董彩宏，楊建偉，岳偉志，劉德利

(石家莊科林電氣股份有限公司, 河北 石家莊 050061)

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淺談小型水電站無人值守運行模式

董彩宏，楊建偉，岳偉志，劉德利

(石家莊科林電氣股份有限公司, 河北 石家莊 050061)

摘要：針對目前部分水電站無法實現(xiàn)遠端集中控制、水電站數(shù)據(jù)無法在線實時傳輸?shù)缴霞壵{(diào)度控制中心等方面存在的問題，提出了實現(xiàn)水電站自動化、遠端集中化的建設(shè)性方案，該方案可以提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、安全性、可靠性。圖1幅。

關(guān)鍵詞：小水電站；自動化；遠端集中控制；無人值守

0引言

由于我國小型水電站數(shù)量眾多且大多地處偏僻，交通十分不便，給其上級主管單位的管理帶來許多困難，而且現(xiàn)行的運行管理模式也造成運行管理費用比較高。但如果將自動化技術(shù)中的遠端集中控制及無人值守的運行方式應(yīng)用在小型水電站上，則可以大大降低運行成本，推動和促進水電站運行管理體制的改革。

遠端集中控制，就是對水電站的一切控制(如機組啟動、停機、工況轉(zhuǎn)換、有功及無功調(diào)整、運行監(jiān)視及設(shè)備操作等)都是在距離水電站較遠的控制中心完成，在水電站內(nèi)不實施操作。

無人值守，是指水電站內(nèi)無值守人員，廠房內(nèi)無值班人員，水電站完全封閉，對水電站的一切控制都是由上級調(diào)度控制中心值班人員或由自動裝置實施，并通過電站內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)自動完成；而其巡檢、清掃、維護均由上級調(diào)度控制中心定期派人員完成。

遠端集中控制是實現(xiàn)無人值守的基礎(chǔ)，無人值守是遠動控制實施的目的。

1自動化技術(shù)實現(xiàn)無人值班的意義

水電站自動化就是要使水電站生產(chǎn)過程的操作、控制和監(jiān)視能夠在無人直接參與的情況下，按預(yù)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(shù)又是水電站安全經(jīng)濟運行必不可少的技術(shù)手段。小型水電站自動化的作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1提高小型水電站運行的可靠性

小型水電站大多存在運行維護人員專業(yè)水平不理想的現(xiàn)實情況，造成水電站運行可靠性較低，設(shè)備隱患不能及時發(fā)現(xiàn)，誤操作較多，電站利用率下降。水電站實現(xiàn)自動化及完全無人值班后，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(shè)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(如開停機操作和并網(wǎng))，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。

1.2提高小型水電站運行的經(jīng)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(diào)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(jīng)濟效益。如何實現(xiàn)各電站合理最優(yōu)調(diào)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，水電站通常是水利資源綜合利用的一部分，要兼顧電力系統(tǒng)、灌溉、防洪等多項要求，經(jīng)濟運行條件復(fù)雜，單憑人工控制很難實現(xiàn)。實行自動化以后，將有助于電站經(jīng)濟運行任務(wù)的實現(xiàn)。特別是對于具有調(diào)節(jié)能力的水電站，應(yīng)用電子計算機不但可對水庫來水進行預(yù)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(jīng)濟運行程序進行自動控制，大大提高運行的經(jīng)濟性。

1.3保證電能質(zhì)量

電力產(chǎn)品中電壓和頻率是作為衡量電能質(zhì)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(nèi)，就必須迅速而又準確地調(diào)節(jié)有關(guān)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(diào)節(jié)或控制對迅速恢復(fù)電能質(zhì)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。小型水電站經(jīng)常脫網(wǎng)運行，這種情況下，提高電能質(zhì)量，保證用發(fā)電設(shè)備及農(nóng)村用電設(shè)備安全就顯得尤為重要。

2技術(shù)關(guān)鍵

2.1水電站站內(nèi)自動化

(1)水工建筑物。對于水工建筑物部分，其進水口閘門須設(shè)置冗余控制，既可實現(xiàn)站內(nèi)手動及監(jiān)控系統(tǒng)自動控制開關(guān)，也可以由遠端控制中心控制開關(guān)。

(2)水力機械及輔助設(shè)備。對于在發(fā)生后將產(chǎn)生災(zāi)難性后果的事故(如飛車、調(diào)速器低油壓緊急停機、冷卻水失去等)，必須設(shè)置多級或多重保護措施；對于在發(fā)生后短期內(nèi)不會造成嚴重后果的事故，必須發(fā)出告警信號通知站內(nèi)及遠端控制中心，并可以就地及監(jiān)控系統(tǒng)控制。

(3)機電。電氣設(shè)備的自動倒閘操作、監(jiān)控系統(tǒng)開停機操作等，其閉鎖裝置及條件必須更加嚴密，防止誤動。

(4)消防。全站要裝設(shè)自動煙火報警裝置，信號同時作用于站內(nèi)及遠端控制中心，并由監(jiān)控系統(tǒng)自動控制啟動消防設(shè)施。

