王義才

(遼寧省白石水庫管理局，遼寧 朝陽　122000)

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白石水電廠自動化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王義才

(遼寧省白石水庫管理局，遼寧 朝陽122000)

【摘要】本文結(jié)合白石水電廠微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造工程，介紹了白石水電廠改造方案的設(shè)計與實現(xiàn)。重點闡述了機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)流程，對類似老廠綜合自動化系統(tǒng)改造與實踐有一定的參考價值。

【關(guān)鍵詞】白石水電廠；自動化系統(tǒng)；改造；設(shè)計

1工程概況

白石水庫是遼寧省“九五”期間水資源開發(fā)建設(shè)的重點工程項目，是采用RCD碾壓混凝土筑壩技術(shù)建在北方嚴(yán)寒地區(qū)和利用第四批日本海外經(jīng)濟(jì)協(xié)力基金(OECF)貸款的項目。壩址位于北票市上園鎮(zhèn)境內(nèi)的大凌河干流上，地處朝陽、阜新、錦州三市交界地帶。距北票市46km，距義縣45km?？刂屏饔蛎娣e17 649km2，占大凌河流域面積的76%，總庫容16.45億m3,多年凈調(diào)節(jié)水量為4.47億m3。校核洪水位133.88m，正常蓄水位127.00m，正常庫容10.00億m3。是一座以防洪、灌溉和城市供水為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚、旅游觀光等綜合利用的多年調(diào)節(jié)大型水利樞紐工程。

白石水力發(fā)電廠建成于2001年，是一座壩后式水電站，裝有水輪發(fā)電機(jī)組4臺，其中1號機(jī)組為1.6MW立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組，2號和3號機(jī)組均為4.0MW立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組，4號機(jī)組為0.2MW臥式混流式水輪發(fā)電機(jī)組，電站總裝機(jī)容量為9.8MW。按國家電力監(jiān)管的統(tǒng)一要求，白石水力發(fā)電廠已在2008年將發(fā)電和輸變電系統(tǒng)由常規(guī)保護(hù)改為微機(jī)保護(hù)，實現(xiàn)了以電廠遙測和遙信為基礎(chǔ)的發(fā)電量遠(yuǎn)程監(jiān)管。受當(dāng)時資金所限，水輪發(fā)電機(jī)組仍舊是人工機(jī)調(diào)，與電力監(jiān)管的統(tǒng)一要求不配套，不符合電力安全生產(chǎn)的要求，亟需改造成為微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

2自動化系統(tǒng)改造的必要性

白石水庫發(fā)電廠是隨著筑庫過程同期建設(shè)的水電廠，目前尚未實現(xiàn)計算機(jī)監(jiān)控。早在20世紀(jì)70年代末期即開始了計算機(jī)監(jiān)控的研制工作，由天傳所、華工、長辦、原電力部南自所和中國水科院自動化所等在富春江、永定河、葛洲壩、隔河巖、潘家口、二灘等水電廠實施了計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的引進(jìn)和研制工作，并于80年代中期先后投入運行，形成了分層分布式系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫、多媒體與專家系統(tǒng)等。省直庫電廠(如參窩、湯河、柴河、觀音閣等)也從2000年左右開始陸續(xù)實現(xiàn)了計算機(jī)監(jiān)控，目前白石電廠的計算機(jī)監(jiān)控還是空白。

為保證白石水電廠發(fā)電安全正常并網(wǎng)，必須采取相應(yīng)的技術(shù)措施，使其頻率、電壓和相位滿足并網(wǎng)要求，即實現(xiàn)并網(wǎng)時發(fā)電機(jī)頻率與系統(tǒng)頻率近似相等，發(fā)電機(jī)電壓與系統(tǒng)電壓幅值近似相等，合閘瞬間發(fā)電機(jī)電壓的相位與系統(tǒng)電壓的相位近似相等。否則，合閘瞬間的頻率差、電壓差和相位差會導(dǎo)致沖擊電流和轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，較大的沖擊將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)繞組的電氣損壞、電壓下降、短路甚至燒毀，以及產(chǎn)生劇烈振動使機(jī)組損壞，廠房及水工結(jié)構(gòu)破壞。為避免上述情況的發(fā)生，依靠人工是難以實現(xiàn)的，必須由計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)來完成。

