袁家壩水電站綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方案分析

【摘要】現(xiàn)如今，水電站發(fā)展迅速，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為基礎(chǔ)的綜合自動化系統(tǒng)被逐漸應(yīng)用于水電站建設(shè)中。對此，本文首先介紹了小型水電站自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，然后以袁家壩水電站為研究對象，對袁家壩水電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)探究，以期為類似工程提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】袁家壩水電站；綜合自動化系統(tǒng)；應(yīng)用

1、引言

在小型水電站工程建設(shè)中采用先進(jìn)的綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)，不僅有利于節(jié)約水電站工程運(yùn)行成本，而且還能夠有效減少工人勞動量，是水電站自身生產(chǎn)和發(fā)展的需要。因此，對水電站綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及具體的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行深入研究意義重大。

2、綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

2.1 小型水電站特點(diǎn)

與大型以及中型水電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同的是，在進(jìn)行小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要充分考慮小型水電站實(shí)際情況，設(shè)計(jì)符合實(shí)際需要的監(jiān)控系統(tǒng)。小型水電站的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下五個方面：投資建設(shè)成本低、電壓變化較大、實(shí)際運(yùn)行方式變化較大、技術(shù)水平較低、日常維護(hù)以及技術(shù)更新費(fèi)用少。

2.2 小型水電站自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

綜合考慮上文所提小型水電站特點(diǎn)，在進(jìn)行小型水電站自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該注意性價比高、技術(shù)水平高、可靠性高、自動化水平高等。在小型水電站設(shè)計(jì)建設(shè)過程中，資金因素至關(guān)重要，因此，在小型水電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，首先需要考慮經(jīng)濟(jì)因素，以最少的資金投入達(dá)到最高的設(shè)計(jì)水平。另外，要求小型水電站自動化系統(tǒng)的技術(shù)水平比較高，小型水電站工程是民生工程，其實(shí)際運(yùn)行效果與人們的日常生活密切相關(guān)，因此，小型水電站設(shè)計(jì)建設(shè)必須符合農(nóng)村發(fā)展需要，盡量采用先進(jìn)的自動化智能化設(shè)備，提升小型水電站的運(yùn)行可靠性。除此以外，要求小型水電站自動化系統(tǒng)能夠具備完整的控制功能，對此，必須增加資金投入，在有限的資金投入的基礎(chǔ)上，盡量采用先進(jìn)的、完善的系統(tǒng)控制功能。

3、袁家壩水電站概況

袁家壩水電站地處畢節(jié)地區(qū)納雍縣境內(nèi)，烏江干流北源六沖河右岸一級支流鼠仲河河上，為鼠仲河上已建的一座小型水電站。

袁家壩水電站壩址以上集雨面積162.0km2，多年平均流量3.47m3/s，前池正常水位1265.5m，裝機(jī)容量5.0MW。

原袁家壩水電站渠道承擔(dān)著袁家壩、胡家壩300畝的灌溉任務(wù)。所以，本次改擴(kuò)建后的袁家壩水電站渠道也考慮原灌面的灌溉，袁家壩水電站的開發(fā)任務(wù)為灌溉發(fā)電。

袁家壩水電站位于納雍縣寨樂鄉(xiāng)境內(nèi)，是畢節(jié)地區(qū)水力資源復(fù)查報(bào)告中推薦的梯級開發(fā)中的第一個梯級，在六沖河右岸一級支流鼠仲河上。壩址以上流域面積1162km2，多年平均流量3.47m3/s。電站裝機(jī)5.0MW，可提供電量2450萬kw·h。本工程項(xiàng)目靜態(tài)總投資2280萬元，單位千瓦投資6334元/kw，單位電度投資1.44元/kw·h，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較優(yōu)，開發(fā)條件較好。

袁家壩水電站建成后并入納雍地方電網(wǎng)，主要供電區(qū)為納雍縣，袁家壩水電站電站的改擴(kuò)建，不僅有利于促進(jìn)鼠仲河的水能開發(fā)，也是鼠仲河水能資源開發(fā)的必然選擇，而且對于實(shí)現(xiàn)納雍縣確定的總體目標(biāo)：圍繞資源優(yōu)勢，依托科技進(jìn)步和體制創(chuàng)新做大做強(qiáng)煤電產(chǎn)業(yè)起到重要的促進(jìn)作用，對該區(qū)人民盡快脫貧致富奔小康，發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)，提高該區(qū)生產(chǎn)力水平有較大的作用。因此，袁家壩水電站的改擴(kuò)建地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。

