水電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王建

摘 要：水電站自動化程度是其現(xiàn)代化的重要指標(biāo)之一，也是水電站安全生產(chǎn)運(yùn)行不可或缺的主要保障，而機(jī)組容量的不斷擴(kuò)大，也對于水電站的安全運(yùn)行生產(chǎn)起到了愈加重要的作用。水電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)包涵許多學(xué)科相關(guān)知識，隨著科技信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，水電站自動化系統(tǒng)也隨之升級。本文主要介紹了水電站監(jiān)控系統(tǒng)主要功能、自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水電站 自動化 監(jiān)控系統(tǒng) 設(shè)計(jì)應(yīng)用

隨著目前計(jì)算機(jī)信息技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國水電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的完善程度也在進(jìn)一步提高。在西方發(fā)達(dá)國家中，大部分小型水電站均已實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的自動化，且已經(jīng)由以往的“少人值守”逐步實(shí)現(xiàn)了“無人值守”，法國的Grand Madison、瑞典的Strangler等水電站，均通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的全面自動化，水電站基本上“無人值守”。相對西方國家來說，我國水電站發(fā)展時間較晚，在水電站發(fā)展早起階段，國家對其發(fā)展并未投入過多資金和精力，導(dǎo)致我國小型水電站的發(fā)展腳步較為緩慢，尚處于相對落后的狀態(tài)，至今還無法達(dá)到西方國家水平，并且許多開發(fā)項(xiàng)目都還處于研究完善階段。自上個世紀(jì)九十年代開始，我國的小型水電站也逐步邁上了信息化發(fā)展的道路，所建設(shè)的大部分水電站的常規(guī)操控也已被自動化技術(shù)慢慢取代。

1.水電站監(jiān)控系統(tǒng)主要功能

水電站監(jiān)控中心一般為主控層或者上位機(jī)，主要負(fù)責(zé)全站的自動化功能、參考數(shù)據(jù)及處理、站內(nèi)人機(jī)對話等。通常情況下包括功能為：對全站在運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行收集和處理；對水電站生產(chǎn)過程的安全實(shí)施監(jiān)控及報(bào)警；對水電站主要設(shè)備工作狀態(tài)及其設(shè)備遠(yuǎn)程方進(jìn)行監(jiān)控；對運(yùn)行日志、電能量、故障發(fā)生及操作次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理；對站內(nèi)主設(shè)備參數(shù)進(jìn)行校正；為設(shè)備系統(tǒng)故障提供在線診斷；及時與上級部門進(jìn)行信息交流。

現(xiàn)地控制層通常負(fù)責(zé)對單元生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集和預(yù)處理、監(jiān)視、操作、調(diào)控及與上位機(jī)進(jìn)行通信等。一般包括功能為：第一時間對本單元中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集和處理；借助于現(xiàn)地人機(jī)接口對本單元的實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)實(shí)施有效的調(diào)整與管控；對本單元內(nèi)的生產(chǎn)情況進(jìn)行實(shí)時的記錄；實(shí)現(xiàn)自我診斷和自動恢復(fù)；和上位機(jī)通信產(chǎn)生中斷后能夠進(jìn)行獨(dú)立報(bào)警同時與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)脫離而對本單元進(jìn)行單獨(dú)控制；和現(xiàn)地部分設(shè)備以通信的形式對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；同時把采集到的信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，接受上位機(jī)的指令。

2.水電站自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

計(jì)算機(jī)信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，也使得水電行業(yè)對現(xiàn)有水電站監(jiān)控系統(tǒng)的自動化要求愈加苛刻。為了更好的跟上現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展腳步，并且考慮到水電站監(jiān)控系統(tǒng)的重要性，實(shí)現(xiàn)“少人值守”的運(yùn)行模式目標(biāo)，水電站監(jiān)控系統(tǒng)的自動化通常需遵循以下六項(xiàng)基本原則：