3新自動化系統(tǒng)設(shè)計原則及結(jié)構(gòu)

白石水電廠自動化系統(tǒng)改造工程主要內(nèi)容為對水電站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造，其重點是對影響水庫發(fā)電安全生產(chǎn)的關(guān)鍵系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行升級改造。水電廠監(jiān)控總體布置詳見圖1。

圖1　電廠監(jiān)控總體布置

3.1設(shè)計目標(biāo)

為保證白石水庫水電站安全運行，以實現(xiàn)“無人值守、少人值班”為目標(biāo)，對白石水庫電站自動化系統(tǒng)進(jìn)行改造。在保證科學(xué)調(diào)度，實現(xiàn)設(shè)計先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便、功能實用目標(biāo)的前提下，滿足白石水庫發(fā)電和水庫運行安全的基本需要，達(dá)到國內(nèi)同類同期建設(shè)的先進(jìn)水平。

3.2設(shè)計原則

以分層分布開放式結(jié)構(gòu)，建設(shè)發(fā)電計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。用當(dāng)前先進(jìn)、成熟的計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，按全計算機(jī)監(jiān)控和保護(hù)方式進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及系統(tǒng)配置。

電廠監(jiān)控系統(tǒng)按“無人值守、少人值班”的方式設(shè)計。實施模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，保持系統(tǒng)穩(wěn)定的可維護(hù)資源。以手動優(yōu)先和底層優(yōu)先的原則設(shè)置相應(yīng)的軟件和硬件結(jié)構(gòu)，運行操作人員能夠方便地選定控制權(quán)，閉鎖無控制權(quán)的設(shè)備。

3.3總體結(jié)構(gòu)

白石水庫水力發(fā)電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布開放式結(jié)構(gòu)，主要建設(shè)內(nèi)容包括電站控制級和現(xiàn)地控制級(LCU)。對4臺水輪發(fā)電機(jī)組實施廠站中心統(tǒng)一調(diào)控下的微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造，組成廠內(nèi)監(jiān)控網(wǎng)，集中監(jiān)控水輪發(fā)電機(jī)組的運行安全及上級遠(yuǎn)程監(jiān)測。自動化系統(tǒng)改造工程總體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　自動化系統(tǒng)改造工程總體結(jié)構(gòu)

4機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

4.1系統(tǒng)構(gòu)成

白石水電廠監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要由電站控制級和現(xiàn)地控制級(LCU)2部分構(gòu)成。對4臺水輪發(fā)電機(jī)組實施廠站中心統(tǒng)一調(diào)控下的微機(jī)監(jiān)控，組成廠內(nèi)監(jiān)控網(wǎng)。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3　微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)

4.2主控級控制

主控級由2套主機(jī)/操作員工作站及外圍設(shè)備組成，負(fù)責(zé)全廠的自動流程控制，包括開/停機(jī)自動流程控制、AGC(自動發(fā)電量控制)和AVC(自動電壓控制)。歷史數(shù)據(jù)處理包括事故分析處理，運行報表、運行檔案、運行參數(shù)特征值等。

監(jiān)控中心設(shè)備包括工業(yè)控制計算機(jī)、逆變電源、水位計、交換機(jī)等設(shè)備。

監(jiān)控中心裝修改造包括地板鋪裝、操作臺椅更換和墻面刮白。

4.3現(xiàn)地單元控制級

現(xiàn)地單元控制級分為機(jī)組LCU、開關(guān)站及公用LCU，實現(xiàn)對水輪發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控，由機(jī)組LCU和開關(guān)站及公用LCU組成。實現(xiàn)控制操作和數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理。各機(jī)組LCU以相對獨立的方式配置，當(dāng)其與主機(jī)脫分后仍能在現(xiàn)地實現(xiàn)對機(jī)組的監(jiān)控，與主機(jī)復(fù)位后，又能自動復(fù)從主機(jī)系統(tǒng)的控制和管理。