(5)操作機構(gòu)。對于以上各項保護，要根據(jù)實際需要，將操作機構(gòu)設(shè)置冗余，防止拒動情況導(dǎo)致事故的發(fā)生或擴大。

(6)其他。為防止壓力鋼管、技術(shù)供水干管、消防供水干管破裂后導(dǎo)致水淹廠房，相應(yīng)要裝設(shè)預(yù)警裝置，同時應(yīng)自動快速關(guān)閉閘門或電動閥門，并由上級調(diào)度中心遠方控制關(guān)閉。集水井排水能力要適當(dāng)加大，站內(nèi)要有足夠的防水及告警措施。對于無人值守電站還必須設(shè)置防盜竊監(jiān)視系統(tǒng)，其音像信號直接作用于遠端控制中心，并由遠端控制中心開啟站內(nèi)音響警報，并召喚安全保衛(wèi)人員趕赴現(xiàn)場進行處理。還必須設(shè)置防生物措施，以防由于動物進入站內(nèi)或植物生長而導(dǎo)致事故發(fā)生，并由防盜竊監(jiān)視系統(tǒng)予以輔助監(jiān)視，巡檢人員要定期進行檢查和維護。

2.2自動控制過程中保持機組狀態(tài)穩(wěn)定

隨著自動化元件的技術(shù)不斷提高，而且自動化元件大量應(yīng)用于水電站中，小型水電站內(nèi)自控功能基本都能實現(xiàn)。但是，小型水電站受系統(tǒng)影響較大，而且多臺機組運行會出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況，所以在自動控制過程中應(yīng)保持機組狀態(tài)穩(wěn)定。

2.2.1 一鍵開機停機過程中保持功率因數(shù)恒定

在一鍵開機和一鍵停機的過程當(dāng)中，都有一個機組有功功率和無功功率比較大的波動過程。以一鍵停機的過程為例，在中控下達停機令以后，機組開始減少有功出力和無功出力，而有功出力和無功出力的大小是通過PLC控制繼電器的閉合來實現(xiàn)的。對于不同的機組、不同的勵磁控制器調(diào)節(jié)勵磁和水輪機導(dǎo)葉的繼電器，閉合相同的時間有功和無功的變化量是不同的。這樣問題就出來了，當(dāng)一個機組開始減有功和無功的時候，有功降低得非常快，但是無功功率降低得非常緩慢；而PLC程序判定無功功率沒有達到設(shè)定值的時候還不會發(fā)出跳斷路器命令而是繼續(xù)降低有功無功，嚴重情況下機組已經(jīng)低頻了但是無功還很高；如果電站裝有低頻保護裝置的時候，則低頻保護動作；這樣正常的停機過程就變成了事故跳閘過程。針對于這個問題，提出了停機過程中保持功率因數(shù)恒定的思想。在PLC程序中給定停機跳斷路器的時候有功和無功功率的值，并計算出功率因數(shù)；用計算出的功率因數(shù)分別乘以上下限系數(shù)，得到一個功率因數(shù)的上下限。當(dāng)一鍵停機指令下達以后，PLC實時采集有功和無功功率的實際值并計算功率因數(shù)，當(dāng)計算得到的實際功率因數(shù)低于設(shè)定的功率因數(shù)下限的時候，則閉鎖減有功繼電器的動作；當(dāng)功率因數(shù)高于設(shè)定功率因數(shù)的上限的時候，則閉鎖減少無功繼電器的動作；當(dāng)功率因數(shù)在設(shè)定的上下限范圍內(nèi)的時候則不閉鎖任何繼電器。這樣，在整個停機的過程當(dāng)中，可以維持功率因數(shù)的恒定。當(dāng)有功和無功功率降低到設(shè)定值以后，自動跳開斷路器，解決了停機引起事故跳閘的問題。在一鍵開機的過程中，同樣按照上面的方法判定。

2.2.2機組發(fā)電過程中維持機組有功無功的穩(wěn)定措施

在機組運行的過程中，特別是多個機組并網(wǎng)運行而機組參數(shù)不一樣的時候，會發(fā)生機組間無功不平衡的現(xiàn)象，有的機組無功功率不斷增大而有的機組則不斷減小，久之則發(fā)生跳閘事故?；谶@個問題，提出如下解決方案：

在機組穩(wěn)定運行之前，在PLC內(nèi)部設(shè)定有功功率和無功功率的值，并計算出功率因數(shù)。將有功功率和無功功率分別乘以各自的上下限系數(shù)，當(dāng)?shù)陀谙孪拗档臅r候，則增大出力，當(dāng)高于上限值的時候則減小出力。調(diào)節(jié)的過程保持功率因數(shù)的平衡(保持方法見一鍵開機停機過程)。這樣機組運行起來以后，形成閉環(huán)的調(diào)節(jié)，保持了機組穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3可靠的通訊系統(tǒng)