4、貴州袁家壩水電站自動化系統(tǒng)技術(shù)配置方案

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能及設(shè)計(jì)方案簡述

該水電站自動化系統(tǒng)采用分層分布全開放式微機(jī)自動化控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由站級控制層和現(xiàn)地控制層（LCU層）構(gòu)成，電站控制級包括一臺操作員工作站，實(shí)現(xiàn)全站的監(jiān)測、控制和人機(jī)對話以及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)方傳送處理。現(xiàn)地控制級包括2套機(jī)組LCU（現(xiàn)地控制單元）系統(tǒng)、1套公用LCU系統(tǒng)以及微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)對各生產(chǎn)對象的監(jiān)控。

機(jī)組部分由機(jī)組電氣保護(hù)裝置、機(jī)組控制裝置（可編程控制器PLC）、電量和非電量測控裝置（包括機(jī)組溫度、轉(zhuǎn)速、油壓、氣壓、水壓）、同期裝置及其他附件組成。

公用系統(tǒng)由公用設(shè)備保護(hù)裝置（主變保護(hù)裝置、線路保護(hù)裝置）、公用設(shè)備控制裝置（PLC）、公用設(shè)備電量和的非電量測控裝置、同期裝置及其他附件組成。同期系統(tǒng)采用微機(jī)自動準(zhǔn)同期裝置，具有可靠性高、并網(wǎng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。勵磁裝置和調(diào)速器可通過通信接口直接與相應(yīng)的LCU系統(tǒng)進(jìn)行通信，接入水電站綜合自動化系統(tǒng)。

微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)保護(hù)、變壓器保護(hù)、線路保護(hù)及廠用變保護(hù)等，各保護(hù)裝置與操作員工作站進(jìn)行通訊，完成對于整個系統(tǒng)的微機(jī)繼電保護(hù)。

4.2 水電站綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

袁家壩水電站采用全分布開放式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)分兩層：站級控制層以及現(xiàn)地控制單元層。繼電保護(hù)系統(tǒng)采用RS485串行通訊方式，直接與站控層連接通訊。兩層之間監(jiān)控系統(tǒng)采用光纖通信，實(shí)現(xiàn)較高的傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力。

4.3 水電站硬件配置

站控層配置一臺操作員工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、語音報(bào)警裝置、中文打印機(jī)、UPS電源等配套設(shè)備。

4.4 水電站控制級功能

4.4.1 數(shù)據(jù)采集與處理

系統(tǒng)應(yīng)對電站主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)自動定時進(jìn)行采集，并作必要的預(yù)處理，存于實(shí)時數(shù)據(jù)庫，供計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)畫面顯示、制表打印及完成各種計(jì)算、控制等功能時使用。

4.4.2 安全運(yùn)行監(jiān)視

安全運(yùn)行監(jiān)視包括狀態(tài)變化監(jiān)視、越限檢查、過程監(jiān)視、趨勢分析和監(jiān)控系統(tǒng)異常監(jiān)視。安全監(jiān)視是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的重要功能之一，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)視電站各類設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，當(dāng)它們發(fā)生異常、運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變更或參數(shù)超越設(shè)定限值時，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及時報(bào)告值班運(yùn)行人員進(jìn)行處理，同時進(jìn)行實(shí)時記錄，以便分析查驗(yàn)。值班運(yùn)行人員可通過設(shè)在中控室的監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)接口設(shè)備，監(jiān)視全廠各站的生產(chǎn)過程和設(shè)備運(yùn)行情況，顯示和打印各種運(yùn)行參數(shù)及記錄區(qū)。

4.4.3 控制調(diào)節(jié)

監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)預(yù)定的原則及運(yùn)行人員實(shí)時輸入的命令進(jìn)行機(jī)組正常啟動與停機(jī)、斷路器跳合、隔離開關(guān)分合等順序控制操作。同時，監(jiān)控系統(tǒng)可由運(yùn)行人員或遠(yuǎn)方調(diào)度的給定值或增減命令進(jìn)行機(jī)組出力的手動或自動調(diào)節(jié)。

4.4.4 自動發(fā)電控制（AGC）

本系統(tǒng)能完成各臺機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換時的協(xié)調(diào)工作，確保電力系統(tǒng)和機(jī)組所受干擾最少。如：機(jī)組手動/自動運(yùn)行的無干擾切換。機(jī)組成組/單機(jī)運(yùn)行時無干擾切換，機(jī)組故障需轉(zhuǎn)換負(fù)荷停機(jī)的自動處理及機(jī)組事故停機(jī)的緊急處理等。

另外，監(jiān)控系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)電站的自動發(fā)電控制和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，且有按頻率啟動機(jī)組等功能。

