水電站自動化系統的應用與探討

董 鵬

(陜西省水工程勘察規劃研究院，陜西 西安 710003)

水電站自動化系統的應用與探討

董 鵬

(陜西省水工程勘察規劃研究院，陜西 西安 710003)

水電站自動化主要完成對水輪發電機組及其輔助設備運行方式的自動控制和運行工況的監視和水工建筑物運行工況的控制和監視，完成對主要電氣設備的控制、監視和保護。對計算機監控系統的監控系統電源，監控系統與勵磁、保護、調速器系統接口，監控系統與現地自動控制回路和裝置的功能協調，事件記錄與故障錄波的考慮，信號返回屏的考慮和工業電視、消防報警、保安、故障錄波器及MIS的接入等一些技術問題進行探討。提出水電站“無人值班”或“少人值守”的技術條件。

水電站自動化;計算機監控系統;發展;技術問題;技術條件

隨著水電站“無人值班”或“少人值守”工作的開展，以“站網分開、競價上網”為基礎的電力體制改革的深入進行。對水電站的生產運行和管理提出了新的要求，也對水電站自動化技術提出了更高的要求。計算機監控系統的應用是水電站實現“無人值班”或“少人值守”的必備條件。計算機技術、信息技術及網絡技術的飛速發展，給水電站自動化系統無論在結構上還是在功能上，都提供了一個廣闊的發展舞臺。水電站自動化工作也必須適應新的形勢需要，有新的發展。如今的水電站自動化系統應該成為一個集計算機、控制、通信、網絡及電力電子為一體的綜合系統。不僅可以完成對單個電站，還可以進一步實現對梯級流域、甚至跨流域的水電站群的經濟運行和安全監控。

1 水電站自動化概述

1.1 水電站自動化的作用

水電站自動化就是要使水電站生產過程的操作、控制和監視，能夠在無人(或少人)直接參與的情況下，按預定的計劃或程序自動地進行。水電站自動化程度是水電站現代化水平的重要標志，同時，自動化技術又是水電站安全經濟運行必不可少的技術手段。因此，水電站自動化的作用在今后水電發展過程中將更加重要。

1.1.1 提高工作的可靠性

水電站實現自動化后，一方面可通過各種自動裝置快速、準確、及時地進行檢測、記錄和報警，既可防止不正常工作狀態發展成事故，又可使發生事故的設備免遭更嚴重的損壞，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操作和控制(如開停機操作和并列)，不僅可以大大減少運行人員誤操作的可能，從而也減少了發生事故的機會;而且還可大大加快操作或控制的過程，尤其在發生事故的緊急情況下，保證系統的安全運行和對用戶的正常供電，具有非常重大的意義。

1.1.2 提高運行的經濟性

水電站實現自動化后，可根據系統分配給電站的負荷和電站的具體條件，合理地進行調度，保持高水頭運行，同時合理選擇開機臺數，使機組在高效率區運行，以獲得較好的經濟效益。如何實現各電站合理最優調度，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，水電站通常是水力資源綜合利用的一部分，要兼顧電力系統、航運、灌溉、防洪等多項要求，經濟運行條件復雜，單憑人工控制很難實現，實現自動化以后，將有助于電站經濟運行任務的實現。特別是對于具有調節能力的水電站，應用電子計算機不但可對水庫來水進行預報計算，還可綜合水位、流量、系統負荷和各機組參數等參量，按經濟運行程序進行自動控制，大大提高運行的經濟性。

1.1.3 保證電能質量

電壓和頻率作為衡量電能質量好壞兩項基本指標。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。電壓或頻率的的穩定主要取決于電力系統中無功功率和有功功率的平衡。因此，要維持系統電壓和頻率在規定范圍內，就必須迅速而又準確地調節有關發電機組發出的有功和無功功率。特別是在發生事故的情況下，快速的調節或控制對迅速恢復電能質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現的，只能借助于自動裝置來完成。可見，提高水電站的自動化水平，是保證電力系統電能質量的重要措施之一。

1.1.4 提高勞動生產率、改善勞動條件

水電站大多地處偏僻山區，遠離城鎮，職工長期生活在較差的環境之中。水電站實現自動化后，很多工作都是由各種自動裝置按一定的程序自動完成，用計算機監控系統來代替人工操作及定時巡回檢查、記錄等繁雜勞動，大大改善運行人員的工作和生活環境，減輕了勞動強度，提高了運行管理水平。同時還可減少運行人員，實現無人值班(或少人值守)，提高勞動生產率，降低運行費用和電能成本。

