小型水電站的自動化改造

楊友棟，陳立輝

（1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省水文管理中心，浙江 杭州 310009）

水電是一種重要的能源，因其清潔性和可再生性，得到大力發展。隨著制造裝備技術水平的提高，水電技術得到飛速的提高，經過多年的發展，水電技術已經十分成熟。相對于發達國家，我國的水電開發比例仍然較低。為了解決能源短缺與生態環保問題，水電站開發在我國經歷了一個高速發展的階段，在經過20多年的不斷興建，已建成大量的大大小小各種型式的水電站。在這些已建成的水電站中，有著數量龐大的裝機容量在50 000 kW以下的小型水電站。隨著小型水電站的進一步開發，小型水電站的數量、裝機容量、年發電量仍在增加。這些小型水電站分布較為分散，主要位于交通不太便利的偏遠山區，是當地農村電網的主力軍，是電網主網的有力補充，解決了偏遠地區供電難題，為促進當地就業、經濟發展做出巨大的貢獻。

1 小型水電站存在的問題

在眾多建成的農村小型水電站中，存在著一大批總裝機容量從幾百千瓦到兩三千千瓦的小型水電站。這些小型水電站大多數建成于20世紀八九十年代，已經運行20多年，機組設備接近使用壽命，亟待改造。這種類型小型水電站很多依據地形情況修建，電站規模較小，引水系統比較簡單，設備數量較少，接線較為簡單，整體具有以下幾點共性:①出線電壓低。總裝機容量小，出線電壓為10 kV等級，送出線路不長，T接于附近的10 kV農村電網，不敷設單獨的送電線路。②單機容量小。為了充分的利用引水量，提高利用小時，充分利用水能，均設置有幾臺機組，在總裝機容量較小的情況下，單機容量必然會小，一般不超過單機1 000 kW。③機組額定電壓低。機組單機容量小，為了降低成本，采用低壓機組，機組額定電壓采用400 V。

小規模的小型水電站在經過多年的運行，已經在運行過程中凸顯眾多問題，而且問題越來越嚴重，影響正常生產，甚至難以滿足現場安全運行的要求。綜合目前的情況，主要存在下列幾個問題:①運行人員不足。經濟發展的浪潮下，小型水電站已經難覓年輕人的身影，留下的一些運行人員已經瀕臨退休，運行人員面臨青黃不接的狀況。②機組老化嚴重。小規模的小型水電站建造年代久遠，設備大多數運行了20 a左右。大多數機電設備制造于20世紀，機組老化嚴重、效率低下、影響電站發電效益，且存在眾多的安全隱患。③自動化水平低。眾多的小型水電站還停留在手動操作的水平，手動開機、停機，手動投切勵磁，手動剎車等等，機組的起停、發電處于手工操作階段，自動化水平極其低下，電能質量不高。④繼電保護水平低。大量的小型機組還在使用繼電器組成的繼電保護，這種類型的繼電保護接線復雜、故障率高、維修工作量大，遠遠跟不上時代的發展。

2 解決方案

在大電網智能化的大背景，水電站自動化水平逐步發展完善，尤其是大中型水電站的自動化水平已經很高，小型水電站的自動化水平與大中型水電站相比，差距較為明顯。在水電站自動化總體水平提高的基礎上，小型水電站的自動化水平獲得長足的進步，基本上已經可以實現“無人值班、少人值守”的運行模式。新建的水電站已經實現計算機監控系統，完全實現自動化，降低運行成本，提高水能利用效率，處于自動化低谷區的農村小型水電站急需自動系統改造升級，自動化缺少的設備需要增設，自動化水平低的需要升級。當前小型水電站的自動化系統基本上采用分層分布式結構的系統，主要分為集控層、網絡層與現地控制單元3層。

