。分析自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成可知，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用全分層、分布開放式的全廠集中監(jiān)控方案，設(shè)有負(fù)責(zé)完成全廠集中監(jiān)控任務(wù)的電站控制系統(tǒng)級及負(fù)責(zé)完成機(jī)組、開關(guān)站公用設(shè)備監(jiān)控任務(wù)的控制系統(tǒng)?，F(xiàn)地層每臺機(jī)組監(jiān)控設(shè)機(jī)組LCU 屏1面，所有公用設(shè)備和升壓站設(shè)備監(jiān)控設(shè)公用LCU 屏1面。主變線路共1面保護(hù)控制屏，2臺發(fā)電機(jī)共2面保護(hù)控制屏。另外配置1 面計(jì)量屏，2 臺發(fā)電機(jī)，主變及35 kV 線路各配置1臺電子式多功能電度表。電站主控層配置兩套互為熱備用的操作員工作站，配置1套語音報(bào)警系統(tǒng)和報(bào)表、事故打印機(jī)，另外配置中央控制室控制臺1套，用于安放操作員工作站及打印機(jī)等主控層設(shè)備，主控層和現(xiàn)地層采用100 M 快速工業(yè)以太網(wǎng)通信。計(jì)算機(jī)監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)對電源系統(tǒng)的遙測、遙控、遙信、遙調(diào)，真正實(shí)現(xiàn)無人值守，節(jié)省人力成本，提高監(jiān)控實(shí)效。

4.3.2 繼電保護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

山口一級電站擴(kuò)容改造工程中也應(yīng)關(guān)注電氣設(shè)備的保護(hù)問題，設(shè)計(jì)考慮采用微機(jī)保護(hù)，與監(jiān)控系統(tǒng)共用一套，組合微機(jī)監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)，按繼電保護(hù)的有關(guān)規(guī)程，不同元件有相應(yīng)的保護(hù)配置。其中，發(fā)電機(jī)保護(hù)的配置為縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、復(fù)合電壓起動(dòng)過電流保護(hù)、電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)，過電壓保護(hù)、失磁、過負(fù)荷保護(hù)、定子單相接地、勵(lì)磁回路一點(diǎn)接地及低電壓保護(hù)等。其中變壓器保護(hù)的配置為縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，復(fù)合電壓起動(dòng)過電流保護(hù)，電流速斷保護(hù)，過電流保護(hù)，重、輕瓦斯保護(hù)及油溫升高發(fā)信號[5]。廠用變壓器保護(hù)的配置為電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)。35 kV線路保護(hù)的配置為電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，微機(jī)保護(hù)采用分布式單元機(jī)箱結(jié)構(gòu)，各保護(hù)單元均相對獨(dú)立，通過站內(nèi)現(xiàn)場總線互聯(lián)。在功能分配上，采用能下放盡量下放的原則，保護(hù)單元箱能完成的功能絕不依賴通信網(wǎng)，各保護(hù)單元箱上均配有操作面板和必要的手動(dòng)操作開關(guān)及信號燈，運(yùn)行人員可通過就地單元箱上的操作面板或人機(jī)接口，對相應(yīng)電氣設(shè)備進(jìn)行操作，各保護(hù)單元故障或退出運(yùn)行時(shí)，不影響其他單元及上層監(jiān)控。

4.3.3 視頻監(jiān)視設(shè)計(jì)要點(diǎn)