（1）在設(shè)備的自動化監(jiān)測以及控制中，將非電量的監(jiān)控裝置直接大量運(yùn)用其中；（2）以往常規(guī)監(jiān)控時需要由值守人員親自操作的主要設(shè)備和系統(tǒng)，全部利用計(jì)算機(jī)技術(shù)依照設(shè)計(jì)流程對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行自動控制；（3）在水電站安全運(yùn)行中，針對其影響較大、作用較重要的設(shè)備或部位，可采取兩種自動化元件共同使用的監(jiān)控方法，確保運(yùn)行安全的穩(wěn)定、可靠；（4）為了避免電氣設(shè)備消防供水系統(tǒng)出現(xiàn)誤動或拒動情況，在消防供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮手動和自動相結(jié)合的方式，最大程度上確保供水系統(tǒng)準(zhǔn)確投入；（5）用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)定時自動檢測代替常規(guī)監(jiān)控中的值班人員巡回檢測工作，并且將部分信息依照設(shè)定需要反饋給值守人員；（6）在關(guān)于自動化元件選型方面，需要在能確保其安全可靠性的前提下節(jié)省投資。

3.水電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

（1）壓力監(jiān)控設(shè)計(jì)

值守人員確定機(jī)組是否安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要指標(biāo)便是各個部位的壓力數(shù)值，壓力監(jiān)控一般是利用壓力變送器傳達(dá)信號，監(jiān)控的主要項(xiàng)目為蝸殼進(jìn)口處以及蝸殼的末端壓力、主軸密封水壓、技術(shù)供水總管壓力、壓油槽壓力、上導(dǎo)軸承冷卻水壓力、空冷器冷卻水壓等。利用對以上列舉壓力進(jìn)行監(jiān)控，值守人員便可以在上位機(jī)隨時監(jiān)控機(jī)組各部分的運(yùn)行變化情況。由于壓油槽對機(jī)組的運(yùn)行安全具有直接影響的作用，所以，在對其進(jìn)行監(jiān)控時還可以加設(shè)液位控制開關(guān)，進(jìn)一步保證其安全。

（2）液位監(jiān)控設(shè)計(jì)

可實(shí)施液位監(jiān)控設(shè)計(jì)的部位包括：上下導(dǎo)油槽油位、壓油槽油位、水導(dǎo)油槽油位、回油箱以及漏油箱油位等。在對上述設(shè)備實(shí)施液位監(jiān)控時，對調(diào)相壓水水位和壓油槽油位的監(jiān)測設(shè)置了開關(guān)量和模擬量雙重自動化元件，而壓油槽油位的監(jiān)測主要是依靠進(jìn)口差壓變送器，能夠讓監(jiān)控結(jié)果更加準(zhǔn)確，其他的液位一般都選擇液位開關(guān)實(shí)施監(jiān)控。

（3）流量監(jiān)控設(shè)計(jì)

流量監(jiān)控項(xiàng)目通常包含兩方面，即水輪機(jī)流量與技術(shù)供水監(jiān)控。對水輪機(jī)流量的監(jiān)控一般采取蝸殼測流方法進(jìn)行在線監(jiān)控，可以為日后實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)。供水流量技術(shù)監(jiān)控包含對技術(shù)供水總量進(jìn)行測量、對上下導(dǎo)軸承冷卻水進(jìn)行測量、對空冷器冷卻水進(jìn)行測量、對水導(dǎo)軸承冷卻水進(jìn)行測量，這五項(xiàng)測量和控制項(xiàng)目中，除了對技術(shù)供水總量的測量通過電磁流量技術(shù)方法外，剩下的測量項(xiàng)目均可以采用示流信號器來進(jìn)行監(jiān)測。

（4）振動與擺度監(jiān)控設(shè)計(jì)