2.1 集控層

集控層由工作站構成，工作站裝設監控軟件和通訊服務軟件，軟件遵循“開放”系統設計原則，采用模塊化編程，靈活組態、適用性強，可根據不同類型和規模的水電站的需求進行針對性設計，滿足水電站在不同時期的需求。監控軟件主要完成電站控制、電站監視、事故與故障處理、數據管理等功能。①電站控制:機組自動開停機、機組控制模式切換、機組自動發電、機組有功無功調節、調度與遙控。②電站監視:全站實時運行狀態監視、全站運行參數監視、控制操作過程監視、系統設備運行狀態監視。③事故與故障處理:事故與故障報警、遙測越線與遙信變位報警記錄、事故與故障記錄。④數據管理:運行參數數據庫生成、歷史運行參數查詢。

通訊服務軟件主要是完成與上級調度的通訊任務，可根據實際情況與電站的規模，與其他電站組成集中監控。

2.2 網絡層

網絡層是整個系統可靠運行的基礎，應具有高安全可靠性、較強的數據吞吐能力，合理的帶寬及通訊的開放性、集成性、易用性和可維護性，保證系統的實時通信與信息交換。網絡通訊主要采用RS - 232/RS 485和以太網雙網冗余通訊，相比較以前的RS - 232/RS 485單通道通訊，可靠性得到提高。

2.3 現地控制單元

現地控制單元是自動化控制的基礎，完成對機組、機組輔助設備、其他配電設備的實時測量、控制、調節以及數據采集、處理、上傳至集控層。現地控制單元具有最高權限的優先級別，當網絡層或者集控層出現故障，失去與集控層聯絡時，仍然可以獨立完成對設備的監控，通過現地/遠地功能切換能實現現地手動操作，集控層與網絡層維護檢修時不影響電站的發電運行。目前自動化設備廠家較多，各大廠家均有自己特點的產品，造成現地控制單元設備種類較多，可以選擇的產品比較廣泛，總體可分為2類，一類為基于PLC的控制單元，另一類為高度集成的一體化控制單元。①基于PLC的控制單元:采用普及率較高的PLC，以PLC為基礎，配置繼電保護元件、一定數量的開關量輸入繼電器、開關量輸出繼電器、模擬量輸入變送器、人機顯示等設備，利用控制線路將各個功能連接在一起組成一個控制單元。人為增加中間轉換環節，造成設備數量與費用增加，線路增多的同時使接線復雜性增大，無形中提高故障率。與此同時，由于農村小型水電站功能要求較為簡單，數據采集的點數較少，采用的PLC一般為小型PLC，數據處理能力較差，故障發生時容易發生延時發出命令的情況，有可能造成故障的進一步擴大。一般情況下，PLC不單獨設置屏柜，直接布置于發電機控制柜內，且發電機控制柜大多數就近布置于水輪發電機組附近，使PLC容易受到電磁干擾和環境影響。整體來說該類設備優點是設備的通用性強、易于擴展；缺點是抗干擾性能差、環境適應能力較差，故障率較高，整體可靠性差。②一體化集成控制單元:以嵌入式DSP處理器為核心，采用模塊化設計，每一個具有獨立功能的部件做成一個模塊插件，通過裝置的主板插槽將各個功能組合成一個整體。主要模塊插件包括電源、DSP處理器、勵磁、交流采樣、直流采樣、開關量輸入、開關量輸入、模擬量輸入、通訊、人機顯示等模塊。一體化集成控制單元集成度高，集中了控制、保護、調節、監視、采樣、通訊等各種功能，減少大量的輔助元件，接線復雜性大大降低，降低人為的故障率。主要優點有抗干擾性能好、環境適應能力強、數據處理能力強、插件配置更換簡易、可靠性高，與具有同等功能的PLC相比較造價便宜；缺點是受制于主板插槽的數量限制，可擴展性能差。

3 結 語

農村小型水電站的改造是一項急需進行的工程，通過對小型水電站的自動化改造，在提高水電站發電效率的同時有效提高電站的運行管理水平，減少運行人員數量，解決人員短缺的問題。盡管每一座水電站有其自身的要求，不能采用同一個自動化模式，但是自動化改造系統架構大致相同，不同的是現地控制單元的選擇。對比2種不同的現地控制單元，在造價水平相當的情況下，一體化集成控制單元具有較為突出的優點，應優先考慮。