彭瑞雙

（河北省石家莊市水電及農(nóng)村電氣化發(fā)展處，石家莊 050011）

張河灣水電站位于石家莊市井陘縣南部山區(qū)，距縣城45km。為壩后式電站，系利用張河灣水庫引水發(fā)電；總裝機2×320kW，采用兩機一變單母線的電氣主接線方式，接入電力系統(tǒng)電壓為10kV，一回出線并入國家10kV電網(wǎng)。

該水電站于2008年10月完成初步設(shè)計，2009年10月開工建設(shè)，2010年11月竣工并投入使用。該水電站采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)，整個水電站設(shè)備的控制、測量、監(jiān)視和保護均有計算機系統(tǒng)完成。

采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)，一是有效減少水電站運行人員，降低電力生產(chǎn)成本和避免了運行人員誤操作。由于水電站設(shè)備的一些重復(fù)操作、調(diào)節(jié)、運行狀態(tài)及參數(shù)的記錄均由計算機監(jiān)控系統(tǒng)在不須運行人員干預(yù)的情況下自動完成，避免了因人為因素造成的誤操作，因其自動化程度高，可實現(xiàn)少人甚至無人值守，從而降低電力生產(chǎn)成本，提高電站經(jīng)濟效益。二是進一步提高水電站設(shè)備運行的可靠性。常規(guī)自動控制系統(tǒng)是由繼電器或靜態(tài)集成電路等構(gòu)成，運行時若某一部分發(fā)生故障，運行人員不易發(fā)現(xiàn)。若此時水電站設(shè)備再發(fā)生事故，就有可能造成拒動或誤動的嚴重后果。計算機監(jiān)控系統(tǒng)則可避免這個缺點，系統(tǒng)在運行時可通過自檢來及時發(fā)現(xiàn)自身的故障，從而進一步提高水電站設(shè)備運行的可靠性。三是以選型的方式代替電氣設(shè)計，簡化設(shè)計工作。采用常規(guī)控制，電氣設(shè)計非常繁瑣，訂貨時要向廠家提供原理圖、布置圖，還要進行各種繼電器的選型。而自動控制設(shè)備集成后，設(shè)計單位只提供一次主接線和保護配置及自動化要求即可，故能以選型的方法代替電氣設(shè)計，簡化設(shè)計、安裝和調(diào)試工作。水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的性能大大優(yōu)于常規(guī)的自動控制系統(tǒng)，既適用于新建電站使用，也適用于老電站對自動控制系統(tǒng)進行完整改造。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置

張河灣水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用全開放、模塊化、分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計，由主控層（上位機）和現(xiàn)地層組成，兩層設(shè)備功能各自獨立，互不影響。

1.1 主控層 （上位機）

（1）主控層監(jiān)控設(shè)備由主機/操作員工作站、打印機、UPS電源、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，主控制層是電站的實時控制中心，負責(zé)全廠的自動化功能 （AGC、AVC、發(fā)電優(yōu)化等），采集和處理現(xiàn)地控制層的數(shù)據(jù) （制作各種運行報表、重要設(shè)備的運行檔案、各種運行參數(shù)等），全站的人機對話 （全站設(shè)備的運行監(jiān)視、事故和故障報警、對運行設(shè)備的人工干預(yù)及監(jiān)控系統(tǒng)各種參數(shù)的修改和設(shè)置等），與現(xiàn)地控制層和調(diào)度端的通訊及時鐘同步等。

（2）主控層通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用以太網(wǎng)，通訊介質(zhì)為超五類雙絞線，設(shè)置1臺16口10/100Mpbs自適應(yīng)交換機，其通訊協(xié)議為TCP/IP。主控層與LCU控制層之間通過通訊總線連接。

1.2 現(xiàn)地控制 (LCU)

現(xiàn)地控制層共設(shè)有4套現(xiàn)地控制單元（LCU），即1號機組LCU、2號機組LCU、主變線路LCU和公共設(shè)備LCU。

（1）1號機組LCU、2號機組LCU分別完成對水輪發(fā)電機組的保護和監(jiān)控。1號機組LCU、2號機組LCU主要由以下裝置組成：可編程控制器 （PLC）、TFT彩色觸摸屏、發(fā)電機保護、操作控制設(shè)備、I/O電源和擴展繼電器等。

