小型水電站微機監控保護系統改造

周宏偉+余建軍

摘 要：70～90年代修建的小型水電站監控保護系統需要更新換代，恰逢國家“十二.五”、“十三.五”規劃對小水電站增效擴容改造的政策出臺，使得大量的農村小水電需要進行微機監控保護系統改造。在“十二.五”期間四川已有很多小型水電站完成了增效擴容改造，微機監控保護系統是增效擴容改造項目的重點，文中不對計算機監控保護系統的全部內容做描述，主要根據近幾年在小水電站監控保護系統改造中的經驗，并結合生產實際介紹小型水電站微機監控改造中設計、訂貨、施工等方面的經驗教訓作介紹，并討論如何搞好小型水電站微機監控改造，供同行們分享，以利“十三.五”改造中走少的彎路，達到更好的能效指標。

關鍵詞：小型水電站；常規監控；微機監控改造

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.097

1 概述

我國上世紀七十、八十年代大力開發小型水電站，很多地區、縣的小型水電站撐起了該地區供電的一片天，加快了當地的經濟建設，對促進地區經濟發展發揮了巨大作用。然而限于當時的科技發展水平這一大批小型水電站的監控保護基本上都是采用常規監控模式。隨著科學技術的發展，特別是計算機監控技術在電力行業應用的普及，使原來在大中型電站使用的計算機監控技術逐步向小型水電站推廣；隨著水電站計算機監控技術逐漸成熟，產品逐步走向系列化、標準化，產品價格進一步降低；加之常規監控保護設備逐步老化、失靈，需陸續進行技術改造，實現水電站計算機綜合自動化。在“十二.五”、“十三.五”國家對小水電站增效擴容改造的政策中，也明確規定需將監控系統改造為微機監控。

2 常規監控保護的小型水電站的系統設置

常規監控保護的小型水電站一般配置有：電液型調速器；分離式電路的勵磁調節裝置；機組及全廠公用設備采用電磁式邏輯順序自動控制加手動控制；電磁式的繼電保護；分離式的磁電系、電磁系、整流系測量表計；手動或者半自動準同期裝置；直流系統也配磁電式的充電裝置。

常規監控保護的缺點是反應速度慢，靈敏度低，結構形式復雜，二次部分采用的元件多，接線復雜，運行、維護、檢修困難，故障率高，可靠性低。一般小型水電站電氣二次部分運行維護困難，尤其是有關保護、調速器、勵磁裝置、同期系統、機組自動控制系統出現問題均感到非常棘手。

3 小型水電站微機監控系統

小型水電站微機監控系統一般采用全開放分層分布式以太網總線型結構。在電站內部設站控層和現地層兩層，如果電站需要向調度或流域中心上傳信息，還需預留通信接口，設置上級調度層。在站控層配置的硬件設備主要有：系統服務器和操作員工作站（統稱上位機）、通信工作站、網絡交換機、GPS衛星對時系統、UPS電源和若干人機聯系裝置；廠長和總工工作站現一般配為移動式，更有利于管理；站控層設備通過網絡交換機與現地控制單元聯系；現地控制單元又通過通訊管理單元與各智能設備（保護、調速器微機調節器、勵磁裝置微機調節器、智能儀表、自動化元件）相連，構成一個局域網。

3.1 現地控制單元—LCU

現地控制單元一般采用可編程控制器（PLC或PCC）作為核心元件。以發電機組、主變、線路、廠用電、機組輔助及公用設備、壩區閘門設備為監控保護對象配置現地控制單元，分別稱為機組LCU、升壓站LCU、全廠公用LCU、壩區LCU。

目前微機監控裝置生產廠家眾多，技術水平比前幾年有很大提高。各廠家產品外形、細部功能、輸入輸出接口不盡相同，但基本功能大致相當。

3.1.1 微機保護簡介

微機保護裝置常以單片機或數字信號處理器DSP為核心元件。根據《繼電保護和安全自動裝置技術規程》（GB/T14285-2006）規定，對主要的被保護設備需配置主保護和后備保護兩套裝置，對一般被保護設備配含主保護和后備保護的一套裝置。各保護裝置可以組屏安裝在中控室或機旁，也可以根據實際情況分散安裝在高壓開關柜的二次室。

保護裝置的內部基本結構為：

三塊電路板及面板：

輸入板：電壓、電流輸入及模/數（A/D）轉換

主板：各種存儲器、處理器CPU、時鐘電路等

輸出板：輸出及顯示電路。

面板：含顯示器、人機對話鍵盤、按鍵。

保護裝置的軟件：廠家已經直接開發并預裝于保護單元中。

3.1.2 監控簡介

目前國內有兩大類產品，一是將保護、監控、同期、調速、勵磁裝置集成到一套微機裝置中（簡稱“五合一”），此方式簡單易行造價低，適用于微型水電站（單機500kW以下）。另一種方式是保護與監控裝置獨立，監控采用PLC，保護裝置采用單片機或數字信號處理器DSP，通過保護出口硬接點與PLC相連，通過通信接口與通信管理機或網絡交換機相連，此方法造價較前方法高，但可靠性高，適用小型水電站。

