大黑汀水庫東壩電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)設計構想

張曉軍，付靚

（引灤工程管理局大黑汀水庫管理處，河北遷西064300）

大黑汀水庫東壩電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)設計構想

張曉軍，付靚

（引灤工程管理局大黑汀水庫管理處，河北遷西064300）

基于分層分布式網絡結構的自動化監(jiān)控系統(tǒng)對大黑汀水庫東壩電站進行改造，以計算機監(jiān)控系統(tǒng)替代以人工操作為主的監(jiān)視測量設備來滿足水電站的運行要求。針對東壩電站的安裝及運行方式提出了切實可行的設計構想及系統(tǒng)組成，系統(tǒng)具有先進性、可靠性、經濟性，可操作性極強。

水電站；自動化；監(jiān)控；改造

大黑汀水庫位于河北省唐山市遷西縣城北約5 km的灤河干流上。水庫西壩建有渠首電站和河床電站2座壩后式水電站，共安裝5臺水輪發(fā)電機，總裝機容量23.4 MW。東壩電站位于距西壩渠首電站1 300 m的水庫大壩東側，總裝機容量1 000 kW，由2臺單機容量500 kW的臥式水輪發(fā)電機組（站內運行編號為6#機和7#機）組成，機組采用一機一變的運行方式將輸出的6.3 kV電壓分別通過自身的升壓變壓器升壓成10 kV等級電壓送至位于大壩西側的變電站內，然后再由另一臺變壓器升壓為35 kV后送入電網。東壩電站由于興建時科技發(fā)展水平等條件限制，設計理念落后，采用的各類設備及元器件型號已經老舊，目前已經完全不能達到水電站安全、穩(wěn)定運行的要求。

1 東壩電站現(xiàn)狀

目前，東壩電站的監(jiān)測項目僅限于發(fā)電機電氣設備運行參數(shù)和機組溫度、冷卻水等幾組必需的水輪機運行參數(shù)，不僅增大了運行人員的工作強度，還極大地提高了機組運行的不確定性，更不能滿足現(xiàn)代水電站機組的安全運行標準。現(xiàn)就機組主要監(jiān)測設備應用中存在的問題簡述如下。

1.1 水輪機控制屏

水輪機控制屏由DZ系列中間繼電器及翻板式電壓繼電器組成，主要用于手動開機過程中對各開機條件的檢測及閉鎖，以確保機組開機過程中無故障，同時在機組運行過程中完成機組轉速的檢測及過速保護。其存在的問題包括各類繼電器老化，信號檢測量少，僅能完成最基本的信號量監(jiān)視，且全程均需人工參與才能確保機組安全運行。

1.2 機組保護屏

機組保護屏由電磁式差動繼電器、電流繼電器和翻板式電壓或電流繼電器組成，用于保護機組電氣參數(shù)。其存在的問題包括參數(shù)整定精度差，機械式鎖定機構容易受振動等因素的影響，保護效果差，可靠性低。

1.3 機組勵磁系統(tǒng)、調速系統(tǒng)

機組的勵磁系統(tǒng)、調速系統(tǒng)（調速器）均各自獨立運行，彼此無任何聯(lián)系，只能依靠運行人員根據(jù)運行數(shù)據(jù)和經驗手動調整機組的運行狀態(tài)。

此外，由于年久失修，目前該電站基本處于癱瘓狀態(tài)。其主要表現(xiàn)在：進水閘門控制設備損壞，不能完成正常的起、落閘門操作；機組出口開關（同期點）合、跳閘機構卡阻導致機組并網困難；機組勵磁系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，經常出現(xiàn)失控現(xiàn)象等。

由于上述現(xiàn)象的存在，整個東壩電站需要投入大量人力、物力才能維持機組的基本運行。目前，整個電站運行控制方式為手動操作，因此對運行人員在數(shù)量和基本業(yè)務素質等方面要求較高。眾所周知，大量的人為操作其誤差是較大的，因此在很大程度上影響了電站機組的運行質量，機組運行的可靠性和安全性也不能保證。為提高電站的運行效率、減少運行成本，必須對整個東壩電站進行徹底改造，采用新的計算機監(jiān)控技術代替目前的手動控制方式。

2 監(jiān)控系統(tǒng)構想

2.1 設計思路

對東壩電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設計以信息采集全面精準、控制功能齊全可靠、自動化程度高為基本設計原則，以整個系統(tǒng)實現(xiàn)“無人值班、少人值守”為設計目的，確保東壩電站現(xiàn)場不再有常規(guī)運行值班人員而改為定期現(xiàn)場巡視、遠程操控的運行方式。

2.2 系統(tǒng)構成

東壩電站的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用雙層分布開放式結構，即由廠站級中央控制層和現(xiàn)地級控制單元層組成。其中，廠站級中央控制層安裝在大壩西側的渠首電站中控室內，由操作員工作站（上位機）、網絡打印機和工程師工作站等設備組成；現(xiàn)地級控制單元層由各個獨立的現(xiàn)地控制單元組成，各現(xiàn)地控制單元分別安裝在被控設備本地。現(xiàn)地控制單元與中央控制層通過光纖進行物理連接，用于完成各類數(shù)據(jù)的傳輸。

