某水電站自動化監控系統設計實例

歐耘天

（韶關市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東韶關 512026）

電力資源作為重要的能源之一，可滿足人們生產生活用電需求。而為確保電力資源的穩定、安全供應，需要做好水電站建設工作。我國幅員遼闊，水電站分布廣泛，不乏一些水電站在長期的使用中超負荷工作或者處于年久失修的狀態，設施老舊，故障頻發。而隨著技術的創新，自動化監控系統研究及應用更為成熟，也帶動水電站自動化監控改造，以提升電能質量，提升供電服務水平。

1 水電站自動化監控系統組成及工作原理

1.1 自動化監控系統組成

目前，計算機監控系統在水電站自動化監控系統中的應用表現對應不同的水電站自動化監控系統構成模式。①以計算機監控系統作為輔助監控的自動化監控系統，核心構成是常規的自動化裝置，負責對水電站運行情況相關數據進行采集與處理。該模式下，一旦自動化監控系統出現問題，水電站其他自動化裝置仍可正常工作，以確保電能供應的穩定。②以計算機監控系統為主控制系統的自動化監控系統[1]。這種監控系統的核心操作體是自動化裝置，多數情況下不保留常規的自動化裝置，但這種自動化監控系統對計算機網絡運行安全性要求較高，若計算機自動化監控系統出現問題，會造成整個水電站供電系統的癱瘓。③雙重配置的監控系統。自動化裝置與常規監控裝置同時運行，增強水電站運行中的穩定性與安全性。目前在水電站自動化監控系統改造中得到了廣泛應用。

1.2 自動化監控系統工作原理

水電站是借助水力發電，利用水流作用，推動水利機械水輪機轉動，將水流產生的機械能轉變為電能。水電站中設置自動化監控系統，主要是發揮計算機監控系統、相關輔助監控設備及電氣監控設備的作用，負責整個水電站的的自動化功能：安全監視、控制操作等；歷史數據處理：運行報表、設備檔案、運行參數等；人機對話：對運行設備的監視、事故和故障報警，對運行設備的人工干預及各種參數的修改和設置等，以幫助水電站工作人員及時了解生產過程的實時數據采集和預處理以及對設備的狀態監視、調整和控制等功能。保證水電站供電穩定性，更好滿足客戶用電需求。

2 水電站自動化監控系統設計原則

在水電站自動化監控系統設計中應明確設計原則。具體來說，要堅持實用性、可靠性原則，在設計水電站自動化監控系統時，堅持面向應用，強調實效發揮[2]。秉承逐步完善的理念，讓技術應用更理想，設備運作更成熟。要堅持先進性、成熟性、可擴展性原則，在滿足實用性原則的基礎上，根據水利發電站的具體情況，選擇先進的設備，優化的結構，綜合的布線方式及模塊化設計。以更好地適應現代生產管理的需要，以系統可擴展性能優勢的發揮，方便后續新設備的增加，新功能的擴展讓步，也讓不同系統能有效兼容。要堅持經濟性原則，爭取最少的成本投入，獲得最理想的效益回報[3]。這要求網絡設計、設備選型都要綜合對比，優中選優，以確保整個系統設計及改造建設對應最理想的。

3 個案：山口一級水電站運行情況

山口一級電站為1995年8月正式投產發電的老電站，電站至今已運行23 a，受當時生產條件限制，機組效率較低，水輪機效率大約在為85.5%左右，經過20多年的運行，設備進一步磨損、老化，效率更低，目前效率在為82%左右。存在的主要問題有：①水輪機轉輪葉片磨損、空蝕嚴重，轉輪效率偏低，機組出力度下降，出力為3 860 kW，推力軸瓦溫度偏高；②轉輪效率低，汽蝕嚴重，調速器調節柜部分經改造后性能較好；③水力機械輔助設備老化，自動化程度低，2#機蝶閥有機械故障，操作不靈敏；④發電機絕緣老化，2016—2017年定子線圈擊穿了3次，定子線圈無測溫電阻；⑤勵磁設備老化技術落后；⑥高低壓柜及控制設備技術落后，另外水輪機停機時不能密封，滲漏水較大，高壓柜開關為油開關，性能差；⑦控制保護仍為未常規控制保護，設備老化，技術落后，自動化程度低，運行不穩定，可靠性差。由于上諸多述原因，造成電站發電效益逐年降低，而且機電設備維護工作量大，維護費用高，水能資源得不到充分利用。因此該水電站技術改造提上議程。本文就自動化監控系統部分的設計及改造進行論述。

4 水電站自動化監控系統設計

4.1 設計原則

根據實際情況明確設計思路。對山口一級水電站自動化監控系統進行設計規劃時以信息采集全面精準、控制功能齊全可靠、自動化程度高為基本設計原則，力求通過自動化監控系統的設計，實現“無人值班，少人值守”，變原有的常規運行值班、人員巡視為定期現場巡視、遠程控制。以自動化監控實現對水電站運行情況的即時把控，以做到監控的不間斷、無死角。

4.2 設計框架

為了適應電站今后走上科學管理運行的要求，實行“少人值班”的原則，山口一級電站擴容改造工程采用微機監控系統對電站進行控制，該系統技術目前日益趨于成熟，配置有打印機、報警及音響系統功能，可以實現遠程控制[4]。工作人員在中控室微機系統上操作就可實現全廠的監控，包括自動執行開機、停機、并網、帶上負荷等操作，發出一個停機命令就可以完成機組御負荷、停機、剎車制動的作業全過程，并配有相應的自動化元件，包括電磁空氣閥、溫度信號器、示流信號及壓力信號器等。機組采用與微機監控系統配套的可控硅自并勵磁裝置，可實現遠程控制。自動化改造涉及機電設備參數見表1。