（2）主變/線路LCU實現(xiàn)對變壓器、線路的保護和監(jiān)控。變壓/線路LCU的主要裝置包括：可編程控制器 （PLC）、TFT彩色觸摸屏、變壓器線路保護、電子式電度表、I/O電源和擴展繼電器等。

（3）公共設(shè)備LCU實現(xiàn)對電站前池水位、集水井水位等公共部位的保護監(jiān)控。公共設(shè)備LCU的主要裝置包括：可編程控制器 （PLC）、TFT彩色觸摸屏、計算機自動準同期裝置，手動準同期裝置、GPS衛(wèi)星時鐘系統(tǒng)、I/O電源和擴展繼電器等。

2 系統(tǒng)功能

2.1 主控層 （上位機）功能

上位機監(jiān)控系統(tǒng)對整個水電站的所有現(xiàn)地控制單元進行控制、管理，是水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的核心[1]。主要完成全站運行自動化及其管理，歷史數(shù)據(jù)存檔、檢索、報表生成，運行操作記錄，故障報警，各種畫面顯示，與調(diào)度自動化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)等功能。

（1）數(shù)據(jù)采集與管理：1號機組、2號機組的電氣參數(shù)，包括電壓、電流、頻率、有功、無功、電度等；機組開關(guān)量數(shù)據(jù)，包括斷路器狀態(tài)、PLC工況、保護動作信號等；機組的溫度量、機組工況轉(zhuǎn)換；1號調(diào)速器、2號調(diào)速器及勵磁控制、保護、狀態(tài)信號；主變保護、狀態(tài)信號。

（2）控制與調(diào)節(jié)：機組和主變監(jiān)控，機組自動開機、停機，自動發(fā)電控制 （AGC），自動電壓控制 （AVC）， 經(jīng)濟運行 （EDC）， 機組負荷調(diào)整，機組同期并網(wǎng)等。

（3）數(shù)據(jù)顯示與打?。憾〞r打印用戶自行制定的報表，召喚打印歷史報表，召喚打印實時報表，可人工設(shè)定報表打印時間。

（4）故障與事故報警：機組溫度故障/事故報警，機組PLC故障報警，發(fā)電機保護動作報警，主變保護動作報警；故障/事故信號的記錄和打印。

（5）站內(nèi)及遠方通信：與機組控制單元通信,與主變控制保護單元通信。

（6）系統(tǒng)自診斷及遠程診斷功能：監(jiān)控系統(tǒng)具有完善的系統(tǒng)自檢、診斷和自恢復(fù)功能，同時具有遠方在線診斷功能，可通過網(wǎng)絡(luò)連通遠方計算機，進行遠方在線診斷[2]。

2.2 現(xiàn)地控制層功能

各現(xiàn)地控制單元能對所管轄的生產(chǎn)過程進行完善的監(jiān)控。它們經(jīng)輸入、輸出接口與生產(chǎn)過程相連，通過通訊接口與電站控制層交換信息。現(xiàn)地控制單元對電站控制層具有相對獨立性，它們能脫離電站控制層直接完成生產(chǎn)過程的實時數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理、單元設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、調(diào)整控制等功能。

2.2.1 機組現(xiàn)地控制單元

1號機組、2號機組的控制保護單元是由機組監(jiān)控PLC、機組保護測控裝置、計算機溫度巡檢儀、計算機自動準同期裝置、轉(zhuǎn)速信號裝置、輸出繼電器、交直流兩用電源和監(jiān)控軟件等組成。PLC配有24路數(shù)字量輸入、16路數(shù)字量輸出、4路模擬量輸入和2路串行通信接口。

（1）測量功能：實時測量機組三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、頻率、功率因數(shù)、有功電度、無功電度、勵磁電壓、勵磁電流等電氣參數(shù)；實時測量發(fā)電機的軸承溫度、發(fā)電機定子繞組和鐵芯溫度等非電氣參數(shù)。

（2）狀態(tài)監(jiān)測功能：實時監(jiān)測機組、進水閥、調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)運行狀態(tài)，故障、事故狀態(tài)監(jiān)測等。

