董 鵬

(陜西省水工程勘察規(guī)劃研究院，陜西 西安 710003)

水電站自動化系統(tǒng)的應用與探討

董 鵬

(陜西省水工程勘察規(guī)劃研究院，陜西 西安 710003)

水電站自動化主要完成對水輪發(fā)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(jiān)視和水工建筑物運行工況的控制和監(jiān)視，完成對主要電氣設備的控制、監(jiān)視和保護。對計算機監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)電源，監(jiān)控系統(tǒng)與勵磁、保護、調速器系統(tǒng)接口，監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)地自動控制回路和裝置的功能協(xié)調，事件記錄與故障錄波的考慮，信號返回屏的考慮和工業(yè)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(jiān)控系統(tǒng);發(fā)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(wǎng)分開、競價上網(wǎng)”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(jiān)控系統(tǒng)的應用是水電站實現(xiàn)“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(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，給水電站自動化系統(tǒng)無論在結構上還是在功能上，都提供了一個廣闊的發(fā)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(fā)展。如今的水電站自動化系統(tǒng)應該成為一個集計算機、控制、通信、網(wǎng)絡及電力電子為一體的綜合系統(tǒng)。不僅可以完成對單個電站，還可以進一步實現(xiàn)對梯級流域、甚至跨流域的水電站群的經濟運行和安全監(jiān)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(jiān)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(xiàn)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(fā)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(xiàn)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(tài)發(fā)展成事故，又可使發(fā)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(fā)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(fā)生事故的緊急情況下，保證系統(tǒng)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(xiàn)自動化后，可根據(jù)系統(tǒng)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(shù)，使機組在高效率區(qū)運行，以獲得較好的經濟效益。如何實現(xiàn)各電站合理最優(yōu)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(tǒng)、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(xiàn)，實現(xiàn)自動化以后，將有助于電站經濟運行任務的實現(xiàn)。特別是對于具有調節(jié)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(tǒng)負荷和各機組參數(shù)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(wěn)定主要取決于電力系統(tǒng)中無功功率和有功功率的平衡。因此，要維持系統(tǒng)電壓和頻率在規(guī)定范圍內，就必須迅速而又準確地調節(jié)有關發(fā)電機組發(fā)出的有功和無功功率。特別是在發(fā)生事故的情況下，快速的調節(jié)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(xiàn)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(tǒng)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(qū)，遠離城鎮(zhèn)，職工長期生活在較差的環(huán)境之中。水電站實現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)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(huán)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(xiàn)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(guī)模及其在電力系統(tǒng)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(fā)電機組運行方式的自動控制:一方面，實現(xiàn)開停機和并列、發(fā)電轉調相和調相轉發(fā)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(fā)電機組的經濟運行，根據(jù)系統(tǒng)要求和電站的具體條件自動選擇最佳運行機組數(shù)，在機組間實現(xiàn)負荷的經濟分配，根據(jù)系統(tǒng)負荷變化自動調節(jié)機組的有功和無功功率等。此外，在工作機組發(fā)生事故或電力系統(tǒng)頻率降低時，可自動起動并投入備用機組;系統(tǒng)頻率過高時，則可自動切除部分機組。

2)完成對水輪發(fā)電機組及其輔助設備運行工況的監(jiān)視:如對發(fā)電機定子和轉子回路各電量的監(jiān)視，對發(fā)動機定子繞組和鐵芯以及各部軸承溫度的監(jiān)視，對機組潤滑和冷卻系統(tǒng)工作的監(jiān)視，對機組調速系統(tǒng)工作的監(jiān)視等。出現(xiàn)不正常工作狀態(tài)或發(fā)生事故時，迅速而自動地采取相應的保護措施，如發(fā)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(fā)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(jiān)視和保護。

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

2 計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術問題探討

監(jiān)控系統(tǒng)是一個客戶化程度很高的自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)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(fā)、使用等)的要求。在此就一些技術問題進行探討。

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)電源

水電站控制層應設有直流和交流控制電源，監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)的負擔。運行經驗表明，UPS在現(xiàn)場環(huán)境下使用壽命很短，難以維護，不宜采用。監(jiān)控系統(tǒng)主站設備(工作站、服務器和網(wǎng)絡設備等)的運行環(huán)境要達到國家規(guī)定要求，采取交流+UPS供電方式較好。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)與勵磁、保護、調速器系統(tǒng)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(jié)，必須在LCU內編制復雜的PID調節(jié)程序，如PID參數(shù)不當還可能造成調節(jié)性能不佳?，F(xiàn)場應用表明，這種方式對無功/電壓閉環(huán)調節(jié)尚能滿足要求，但對有功閉環(huán)調節(jié)，常常出現(xiàn)超調或調節(jié)不到位、或凋節(jié)時間延長等現(xiàn)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(xiàn)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(tài)和微機保護的事故追憶采樣值數(shù)據(jù)包(如果微機保護有此功能的話)。

盡管監(jiān)控系統(tǒng)與勵磁、保護、調速器裝置存在接口聯(lián)系，但各系統(tǒng)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(tǒng)的正常運行。上述裝置中直接作為控制和調節(jié)條件的信號(例如主開關狀態(tài)、機組轉速和機組狀態(tài)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(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)地自動控制回路和裝置的功能協(xié)調