進(jìn)行振動監(jiān)控的部位包括發(fā)電機(jī)上機(jī)架和水輪機(jī)頂蓋兩部分，可在這兩個部位加設(shè)水平及垂直振動雙重測點(diǎn)，利用傳感器和監(jiān)控儀器對機(jī)組中的不可移動部位實(shí)施水平和垂直振動的在線監(jiān)控；而對擺度進(jìn)行監(jiān)控則是對發(fā)電機(jī)上下導(dǎo)軸承和水輪機(jī)導(dǎo)軸承這三個部分的垂直方向和水平方向均可以設(shè)置相應(yīng)的測點(diǎn)，在機(jī)組運(yùn)行時，利用電渦流傳感儀器和振動監(jiān)控儀器對其主軸擺度實(shí)施自動化監(jiān)控，在最大程度上確保機(jī)組運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

（5）溫度監(jiān)控設(shè)計(jì)

溫度監(jiān)控設(shè)計(jì)包括項(xiàng)目有上下導(dǎo)油槽的油溫以及上導(dǎo)冷卻水進(jìn)水處水溫和下導(dǎo)冷卻水出水處水溫，對這些溫度通常都利用溫度變送器實(shí)施在線監(jiān)控。另外，廠家設(shè)置的溫度傳送器實(shí)施溫度監(jiān)控的部位主要包含定子線圈溫度、水導(dǎo)軸承瓦溫、上下導(dǎo)軸承瓦溫、推力軸承瓦溫以及空冷器進(jìn)風(fēng)溫和出風(fēng)溫等。利用以上部位對溫度數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)控，即使在少人值守的情況下，值守人員也可以通過對主機(jī)進(jìn)行操作來實(shí)時監(jiān)控機(jī)組各個部分的運(yùn)行溫度具體情況，一旦出現(xiàn)異常，可以及時進(jìn)行處理，確保機(jī)組安全運(yùn)行。endprint

（6）水力監(jiān)控設(shè)計(jì)

水電站水力監(jiān)控設(shè)計(jì)項(xiàng)目，除了上述屬于機(jī)組自動化監(jiān)控項(xiàng)目外，全站范圍的監(jiān)測還包含了測量上下游水位、進(jìn)水閘平壓、毛水頭以及攔污柵前后壓差等系列，其中進(jìn)水閘平壓測量利用的是壓力變送器，其它項(xiàng)目通常利用的是液位變送器，以上變送器的模擬量輸出信號全部可以進(jìn)入自動化監(jiān)控系統(tǒng)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控。

（7）消防監(jiān)控設(shè)計(jì)

水電站消防設(shè)計(jì)在水電站整體構(gòu)造中的重要性日益明顯，尤其是在少人值守的情況下更加重要，是水電站安全生產(chǎn)不可或缺的重要環(huán)節(jié)。在消防供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上首先要考慮其啟動的迅速性，不能出現(xiàn)誤動或拒動的情況，然后還要考慮其安全可靠性，避免出現(xiàn)問題帶來重大經(jīng)濟(jì)損失。在自動消防供水系統(tǒng)中尤其需要指出的是，堅(jiān)決不能出現(xiàn)電氣設(shè)備消防供水系統(tǒng)發(fā)生誤動或拒動情況，因此，在消防供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮手動和自動相結(jié)合的方式。另外，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)不能設(shè)計(jì)為直接控制消防供水系統(tǒng)，為避免自動系統(tǒng)出現(xiàn)誤動，在報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警時，值守人員應(yīng)及時確認(rèn)是否發(fā)生火災(zāi)，再決定是否投入消防供水系統(tǒng)。

4.結(jié)語

綜上所述，水電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)可在一定程度上實(shí)現(xiàn)水電站“少人值守”，甚至“無人值守”的目標(biāo)，并且在使用中具有豐富的操作界面、預(yù)防失誤操作以及失誤產(chǎn)生后及時處理的能力。另外，水電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)除了必須具備各種現(xiàn)場監(jiān)控、操作以及處理控制等功能外，還需要具備有與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)互相通信交流的功能?？傊?，我國水電站應(yīng)全面實(shí)施自動化監(jiān)控系統(tǒng)，在整體上提高水電站的設(shè)備運(yùn)行水平，確保水電站設(shè)備在生產(chǎn)過程中的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

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