小型水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)應用度探討

鄭曉丹，丁國平，任 健

（1.浙江水利水電專科學校，浙江 杭州 310018；2.杭州南望自動化技術有限公司，浙江 杭州 310013；3.浙江水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310006）

0 引言

自20世紀90年代末起，我國各地小水電站陸續(xù)進行了技術改造，2002年國家頒布了GB 50071—2002《小型水力發(fā)電站設計規(guī)范》，新建的小型水電站基本都采用了計算機監(jiān)控系統(tǒng)。在小水電站改造過程中，一些老電站由于未能從電站實際設備情況出發(fā)，導致監(jiān)控系統(tǒng)與原有設備不匹配，使監(jiān)控系統(tǒng)成為虛設；一些新建的小水電站沒有從自身的需要考慮，超規(guī)模配置監(jiān)控系統(tǒng)造成浪費。總結這些經驗教訓，筆者提出小型水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)應用度的概念，尤其對老電站，因其設備基礎各異，計算機監(jiān)控系統(tǒng)應用更應視具體情形而定。

1 小水電計算機監(jiān)控技術的發(fā)展

1.1 監(jiān)控理念與監(jiān)控方式的改變

最早的小水電站計算機監(jiān)控技術要求僅限于機電合一值班，當時采用的是以常規(guī)控制裝置為主、計算機為輔的監(jiān)控方式（CASC）；而后隨著計算機技術的逐漸成熟轉變成中控室少人值班，計算機與常規(guī)控制裝置雙重監(jiān)控形式（CCSC）；直至過渡到如今提倡的水電廠以 “無人值班（少人值守）”為要求、以計算機為基礎的監(jiān)控方式（CBSC）。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)組成結構演變

早期計算機較貴，水電廠一般只設1臺計算機對全廠進行集中監(jiān)控，承擔水電廠全部監(jiān)控任務，全廠的數(shù)據(jù)采集和處理、異常狀態(tài)報警等任務均由該計算機分時執(zhí)行，整個系統(tǒng)都依賴1臺計算機，可靠性不夠；后隨著計算機價格的下降，出現(xiàn)了多微機、功能分散式監(jiān)控系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集、調整控制、事件順序記錄、通信等功能均由相應獨立微機完成。功能分散式監(jiān)控系統(tǒng)結構雖然提高了可靠性，但仍未解決監(jiān)控系統(tǒng)信息過于集中的問題，逐漸發(fā)展到如今的分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)。對于小水電站，分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)一般分2層進行控制，一層為現(xiàn)地控制層按控制對象設置單獨的控制單元，如機組現(xiàn)地控制單元、開關站及公用現(xiàn)地控制單元、微機保護測控單元、輔機控制單元等，各控制單元一般安裝在所控設備所在地，該設備的控制由各自控制單元處理；另一層廠站控制層配置各種工作站、通信網絡設備、打印設備、UPS、GPS衛(wèi)星時鐘、電話語音報警、模擬返回屏、操作控制臺等，負責一些全廠性的功能，如水電站運行的監(jiān)視、操作、信息管理、遠動和優(yōu)化控制等。整個分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)由統(tǒng)一操作系統(tǒng)控制多個分布的資源，如計算機系統(tǒng)硬件、外設、各種程序和數(shù)據(jù)庫等。

2 小型水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)應用度探討

2.1 小水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)應用度分析

我國小水電數(shù)量大、分布廣，為縣辦工業(yè)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)、農田排灌、生活照明及農副產品加工等起到至關重要的作用。由于已開發(fā)的小水電管理方式千差萬別，管理水平參差不齊，人才和資金的短缺，造成多數(shù)小水電的自動化程度較低，技術比較落后，嚴重影響設備的安全可靠運行。在計算機技術飛快發(fā)展的今天，小水電改造以及應用計算機監(jiān)控技術對提高農村小水電站的自動化程度和運行的可靠性，降低一線人員的勞動強度，提高小水電站的綜合經濟效益具有十分重要的意義。小水電的改造應該以經濟性、先進性、適用性和可靠性為原則。本文提出小水電計算機監(jiān)控系統(tǒng)應用度的研究，應用度包含兩個方面：①是否全部小水電都需要改造為計算機監(jiān)控系統(tǒng)，若需要改造，那么按照怎樣的應用度實施；②進行改造為計算機監(jiān)控的小水電，各硬件系統(tǒng)的配置度應如何考慮。

