張曉軍，付靚

（引灤工程管理局大黑汀水庫(kù)管理處，河北遷西064300）

大黑汀水庫(kù)東壩電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想

張曉軍，付靚

（引灤工程管理局大黑汀水庫(kù)管理處，河北遷西064300）

基于分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)大黑汀水庫(kù)東壩電站進(jìn)行改造，以計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)替代以人工操作為主的監(jiān)視測(cè)量設(shè)備來(lái)滿足水電站的運(yùn)行要求。針對(duì)東壩電站的安裝及運(yùn)行方式提出了切實(shí)可行的設(shè)計(jì)構(gòu)想及系統(tǒng)組成，系統(tǒng)具有先進(jìn)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，可操作性極強(qiáng)。

水電站；自動(dòng)化；監(jiān)控；改造

大黑汀水庫(kù)位于河北省唐山市遷西縣城北約5 km的灤河干流上。水庫(kù)西壩建有渠首電站和河床電站2座壩后式水電站，共安裝5臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)，總裝機(jī)容量23.4 MW。東壩電站位于距西壩渠首電站1 300 m的水庫(kù)大壩東側(cè)，總裝機(jī)容量1 000 kW，由2臺(tái)單機(jī)容量500 kW的臥式水輪發(fā)電機(jī)組（站內(nèi)運(yùn)行編號(hào)為6#機(jī)和7#機(jī)）組成，機(jī)組采用一機(jī)一變的運(yùn)行方式將輸出的6.3 kV電壓分別通過(guò)自身的升壓變壓器升壓成10 kV等級(jí)電壓送至位于大壩西側(cè)的變電站內(nèi)，然后再由另一臺(tái)變壓器升壓為35 kV后送入電網(wǎng)。東壩電站由于興建時(shí)科技發(fā)展水平等條件限制，設(shè)計(jì)理念落后，采用的各類設(shè)備及元器件型號(hào)已經(jīng)老舊，目前已經(jīng)完全不能達(dá)到水電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

1 東壩電站現(xiàn)狀

目前，東壩電站的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目?jī)H限于發(fā)電機(jī)電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和機(jī)組溫度、冷卻水等幾組必需的水輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)，不僅增大了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度，還極大地提高了機(jī)組運(yùn)行的不確定性，更不能滿足現(xiàn)代水電站機(jī)組的安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)就機(jī)組主要監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)用中存在的問(wèn)題簡(jiǎn)述如下。

1.1 水輪機(jī)控制屏

水輪機(jī)控制屏由DZ系列中間繼電器及翻板式電壓繼電器組成，主要用于手動(dòng)開(kāi)機(jī)過(guò)程中對(duì)各開(kāi)機(jī)條件的檢測(cè)及閉鎖，以確保機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程中無(wú)故障，同時(shí)在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中完成機(jī)組轉(zhuǎn)速的檢測(cè)及過(guò)速保護(hù)。其存在的問(wèn)題包括各類繼電器老化，信號(hào)檢測(cè)量少，僅能完成最基本的信號(hào)量監(jiān)視，且全程均需人工參與才能確保機(jī)組安全運(yùn)行。

1.2 機(jī)組保護(hù)屏

機(jī)組保護(hù)屏由電磁式差動(dòng)繼電器、電流繼電器和翻板式電壓或電流繼電器組成，用于保護(hù)機(jī)組電氣參數(shù)。其存在的問(wèn)題包括參數(shù)整定精度差，機(jī)械式鎖定機(jī)構(gòu)容易受振動(dòng)等因素的影響，保護(hù)效果差，可靠性低。

1.3 機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)

機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)（調(diào)速器）均各自獨(dú)立運(yùn)行，彼此無(wú)任何聯(lián)系，只能依靠運(yùn)行人員根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