針對東壩電站水輪發(fā)電機組的運行及控制方式，現(xiàn)將整個電站現(xiàn)地控制層設計成6#機組現(xiàn)地控制單元、7#機組現(xiàn)地控制單元和公共設備控制單元。計算機監(jiān)控系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

圖1東壩電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)框圖

圖1 中上方虛框內為操作員工作站，安裝于渠首電站的中央控制室內；中間為網絡傳輸部分，由網絡設備（如以太網交換機、光纖和串口轉以太網模塊等）組成，負責完成現(xiàn)地控制單元與中央控制層之間的數(shù)據(jù)傳輸；最下方為現(xiàn)地控制單元，包括6#機、公共設備和7#機現(xiàn)地控制單元。

3 實現(xiàn)功能

基于電站“無人值守、少人值班”的設計構想，整個電站監(jiān)控系統(tǒng)能夠實時、準確有效地完成對機組的監(jiān)視和控制，能夠按預定要求或由實時運算結果直接控制每臺機組和主要開關，實現(xiàn)單機控制，也可以根據(jù)AGC算法給定全廠總負荷向電站主站級計算機給出全站有功功率和無功功率給定值。

3.1 主機現(xiàn)地控制單元

主機現(xiàn)地控制單元有兩套，即6#機現(xiàn)地控制單元和7#機現(xiàn)地控制單元，主要負責完成對水輪發(fā)電機組的開、停機操作以及對機組運行狀態(tài)的監(jiān)視和管理，同時以網絡通信的方式實現(xiàn)對其它設備的數(shù)據(jù)傳輸及管理。機組現(xiàn)地控制單元框圖，如圖2所示。

圖2 機組現(xiàn)地控制單元框圖

每套現(xiàn)地控制單元由PLC模塊、輸出繼電器、測速裝置等組成，主要完成對機組的邏輯控制和數(shù)據(jù)采集。

其它設備（如勵磁系統(tǒng)、調速器系統(tǒng)）以主機控制單元為核心，按照機組主機控制單元發(fā)出的指令相對獨立地完成對機組各參數(shù)的控制及操作并以串口通信的方式與主機控制單元進行信息傳輸。

快速門控制系統(tǒng)由獨立的PLC模塊組成，用于控制進水閘門起落和蝸殼充水閥開關，它與主機現(xiàn)地控制單元之間通過485通信口進行物理連接，機組開停機操作以串行通信的形式傳達給閘門控制單元，閘門控制單元在接收到數(shù)據(jù)后根據(jù)數(shù)據(jù)內容確定閘門或充水閥門的開或關。

3.2 公共設備現(xiàn)地控制單元

公共設備現(xiàn)地控制單元主要用于電站公用設備及現(xiàn)場的控制及監(jiān)視，包括照明系統(tǒng)、排風系統(tǒng)、直流電源系、廠用電、廠房溫度監(jiān)視和控制等。

3.3 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集為自動化監(jiān)控中的一環(huán)，起著至關重要的作用，數(shù)據(jù)采集的內容和質量直接影響著整個監(jiān)控系統(tǒng)的自動化程度。水電站所采集的數(shù)據(jù)包括電氣量和非電氣量兩大類，就數(shù)據(jù)性質又可分為模擬量和開關量。其中，非電氣量模擬量和開關量由各現(xiàn)地控制單元的PLC完成采集、分析和處理，如機組溫度、蝸殼壓力、壓力油油壓、冷卻水狀態(tài)、斷路器位置等；電氣模擬量主要是電壓、電流、功率等，由智能儀表完成采集，然后通過485通信口以Modbus協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給現(xiàn)地控制單元，再由現(xiàn)地控制單元PLC模塊分析處理并傳輸至安裝在中央控制室的上位機（操作員工作站）。

4 結語

電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用開放式分層、全分布式的體系結構，按照“無人值班、少人值守”要求，以計算機監(jiān)控為主、簡易常規(guī)控制為輔的原則進行設計。目前，已對電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)改造提出了切實可行的改造思路，單元環(huán)節(jié)的控制邏輯已經通過仿真測試，部分環(huán)節(jié)已經通過硬件測試，系統(tǒng)技術成熟、功能完備、可操作性強。

隨著科技的飛速發(fā)展，無線控制技術、人工智能技術等勢必會更廣泛地應用在水電行業(yè)中，如何更好地改造好電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)，是每一位工作在水利一線技術人員永遠研究的課題。大黑汀水庫東壩電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)設計提出了一種很好的思路，達到了提高電站發(fā)電質量和經濟效益的目的。

TV736

：B

：1004-7328（2017）01-0058-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.018

2016—10—12

張曉軍（1966—），男，工程師，主要從事水電站的運行管理工作。