機組或公共輔助設備，例如冷卻水系統(tǒng)、壓油泵、深井泵、空壓機等，一般設有現(xiàn)地自動控制裝置。處理現(xiàn)地自動化與監(jiān)控系統(tǒng)的關系時，應遵循現(xiàn)地自動化為主的原則，監(jiān)控系統(tǒng)則通過開關量、模擬量的采集(無需通信)承擔監(jiān)視、后備控制的任務，一旦發(fā)生異常，則發(fā)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(xiàn)地自動裝置，監(jiān)控系統(tǒng)只對直流系統(tǒng)和電源裝置的工作狀態(tài)進行監(jiān)視，不參與控制。無需建立網(wǎng)絡或串行通信聯(lián)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(jiān)控系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)點無法提供接口)。將事故記錄與故障錄波功能分別由監(jiān)控系統(tǒng)和具有快速交流采樣功能的微機保護裝置、微機勵磁調節(jié)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(jié)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(xiàn)集中監(jiān)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(tǒng)的動態(tài)過程(例如系統(tǒng)振蕩)。

2.6 工業(yè)電視、消防報警、保安、故障錄波器及MIS的接入

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

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

消防報警對運行監(jiān)視十分重要，其數(shù)據(jù)量不大，因此接入監(jiān)控系統(tǒng)比較合理。消防報警火情信號和保安監(jiān)視信號可轉送給工業(yè)電視系統(tǒng)，進行圖像自動聯(lián)控切換。

故障錄波器為大容量數(shù)據(jù)采集和記錄分析設備，數(shù)據(jù)的實時作用不強，離線分析的成分較多，應各自自成系統(tǒng)，并建立各自的中心分析站。從運行管理模式看，電站實現(xiàn)“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(tǒng)的數(shù)據(jù)分析工作十分費時，專業(yè)性很強，不適合運行值班人員操作;如果兩系統(tǒng)與 MIS系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，監(jiān)控系統(tǒng)僅通過 I/O對其故障和動作等情況進行監(jiān)視。專業(yè)技術人員通過MIS即可訪問兩系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)分析和遠程管理功能。

為實現(xiàn)生產發(fā)電與電站管理相結合，MIS應與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。由于MIS用戶多，MIS上數(shù)據(jù)多種多樣，為安全起見，兩網(wǎng)之間除采取防火墻等隔離措施外，還應采用單向數(shù)據(jù)流(從監(jiān)控系統(tǒng)流向MIS)，控制室設置專用MIS終端。

3 自動化系統(tǒng)的發(fā)展

水電站自動化系統(tǒng)由 I/O設備 (傳感器和執(zhí)行器 )、控制硬件、控制軟件、人機接口及與信息系統(tǒng)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(fā)展過程。

3.1 功能分布式的星型分層監(jiān)控系統(tǒng)

以單功能微機裝置集成系統(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)。

3.2 以設備單元分布的星型分層監(jiān)控系統(tǒng)

為了檢修維護的方便，以發(fā)電機組為單元，將數(shù)據(jù)采集與控制集成到一臺微機或PLC裝置中，構成了現(xiàn)地控制單元LCU。LCU無法直接接入以太網(wǎng)，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(wǎng)，只能將微機作為前置機。這時的系統(tǒng)采用專門的計算機，在應用網(wǎng)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(tǒng)環(huán)境。

3.3 基于開放系統(tǒng)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)

隨著計算機技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，計算機應用軟件越來越復雜和龐大，軟件開發(fā)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(tǒng)標準:TCP/IP、POSIX、SQL、ODBC、JDBC、OPC 等?；陂_放系統(tǒng)的分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)具有通用性和可移植性，監(jiān)控系統(tǒng)的軟件可以安裝在任何具有開放系統(tǒng)特點的計算機上。開放系統(tǒng)為水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展提供了強大的歷史舞臺。

3.4 基于對象技術的分布式監(jiān)控系統(tǒng)

計算機硬件技術發(fā)展迅速，給軟件開發(fā)提供了廣闊的平臺。軟件技術發(fā)展到現(xiàn)在除了遵循開放系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)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(fā)電機組、主變、開關等抽象為對象。從系統(tǒng)設計、編程語言選擇到用戶界面等一系列過程都依據(jù)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(tǒng)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(shù)和相關事件，按操作票形式進行設備的正常操作，發(fā)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)原因是非常復雜的，少數(shù)可以通過一定的處理恢復，但大多數(shù)是無法迅速恢復，并需要檢修維護人員及時前往現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)

計算機監(jiān)控系統(tǒng)是實現(xiàn)“無人值班”或“少人值守”的一個非常重要的系統(tǒng)。它具有采用水電站的機組、輔機、油水風系統(tǒng)、主變、開關站、公用設備、站用電系統(tǒng)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(jié)，AGC、AVC，以及其他設備的操作控制。同時監(jiān)控系統(tǒng)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(jié)功能

監(jiān)控系統(tǒng)不僅具有現(xiàn)地的各種監(jiān)視、操作和控制功能，而且要具有能與遠方控制系統(tǒng)通信能力，上送有關信息，接收遠方控制系統(tǒng)的命令來實現(xiàn)遠程控制和調節(jié)。

4.3 具有 ON－CALL功能

現(xiàn)場運行的設備一旦出現(xiàn)事故或故障時，就需要維護人員立即前往現(xiàn)場，了解事故或故障現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)必須具備的功能:ON－CALL功能，可以通過電話、呼機或手機發(fā)布呼叫信息或手機短信息。

因此，水電站通過開發(fā)自動化系統(tǒng)，能夠提高設備的整體健康水平，保證設備的安全穩(wěn)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(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)的一些技術問題，如監(jiān)控系統(tǒng)電源采用交流+UPS供電方式較好，協(xié)調好監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)是一個客戶化程度很高的自動控制系統(tǒng)，是實現(xiàn)水電站“無人值班”或“少人值守”的重要條件。處理好計算機監(jiān)控系統(tǒng)和水電站之間的關系，以及監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)在越來越多的水利樞紐工程中得到更廣泛的應用，發(fā)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。