整個機組系統(tǒng)具有強大的通訊網(wǎng)絡(luò)，能夠迅速穩(wěn)定的將全站的信息傳輸?shù)接嬎銠C監(jiān)控系統(tǒng)，傳輸?shù)男畔C組遙測、遙信、告警、SOE等。計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合強大的數(shù)據(jù)庫功能將采集到的數(shù)據(jù)形成報表、曲線、記錄等記錄文件，能夠向用戶準確的反映全站的實時信息和全站的歷史信息，真正的實現(xiàn)全站無人值班的要求(見圖1)。

圖1電站通信系統(tǒng)示意

如圖1所示，對于執(zhí)行標準通訊協(xié)議的儀表或者智能設(shè)備，PLC采用與之相同的協(xié)議進行通訊，完成對智能儀表的數(shù)據(jù)采集。對于采用非標準或者自由協(xié)議的設(shè)備，PLC則可以通過自由口通訊技術(shù)與之進行通訊。通過PLC強大的數(shù)據(jù)采集功能，實現(xiàn)了各種智能儀表數(shù)據(jù)的上傳。PLC采集到數(shù)據(jù)以后，通過PLC內(nèi)的邏輯程序和計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊，計算機監(jiān)控系統(tǒng)和PLC通訊過程中嚴格按照PLC對上所能支持的協(xié)議進行通訊。例如，西門子S7—200系列PLC可以按照Modbus協(xié)議對計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的上傳，而歐姆龍的CJ—2M系列PLC則可以通過FINS協(xié)議和計算監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的交互。計算機監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)集成了各大知名廠商的通訊協(xié)議，能夠和多款PLC進行完美對接。對于市場不常見的PLC，則可以充分發(fā)揮計算機監(jiān)控系統(tǒng)的可拓展性，在其內(nèi)部進行協(xié)議的添加。

PLC向計算機監(jiān)控系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)可以通過星形或者環(huán)網(wǎng)進行穩(wěn)定傳輸，對于通訊距離比較遠的項目還可以采用光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸。PLC也可以通過總線的方式向監(jiān)控系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，因為以串口通訊方式向計算機監(jiān)控系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的PLC，由于計算機的串口數(shù)量一般有限，故此，我們在系統(tǒng)中添加了串口服務(wù)器，將多個虛擬的串口添加到計算機中，從而完成串口通訊。

2.4可靠的遠端監(jiān)控系統(tǒng)

小型水電站無人值守自動化系統(tǒng)以遠端計算機監(jiān)控系統(tǒng)為核心，通過應(yīng)用到全站的自動微機保護裝置、自動微機勵磁裝置、自動微機調(diào)速裝置以及其他自動化元器件來完成對小型水電站的機組以及其他公用輔助設(shè)備的自動啟動、停止的控制和監(jiān)視，還有對負荷的調(diào)節(jié)和分配乃至整個輸電線路運行的自動控制。完善、可靠的計算機監(jiān)控系統(tǒng)能有效地完成對機組和主設(shè)備的各項操作和控制，提高電站的運行管理水平。計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用的是冗余設(shè)計的雙網(wǎng)配置，也就是將上位機和下位機采用雙以太網(wǎng)系統(tǒng)和雙現(xiàn)場總線網(wǎng)配置，運行中能自動切換，保證機組安全可靠運行。

概括起來，計算機監(jiān)控系統(tǒng)有以下幾點要求：對計算機監(jiān)控系統(tǒng)中的所有模擬量、數(shù)字量等輸入量要進行快速巡查，具有越限報警以及事情順序記錄等功能；要能夠?qū)C組的起、停和各種工況的轉(zhuǎn)換過程進行控制，監(jiān)視以及操作；可以對機組的有功功率和電壓進行調(diào)節(jié)；電站的機組、變壓器、開關(guān)等各種設(shè)備產(chǎn)生異常情況時要能夠迅速將信息傳遞到控制中心并自動報警，同時也要能夠事故停機；要能夠自動平穩(wěn)切換以及讓管理人員能夠方便快捷地與計算機聯(lián)系，通過與控制中心計算機系統(tǒng)的協(xié)作來實現(xiàn)遙控、遙調(diào)、遙信、遙測、遙視等五大功能。

3結(jié)語

總之，小型水電站實現(xiàn)無人值班運行模式后不僅提高了水電站運行的經(jīng)濟性和工作的可靠性，保證了電能質(zhì)量；而且提高了勞動生產(chǎn)率，改善了勞動條件，從而提高了電站運行的效益。隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，水資源開發(fā)利用程度的加大，水電站無人值班運行模式將是一種發(fā)展趨勢。

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責(zé)任編輯吳昊

作者簡介：董彩宏(1966-)，女，工程師，主要從事水電站自動化系統(tǒng)的研究工作。

收稿日期：2016-01-05

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