中小型水電站自動控制系統設計

馮犇

摘 要 自動控制系統能提高水電站運行管理的自動化水平以及改善系統維護人員的工作條件和環境，使水電站有人值班變成“無人值班”。本文就水電站的特點和水電站控制的目的過渡到自動控制系統的設計思路，為以后水電站自動控制系統研究提供參考經驗。

【關鍵詞】中小型水電站 自動控制系統 特點 目的 設計思路

水電站的主要動力來源是水輪機組，不僅結構簡單，所需輔助設備也不多，容易實現少人管理和自動化。另外，水輪機組開停便捷迅速，調整方便。水輪機組從靜止狀態過渡到滿負荷運行一般只需要1-2分鐘，能靈活調頻、調相和調峰，發生事故時還能備用。水電站的耗電量僅占同期發電量的百分之一，既降低了控制系統的發電成本、耗煤量，又提高了系統運行的經濟性。

1 水電站特點

隨著我國社會經濟的發展，水力發電的程度也越來越高，因為水利發電既無環境污染，對洪水的防治也有一定作用。水電站在運行的時候不消耗任何燃料，所以不會產生粉塵、廢渣等有害物體，因此對環境無任何污染。水力發電受徑流影響較大，而徑流在年際間或年內經常出現變化較大的現象，盡管多數水電站能借助水庫的調節能力減小這種現象的影響程度，但是無法完全平衡徑流的變化。水電站在豐水期發電量大，但是在枯水期由于缺乏水力而達不到相應的發電量，正是這種自然條件的制約，形成了水電站發電量變化大的特點。

2 水電站控制目的

2.1 提高水電站設備運行的安全性和可靠性

水電站設備在運行的時候經常會出現不正常或事故的現象，如果運行人員在處理事故的時候誤操作，很有可能使事故產生其他危害。如果在水電站運行中加入自動控制裝置，則可有效避免事故的發生。當設備運行不正常的時候，自動控制系統就會發出警報，以引起設備運行人員的注意：當水電站設備發生故障的時候，自動控制系統能及時停機，避免事故擴大化，為水電站設備運行的安全性和可靠性提供保障。

2.2 減少勞動人員，降低水電站運行成本

水電站自動控系統幾乎取代了設備操作人員對水電站設備的調節控制，使得設備運行人員對設備操作的工作量大大減少，真正讓水電站從有人值班變為少人值班或無人值班，實現自動控制系統的作用。由于操作人員的減少，水電站的很多基礎設施都會相應減少，在操作人員減少的同時，水電站的發電成本和運行費用也有所降低。

3 中小型水電站自動控制系統設計思路

早期水電站計算機控制系統因為技術和價格的影響而以集中式為主，水輪發電機組的監測、輔助設備的監測，線路監測等都僅由一套計算機來完成。由于計算機性能的限制，集中式水電站控制系統還無法代替傳統的自動控制系統，例如：輔助設備的控制、機組的停開機控制等都是由傳統的自動控制系統來完成。而集中式計算機控制系統主要監測的也僅僅是線路電流、機組、電壓功率等參數，由于需要完成的項目太多，導致計算機控制的速度、實時性比較差。此外，因為只有一臺計算機，如果出現硬件或軟件故障，所有的自動控制系統都將崩潰，可靠性比較低。

隨著計算機技術的迅猛發展，計算機應用已經非常普及，相對的，價格也比較低。特別是小型可編程控制器PLC的發展，真正實現了小型水電站從傳統的控制方法轉變為計算機控制系統。為了保證水電站的穩定性、可靠性以及經濟比較，在設計的時候通常采用分層分布式結構。

所謂分層分布結構即分為上下兩層，上一層為上位機，主要由工控機來擔當，所用軟件為國內較為常見的組態王6.0或者是6.5；而下一層是當地控制單元，下位機一般選擇小型可編程序控制器SIMATIC S7-200的PLC來擔當，這主要是因為現階段的PLC對中小型水電站的改造技術完全適應，下一層軟件采用的是SIMATIC STEP7-Micro/Win32。此外，系統的主機為水輪發電機組，還輔以其他監測設備。整體結構圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，當地控制單元與上位機之間的通訊主要由SIMATIC S7-200內部集成的PPI借口來完成，該軟件完全遵守西門子S7-200PLC專用的PPI通訊協議，其物理特征為RS485，連接材料采用的是一般性兩芯屏蔽雙絞電纜，連接后通訊的波特率最高可達187.5kbit/s，不過平常狀態下波特率為9.6kbit/s。PPI通訊聯網的接口與S7-200系列CPU上集成的編程口是同一個。PPI通訊協議在該系統的應用使得通訊變得異常簡單，只需使用NEYW和NETR兩條語句就可傳遞數據信息，不需要再配置額外的軟件或模塊。PPI通訊是一種令牌式的傳遞網，在不加入中繼器的時候，最多能容納31個S7-200系列PLC，以OP/TP或TD200（插MPI卡）的上位機為站點，由站點和PLC共同構成適應中小型水電站自動控制系統要求的PPI網絡。

在整體的結構中，現場的采集量分為電氣量和非電氣量兩種，這兩種采集量都是中小型水電站所必須具備的監測量。同時，在結構中一般選擇中小型水電站，水輪發電機組為兩臺，其中一臺的主變壓器以供電系統形式作為控制系統的監測對象。

4 結束語

該自動控制系統在黔南州羅甸縣石門坎水電站已運行五年多，系統各方面運行也良好，為其他水電站自動控制系統運行提供寶貴的實踐經驗。

參考文獻

[1]何玉雄.綜述水電站自動控制系統的設計[J].大科技，2012（02）：167-168.

[2]周榮富.中小型水電站自動控制系統設計[J].機械與電子，2010（s1）：182-184.

作者單位

貴州省黔南州水利水電勘測設計院 貴州省都勻市 558000