電站裝機容量小，值班人員多、負擔重的電站，不一定要上計算機監(jiān)控系統(tǒng)，可走逐步報廢重建的路子；而經過評估確實值得改造的電站則須根據(jù)電站自身裝機容量的大小，在系統(tǒng)中的地位、作用等實際情況，進行合理的系統(tǒng)結構模式選擇和硬件配置。對機組臺數(shù)少、單機容量在2 000 kW以下的電站可采用只設1臺計算機的集中監(jiān)控系統(tǒng)；單機容量在2 000～5 000 kW的電站視電站自身經濟實力、人員冗余度、發(fā)展等需要既可選擇采用計算機與常規(guī)控制裝置雙重監(jiān)控形式，也可采用以計算機為基礎的監(jiān)控方式；單機容量在5 000 kW以上的小型水電站改造時，則提倡采用以計算機為基礎的監(jiān)控方式。

2.2 典型常規(guī)小水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的應用度

單機容量在5 000 kW以上的水電站在小型水電站中所占比例最大、地位相對較高，稱其為典型常規(guī)小水電站。其系統(tǒng)應用度一般可按照以下要求設置：①電站正常運行完全依靠計算機監(jiān)控系統(tǒng)；②電站機組輔助設備控制系統(tǒng)、公用設備控制系統(tǒng)的有關設備按計算監(jiān)控系統(tǒng)的要求作相應改造，更換電站原配置的不能滿足計算機監(jiān)控系統(tǒng)要求的自動化元件，配全電站油、氣、水系統(tǒng)非電量監(jiān)測變送器；③電氣保護系統(tǒng)以實現(xiàn)全微機保護為原則，改造后的電站保護裝置應采用國內技術先進、可靠性高的微機保護裝置，并具有與計算機監(jiān)控系統(tǒng)的通信接口；④增加計算機監(jiān)控系統(tǒng)與電站水情雨情測報系統(tǒng)的聯(lián)網，并預留與地區(qū)供電局的調度通信接口。

2.2.1 電站控制層硬件配置度

電站控制層設備一般設2套操作員工作站（雙機熱備用）、1套工程師（兼培訓）/通信工作站、1套多媒體語音報警裝置、2臺打印機終端、1套GPS、1套UPS電源和1套微機控制臺等。

主控站1和主控站2采用同型號工控機，并配置液晶彩色顯示器，它是全廠集中監(jiān)視和控制的人機接口，可對全廠設備進行計算機實時監(jiān)控，直接進行各種控制操作、發(fā)布操作命令，AGC/AVC計算和處理，數(shù)據(jù)庫管理，在線及離線計算，實時圖形顯示，事故、故障信號的報警等。

工程師/通信工作站采用與主控站同型號工控機，使其具有主控機的功能，可作為主控機的熱備用微機，配置液晶彩色顯示器等設備，該站主要用于系統(tǒng)的維護、培訓仿真、系統(tǒng)通信及進一步的應用開發(fā)。

