自動化控制在小型水電站中的應用

岳彬彬 徐 瑋 岳松林

（江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安223001）

0 引言

江蘇省薔薇河地涵管理所屬于省廳直屬水利管理單位，在職編制員工17名，管理著沭新退水閘、薔薇河地涵、桑墟電站、沭新北船閘。桑墟水電站位于沭新河尾，下游是黃泥薔薇河，主要通過灌溉水進行發電。本工程于1986年5月竣工，7月開始并網發電，有效緩解了電網供電的壓力，與此同時兼顧排水、灌溉，設計流量25m3／s。現水電站配置5臺發電機，總裝機容量575kW。水電站上游底板高程2.887m，下游為0.8m。上游配置2.3m×3.56m 的鋼制閘門以及 QPKYⅡ－160－2.5型液壓啟閉機，下游檢修閘門為1.5m×3.56m鋼筋砼平面直升門，配置5臺手搖螺桿啟閉機。自動化控制在桑墟水電站中的應用，是擺在我們面前的重要研究課題。

1 水電站自動化控制的基本含義

水電自動化控制指的是使用電氣、機械、電子設備，結合預定程序使水電運營操作、監視以及控制能夠在少人或無人狀態下按照計劃進行自動化運轉，這是水電站安全、經濟運行的必備條件，能夠進一步提高水電站工作的可靠性及經濟運行效益，保證電能質量，改善勞動條件，大幅提高勞動效率。通過自動化控制系統的應用，水電站能實現少人或無人值守的目標，這是小型水電站自身發展壯大的實際需求，也是水電站實現現代化管理的重要標志。小型水電站自動化系統的綜合配置是建立在計算機監控基礎上的，進而對整個水電站或整個流域、梯級電站進行水文測報，對公用設備、機組、輔助設備的工況進行監視以及啟停控制，對全站的負荷進行合理分配。與此同時，采用自動化系統后水電站能夠由上級調度機構進行全方位、自動化監測控制。計算機監控系統是小型水電站自動化系統綜合配置的基礎與核心。

2 小型水電站自動化系統的綜合配置

2.1 計算機監控系統

計算機自動控制系統為分層分布開放式結構，采用冗余的環形光纖以太網拓撲結構，分為3級，即遠方、控制室、現地，可以進行無擾動切換。越接近設備，系統的控制權限越高。控制權順序為：現地—控制室—遠方。遠方控制經相關授權方可進行操作。控制系統中設置帶密碼的授權、核對程序。

2.1.1 監控模式

早期的計算機監控技術不完善，監控系統不可靠、不穩定，所以水電站的監控通常以常規監控為主，以計算機監控為輔。隨著計算機技術的不斷發展，計算機監控的可靠性與安全性大幅度提高，傳統的監控方式逐漸被淘汰。全計算機監控模式對于技術、設備的要求比較高，相對來說投資比較大；而以計算機監控為主，輔以常規監控的模式，則投資比較少，對系統要求比較低，與小型水電站生產過程及設備簡單、在整個電力系統中地位與作用相對較弱、退出運行影響不大等特點相吻合。所以說，小型水電站應該采用以計算機監控為主、以常規監控為輔的監控模式。

2.1.2 監控系統的功能配置

系統各級之間采用具有冗余功能的環形光纖以太網實現數據通信，網絡交換機選用進口知名品牌，具備網管功能，采用導軌卡槽安裝方式。控制室通過光纖與遠方傳送遙控、遙調、遙信、遙測和遙視數據，同時可以通過Internet采用TCP／IP規約與上級管理部門調度運行管理系統連接，實現數據與圖像傳輸。

遠方控制設在管理所辦公樓內，距泵站控制室約250m，通過千兆光纖與泵站自動控制系統連接，實現信息采集與調度指令的下發，必要時實現遠程控制。與此同時，泵站、清污機閘等的運行參數、狀態要上傳給遠方控制。

控制室設于泵站控制樓二樓，通過管理所局域網將泵站實時運行信息與數據（如運行參數、狀態、水位曲線、流量等）上傳至上級管理部門，通過監控網絡與現地建立通信，通過工作站的監測監控界面顯示現場設備的運行參數與狀態，同時下發控制命令，監督現地監控單元對監測監控命令的執行。