1.2 水電站自動化的內容

水電站自動化的內容，與水電站的規模及其在電力系統中的地位和重要性、水電站的型式和運行方式、電氣主接線和主要機電設備的型式和布置方式等有關。

1)完成對水輪發電機組運行方式的自動控制:一方面，實現開停機和并列、發電轉調相和調相轉發電等的自動化，使得上述各項操作按設定的程序自動完成;另一方面，自動維持水輪發電機組的經濟運行，根據系統要求和電站的具體條件自動選擇最佳運行機組數，在機組間實現負荷的經濟分配，根據系統負荷變化自動調節機組的有功和無功功率等。此外，在工作機組發生事故或電力系統頻率降低時，可自動起動并投入備用機組;系統頻率過高時，則可自動切除部分機組。

2)完成對水輪發電機組及其輔助設備運行工況的監視:如對發電機定子和轉子回路各電量的監視，對發動機定子繞組和鐵芯以及各部軸承溫度的監視，對機組潤滑和冷卻系統工作的監視，對機組調速系統工作的監視等。出現不正常工作狀態或發生事故時，迅速而自動地采取相應的保護措施，如發出信號或緊急停機。

3)完成對輔助設備的自動控制:包括對各種油泵、水泵和空壓機等的控制，并發生事故時自動地投入備用的輔助設備。

4)完成對主要電氣設備(如變壓器、母線及輸電線路等)的控制、監視和保護。

5)完成對水工建筑物運行工況的控制和監視:如閘門工作狀態的控制和監視，攔污柵是否堵塞的監視，上下游水位的測量監視，引水壓力管的保護(指引水式電站)等。

2 計算機監控系統技術問題探討

監控系統是一個客戶化程度很高的自動控制系統，系統的實用性、先進性、可靠性以及靈活性等取決于客戶(包括管理、設計開發、使用等)的要求。在此就一些技術問題進行探討。

2.1 監控系統電源

水電站控制層應設有直流和交流控制電源，監控系統的LCU及外圍自動化裝置宜采用交直流雙電源、互為備用、無擾切換的供電方式，電源裝置的電壓選擇應保證正常情況下交流供電、直流備用，以減輕直流系統的負擔。運行經驗表明，UPS在現場環境下使用壽命很短，難以維護，不宜采用。監控系統主站設備(工作站、服務器和網絡設備等)的運行環境要達到國家規定要求，采取交流+UPS供電方式較好。

2.2 監控系統與勵磁、保護、調速器系統接口

LCU與上述自動化裝置一般采用開關量(DIO)接口和通信兩種方式。對于DIO方式，由于交換的信號一一對應，接線直觀，便于調試和故障查處。但接線較多，有些控制功能，例如有功和無功調節，必須在LCU內編制復雜的PID調節程序，如PID參數不當還可能造成調節性能不佳。現場應用表明，這種方式對無功/電壓閉環調節尚能滿足要求，但對有功閉環調節，常常出現超調或調節不到位、或凋節時間延長等現象。

上面三種自動化裝置宜采用通信方式，LCU直接將給定值傳送至電調和勵磁裝置，實現有功、無功的一次設定;LCU通過通信鏈路獲得各個自動化裝置的內部詳細狀態和微機保護的事故追憶采樣值數據包(如果微機保護有此功能的話)。

盡管監控系統與勵磁、保護、調速器裝置存在接口聯系，但各系統間應保持相對獨立，并在通信上設置"互檢"和容錯功能，一方故障不應影響其它系統的正常運行。上述裝置中直接作為控制和調節條件的信號(例如主開關狀態、機組轉速和機組狀態等)不應相互轉送利用，而應通過高可靠的渠道直接從設備上采集。

2.3 監控系統與現地自動控制回路和裝置的功能協調

機組或公共輔助設備，例如冷卻水系統、壓油泵、深井泵、空壓機等，一般設有現地自動控制裝置。處理現地自動化與監控系統的關系時，應遵循現地自動化為主的原則，監控系統則通過開關量、模擬量的采集(無需通信)承擔監視、后備控制的任務，一旦發生異常，則發出信號，并通過獨立的信號采集進行緊急控制。

