數字化在水電站運行管理中的應用

趙光宇

（山西水投汾河水務有限公司，山西 太原030006）

1 工程概況

山西省汾河水庫水電站位于山西省太原市婁煩縣下石家莊村北，是依托于汾河水庫的壩后引水式水電站[1]，總裝機容量13 000 kW，現有2臺6 500 kW的立式混流水輪發電機組。汾河水庫水電站于2014～2016年完成增效擴容改造，在技改方案設計過程中非常重視數字化自動化技術的應用，通過數字化管理和自動化控制，讓該水電站現代化程度和發電效率大大提高，增效幅度超過25%。

2 數字化機組運行監控系統方案

汾河水庫水電站將運行情況轉化成數字信號通過高速以太網傳輸到控制機組LCU和公用LCU上，再通過LCU上編定好的程序自動控制機組和各輔助設備、繼電保護裝置的動作。該水電站將機組自動化運行體系劃分為3層：站控層、單元層和過程層[2，3]。同時，按照不同功能或區域要求對分布式子系統或IED進行配置，各子系統或IED之間具備實現層深次數據共享和互操作的能力[2]。機組數字化運行系統如圖1所示，圖中箭頭表示信息傳導方向，實線方框表示數字化模塊，虛線方框表示廠外單元。

該系統設有2個操作員工作站，互為備用，互為冗余[4，5]，1個工程師站，3臺計算機配置如下：CPU為 Intel Xeon E5530，主頻 2.40 MHz，內存 6 GB，硬盤SATA 500 GB，2個100 M以太網接口，標準鍵盤和鼠標。2臺操作員工作站計算機均安裝有廠級中控系統，可以實現現地數據采集和機組的操作控制的功能。工程師站計算機可以實現廠級中控系統的維護和培訓任務。

圖1 機組數字化運行系統圖

2.1 實現水輪發電機組自動控制

機組控制系統可以實現水輪發電機組自動控制主要包括蝶閥自動開閉、導葉開度自動調節、自動并網和解列、跟蹤電網情況和水頭水壓動態調整有功和無功。自動并網，能夠最大幅度的降低并網對機組和電網的沖擊，提高運行的安全性和電能的質量。自動解列可根據后臺命令和事故信號自動降低機組負荷，以最安全和最迅速的方式解列停機，實現操作人員的意圖，并最大限度保護機組。動態調整有功無功主要是實時跟蹤電網的電壓、頻率和電站的水頭水壓等實際情況，通過導葉和勵磁系統的動態調整來實現，能夠保證機組時刻處于經濟高效區運行，降低能耗和水耗，提高機組運行的經濟性。水電站技改后，平均每度電水耗由10.3 m3降低到7.7 m3，增效明顯。

2.2 實現水輪發電機組及電氣系統監控和保護

汾河水庫水電站實現了對各部門油位、溫度、振動量、各回路電壓電流、冷卻系統和潤滑系統的運行監視，能夠直觀的了解各部位的情況變化，對機組的安全穩定運行有著非常巨大的作用，可以大大減輕工作人員現場巡回檢查的工作強度，盡可能減少工作人員暴露在噪聲和電磁輻射環境下的時間，保護工作人員身體健康。

水力監視測量內容包括：上、下游水位監測，攔污柵前后壓差、水輪機工作水頭、軸功率、蝸殼進口壓力、尾水管進口真空、技術供水壓力、示流、溫度、機組效率等。本次對進水池和尾水渠的各一套液位計全部更換為超聲波液位傳感器。技改后的電站水力監視測量系統與電站自動化設計相結合，選取與自動化相配套的智能性設備，除在現場顯示外，還接入廠級計算機中控系統。

機組及電氣設備保護系統通過對電站各部位定量數字化信號的分析比對，能夠很快的發現問題和事故隱患，然后反饋異常信號，觸發繼電保護裝置，動作一次設備，保護設備和電網的安全。

2.3 信息數據采集存儲系統

該系統依托于機組數字化自動化運行監控系統的數據，分時段采樣并記錄，確保機組運行時間全覆蓋，并保證記錄的準確性。該系統還可以對數據進行橫向和縱向比較，可以回顧性地判斷系統運行狀況，方便從過去的運行數據中發現隱患和需要修正的地方，能夠使機組設備更加經濟穩定安全的運行。

3 數字化日常管理方案

水電站日常管理主要包括廠區高清視頻監控、進出廠區車輛人員跟蹤系統、“三票”數字化管理、備品備件倉庫數字化管理系統、工作人員數字化識別管理等5大日常生產管理系統，讓生產管理更加精細化和智能化，日常數字化管理功能和構成如圖2所示，圖中箭頭表示信息傳導方向，實線方框表示功能模塊，無方框文字表示終端設備。

圖2 數字化日常管理系統構成圖

3.1 廠區高清視頻監控系統

視頻系統主要增加布置在電站及其變電站等處，共增設攝像頭10個。視頻系統充分利用圖像通信系統壓縮編解碼技術，將動態圖像編碼成數字信號，以利于通信傳輸通道的傳輸。

中控室設視頻主機，可以隨時查看和調用任一攝像頭的圖象，能靈活地控制云臺的轉動和攝像頭調焦與動作。當監控終端出現告警時，可按預定程序進行告警聯動；告警后可自動啟動錄像機，對告警現場進行實時錄象，中心對已發生的告警、錄音、操作員的動作均有歷史記錄，可查詢和實時打印，記錄時間可達15 d，在廠區安全防護和事故后分析方面起著重要的作用。