此外，由于年久失修，目前該電站基本處于癱瘓狀態(tài)。其主要表現(xiàn)在：進(jìn)水閘門控制設(shè)備損壞，不能完成正常的起、落閘門操作；機(jī)組出口開(kāi)關(guān)（同期點(diǎn)）合、跳閘機(jī)構(gòu)卡阻導(dǎo)致機(jī)組并網(wǎng)困難；機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)失控現(xiàn)象等。

由于上述現(xiàn)象的存在，整個(gè)東壩電站需要投入大量人力、物力才能維持機(jī)組的基本運(yùn)行。目前，整個(gè)電站運(yùn)行控制方式為手動(dòng)操作，因此對(duì)運(yùn)行人員在數(shù)量和基本業(yè)務(wù)素質(zhì)等方面要求較高。眾所周知，大量的人為操作其誤差是較大的，因此在很大程度上影響了電站機(jī)組的運(yùn)行質(zhì)量，機(jī)組運(yùn)行的可靠性和安全性也不能保證。為提高電站的運(yùn)行效率、減少運(yùn)行成本，必須對(duì)整個(gè)東壩電站進(jìn)行徹底改造，采用新的計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)代替目前的手動(dòng)控制方式。

2 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)想

2.1 設(shè)計(jì)思路

對(duì)東壩電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以信息采集全面精準(zhǔn)、控制功能齊全可靠、自動(dòng)化程度高為基本設(shè)計(jì)原則，以整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班、少人值守”為設(shè)計(jì)目的，確保東壩電站現(xiàn)場(chǎng)不再有常規(guī)運(yùn)行值班人員而改為定期現(xiàn)場(chǎng)巡視、遠(yuǎn)程操控的運(yùn)行方式。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

東壩電站的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用雙層分布開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，即由廠站級(jí)中央控制層和現(xiàn)地級(jí)控制單元層組成。其中，廠站級(jí)中央控制層安裝在大壩西側(cè)的渠首電站中控室內(nèi)，由操作員工作站（上位機(jī)）、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)和工程師工作站等設(shè)備組成；現(xiàn)地級(jí)控制單元層由各個(gè)獨(dú)立的現(xiàn)地控制單元組成，各現(xiàn)地控制單元分別安裝在被控設(shè)備本地?，F(xiàn)地控制單元與中央控制層通過(guò)光纖進(jìn)行物理連接，用于完成各類數(shù)據(jù)的傳輸。

針對(duì)東壩電站水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行及控制方式，現(xiàn)將整個(gè)電站現(xiàn)地控制層設(shè)計(jì)成6#機(jī)組現(xiàn)地控制單元、7#機(jī)組現(xiàn)地控制單元和公共設(shè)備控制單元。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

圖1東壩電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)框圖

圖1 中上方虛框內(nèi)為操作員工作站，安裝于渠首電站的中央控制室內(nèi)；中間為網(wǎng)絡(luò)傳輸部分，由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如以太網(wǎng)交換機(jī)、光纖和串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊等）組成，負(fù)責(zé)完成現(xiàn)地控制單元與中央控制層之間的數(shù)據(jù)傳輸；最下方為現(xiàn)地控制單元，包括6#機(jī)、公共設(shè)備和7#機(jī)現(xiàn)地控制單元。

3 實(shí)現(xiàn)功能

基于電站“無(wú)人值守、少人值班”的設(shè)計(jì)構(gòu)想，整個(gè)電站監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確有效地完成對(duì)機(jī)組的監(jiān)視和控制，能夠按預(yù)定要求或由實(shí)時(shí)運(yùn)算結(jié)果直接控制每臺(tái)機(jī)組和主要開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)單機(jī)控制，也可以根據(jù)AGC算法給定全廠總負(fù)荷向電站主站級(jí)計(jì)算機(jī)給出全站有功功率和無(wú)功功率給定值。