上述單機性能指標一般要求32位CPU字長、奔騰IV、256 M內存、80 G硬盤、1.44 M軟驅、1路RS232加1路RS485串行口，1個USB口，1個并行口，101標準鍵盤、可讀寫式光盤驅動器（CDROM）1個、聲霸卡1塊、I/O擴展功能卡1塊、網絡通訊卡1塊、256 kB高速緩沖存儲器。相應配置UPS電源，提供不間斷供電電源且供電時間不小于1 h。2臺網絡A4圖幅中文激光打印機，用于報表打印及報警記錄打印等。衛(wèi)星同步時鐘GPS可采用BSS標準衛(wèi)星同步時鐘，接收GPS的授時標準時間，并通過對時裝置的串行接口與各工作站相連發(fā)送對時信號，通過網絡使系統(tǒng)主干網上各計算機時鐘與衛(wèi)星時鐘進行同步。衛(wèi)星時鐘同步脈沖信號接入各LCU。時鐘的同步精度宜達到+/-1 ms，同步時鐘可預留4路接口。系統(tǒng)一般采用工業(yè)以太網，通訊傳輸介質可用雙絞線、同軸電纜或光纜 (一般傳輸距離近、裝機容量小的電站采用雙絞線或同軸電纜；傳輸距離遠、裝機容量大的電站宜用光纜)，傳輸?shù)乃俾蕿?100 Mb/s，通訊規(guī)約為 TCP/IP Modbus，配置3Com網絡交換機，支持10/100 M自適應通信速率，同時提供16路以太網口，連接主控層各計算機以及機組LCU、公用設備LCU。

2.2.2 監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制層硬件配置度

現(xiàn)地控制層設機組LCU和升壓站及公用設備LCU。機組LCU一般1臺機組配1套，可直接布置在主廠房發(fā)電機層機組旁，也可布置在中控室內。機組LCU由可編程控制器PLC、溫度巡檢裝置、多功能儀表、彩色觸摸屏、PLC（大容量電站也可采用PC機）、轉速信號裝置、剪斷銷信號裝置、微機自動準同期裝置、手動同期裝置、調速器油泵控制裝置、以及手動開機、停機、緊急停機按鈕、同期開關、發(fā)電機斷路器操作開關，發(fā)電機電壓變送器，發(fā)電機功率變送器裝置等設備組成。機組LCU監(jiān)控范圍包括水輪機、發(fā)電機及機組輔助設備等。主要完成數(shù)據(jù)采集和處理、安全運行監(jiān)視、控制、調節(jié)、事件順序檢測、數(shù)據(jù)通信、系統(tǒng)診斷、時鐘同步等。在與主控站工控機脫離聯(lián)系時，通過人機接口或操作開關能獨立工作。

升壓站及公用設備現(xiàn)地控制單元LCU由PLC、彩色觸摸屏、多功能儀表（包括線路和母線）、繼電器、微機自動準同期裝置、電壓變送器、功率變送器等組成，一般占2面屏，布置在副廠房中控室內，主要負責主變、高低壓配電裝置、出線和廠內公用設備如高、低壓氣機，蝶閥油泵，集水井泵，滲漏水泵，廠用電系統(tǒng)、直流系統(tǒng)等的控制與監(jiān)視，并預留溢洪閘和進水口閘門的監(jiān)控接口。

PLC的I/O模塊要求能帶電熱插拔，I/O擴展采用Busx總線，速度達12 Mb/s，I/O開關量輸入、輸出，模擬量輸入點數(shù)視電站實際需要而定，一般公用PLC所用點數(shù)多于機組PLC的。

2.2.3 與LCU相配合的勵磁系統(tǒng)、調速器及其他公用設備控制系統(tǒng)配置

LCU與機組輔助設備之間的通訊采用MODBUS協(xié)議。

2.2.4 勵磁系統(tǒng)和調速器改造

與計算機監(jiān)控系統(tǒng)配合的勵磁系統(tǒng)及調速器均應采用微機型，由于早期實施計算機監(jiān)控改造的一批小水電站為省錢，未改造原有勵磁系統(tǒng)，結果導致計算機監(jiān)控與原有勵磁系統(tǒng)不匹配從而造成整個監(jiān)控系統(tǒng)不能實現(xiàn)正常開停機。因此被改造電站發(fā)電機勵磁系統(tǒng)若為模擬電路板設備，則建議整套更換為微機型勵磁裝置。小型水電站改造勵磁系統(tǒng)時一般采用雙微機型自并激可控硅整流勵磁裝置，使勵磁系統(tǒng)滿足小水電發(fā)電、同步等各種運行工況要求；整流器采用三相橋式全控整流電路；起勵方式采用殘壓為主、直流起勵為輔；滅磁方式一般采用正常時逆變滅磁，事故時滅磁開關滅磁，同時配置RS485接口，使勵磁系統(tǒng)可與機組LCU進行通訊和控制。