3.2 可編程PLC控制器

一般選擇國際知名品牌或國內具有研發能力的幾個大公司產品，要根據控制對象的要求統計DI、DO、AI的點數并考慮20%的裕量選擇PLC的容量，要求PLC的DI/DO回路都自帶光隔，電源模塊、通信模塊為基本配置，并考察PLC的MTBF（平均故障間隔時間）、MTTR（平均故障修復時間）、EMC（電磁相容性）、EMI（電磁干擾）、各種實時響應性指標。將PLC及配套的觸摸屏、開出繼電器以及其它的智能設備集中組屏為機組LCU屏，安裝于機旁；集中組屏為公用LCU屏，安裝于中控室；集中組屏為壩區LCU屏，安裝于壩區值班室，通過光纖與站控層相連。

可編程控制器PLC的編程一般由微機監控生產廠家根據電廠的控制對象、控制要求、外圍設備等情況完成，將程序輸入可編程控制器PLC中。對機組LCU負責對主機實施監控，同時機組的輔助設備如主閥（前池快速閘門）、頂蓋排水控制、調速器油壓控制、發電機冷卻風機控制納入機組控制范圍由機組PLC統一進行；公用LCU負責對全站公用設備：技術供水系統、集水井排水系統、空壓機系統及升壓站設備進行監控（也可升壓站設備單獨配置LCU）；壩區LCU負責對壩區水位監測、壩區各閘門的監控。

3.3 幾個主要系統改造

3.3.1 勵磁裝置系統改造

改造方案有二：可選用整套新的可控硅靜止勵磁裝置加微機型調節器；也可對原可控硅靜止勵磁裝置的控制部分進行微機改造。

微機勵磁調節器可采用單片機或數字信號處理器DSP，也有選用PLC作為調節器的，具體工程實施中可根據項目規模和投資的要求，在滿足技術要求的前提下選型。

近年來在勵磁系統開發了幾項新技術：

功率元件更新：二極管+絕緣柵型場效應晶體管（IGBT）技術取代可控硅（SCR）。大功率的場效應管的應用，使發電機勵磁系統除具有可控硅管整流的優點外，IGBT將整流功能和控制功能分開，IGBT勵磁裝置控制部分只對一只IGBT管子進行控制，不需同步電路、不需脈沖分配電路等使得電路大大簡化，元件大大減少，可靠性大大增加。

熱管散熱技術：即在可控硅或IGBT的散熱器上設置能夠自循環的冷卻管，減少了由于軸流風機運行帶來的粉塵；在該系統內也考慮設置冷卻風機，正常運行時可不開風機。

滅磁方式：當采用可控硅全控橋時，正常停機采用逆變滅磁加氧化鋅非線性電阻滅磁，不跳滅磁開關，加快了滅磁速度，延長滅磁開關的使用壽命；事故停機時采用非線性電阻滅磁，其滅磁速度比線性電阻快。

勵磁變壓器選擇為環氧樹脂澆筑的干式變壓器，取代油浸變壓器。

建議在編寫勵磁系統的招標文件時均需考慮以上新技術的應用。

3.3.2 調速器系統的改造

改造方案有二：可選用全新的高油壓可編程微機型調速器；也可對原機械液壓或者電氣液壓型調速器控制部分進行微機控制改造（經費較省）。

近年開發有16MPa高油壓PCC可編程計算機控制的微機型調速器，可取消原常規油壓機械液壓調速器補氣操作，從而取消相應高壓空氣系統；還可將調速器接力器布置于機墩調速環處，提高傳動效率；還可將調速器電氣部分（電柜）與液壓部分（機柜）分開布置，將機柜布置于水機層減少管道長度，減少壓力傳遞沿程損失，提高傳動效率；調速器機座不再承受大的扭矩，可減少調速器安裝布置對廠房電機層結構強度要求。將電柜布置與機旁勵磁屏等并列布置方便操作，減少廠房機組布置時調速器占位尺寸。

3.3.3 操作電源系統改造

淘汰原直流系統設備，選用微機型直流電源系統。

微機型直流系統由以下部分組成：交流進線及進線防雷模塊，智能充電模塊（每個獨立模塊均可單獨承擔充電和帶直流負荷），監控保護模塊，蓄電池組、合閘饋電回路，控制及信號饋電回路。

