農村小水電自動化控制技術現狀及分析

張巧惠，鄧小剛，楊春霞，李 偉，李 越

（中國水利水電科學研究院自動化所，北京 100038）

0 引言

農村小水電作為重要的民生工程和可再生能源之一，受到國家的高度重視，是我國農村和邊遠山區發電的主力。而目前，由于農村水電大部分分布在廣大農村地區和偏遠山區，建設年代較早或受投資的限制，存在建設標準低、設施老化、失修嚴重、自動化程度低、安全性不足等突出問題。加快農村水電自動化改造，是實現水電管理精細化、現代化的重要內容，對于提高農村水電安全性、提高發電效益，不斷提高貧困山區農村用電水平，改善民生，促進農村經濟社會可持續發展具有十分重要的作用。

通過廣泛查閱資料、實地考察、專家咨詢等方式，筆者對我國小水電自動化技術現狀作了深入調研，就目前小水電自動化技術存在的問題、當前技術水平和運行實際情況作了分析和總結，并結合筆者在水電廠自動化系統、無人值班/少人值守技術方面的長期經驗，對研究開發適合于小水電的自動化控制系統總體解決方案，尤其是小水電一體化控制技術提出了建議和研究課題，目的是降低自動化設備的投資成本，提高機組安全運行水平，節省人員開支，降低運營成本，推動農村小水電技術進步。

1 農村小水電站自動化技術存在的主要問題

據有關資料統計，至2008年底我國農村水電站大約有4.5萬座，需要技術更新改造的約有2.4萬座，總裝機約1800萬kW。因此農村水電站技術改造，包括自動化改造任務艱巨、市場前景巨大。但是農村水電站技術改造門檻較低，所以市場競爭比較激烈。目前農村水電站技術改造主要面臨以下幾個主要問題。

1.1 性價比問題

由于農村水電站的產權不明晰，以前的農村水電建設專項貸款政策被取消，所以農村水電站更新改造需要大量的投資，資金存在巨大缺口。這樣就要求農村水電站技術改造設備具有良好的性價比。

1.2 運行管理問題

農村小水電站的運行維護人員普遍技術能力相對較弱，需要加強培訓。自動化系統的易維護性、界面友好性、操作簡單等方面就更加重要。系統長期運行缺乏定期維護與保養等問題比較突出。

1.3 設備可靠性問題

由于投資資金有限、重視短期發電效益、輕視運行管理、不注重設備維護等原因，設備可靠性，尤其是自動化系統元器件產品的可靠性、性能、安全性、穩定性等較低，存在安全隱患。

1.4 人員素質問題

由于農村水電站地處偏僻山區，環境較差，所以運行人員、維護人員的技術素質普遍較低。有的水電站運行人員只有小學或初中文化程度，所以計算機、自動化技術基礎較差，給自動化設備的運行維護帶來一定困難。

2 農村水電站自動化技術現狀

為深入調查了解小型、微型水電廠自動化系統相關技術的現狀、自動化技術實際應用水平、運行狀況，尤其是小水電自動化控制的一體化技術和集成化程度，筆者通過多種渠道的廣泛調查、收集信息，查閱相關資料、參加相關會議、進行專家咨詢等多種方式了解有關技術和設備應用情況，并先后多次組織來自于監控專業、調速器專業、勵磁專業的技術人員在浙江進行了有關農村小水電自動化系統的走訪和實地現場考察。考察地點既有水利部所屬國家科研機構，又有專門從事小水電自動化設備研發與生產的有代表性的廠家，還有最近改造完成的自動化水平較高的小水電站。對相關技術和實際運行情況進行了深入細致的調查研究。通過調研，發現目前在新建的小水電低壓機組中，機組監控、調速、勵磁、后備保護的一體化集成技術方面有新產品研發和實際的應用案例，對于其他的新建或最近改造的小水電站，自動化控制技術大部分還是采用機組監控、調速、勵磁、保護裝置相互獨立的系統。現將相關調研情況作較詳細的歸納和介紹。