機械調速器也應更新改造成可編程微機型調速器，一般配置專用調速器電控柜、事故電磁閥、電氣轉速信號裝置（布置在機組LCU屏上）及單相電壓互感器等，機組能手動/自動運行，現(xiàn)地/遠控控制，并保證開度變化不大于1%的接力器全行程。電控柜信號燈能實時指示機組運行狀況，設置自檢保護，并配有RS485接口，滿足機組LCU的要求。

2.2.5 其他公用設備控制系統(tǒng)的改造設計

其他公用設備控制系統(tǒng)的改造設計則完全要視電站實際設備情況而定。

一般液體酸性免維護蓄電池宜更新為酸性全封閉免維護蓄電池成套裝置，并增加直流電流變送器、直流電壓變送器、RS485通信接口，滿足公用LCU的要求。

油、氣、水系統(tǒng)需要監(jiān)測的溫度、壓力、液位、流量及機組的振動、擺度等，如各冷卻水水流量，檢修密封壓力，油壓壓力，上、下游水位，攔污柵差壓、機組導葉開度、主閥開度等量均須加配變送器將信號送至公用LCU屏。

3 結語

改造后的小水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要承擔監(jiān)測和控制兩大功能。

監(jiān)測功能要求將水電站需要監(jiān)測的溫度、水位、油位、壓力等非電模擬量通過相應傳感器轉換成電信號，連同電氣設備的電流、電壓、有功功率、無功功率、電能、功率因數(shù)、頻率、勵磁電壓、勵磁電流等電模擬量一起輸入PLC的CPU，然后經過變送器轉換成0～5 V的直流電壓或4～20 mA的直流電流，再經A/D轉換器轉換成數(shù)字量；而所有采集到的開關量信息要經過光電隔離和防抖動處理后輸入CPU，然后監(jiān)控系統(tǒng)對采集到的被控制對象的狀態(tài)信息進行分析、比較、判斷，提供出異常報警信息、操作控制信息和記錄、報表。

控制功能則要求電站一要完成機組的開、停機順序操作控制和調節(jié)控制；二要完成對水電站油壓裝置、空氣壓縮機、水泵等輔助設備的自動控制。一般小型水電站機組及其輔助設備的控制均采用可編程序控制器PLC來完成。

根據(jù)國家對小型水電站自動化發(fā)展的總體目標，國家對5 MW以下的水電站并未進行強行規(guī)定，各小型水電站完全應根據(jù)自身裝機容量的大小，在系統(tǒng)中的地位、作用等實際情況，進行合理的系統(tǒng)結構模式選擇和硬件配置。特別是每個已經建成電站的設備基礎迥異，因此改造時切忌搞一刀切。本文介紹的計算機監(jiān)控系統(tǒng)應用度也只是總結眾多小水電的改造實例而得出的，事物都是在不斷向前發(fā)展的，特別是計算機技術更是發(fā)展神速，因此我們在改造時只要把握在現(xiàn)有基礎上如何盡快好省地實現(xiàn)上述監(jiān)測、控制兩大基本功能，同時稍具超前的眼光，力爭使監(jiān)控系統(tǒng)功能便于擴展，為最終實現(xiàn)水電站全方位綜合自動化功能奠定基礎。

［1］劉海波，吳昌.三峽右岸電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)人機界面的設計與優(yōu)化［J］.水力發(fā)電，2009，35（12）:82-84.

［2］陳啟卷.中小型水電廠計算機檢測與控制［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［3］文伯瑜，姜龍華.現(xiàn)代水電廠計算機監(jiān)控技術與試驗［M］.北京：中國電力出版社，2004.