（3）控制和調(diào)節(jié)：完成機組自動開停機、自動同期并網(wǎng)、運行工況轉(zhuǎn)換、事故停機等邏輯操作功能，故障、事故信號報警功能，按照上位機給定的值自動調(diào)節(jié)機組有功、無功功率。

（4）保護功能：實時反映輸入信號的故障狀態(tài)，當(dāng)某些參數(shù)超過設(shè)定值時，按要求快速或延時發(fā)出信號或跳閘[3]。每臺發(fā)電機配1套發(fā)電機微機保護裝置，每臺發(fā)電機保護裝置和機組控制合用1塊屏。保護裝置功能如下：差動保護，定子接地保護，轉(zhuǎn)子一點接地保護，低壓、過電壓保護，失磁保護，過負荷保護，復(fù)合電壓過電流保護，CT、PT斷線檢測、報警。

（5）通信功能：完成與上位機的通信，并通過外部通信模塊與監(jiān)視系統(tǒng) （SCADA）連接。

2.2.2 變壓器和線路及公用輔助設(shè)備現(xiàn)地控制單元

變壓器和線路及公用輔助設(shè)備現(xiàn)地控制單元，負責(zé)電站主變壓器、線路、斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘等各主要電氣設(shè)備的監(jiān)控和保護。

（1）模擬量采集和處理：完成變壓器、線路和全站公用輔助設(shè)備各類開關(guān)量、模擬量、脈沖量、溫度量等數(shù)據(jù)的采集、計算處理、越限檢查、梯度檢查、中斷檢查、事件順序記錄與報警和歷史數(shù)據(jù)保存等功能。

（2）狀態(tài)監(jiān)測：升壓站、線路斷路器狀態(tài)監(jiān)測、故障狀態(tài)監(jiān)測、水庫水位的測量和監(jiān)控。

（3）保護功能：主變壓器和線路微機保護裝置合用1塊保護屏。主變保護裝置功能：差動保護，復(fù)合電壓閉鎖過電流保護，過負荷保護，重瓦斯保護，輕瓦斯保護，溫度保護、CT斷線閉鎖。線路保護裝置功能：過電流保護，低周、過周保護。

3 系統(tǒng)軟件

水電站的運行人員、工程師可通過各自的工作站完成畫面制作、畫面顯示、打印制表、參數(shù)設(shè)置和操作控制等功能。

（1）可選擇畫面顯示，可同時顯示多幅畫面，主要包括：各類菜單顯示；電氣接線圖；機組及輔機設(shè)備的狀態(tài)模擬圖；機組運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換順序流程圖；各類棒圖；設(shè)備元件的管理信息；系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)圖；各類運行報表；操作及事故處理指導(dǎo)；系統(tǒng)操作指南。

（2）打印功能：所有畫面均可隨時打印拷貝；報表可自動定時或召喚打??；各類事故報警打印和事故追憶打印。

（3）畫面制作和參數(shù)設(shè)置：可以完成以下制作和設(shè)置功能：圖元編輯；修改接線圖、模擬圖、流程圖等；各類報表的制作編輯；修改各類參數(shù)，如報警上下限等。

（4）操作控制功能：完成對現(xiàn)地設(shè)備的操作控制。

（5）其他功能：與調(diào)度系統(tǒng)的通訊；電站事件順序記錄 (SOE)；系統(tǒng)的安全維護功能，如口令的設(shè)置與修改；系統(tǒng)對時；系統(tǒng)自診斷。

4 結(jié)語

張河灣水電站計算機監(jiān)控保護系統(tǒng)，其功能完善、實時性強、可靠性高、人機界面友好，較好地滿足了水電站運行管理智能化、遠程化的需要。能夠達到 “遙控、遙測、遙信、遙調(diào)”四遙功能，使水電站實現(xiàn) “無人值班”或 “少人值守”的運行管理模式，提高水電站的自動化水平和運行管理水平，可有效減少水電站運行人員，降低電力生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。

[1]黃少敏.水電站微機監(jiān)控與保護[M].鄭州：黃河水利出版社，2008.

[2]孫力,徐國君.小型水電站計算機監(jiān)控技術(shù)［M］.北京：中國計劃出版社，1999.

[3]徐錦才.小型水電站計算機監(jiān)控技術(shù)［M］.南京：河海大學(xué)出版社，2006.