現地控制是系統最后一級也是最優先的一級，它向下接收各類傳感器與執行機構的輸入／輸出信息，采集設備運行參數和狀態信號；向上接收上級控制主機的監測監控命令，并上傳現場的實時信息，實施對現場執行機構的邏輯控制。

2.2 網絡通訊系統

網絡通訊系統是自動化系統可靠、安全運行的基礎，要想建立現代化、自動化的小型水電站，必須要求網絡通訊系統具有較強的可靠性、合理的帶寬、強大的數據吞吐能力以及可維護性、集成性與開放性，從而保障信息交換的順利進行以及實時通信。現階段，各個小型水電站普遍采用工業以太網的形式進行連接，它有著擴展方便、速度快、開放性好等優勢。

2.2.1 站內通訊

值班員工作站與控制室工作站以以太網的形式進行連接，在現地層配置一體化工控機，內部設置智能化模板，集中采集壓力、溫度、電氣量等信號，實現轉換之后，與工作站通過RS485總線進行通訊。值班員工作站通過標準接口RS232、RS485完成與直流系統、勵磁裝置、微機調速器的通訊。

2.2.2 梯級水電站通訊

在梯級水電站主站與分站的通訊工作站間加裝調制解調器、防浪涌以及防雷保護裝置，并通過專用通道進行通訊，收集各個分站的數據與信息輸送到主站，從而實現主站對分站的動態監控。

2.2.3 水電站與調度通訊

通訊工作站將發電計劃與電站信息通過電力載波上報到調度，調度能夠全面、動態掌握電站信息，從而有利于對防洪度汛以及發電計劃進行統一合理配置。

2.3 自動化軟件

小型水電站的自動化軟件包括操作系統、監控系統、應用軟件以及工具軟件。上述軟件對全部系統資源進行共同管理，從而有效實現數據采集、人機接口、自行診斷、通訊調度、設計參數等功能。操作系統要求具有控制界面良好、可靠性高、可移植性強、通用性好、適用性強等特點。現階段 Windows NT是常用的操作系統，該軟件的可靠性、穩定性以及實用性都比較好，保密性能良好，能管理計算機的所有資源，比如外部設備、存儲器、CPU等，并提供系統資源與軟件接口。監控系統軟件應能有效實現全站計算機系統的自動化監控，并具備數據管理、信息采集與處理、人機聯系、歷史數據管理、雙機切換、時鐘管理等功能。應用軟件包括電壓控制軟件、發電軟件、經濟運行軟件、用電監控軟件、公用設備軟件等。工具軟件一般來說主要包括PLC編程軟件、3D圖形軟件以及開發工具等，它能有效實現軟件連接、程序編譯，使監控系統向用戶開放，方便用戶，提高系統的可維護性。

2.4 水文自動測報系統

大部分水電站都兼備灌溉、防洪的功能，桑墟水電站在有效緩解電網供電壓力的同時，兼顧排水、灌溉重任。因此，在水電站自動化控制中，一方面要做好水庫發電的經濟調度，盡可能提高經濟效益，另一方面還需全面準確地掌握水情、汛情，做好防洪度汛工作。自動水文測報系統不僅要快捷、準確、及時地采集水情，同時還需要在較短的時間內作出洪水預報。水文自動測報系統對于中小型水電站的發電、防洪、灌溉、調峰等有著非常重要的作用。水文自動測報系統有多種不同的通訊途徑，比如衛星通訊、短波通訊、超短波通訊等，可結合地質條件以及水電站實際情況選擇合理的通訊方式。

3 結語

本文從水電站自動化控制的基本含義以及重要性入手，從4個大的方面——計算機監控系統、網絡通訊系統、自動化軟件、水文自動測報系統著手，詳細論述了自動化控制在小型水電站中的應用情況，希望能為同行提供借鑒。

［1］鄭康平，潘建忠.計算機監控技術在某水電站中的應用［J］.廣東水利水電，2006（4）

［2］趙英，季紹勇.基于四嶺水電站的綜合自動化系統應用研究［J］.浙江水利水電專科學校報，2009（2）