直流電源裝置也應視為現地自動裝置，監控系統只對直流系統和電源裝置的工作狀態進行監視，不參與控制。無需建立網絡或串行通信聯系。

2.4 事件記錄與故障錄波的考慮

事件記錄與故障錄波裝置都是運行和事故分析的手段。事件記錄一般集成在計算機監控系統中，但由于采樣速度、內存等限制往往不能提供足以用來分析事故的波形;故障錄波一般用在開關站，作為線路故障數據的采集和分析工具。

機組不必配置故障錄波器，因為配置故障錄波器會導致信號的重復采集，使二次回路和電纜布置復雜化，而且不可能收集太全的信號(有些設備的關鍵量、中間計算數據點無法提供接口)。將事故記錄與故障錄波功能分別由監控系統和具有快速交流采樣功能的微機保護裝置、微機勵磁調節器、微機調速器等分擔較為合理。這就要求微機保護裝置、微機勵磁調節器、微機調速器具有判別故障、存儲、對時等功能。

2.5 信號返回屏的考慮

信號返回屏是電站實現集中監視和控制的重要人機交流界面，由于顯示直觀、清晰可靠，畫面和各儀表、元件位置固定，對運行值班十分方便，尤其是事故情況下，運行人員對全站的狀況一目了然，其作用是計算機屏幕不可替代的(采用大屏幕電視或投影替代也是不可取的)。信號返回屏宜考慮采用一些指針儀表，以反映系統的動態過程(例如系統振蕩)。

2.6 工業電視、消防報警、保安、故障錄波器及MIS的接入

鑒于監控系統在電站運行控制中的突出地位，其接入系統越少越好，信息交換量不大時，為了保證各個系統的安全運行，能采用I/O接入的決不采用通信連接。

對工業電視，由于圖像信號數據量大，占用網絡資源多，不應通過監控網傳送，而應自成網絡，在控制室設置工業電視專用CRT。但如果工業電視要實現圖像自動聯控切換功能，仍應以通信方式接入監控系統，通信鏈路上僅從監控系統單向傳送用于圖像自動聯控切換的信息。而工業電視與電站管理信息系統(MIS)應聯網，以便授權用戶進行圖像訪問。

消防報警對運行監視十分重要，其數據量不大，因此接入監控系統比較合理。消防報警火情信號和保安監視信號可轉送給工業電視系統，進行圖像自動聯控切換。

故障錄波器為大容量數據采集和記錄分析設備，數據的實時作用不強，離線分析的成分較多，應各自自成系統，并建立各自的中心分析站。從運行管理模式看，電站實現“無人值班”或“少人值守”后，控制室運行人員很少，而這兩個系統的數據分析工作十分費時，專業性很強，不適合運行值班人員操作;如果兩系統與 MIS系統聯網，監控系統僅通過 I/O對其故障和動作等情況進行監視。專業技術人員通過MIS即可訪問兩系統，完成數據分析和遠程管理功能。

為實現生產發電與電站管理相結合，MIS應與監控系統聯網。由于MIS用戶多，MIS上數據多種多樣，為安全起見，兩網之間除采取防火墻等隔離措施外，還應采用單向數據流(從監控系統流向MIS)，控制室設置專用MIS終端。

3 自動化系統的發展

水電站自動化系統由 I/O設備 (傳感器和執行器 )、控制硬件、控制軟件、人機接口及與信息系統的連接等組成。而水電站的自動化是從80年代初單個功能裝置研制開始的，至今經歷了一個復雜的發展過程。

3.1 功能分布式的星型分層監控系統

以單功能微機裝置集成系統，每個微機裝置具有特定的功能，但每個微機裝置都具有不同功能，如有的微機裝置專門采集開關量，有的微機裝置專采集模擬量，有的微機裝置專門進行控制操作。該系統在分布的方式上進行了一些有益的嘗試，但從模式上看不算是很成熟的系統。

3.2 以設備單元分布的星型分層監控系統

為了檢修維護的方便，以發電機組為單元，將數據采集與控制集成到一臺微機或PLC裝置中，構成了現地控制單元LCU。LCU無法直接接入以太網，而計算機非常昂貴，不能使每臺LCU都配備CPU(中央處理器)接入以太網，只能將微機作為前置機。這時的系統采用專門的計算機，在應用網絡上已跨出了一大步，但相應的國際標準還不完善，尚不能形成理想的開放系統環境。