2.1 小水電高壓機組自動化技術

我國浙江一帶的小水電資源非常豐富，在浙江建設了許多小型水電站。通過浙江省水利廳水電處了解到，臨安縣的青山水庫電站和水濤莊電站、安吉縣的鳳凰水庫電站和安城水電站在近一兩年完成了技術改造，自動化水平相對較高，在一定程度上代表了目前的小水電自動化技術水平現狀和趨勢，對這四家水電廠的自動化狀況進行了實地調研。

這4個水電站，均采用老式的獨立控制設備，勵磁、調速、保護等均為傳統的獨立設備，監控采用PLC控制方式實現機組的自動化控制。通過實地調查發現，小水電自動化設備雖然造價相對較低，但相關設備并不少，僅控制部分就有：勵磁裝置、調速裝置、繼電保護、交流采樣裝置、溫度巡檢裝置、轉速測控裝置、同期裝置、監控用的現地控制單元PLC設備、多臺監控用上位機計算機設備等。監控系統一般采用星型網絡結構，每臺機組配置一套PLC現地控制單元，上位機一般配置有主備操作員站、報警及打印服務工作站。在功能上一般較為簡單，通常不采用較復雜的冗余設備配置。但對于設備的可靠性要求并不比大中型機組低，加之南方水量充沛，全年機組運行時間長，且經常滿發甚至超發，調研中就有一個電站超發10%運行，機組的安全可靠運行問題不容忽視。考慮到運行及維護人員技術水平問題，只有更為人性化和智能化、易于維護、可長期穩定可靠運行的控制設備才能滿足小水電的需求。對該4個小水電廠調速器系統的調研結果如表1所示。

表1 浙江4個小水電站調速器系統配置情況

通過對杭州一家部級農村電氣化研究單位走訪發現，對于高壓機組（指出線6.3 kV及以上的機組），一般是按照和大中型水輪機組一樣的常規設計，即開關柜、勵磁、調速、保護、監控系統盤柜分開配置，采用相互獨立的自動化系統。

由此可見，對于小水電中的高壓機組，為保證設備的可靠性、安全性和高性能指標要求，大部分均采用監控、勵磁、調速、保護相互獨立的自動化系統，只是設備配置和結構相對簡單。

2.2 小水電低壓機組自動化技術

通過調研了解到，對于低壓機組（指容量800 kW以下，出線400 V的機組），采取較多的是一種簡單的“一機一屏”的配置，即斷路器和機組自動化控制回路放在一塊屏柜中，而勵磁、調速仍然分開配置。

筆者還調研走訪了幾家主要從事小水電自動化控制系統產品的研發與生產的公司。隨著電子技術的不斷進步，處理器速度、精度與性能的不斷提高，多種功能的合并成為可能，比如其中一家公司開發了四合一組合控制裝置，專門應用于小型微型水電廠，是集勵磁調節、調速器電氣控制、發電機后備保護、測溫、測頻、同期、自動化控制等功能為一體的自動化裝置設備；該設備使得小水電控制系統硬件配置簡化、維護方便、造價低，可在成本較低的情況下實現較完善的多種自動控制功能，在投資有限的小水電市場有較強的價格競爭力；該自動化設備的成本隨機組類型及容量不同而變化，一臺機組配置一套該設備。

另一方面，一些學者從社區公共服務供給機制和模式研究方面提出自己的看法，呂芳、潘小娟通過分析合同外包、志愿服務與協同生產之間這三個模式的差異，得出基于公民互助的公共服務協同生產模式是建立于人們的互惠合作之上，這更適合當下中國的國情[5]； 蔣源提出了“輔導式生產”的概念，以廈門市思明區居家養老“安康計劃”為例，思明區政府主動搭建平臺，創新管理模式、供給機制、服務項目、融資方式等，吸收社會養老力量，引入市場機制提升養老服務效能，充分發揮服務主體多元化與運作機制多樣化的協同效應。[6]