現(xiàn)地單元控制級設(shè)計內(nèi)容主要包括1～3號機(jī)組現(xiàn)地測控單元、4號機(jī)組現(xiàn)地測控單元和附屬設(shè)備更換。

a.1～3號機(jī)組現(xiàn)地單元包括機(jī)組測控單元、開關(guān)站及公用LCU、機(jī)組測溫自動屏。

b.4號機(jī)組現(xiàn)地單元包括低壓機(jī)組綜合柜、低壓機(jī)組輔機(jī)控制柜。

c.附屬設(shè)備更換。直流電源屏、計量屏應(yīng)全部更換。

4.4主控級主要功能

自動周期采集電站主要電量、非電量及過程參數(shù)。包括溫度量、狀態(tài)量、報警量、SOE量和電度量等。其中，電氣模擬量包括電流、電壓、頻率、功率因數(shù)、有功功率及無功功率等；非電模擬量包括壓力、流量、水位、油位、機(jī)組擺動、振動、溫度，以及開關(guān)量、電度量等。完成數(shù)據(jù)處理、實時狀態(tài)安全監(jiān)測和報警等。自動發(fā)電控制(AGC)和自動電壓控制(AVC)，運行數(shù)據(jù)技術(shù)管理，統(tǒng)計報表，設(shè)備參數(shù)異常分析與預(yù)報等。

4.5現(xiàn)地控制級主要功能

監(jiān)控水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備、公用輔助設(shè)備等，對主要運行狀態(tài)和參數(shù)自動定時采集、預(yù)處理和入庫。以掃查方式采集電氣模擬量、非電模擬量、開關(guān)量，包括事件順序記錄(SOE)開關(guān)量和普通形狀量。監(jiān)控系統(tǒng)采用中斷方式迅速響應(yīng)動作信號，以毫秒級的時間分辨率進(jìn)行記錄。

對模擬量信號的處理包括回路斷線檢測、數(shù)字濾波、誤差補(bǔ)償、數(shù)據(jù)有效性合理性判斷、數(shù)據(jù)入庫等。進(jìn)行安全運行監(jiān)測、越限監(jiān)測、過程監(jiān)測、趨勢監(jiān)測、異常監(jiān)測等。

5結(jié)語

白石水電廠自動化系統(tǒng)的改造方案在結(jié)構(gòu)、技術(shù)路線、實現(xiàn)方法上都比較先進(jìn)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，技術(shù)路線和實現(xiàn)方法安全可行，改造工程實施簡單，大大降低了工程投資成本。通過此次自動化系統(tǒng)改造消除了水庫發(fā)電安全生產(chǎn)隱患，滿足電力監(jiān)管發(fā)電測控的要求；實現(xiàn)了“無人值班、少人值守”設(shè)計目標(biāo)，系統(tǒng)中自動控制功能得到了改進(jìn)和擴(kuò)充。白石水電廠自動化系統(tǒng)改造工程的順利實施，為同類改造工程提供了豐富的經(jīng)驗。

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The design and implementation of automation system in Baishi Hydropower Plant

WANG Yicai

(LiaoningBaishiReservoirAdministration,Liaoning122000,China)

Abstract:In the paper, Baishi hydropower station micro-computer monitoring and control system reconstruction project is combined. The design and implementation of Baishi Hydropower Plant reconstruction plan are introduced. The design and implementation flow of unit monitoring system is mainly described with certain reference value on the reconstruction and practice of comprehensive automation system in similar old plants.

Key words:Baishi Hydropower Plant; automation system; reconstruction; design

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.06.016

中圖分類號：TV736

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1673-8241(2016)06- 0054- 04