淺析小水電站按水位自動控制的方法

林智海

（廣東粵水水電發展有限公司，廣東 廣州 510610）

0 引言

YAVUZ 水電站為引水式電站，其引水系統由明渠和壓力鋼管組成，前池在其中間，有著調整和穩定水流的作用，在機組增、減負荷時，削減上游渠道水流產生的流浪，當機組突然甩負荷時，在壓力鋼管中產生的壓力突變，鋼管中流量的變化引起水位的改變，在明渠中將產生非恒定流。取水口、引水渠道、前池、泄水道、尾水渠和電站廠房等為該水電站的主要建筑物。

壓力前池的作用：①平穩水壓，平衡水量；②均勻分配流量；③排除多余水量，電站停機時，向下游排出水量；④攔阻污泥和泥沙。在前池中設有攔沙等裝置，能有效的紡織泥沙流入管道，確保水輪機的正常工作。

1 系統的組成

YAVUZ 電站采用的計算機監控系統是全開放環境下的計算機監控系統，在功能上也是分層分布的。如圖1 所示。

圖1 網絡拓撲圖Fig.1 Network topology graph

該電站的監控系統采用的是計算機為主，簡化常規設備為輔的設計原則，分為電站控制級和單元控制級。單元控制級包括三套機組LCU，一套公用LCU，一套前池LCU，一套開關站LCU，一套溢洪門LCU。在各LCU 之間都能通過光纖環網交換數據。電站控制級由兩臺工業控制計算機和一臺通訊服務器組成，其功能就是采集處理電站設備的數據，存入歷史數據庫，實現對電站設備的控制和操作，監視電站的運行狀態，控制鏈路與調度中心監控系統的通信。

機組LCU 負責實時的采集機組相關運行的參數，監測機組正常的開停機工作，以及完成對機組負荷的調節。

開關站LCU 主要負責的是采集三臺主變和兩條出線的參數、狀態信號以及控制操作。

公用LCU 主要負責的是實時采集直流裝置、消防水泵等輔助設備的運行參數、狀態信號等。

前池LCU 主要負責的是實時采集前池水位和前池閘門的信號以及對前池進水閘門的控制操作。

溢洪門LCU 主要負責的是實時采集壩區水位信號、溢洪門信號以及對溢洪門的控制操作。

2 調節原理

規定按水位標準選擇開機數量，前池水位在282.9～283.9 米時，開一臺機；水位在283.9～284.15 米時，開兩臺機；水位在284.15 米以上時開三臺機。圖2 為調節水位的控制流程圖。

當前池水位太高時，首先通過增大3臺機組出力來調節，如果在三臺機組滿載運行情況下，前池水位還是太高，要通過減小水庫閘門的開度減少來水量，來控制水位。反之如果水位過低時，首先通過增大水庫閘門的開度來增加來水量，在水庫閘門全開的情況下，前池水位還是偏低，自動減少機組出力甚至關閉機組。總之就是根據前池水位，通過自動調節機組出力達到最有效的利用水能。

圖2 控制流程圖一Fig.2 Control flow chart 1

3 控制過程

在正常情況下，水電站要實現按水位優化運行需要具備以下條件：各LCU 運行正常，上位機IPC 運行正常，光纖環網通訊正常，前池水位計工作正常，調速器要具備按水頭調節的功能。中控室的操作人員在上位機的IPC 人－－機界面上選擇“按水位運行模式”，同時人工設定進入按水位運行模式的運行的機組臺數和開停機的先后順序。前池LCU 在接收到上位機的指令后,依據前臺水位的實際值來確定所開機的臺數和運行機組運行的具體模式（指的是按給定功率運行還是水頭－－開度的模式）。當水電站按水位運行模式時，必須保證其中有一臺機組是按水頭－－開度模式運行，而其他機組是按效率的最高點的給定值運行。機組LCU 和前池LCU 必須通過光纖環網來交換信息，也是為了實現水位調節模式下機組LCU 和前池LCU 的直接控制。

前池LCU 接收到各機組LCU 的信號有：允許開啟機組進出口閘門、機組事故關閉機組進水口閘門、允許關閉機組進水口閘門、機組開機、機組狀態、機組停機指令、機組允許開機、機組開機失敗、機組關機失敗等等各類信號。而前池LCU 傳達到各機組LCU 的信號有：機組進水口閘門全開位置、機組進水口閘門全關位置、按給定功率模式運行命令、按水頭－開度模式運行命令、機組開指令、機組關指令。機組初始的開機順序為：1號機→2 號機→3 號機→1 號機。機組初始的停機順序為：3 號機→2 號機→1 號機→3 號機。

按前池當前水位，前池LCU 只需要一臺機組運行時，選擇優先級最高的某機組開機。當機組LCU 接到前池LCU 傳達的開機指令后，開機完成并網發電，同時發布信號到前池LCU 告知其機組已并網，然后前池LCU 再根據當期安水位環境下所運行的機組臺數的數量在確定是否需要再開機，并將最后并網的機組按水頭－－－開度模式運行，而其他已并網的機組是按效率最高點的給定值運行。