該四合一組合控制裝置（單元）硬件采用32位高速數字信號處理器（DSP）為CPU，集成了8路數字式溫巡、8路進水流量/渦殼壓力/水位/導葉開度等機組參數測量、機組電度計量、發電機后備保護、轉速測量、數字自動準同期、勵磁調節、調速器（操作器）控制等功能，提供基于TCP/IP的網絡通訊和RS485通訊接口，完成測量、操作、保護、順控、調節等全自動智能化控制。人機界面采用小型LCD顯示各種運行參數，并具有設置調節控制的功能。根據客戶要求和實際需求，該裝置實現模塊化組合設計。例如，在公司現場演示的一套自動化系統，為滿足可靠性和實時性要求，保障安全、穩定、高速的機組控制需要，勵磁功能和其他功能分開，采用相互獨立的CPU，即勵磁單獨用一塊CPU板，監控及其它功能采用另一塊CPU板，兩塊CPU板和其他I/O板放在同一4U高的機箱里，有兩個小液晶顯示屏顯示相關參數。

該種自動化裝置主要適用于小型、微型水電站低壓機組的自動化控制。目前該套自動化設備在非洲等海外國家的微型水電站有使用案例，但其運行效果和性能還需進一步調研，并需要接受時間的檢驗。對于小水電的高壓機組，從幾家廠商的調研情況來看，還是采用監控、調速、勵磁、保護等相互獨立的分體式系統，以保證機組的安全可靠運行和監視控制功能的實時性。

2.3 箱式整裝小水電站技術

從調研中了解到，2004年一家農村小水電研究單位從澳大利亞引進箱式整裝小水電站，它是一座將所有的發電設備（包括水輪機、發電機、勵磁系統、調速系統、機組控制保護系統及開關等設備）都集裝在一個金屬箱內，并在工廠聯調完畢，實現無人值班的一體化電站。其優點是：便于運輸和現場快速安裝，簡化水電站工程設計，減少廠房面積，縮短電站施工期等。該項目于2006年在浙江金華雙龍洞水電站（160 kW）投入運行。在消化吸收國外技術后生產了一套箱式水電站，在浙江巖坦水電站（320 kW）投入運行。但箱式水電站只適合于水頭高、轉速大、機組體積小的水電站。

3 小水電自動化技術特點

3.1 高壓機組自動化注重高性能

對于小水電中的高壓機組，其自動化系統絕大部分還是采用監控、調速、勵磁、保護相互獨立的系統，以保證機組運行的安全性、可靠性及自動化系統的實時性、高性能。

3.2 低壓機組自動化注重高性價比

對于小水電低壓機組，根據實際情況，有選擇地將功能模塊進行組合設計，節約成本，提高性價比，在保證可靠性和高性能的同時，適當降低成本。一般的做法是將部分功能進行集成，但勵磁、調速、保護仍然分開配置。

3.3 微型低壓機組自動化注重降低成本

針對微型水電站的低壓機組，在保證安全可靠的同時，更注重降低成本，相對降低了對性能的要求。目前國內研制生產的小水電自動化控制組合裝置，有了一些實際應用的案例。其研發思路值得借鑒：監控、調速、后備保護可以集成于一體，采用同一個CPU，以降低成本；勵磁采用單獨的CPU進行控制與調節，以提高可靠性與實時性。整個系統的可靠性、質量、穩定性和性能還有待進一步調研，尤其需要經過長期運行實踐的檢驗，但其做法值得借鑒，通過研制統一的硬件平臺，監控、調速、勵磁等各個部分在統一的硬件平臺上開發各自的應用軟件系統，研制出軟硬件都有自主知識產權的、高集成化產品。根據我國小水電目前發展狀況，小水電站數以萬計，只要產品價格有優勢，質量相對穩定可靠，還是會有巨大市場的。