3.3 基于開放系統的分布式監控系統

隨著計算機技術和網絡技術的發展，計算機應用軟件越來越復雜和龐大，軟件開發的投入也越來越大，如何使這些巨大的資源不僅在這一家公司制造的計算機上運行，而且也能在另一家公司制造的計算機上運行，這就形成了一系列的開放系統標準:TCP/IP、POSIX、SQL、ODBC、JDBC、OPC 等。基于開放系統的分布式計算機監控系統具有通用性和可移植性，監控系統的軟件可以安裝在任何具有開放系統特點的計算機上。開放系統為水電站計算機監控系統的發展提供了強大的歷史舞臺。

3.4 基于對象技術的分布式監控系統

計算機硬件技術發展迅速，給軟件開發提供了廣闊的平臺。軟件技術發展到現在除了遵循開放系統標準以外，還應遵循面向對象技術的標準，如:SUN公司的 Java RMI、Microsoft公司的COM/DCOM。水電站計算機監控系統由于面向對象的復雜性和多樣性，基于面向對象的技術應用將水電站運行設備如發電機組、主變、開關等抽象為對象。從系統設計、編程語言選擇到用戶界面等一系列過程都依據面向對象的理念、原則和技術，這樣工作的結果將給用戶帶來使用和維護上的極大方便。

4 水電站“無人值班”或“少人值守”的技術條件

無人值班相對于有人值班而言就是要讓自動化系統來完成值班人員日常的工作，包括定時巡視運行設備，記錄各設備有關參數和相關事件，按操作票形式進行設備的正常操作，發生事故或故障時，進行反事故處理，采取有效措施，防止事故擴大等工作。實現比有人值班更迅速、更可靠、更安全的運行方式。雖然自動化系統具有一定的反事故處理能力，在局部范圍內起到防止事故擴大的特點，但是事故或故障的出現原因是非常復雜的，少數可以通過一定的處理恢復，但大多數是無法迅速恢復，并需要檢修維護人員及時前往現場認真分析處理。因此，水電站“無人值班”或“少人值守”必須具備幾個重要的技術條件。

4.1 具有計算機監控系統

計算機監控系統是實現“無人值班”或“少人值守”的一個非常重要的系統。它具有采用水電站的機組、輔機、油水風系統、主變、開關站、公用設備、站用電系統以及各種閘門等的電氣量、開入量、溫度量、壓力、液位、流量等輸入信號，完成各種生產流程，如開停機、分合開關等順序控制，機組有功功率和無功功率的調節，AGC、AVC，以及其他設備的操作控制。同時監控系統還具有豐富的人機界面，防誤操作的措施和一定的反事故處理能力。

4.2 具有遠程控制、調節功能

監控系統不僅具有現地的各種監視、操作和控制功能，而且要具有能與遠方控制系統通信能力，上送有關信息，接收遠方控制系統的命令來實現遠程控制和調節。

4.3 具有 ON－CALL功能

現場運行的設備一旦出現事故或故障時，就需要維護人員立即前往現場，了解事故或故障現象，分析事故或故障原因，及時排除事故或故障。如何使維護人員甚至領導能及時、準確、詳細的掌握事故或故障信息，這就是無人值班水電站計算機監控系統必須具備的功能:ON－CALL功能，可以通過電話、呼機或手機發布呼叫信息或手機短信息。

因此，水電站通過開發自動化系統，能夠提高設備的整體健康水平，保證設備的安全穩定運行，為“無人值班”或“少人值守”奠定基礎。

5 結語

水電站采用自動化系統后不僅提高水電站運行的經濟性和工作的可靠性、保證電能質量;而且提高勞動生產率、改善勞動條件和減少運行人員，從而提高電站運行的效益。在自動化設計中，要注意計算機監控系統的一些技術問題，如監控系統電源采用交流+UPS供電方式較好，協調好監控系統和現地自動控制回路裝置，考慮事件記錄與故障錄波，信號返回屏等。采用水電站“無人值班”或“少人值守”工作方式，比有人值班更迅速、更可靠、更安全。因此，計算機監控系統是一個客戶化程度很高的自動控制系統，是實現水電站“無人值班”或“少人值守”的重要條件。處理好計算機監控系統和水電站之間的關系，以及監控系統應用方面的技術問題，能使水電站更加經濟、安全、可靠的運行。讓水電站自動化系統在越來越多的水利樞紐工程中得到更廣泛的應用，發揮更大的作用。

［1］水電自動化與大壩觀測.2002.

TV736

B

1004－1184(2012)05－0185－03

2012－06－20

董鵬(1982－)，男，陜西榆林人，助理工程師，主要從事水利電氣工程設計方面工作。