（1）當前池水位在282.9～283.9 米時，經前池LCU 判斷后，判定只需要1 臺機組運行時，按初始的開機順序選擇機組編號，當開機機組接收到前池LCU 的開機指令后，完成開機并網的工作。前池LCU 收到開機機組的開機并網信號后，又向該機組發送按“水頭－開度模式運行”信號，機組收到該指令后，向調速器發送“按水位運行模式”運行的命令，由調速器按“水頭－－開度”曲線模式運行。詳見圖3。

（2）如果在第一臺機組全開的情況下，前池水位依然持續上升，水位達到283.9～284.15 米時，經前池LCU 判斷后，認為需要開第二臺機運行，將按初始開機順序選擇第二臺機。第二臺機的運行將按“水頭－開度”曲線模式運行，而第一臺機將將改成按效率最高點的給定值運行。第二臺機按水頭－開度模式運行。如圖4 所示。

（3）如果水位繼續上升，持續到284.15 米以上，經前池LCU 判斷后，需要第三臺機組運行，將按著初始開機順序選擇開啟第三號機，三號機投運后，前池LCU將發送“水頭－開度”曲線模式信號給三號機組LCU，使三號機機組按水頭－開機曲線模式運行，同時前池LCU 將最高效率的給定值信號給1 號機組和2 號機組，使1 號機組和2 號機組按最高效率點的給定值運行。

圖3 控制流程圖2Fig.3 Control flow chart 2

圖4 控制流程圖3Fig.4 Control flow chart 3

當根據水位的高低判斷需要開機指令，當前池LCU 的水位上升, 根據優先級確定需要開機的機組編號，觀察是否在規定的時間內接收到開機信號，如果機組沒有收到再繼續判斷下一優先級是否需要開機，當前池LCU 水位下降時，LCU 判斷是否停機，發出的停機信號是按照優先級順序的，若收到信息失敗就要向下一優先級再發指令。為了避免停機時引起電站輸出功率的大幅度波動，停機時要先由前池LCU 發出指令先退出機組的水頭－開度模式的運行模式，待機組完全停機后，將停機優先級次高的機組置為水頭－開度模式運行。這樣的停機順序是安全可靠，并且使功率輸出平穩的高效方式。

4 水電站自控系統的優點

水電站的自控系統能夠有效利用水能，發揮實際水電站的控制調節效果，在運行過程中安全，穩定，可靠。

（1）水電站自控系統可以減少運行人員的勞動強度。傳統水電站的運行模式主體主要是工作人員，每天定時巡檢，記錄，調節控制等繁雜的工作內容，現在的自動控制用計算機代替了人工，節省了體力腦力，減少了工人的工作量，釋放更多勞動力。同時提高了工作效率和準確度，能夠將水能盡最大可能轉化成電能。

（2）水電站自動控制系統可以提高水電站的有效性和及時性。自動化系統通過計算機，監控設置，控制體系技術能夠高效的來通過前池水位高低控制發電機組的開停。其高效性和及時性已經遠遠的超越了完全人工的操作。

（3）水電站自動控制系統可以提高水電站發電的安全性、可靠性。在人工操作的時期，工作人員定時定點的去巡檢，發現問題的及時程度遠不及監控系統的快速，同時又避免了操作過程中工作人員的失誤，所以自動控制系統具有一定的安全性和可靠性。

5 總結

近年來我國水電工程發展迅猛，已經建成小水電站4 萬多座，為我國的經濟科學發展和社會進步作出了巨大貢獻。我國的小水電站主要解決中西部的邊遠地區的用電問題，小水電站的技術起點低，但是隨著計算機技術、自動化技術的快速發展，小水電站的自動水位優化，能夠更加高效地利用水能生產效益。根據控制原理和方法可以看出，SCADA系統的水位調節模式，避免頻繁的開機停機，自動調節機組，有效的將水能轉化為電能，充分體現了小水電站自動控制系統的有效安全，可靠穩定的優勢。

[1]劉加英.小水電站按水位自動控制方法的研究[J].大壩與安全，2011，3.

[2]傅巍. 引水式小型水電站閘門自動監控系統的研究[D].東北農業大學，2007.

[3]饒志波. 基于網絡的小型水電站計算機監控系統設計與研究[D].重慶大學，2012.

[4]張巍，徐國君，俞鋒，方華，趙新勇.小水電站自動按水位優化運行的方法[J].小水電，2000，3.

[5]阮小玲. 水電站計算機數字監控系統應用淺析[J]. 科技致富向導，2012，9.

[6]楊俊杰，周建中，梁年生.水電站無人值守自動發電控制模型[J].水電自動化與大壩監測，2004，3.

[7]古夫. 小水電建設項目決策研究[D].天津大學，2007.