3.4 針對不同需求靈活組合設計獨特的產品

根據筆者所在公司在水電行業自動化系統、無人值班/少人值守技術、調速器、勵磁技術等方面的長期經驗和技術積累，機組監控和調速器的自動化控制，可以嘗試采用一體化控制或集成控制，如采用一套CPU或一套PLC進行數據的采集、監視與控制，在保證機組的安全、可靠、實時運行的同時，提高集成化程度，降低成本，提高性價比。這種方式還可省略監控系統與調速器系統間的數據交換環節，節省數據交換通道，通過減少中間環節，提高整個系統的實時性、可靠性，在降低系統硬件成本的同時，還可降低系統集成與現場調試的成本。

4 今后的工作與課題

4.1 加快新產品研發

隨著電子、通信、計算機控制技術水平的不斷提高和元器件新產品的不斷涌現，小水電自動化控制技術也必將面臨著革新和挑戰。加大科技研發力度，加快新產品研發步伐，提高產品質量和技術水平，順應技術發展趨勢，提高產品競爭力是企業生存發展的必然法則。針對水電廠實際情況，結合當前新技術新產品在速度、性能上的不斷完善與提高，可以試驗研究部分或全部功能的一體化控制或集成控制。

以目前的市場現狀、當前自動化技術水平和水電站需求，可開發的集成化自動控制設備或裝置模塊包括：調速、交流采樣、溫度巡檢、開入開出、轉速和頻率測控等，而勵磁、保護、同期裝置由于涉及到更為專業的知識和更高的可靠性、速度等性能指標要求，需配置相關專業的專門人員，投入大量的人力、物力和財力，并且從研發到產品成型需要一定的經驗積累和長期的研發過程。目前市場上勵磁、保護、同期裝置相對獨立、技術相對成熟、產品集成度高、成型產品較多、產品性能相對穩定可靠，因此，可選擇現有成型產品集成到自動化系統中，以減少研發投入。

若開展相關研發工作，應先確定方案，統一總線結構、通訊規約甚至處理器規格，統一硬件插板結構，然后分專業、分模塊分別進行開發，在條件具備后合并為整體裝置，進行聯合測試、開發與完善。

4.2 降低電站成本造價

我國中小河流的水能是最廉價的動力，同時作為清潔能源之一，充分利用水力資源，開發小型、微型水電站是群眾的迫切要求。但因投資有限，小型電站設備要走系列化、集成化的道路，為降低造價創造有利條件。

4.3 加強技術指導

為了保證電站的安全和質量，尤其要依靠當地技術人員，抓好培訓技術、加強技術指導工作。結合著訓練班的學習，采取以工地作課堂、以工程作教材、傳幫帶、廠商與用戶聯合開發等多種方法，提高運行人員的技術力量和運行維護水平。

4.4 提高電站的經營管理水平

電站的經營管理工作必須與建設同步跟上，才能修好一處，管好一處，使電站充分發揮效能，解決當地實際問題和困難，提高綜合經濟和社會效益。小電站在經營管理上應以生產為主，結合照明，統籌兼顧以小水電代燃料，提倡清潔能源利用與開發，開展多種經營，使物盡其用。根據電站條件，制定必要的操作規程、管理章則，提高運行維護人員技術水平，以延長設備使用壽命，保證電站長期安全穩定運行。

5 結語

我國農村小水電市場前景廣闊，在自動化控制技術日新月異的今天，隨時掌握當前技術發展趨勢，根據市場需要，分析實際情況，及時調整產品結構，研發新產品，提高產品質量，降低成本，才能順應發展潮流，在市場和技術上獲得領先，取得良好的社會和經濟效益。

[1]徐錦才.農村小水電站新技術的應用 [J].農村電氣化，2004，10：20-21.

[2]徐錦才，董大富，熊 杰.新型配套設備在農村小水電站的應用[A].2006年水力發電學術研討會論文集[C]，2006.

[3]農村小水電自動化技術實地考察報告[R].北京中水科水電科技開發有限公司，2011.