3.1 主機(jī)現(xiàn)地控制單元

主機(jī)現(xiàn)地控制單元有兩套，即6#機(jī)現(xiàn)地控制單元和7#機(jī)現(xiàn)地控制單元，主要負(fù)責(zé)完成對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的開(kāi)、停機(jī)操作以及對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視和管理，同時(shí)以網(wǎng)絡(luò)通信的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)其它設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸及管理。機(jī)組現(xiàn)地控制單元框圖，如圖2所示。

圖2 機(jī)組現(xiàn)地控制單元框圖

每套現(xiàn)地控制單元由PLC模塊、輸出繼電器、測(cè)速裝置等組成，主要完成對(duì)機(jī)組的邏輯控制和數(shù)據(jù)采集。

其它設(shè)備（如勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)）以主機(jī)控制單元為核心，按照機(jī)組主機(jī)控制單元發(fā)出的指令相對(duì)獨(dú)立地完成對(duì)機(jī)組各參數(shù)的控制及操作并以串口通信的方式與主機(jī)控制單元進(jìn)行信息傳輸。

快速門控制系統(tǒng)由獨(dú)立的PLC模塊組成，用于控制進(jìn)水閘門起落和蝸殼充水閥開(kāi)關(guān)，它與主機(jī)現(xiàn)地控制單元之間通過(guò)485通信口進(jìn)行物理連接，機(jī)組開(kāi)停機(jī)操作以串行通信的形式傳達(dá)給閘門控制單元，閘門控制單元在接收到數(shù)據(jù)后根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容確定閘門或充水閥門的開(kāi)或關(guān)。

3.2 公共設(shè)備現(xiàn)地控制單元

公共設(shè)備現(xiàn)地控制單元主要用于電站公用設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)的控制及監(jiān)視，包括照明系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、直流電源系、廠用電、廠房溫度監(jiān)視和控制等。

3.3 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集為自動(dòng)化監(jiān)控中的一環(huán)，起著至關(guān)重要的作用，數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容和質(zhì)量直接影響著整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。水電站所采集的數(shù)據(jù)包括電氣量和非電氣量?jī)纱箢?，就?shù)據(jù)性質(zhì)又可分為模擬量和開(kāi)關(guān)量。其中，非電氣量模擬量和開(kāi)關(guān)量由各現(xiàn)地控制單元的PLC完成采集、分析和處理，如機(jī)組溫度、蝸殼壓力、壓力油油壓、冷卻水狀態(tài)、斷路器位置等；電氣模擬量主要是電壓、電流、功率等，由智能儀表完成采集，然后通過(guò)485通信口以Modbus協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給現(xiàn)地控制單元，再由現(xiàn)地控制單元PLC模塊分析處理并傳輸至安裝在中央控制室的上位機(jī)（操作員工作站）。

4 結(jié)語(yǔ)

電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用開(kāi)放式分層、全分布式的體系結(jié)構(gòu)，按照“無(wú)人值班、少人值守”要求，以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主、簡(jiǎn)易常規(guī)控制為輔的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前，已對(duì)電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)改造提出了切實(shí)可行的改造思路，單元環(huán)節(jié)的控制邏輯已經(jīng)通過(guò)仿真測(cè)試，部分環(huán)節(jié)已經(jīng)通過(guò)硬件測(cè)試，系統(tǒng)技術(shù)成熟、功能完備、可操作性強(qiáng)。

隨著科技的飛速發(fā)展，無(wú)線控制技術(shù)、人工智能技術(shù)等勢(shì)必會(huì)更廣泛地應(yīng)用在水電行業(yè)中，如何更好地改造好電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，是每一位工作在水利一線技術(shù)人員永遠(yuǎn)研究的課題。大黑汀水庫(kù)東壩電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了一種很好的思路，達(dá)到了提高電站發(fā)電質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的目的。

TV736

：B

：1004-7328（2017）01-0058-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.018

2016—10—12

張曉軍（1966—），男，工程師，主要從事水電站的運(yùn)行管理工作。