3.2 進出場車輛人員跟蹤系統

水電站在廠區進出口裝設有云臺攝像頭，具備移動偵測功能，與視頻監控系統配合使用，可以準確記錄進入生產廠區的人員車輛的活動軌跡和所有行為，特別是在安全防護和防盜方面，讓不法分子和破壞活動無所遁形。

3.3 “三票”數字化管理系統

汾河水庫水電站自主研發的操作票、第一種工作票、第二種工作票數字化管理系統，集成了水電站絕大部分操作和工作的步驟和順序，在需要填寫操作票和工作票時，只要輸入操作任務名稱就可以找到常規的操作票和工作票范本，只要根據現場實際情況稍加修改和完善即可，極大的方便了“兩票”的填寫，且能最大程度地減少由于個人疏忽和遺忘出現的“兩票”填寫錯誤，進而保證操作和工作的正確性和準確性，杜絕事故的發生。

3.4 備品備件倉庫數字化管理系統

汾河水庫水電站自主設計制作了一整套倉庫備品備件數字化管理系統，只要在表中填入出庫或入庫數據，倉儲量將隨之改變。錄入維修養護消耗量，可以自動生成需要采購的物品清單，以確保維修養護計劃正常實施。該系統一改以前倉庫管理需要的盤點和繁瑣的計數工作，使備品備件管理變得簡單易行，而且可以隨時查看倉儲情況，有效減少庫存，減少倉庫物資對資金的占用。

3.5 操作人員數字化識別管理

操作人員數字化識別管理依托于廠級中控系統，水電站為所有工作人員在廠級中控系統中注冊用戶名和密碼，并排定交接班班次和時間安排，所有值班的工作人員必須在規定的時間段輸入自己的用戶名和密碼進行電子交接班，而且接班人員必須與系統中排定的交接班人員一致，才能成功交接班，超出規定時間段和錯誤的人員信息都無法實現交接班。接班后，所有對機組運行狀態改變的操作都必須輸入與當值人員信息一致的用戶名和密碼才能實現操作。該系統的優點是極大地減少了誤操作的機率，保證了操作的安全性和可靠性。該系統與日常管理分屬兩個控制計算機，因此未在圖2中標示。

3.6 廠區范圍內語音播報系統

汾河水庫水電站廠區范圍內語音播報系統主要包括機組運行故障語音警報、直流電池系統故障語音警報、公用LCU屏故障警報、全廠范圍內的消防警報、全廠范圍內的語音廣播，是機組運行監控系統、直流系統、消防系統中語音播報功能的總和。該系統與日常管理分屬不同控制終端，因此未在圖2中顯示。機組運行故障語音警報、直流電池系統故障語音警報、公用LCU屏故障警報讓工作人員在中控室可以第一時間知道系統故障情況并采取緊急維護措施，防止故障擴大，引起更加嚴重的后果。消防警報遍布整個廠房，聲音穿透每個角落，可以讓所有在廠員工以最快的速度確認火情，采取措施，減少或阻止損失。語音廣播系統可以讓中控室值班人員將其掌握的任何信息以最快的速度傳播到廠房內的每一個人，特別是在搶險活動中作用巨大。

4 數字化消防管理方案

水電站數字化消防管理主要包括火情監測、系統聯動、語音廣播3部分，采用總線制集中控制，集中控制主機布置在中控室，24 h值班。由于機組運行時溫度最高可達120℃，不適用濕式自動噴淋滅火（該方式適用溫度范圍4℃～70℃），所以機組和電氣設備視火情嚴重程度，主要靠二氧化碳滅火器和消防栓噴水滅火。圖3是站內數字化消防管理系統的功能和結構。

圖3 數字化消防管理系統圖

4.1 火情監測

汾河水庫水電站通過增加“眼睛”貫通“神經”裝備“大腦”的消防網絡體系將電站廠房監控得無一死角。“眼睛”是溫感和煙感探測器和水流探測器，“神經”是信號傳輸的網絡和線路，“大腦”是消防中心控制器，裝備著一套先進且功能強大的消防監控系統。通過消防數字化監控系統，工作人員能第一時間發現火情，及時采取措施。

4.2 聯動系統

消防中心控制器監測到火情后，可以設定為直接聯動系統動作，也可設定為人工判斷后聯動系統，人工判斷時間可設定為30 s～5 min。一旦火情確認，該系統能夠迅速聯動機組LCU快速停機解列，聯動公用LCU切斷站內主電源，并切換消防備用電源，并且在機組停機和切斷主電源之間設有電子閉鎖；聯動啟動排煙風機和消防水泵，把火災的隱患和危害降到最低，最大限度地保證設備和人員的安全。

5 結束語

綜上所述，汾河水庫水電站將數字化積極地運用到電站的設備運行和日常管理的各個方面，效果顯著，不僅提高了機組運行的經濟性和效能，更規范了水電站的管理，人員權責界定清楚，數據、記錄管理規范到位，備品備件的數量明晰、總量大幅減少，事故隱患容易被發現，事故發生時能夠施以正確的處置措施，安全邊界大大提高。數字化讓水電站的管理更加精準、經濟和輕松。