4.4.5 自動電壓控制（AVC）

按照電力系統(tǒng)要求，維護(hù)母線電壓實(shí)時定值，實(shí)現(xiàn)各臺機(jī)組間無功功率按比例分配，開環(huán)運(yùn)行時只提出指導(dǎo)性的數(shù)據(jù)顯示于CRT上，供運(yùn)行人員操作參考，閉環(huán)運(yùn)行時，信號直接作用于機(jī)組勵磁。

4.4.6 運(yùn)行人員操作臺控制

運(yùn)行人員通過監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)接口，進(jìn)行機(jī)組工況轉(zhuǎn)換控制，有功功率和無功功率調(diào)整，斷路器分合操作，報(bào)警手動復(fù)歸，機(jī)組負(fù)荷、各軸承溫度、變壓器油溫、定子線圈溫度等限值的實(shí)時設(shè)定等。通過運(yùn)行人員操作臺完成上述控制調(diào)節(jié)，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)被控設(shè)備的工作條件，對整個過程提供安全保護(hù)措施和完善的閉鎖。監(jiān)控系統(tǒng)具有的硬件、軟件保證了處理某一控制級控制下其他控制的命令無效。機(jī)旁控制盤上的緊急停機(jī)操作、機(jī)械和電氣保護(hù)和自動裝置發(fā)出的停機(jī)命令具有更高的優(yōu)先權(quán)，不因監(jiān)控系統(tǒng)控制權(quán)的設(shè)置而被閉鎖。

4.4.7 綜合參數(shù)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算與分析

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行周期、定時或召喚計(jì)算分析，形成各種計(jì)算數(shù)據(jù)庫與歷史數(shù)據(jù)庫，幫助運(yùn)行人員對電廠設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行全面監(jiān)視與綜合管理。

4.4.8 打印記錄

定時與召喚打印記錄：分別按時、日、月時間段和召喚要求，打印運(yùn)行記錄報(bào)表。打印記錄是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的一項(xiàng)基本功能。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)要求，將數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫取出，存入相應(yīng)的報(bào)表數(shù)據(jù)區(qū)。

4.4.9 屏幕顯示

中央控制室工作站可實(shí)時操作、實(shí)時顯示廠內(nèi)主系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、主設(shè)備的操作變化過程、事故和故障以及有關(guān)參數(shù)。事故畫面具有事故自動推出和最高的優(yōu)先權(quán)（采用多窗口技術(shù)）。

4.4.10 事故處理指導(dǎo)和恢復(fù)操作指導(dǎo)

監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)備出現(xiàn)故障征兆或發(fā)生故障時，提供事故處理和恢復(fù)正常運(yùn)行的指導(dǎo)性意見，對象包括發(fā)變組、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、廠用電、35kV出線系統(tǒng)等。

4.4.11 數(shù)據(jù)通信

（1）監(jiān)控系統(tǒng)通過通信工作站與上級調(diào)度實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)通信。監(jiān)控系統(tǒng)還能與水情測報(bào)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及安全自動裝置實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)通信。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)與微機(jī)五防系統(tǒng)間的通信

（3）監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)地各輔助智能設(shè)備間的通信。

（4）監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備間信息交換采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)高速公路。

4.4.12 監(jiān)控系統(tǒng)時鐘同步

監(jiān)控系統(tǒng)具有時鐘同步能力，使系統(tǒng)時鐘與衛(wèi)星時鐘同步。

4.5 袁家壩水電站系統(tǒng)軟件配置

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件包括四大部分，即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件、基本軟件、應(yīng)用軟件以及工具軟件。系統(tǒng)軟件用以提供監(jiān)控系統(tǒng)其它軟件運(yùn)行的環(huán)境，用戶軟件的開發(fā)手段，如用戶程序的編輯、編譯、連接、任務(wù)的插入、運(yùn)行、退出等。基本軟件是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)基本監(jiān)控功能所必須的軟件，如數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)庫管理，圖形顯示，報(bào)表生成，語音報(bào)警等軟件。應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程操作或控制功能的軟件，本系統(tǒng)配置的應(yīng)用軟件為北海銀河高科技產(chǎn)業(yè)股份有限公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)的YH-5000水電站監(jiān)控管理系統(tǒng)，包含數(shù)據(jù)庫管理，圖形工具等工具軟件。

5、結(jié)語

綜上所述，水電站綜合自動化系統(tǒng)是一種機(jī)組一體化結(jié)構(gòu)，在水電站綜合自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，必須綜合考慮水電站的技術(shù)特征，結(jié)合實(shí)際情況，堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性原則，選擇符合水電站自身發(fā)展需要的綜合自動化系統(tǒng)，這樣才能夠有效提高生產(chǎn)效率，減少勞動成本，提高電能質(zhì)量。

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作者簡介：劉瓊 男 1965 漢 工程師 中專 貴州盤縣 主要從事機(jī)電方面工作。