表1 自動化改造涉及機電設備參數

4.3 設計要點

4.3.1 自動化監控設計要點

在山口一級電站自動化監控系統設計中力求取消原來所有常規控制屏柜，用計算機監控保護自動化系統完全取代原來的傳統型監控保護系統，以對全站機電設備實現微機控制、調節、保護、測量、信號、通信等。分析自動化監控系統構成可知，計算機監控系統采用全分層、分布開放式的全廠集中監控方案，設有負責完成全廠集中監控任務的電站控制系統級及負責完成機組、開關站公用設備監控任務的控制系統。現地層每臺機組監控設機組LCU 屏1面，所有公用設備和升壓站設備監控設公用LCU 屏1面。主變線路共1面保護控制屏，2臺發電機共2面保護控制屏。另外配置1 面計量屏，2 臺發電機，主變及35 kV 線路各配置1臺電子式多功能電度表。電站主控層配置兩套互為熱備用的操作員工作站，配置1套語音報警系統和報表、事故打印機，另外配置中央控制室控制臺1套，用于安放操作員工作站及打印機等主控層設備，主控層和現地層采用100 M 快速工業以太網通信。計算機監控可實現對電源系統的遙測、遙控、遙信、遙調，真正實現無人值守，節省人力成本，提高監控實效。

4.3.2 繼電保護設計要點

山口一級電站擴容改造工程中也應關注電氣設備的保護問題，設計考慮采用微機保護，與監控系統共用一套，組合微機監控保護系統，按繼電保護的有關規程，不同元件有相應的保護配置。其中，發電機保護的配置為縱聯差動保護、復合電壓起動過電流保護、電流速斷保護、過電流保護，過電壓保護、失磁、過負荷保護、定子單相接地、勵磁回路一點接地及低電壓保護等。其中變壓器保護的配置為縱聯差動保護，復合電壓起動過電流保護，電流速斷保護，過電流保護，重、輕瓦斯保護及油溫升高發信號[5]。廠用變壓器保護的配置為電流速斷保護、過電流保護。35 kV線路保護的配置為電流速斷保護、過電流保護。從系統結構看，微機保護采用分布式單元機箱結構，各保護單元均相對獨立，通過站內現場總線互聯。在功能分配上，采用能下放盡量下放的原則，保護單元箱能完成的功能絕不依賴通信網，各保護單元箱上均配有操作面板和必要的手動操作開關及信號燈，運行人員可通過就地單元箱上的操作面板或人機接口，對相應電氣設備進行操作，各保護單元故障或退出運行時，不影響其他單元及上層監控。

4.3.3 視頻監視設計要點

山口一級電站增效擴容改造工程設視頻監視點多個，其中大壩水位2個、廠區1個、主廠房2個、中控室1個、高壓室1個、廠變勵變室2個、尾水1個、壓力管道1個共11個。視頻監控設備以數字技術進行監控并錄像。若前端設備遭破壞出現視頻圖像丟失時，系統會發出報警，提示工作人員關注錯誤的圖像源等信息，并及時進行設備調整。視頻監控系統還設置視頻移動感知報警模塊，若監視畫面中有物體移動，系統也有報警，提示工作人員及時關注監控區域內的移動物體，判斷是否存在外來非法入侵的情況并科學處理。

4.3.4 二次接線設計要點

山口一級電站自動化監控系統設計中也應重點關注二次接線設計問題。①測量、信號及同期設計。山口一級電站擴容改造工程二次采用微機監控保護系統，測量部分有發電機、主變及35 kV 線路配置有有功功率、無功功率、電流及電壓測量，通過信號采集輸送至微機監控保護系統，由視屏顯示；全廠的信號輸送至微機監控保護系統，由系統發出信號或語音；主同期點設在發電機出口斷路器，主變出口斷路器為備用同期點，在微機監控保護系統上操作。②電流、電壓互感器設計。山口一級電站自動化監控系統設計中要求發電機出口、主變高低壓側及35 kV 線路設有電流互感器；要求發電機端、6.3 kV 母線及35 kV 母線設有電壓互感器，電壓、電流互感器提供的測量數據均能滿足微機監控保護系統的要求。在接線設計時也要合理控制電源。對原來直流系統進行改造，直流系統采用智能高頻開關電源特有的模塊化設計，N＋1熱備份，可靠性高。直流電源系統采用通信接口與電站監控系統連接，可實現遙控、遙測、遙調、遙信的功能。③開展電工試驗。由于山口一級電站高壓設備不多，因此在自動化監控系統設計中不設計電工實驗室，只新增一試修及工具室。此外為保障通信正常，設置專用電話與變電站聯系，設置程控電話對外聯絡，對內則不設內部通信設備。考慮到以太網綜合性能優勢明顯，及其在工業控制領域的成熟運用。山口一級電站自動化監控系統設計以以太網為基礎，構建新的通信網絡。網絡采用分層分布的方式，其中占用層使用100 M 以太網，間隔層使用10 M 以太網，使用交換機的星型拓撲結構，并根據現實需要以光纖作為主傳輸介質。

5 結語

水電站在社會發展中的價值不容忽視，而水電站運行又相對復雜。傳統的水電站監管多為半自動化監管，在部分偏遠地區也一度沿襲傳統的人工監管模式。隨著技術的創新、系統的升級，自動化監控系統應用更為廣泛，在水電站運行中也得到有效運用，減少了工作人員監管工作量，也減少了人為失誤，水電站運行得到全方面的監管和即時性的管控。積極發揮水電站自動化監控系統優勢，推動水電站自動化監控設計改造是當前水電站建設積管理的大趨勢，將帶來理想的效益回報。