3.4 站控層設備

3.4.1 上位機

上位機一般采用工業控制計算機，簡稱工控機IPC，其優點是可靠性高，適應惡劣（高溫、高濕、粉塵重、鹽密大）環境的能力強，抗高處跌撞，抗電磁干擾能力強。

上位機分：服務器和工作站。兩者間可各自獨立工作，互為備用。

廠長（總工）終端：一般采用個人計算機（PC機）或者筆記本電腦。

不管是IPC、PC機，其技術指標（主頻、內存、硬盤、網絡接口等）均應選擇改造當時再考慮5～10年的發展期的技術水平下的產品。

3.4.2 人機對話設施

一般用24英寸以上并分辨率合適的液晶顯示器；計算機外圍配鍵盤、鼠標、音箱、打印機等。

3.4.3 網絡設備

網絡設備包括網絡交換機及通信介質。一般采用總線型結構設網絡交換機1套，至少配置有16個10/100M RJ45以太網接口；上位機與調度中心層用光纖相連（預留）；上位機系統各控制系統和設備與網絡交換機間的通信介質為不低于超5類屏蔽雙絞線；廠房內各現地控制單元LCU與網絡交換機用屏蔽雙絞線相連。

3.4.4 GPS時鐘系統

全站配置一套高精度的時鐘系統，采用脈沖或B碼對時，時鐘系統應能與衛星的標準時間同步，并使上位機和各現地控制單元時鐘、保護系統與衛星時鐘同步，時鐘精度滿足事件順序記錄分辨率的要求。

也有微型小電站，從節省投資角度考慮，用計算機對各設備進行時鐘同步，而不設置專門的時鐘系統。

3.4.5 UPS電源

全站配置一臺在線式UPS電源。電源應具有一定的過壓和過載能力，應具有抑制浪涌電壓和電磁干擾的能力；輸入電源為廠用交流220V及直流220V，當廠用電消失時，自動轉由電站蓄電池系統供電，供電電源轉換應不影響計算機正常工作。

3.4.6 組態

組態是一種編程過程（利用組態軟件進行）。通過“組態”將本廠電氣主接線、廠用電接線等需要經常操作、監視、控制的部分編制成外觀直接清晰、連接準確清楚、圖形整潔美觀的計算機動畫圖形。將各主要監測參數直接在各回路處顯示；將各操作按鈕的圖標直接布置于相應主設備圖形符號旁。這樣運行人員就可根據顯示器上圖像顯示，儀表顯示了解設備工況，使用鼠標或者鍵盤點擊相應操作按鈕進行控制。（即人機對話）運行操作人員每人有操作密碼，操作后即留下操作記錄便于事后分析。此外還有眾多的事件查詢、跳閘記錄查詢、參數查詢、定值修改（要相應級別授權）等功能可供隨時點擊調用。

3.5 通訊系統

3.5.1 全廠通訊系統

用通訊系統將上位機與上述各現地LCU、調速、勵磁、各輔助系統PLC的通訊口連接起來構成全廠通訊系統。

3.5.2 通訊制式

目前有多種通訊制式：CAN、以太網、RS232、RS485。

小型水電站用以太網 和RS485通訊較多。其中站控層與現地層間用以太網，現地層和各智能設備間用串口的RS485。

3.5.3 統一通訊制式

目前微機監控裝置、勵磁裝置、調速器及其他智能設備原則上不是同一生產廠家，需要在訂貨前統一通訊制式；或者要增加通訊制式轉換器（通信管理機），要求高的還可能用通信工作站。

通訊系統是水電站計算機監控中一個十分重要的系統，將站控層、現地層、直接控制設備聯系為一個整體，它涉及面廣，影響范圍大，通訊系統故障可能引起全廠癱瘓的后果。

3.5.4 通訊系統抗干擾

通訊系統的元器件、導線耐壓低，正因為它涉及面寬，連線多，很容易招致外界干擾，尤其是大氣過電壓（雷擊）干擾。通訊系統是水電站微機監控各系統最為薄弱的系統。

防止干擾主要措施：屏蔽、接地。通訊連接線用雙層屏蔽雙絞線效果較好。

全廠微機監控系統一點接地。在每面微機保護屏底設接地銅排，將全廠各保護屏接地銅排用大截面銅芯軟線可靠連接后一點與全廠接地系統相連。接地系統接地電阻要求0.5Ω以下。

3.5.5 建議

小型水電站中對取水口、水塔、前池水位等通訊線路較長的地方也建議采用光/電轉換后，用光纖來傳遞控制信號，避免干擾對通訊系統造成影響。

4 結束語

水電站微機監控是近幾年在水電領域產生并發展起來的新技術，科技含量高，涉及面廣，考慮因素復雜，有一定風險。但改造后的效果是顯著的，效益是看得見的，經濟指標是良好的。只要抓住用科學發展的觀點去分析，去決策就可以把工作做好！

讓水電站計算機監控這一新技術在老電站改造中綻放出更加絢麗的光彩！

參考文獻：

[1]李付亮，周宏偉.水電站繼電保護[M].黃河水利出版社.

[2]劉錫藍.水電站自動裝置[M].水利電力出版社.

[3]徐錦才.小型水電站計算機監控技術[M].河海大學出版社.

作者簡介：周宏偉（1965-），女，副教授，高級工程師，主要從事電力類專業課教學、小水電站的設計、監理。