山口一級電站增效擴(kuò)容改造工程設(shè)視頻監(jiān)視點(diǎn)多個(gè)，其中大壩水位2個(gè)、廠區(qū)1個(gè)、主廠房2個(gè)、中控室1個(gè)、高壓室1個(gè)、廠變勵(lì)變室2個(gè)、尾水1個(gè)、壓力管道1個(gè)共11個(gè)。視頻監(jiān)控設(shè)備以數(shù)字技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控并錄像。若前端設(shè)備遭破壞出現(xiàn)視頻圖像丟失時(shí)，系統(tǒng)會發(fā)出報(bào)警，提示工作人員關(guān)注錯(cuò)誤的圖像源等信息，并及時(shí)進(jìn)行設(shè)備調(diào)整。視頻監(jiān)控系統(tǒng)還設(shè)置視頻移動(dòng)感知報(bào)警模塊，若監(jiān)視畫面中有物體移動(dòng)，系統(tǒng)也有報(bào)警，提示工作人員及時(shí)關(guān)注監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)物體，判斷是否存在外來非法入侵的情況并科學(xué)處理。

4.3.4 二次接線設(shè)計(jì)要點(diǎn)

山口一級電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注二次接線設(shè)計(jì)問題。①測量、信號及同期設(shè)計(jì)。山口一級電站擴(kuò)容改造工程二次采用微機(jī)監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)，測量部分有發(fā)電機(jī)、主變及35 kV 線路配置有有功功率、無功功率、電流及電壓測量，通過信號采集輸送至微機(jī)監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)，由視屏顯示；全廠的信號輸送至微機(jī)監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)，由系統(tǒng)發(fā)出信號或語音；主同期點(diǎn)設(shè)在發(fā)電機(jī)出口斷路器，主變出口斷路器為備用同期點(diǎn)，在微機(jī)監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)上操作。②電流、電壓互感器設(shè)計(jì)。山口一級電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要求發(fā)電機(jī)出口、主變高低壓側(cè)及35 kV 線路設(shè)有電流互感器；要求發(fā)電機(jī)端、6.3 kV 母線及35 kV 母線設(shè)有電壓互感器，電壓、電流互感器提供的測量數(shù)據(jù)均能滿足微機(jī)監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的要求。在接線設(shè)計(jì)時(shí)也要合理控制電源。對原來直流系統(tǒng)進(jìn)行改造，直流系統(tǒng)采用智能高頻開關(guān)電源特有的模塊化設(shè)計(jì)，N＋1熱備份，可靠性高。直流電源系統(tǒng)采用通信接口與電站監(jiān)控系統(tǒng)連接，可實(shí)現(xiàn)遙控、遙測、遙調(diào)、遙信的功能。③開展電工試驗(yàn)。由于山口一級電站高壓設(shè)備不多，因此在自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不設(shè)計(jì)電工實(shí)驗(yàn)室，只新增一試修及工具室。此外為保障通信正常，設(shè)置專用電話與變電站聯(lián)系，設(shè)置程控電話對外聯(lián)絡(luò)，對內(nèi)則不設(shè)內(nèi)部通信設(shè)備。考慮到以太網(wǎng)綜合性能優(yōu)勢明顯，及其在工業(yè)控制領(lǐng)域的成熟運(yùn)用。山口一級電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建新的通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)采用分層分布的方式，其中占用層使用100 M 以太網(wǎng)，間隔層使用10 M 以太網(wǎng)，使用交換機(jī)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要以光纖作為主傳輸介質(zhì)。

5 結(jié)語

水電站在社會發(fā)展中的價(jià)值不容忽視，而水電站運(yùn)行又相對復(fù)雜。傳統(tǒng)的水電站監(jiān)管多為半自動(dòng)化監(jiān)管，在部分偏遠(yuǎn)地區(qū)也一度沿襲傳統(tǒng)的人工監(jiān)管模式。隨著技術(shù)的創(chuàng)新、系統(tǒng)的升級，自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用更為廣泛，在水電站運(yùn)行中也得到有效運(yùn)用，減少了工作人員監(jiān)管工作量，也減少了人為失誤，水電站運(yùn)行得到全方面的監(jiān)管和即時(shí)性的管控。積極發(fā)揮水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢，推動(dòng)水電站自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)計(jì)改造是當(dāng)前水電站建設(shè)積管理的大趨勢，將帶來理想的效益回報(bào)。