中小型水電站監控系統升級改造與應用研究

趙東聲 高忠臣 桂勇華 袁惠群 張福興

摘?要：以水力發電為代表的清潔能源替代化石能源是未來人們能源供給格局的大勢所趨。本文在分析水電站基本運行架構及電站監控系統特點的基礎上，重點介紹了中小型水力電站在終端系統監控、機組調優控制、消防系統預警、故障診斷處理、電氣“五防”保護、系統優化調度、機組后備保護、數據信息采集處理等方面升級改造的重點建設內容，為相關管理部門決策提供參考價值。

關鍵詞：中小型水電站;監控預警;升級改造;調度優化

1 緒論

近年來，隨著化石能源使用數量的不斷增加，化石能源的自身儲量和環境污染面臨的壓力越來越大。受此影響，傳統火力發電新增容量和在所有發電容量中的占比逐年下降。國家開始重視與發展中小型水電站，尤其在一些對環境保護要求較高的區域，對清潔能源的開發力度更大。我國水利資源豐富但區域性特點明顯，主要分布在長江流域等。除了加大新電站建立，國家和企業開出臺了有關電站升級改造的相關政策，以此促使現有水電站的升級改造與提質增效。

水電站的升級改造不但能夠促進能源的使用效率，而且有助于提高電能的生產質量，并能夠節約大量的人力、物力等資源。隨著計算機技術在水電站領域的深度利用，電站的升級改造及系統應用已經成為學術界、產業界普遍關心的重點問題。為此，本文結合中小型水電站的實際需求，從電站基本運行架構、電站升級改造內容、電站系統應用效果三個方面進行分析討論，為相關管理人員提高決策和服務質量提供參考。

2 電站基本運行架構

相比于傳統火力發電和大型清潔能源發電單元，中小型水電站具有自身特點：（1）中小型水電站具有完善的監控保護系統、消防預警系統、電氣“五防”系統、優化調度系統等，并能夠實現不同系統的聯調與管理，但是系統的規模相對較小、運行難度相對較大;（2）系統受到外界環境變化及自身運況的影響，致使機組啟停頻繁、老化速度加快，需要技術更新及設施改造的費用相對較高;（3）對專業技術及人員的要求相對較高，以及對系統整體自動化運行和設備設施的可靠性要求相對苛刻。因此，需要具備完善的系統運行架構，以保證系統的安全、穩定、長效運行。

參考文獻[1]可知，中小型水電站監控系統由底向上分為設備設施及信息采集層、廠站信息管控層以及調度集中管控層，并且每臺機組構成一個獨立的現地控制單元（LCU），如圖2所示。其中，設備設施及信息采集層包括水電站各類運行設備設施（比如水輪機、勵磁調節器、調速器、開關柜等），這些設備通過物理、邏輯互聯發揮特定的功能，保證系統的安全穩定運行。同時，信息采集系統將這些設備設施的相關信息進行匯集、整理，輸送到制定的單元。廠站信息管控層主要負責設備設施的就地管理與優化運行，能夠在廠站范圍內實現對單個機組或機組群的狀態監視、優化管控等。調度集中管控層實現隨整個中小型水電站所有機組的優化運行，并根據上級調度指令實現對轄區范圍內系統的調優。

3 電站升級擴建內容

中小型電站增效擴容改造運行概況，發電機出口電壓為63kV，設兩段6.3kV母線并以隔離開關分段方式連接。2臺2300kW機組、1臺1100kW機組與1臺8000kVA變壓器相連于I段母線，另外1臺2300kW機組配1臺3150kVA變壓器連接于II段母線，組成機變組單元接線。兩臺主變高壓側共同連接于66kV母線，構成單母線接線方式。電站以2回66kV出線“Π”接在松城線。同時，計算機監控系統采用全分布開放式的全廠集中監控方案，設有負責完成全廠集中監控任務的電廠級集中控制系統及負責完成機組、升壓站、公用設備監控任務的現地控制系統。現地控制系統以可編程控制器或智能模塊為基礎構成，現地控制系統的設備靠近被控對象布置。電廠控制系統與現地控制系統之間的通信聯系采用星型交換式100Mbps以太網的方式。

改造后的中小型水電站具備更加完善的系統管控功能，能夠實現終端系統監控、機組調優控制、消防系統預警、故障診斷處理、電氣“五防”保護、系統優化調度、機組后備保護、數據信息采集處理等，具體分別介紹如下：

（1）終端系統監控及信息采集：能夠實現對所有廠站設備的運行、狀態等實現全時監控，這些設備設施包括升壓站的線路、斷路器、隔離開關、母線電壓互感器、主變壓器、廠房滲漏排水系統、消防供水系統、空氣壓縮系統、全廠通風空調設備、400V廠用配電裝置等設備。同時，交流電氣量的采集使用交流采樣裝置，裝置能承受交流2000V電壓1min而不發生擊穿、飛弧等現象，在外界電場、磁干擾下輸出值變化不超過基本誤差絕對值。

（2）消防系統預警及故障診斷處理：能夠對廠站內整個消防系統進行監控，實現對系統內任何事故的提前預警，并通過響應的聲、光等傳輸到調度人員，確保整個廠站系統的安全穩定運行。同時，消防預警系統采用控制中心報警系統形式，主要由集中式火災自動報警聯動控制器主機和通訊主機組成。消防控制中心設置在中央控制室，火災自動報警聯動控制器主機和通訊主機采用二總線制。此外，調度人員對上傳的警報信息進行分析處理，結合處理結果對各類故障進行妥善處理。比如，照明和其它非消防電源強切控制分手動和自動方式，當發生火災時，由報警主機通過相應的輸入/輸出模塊，輸出控制信號至相應的配電盤切斷上述電源，在手動方式下，由消防控制中心手動切斷相應部位的空調風機和非消防電源，同時事故照明與疏散指示自動投入使用。

（3）電氣“五防”保護：改造升級后的廠站具備功能健全、安全可靠的電氣“五防”功能，實現帶載狀態下禁止隔離開關進行開閉操作，操作設備和指令要求設備不匹配時禁止操作，處于接地狀態的情況下禁止閉合接地刀閘，對變配電室等孔洞進行封堵、加裝提示語和標識牌等，防止誤入帶電間隔。同時，微機五防系統主機通過RS232/485串口或網絡與監控后臺機通訊，實時接收相關遙信量及遙測值，當斷路器或電動刀閘的位置與監控后臺機的位置信息不符合時，系統報警并實時自動對位。五防系統應可對監控后臺機的遙控操作實施強制閉鎖，監控后臺機的遙控操作命令必須經過微機五防系統防誤主機判定不違反五防邏輯方可執行，對錯誤的操作命令自動切斷并反饋信號給監控系統。此外，對連接不良或波特率設置不正確時，系統以語音的形式提示與監控系統連接失敗。用戶能很好的判斷五防與監控系統或RTU的連接情況，并進行針對型的檢測。

（4）機組、系統優化調度：包括對全廠設備的監控、自動電壓控制（AVC）、事故分析處理、趨勢分析處理、經濟運行、運行培訓仿真等，同時對斷路器、隔離開關、接地開關的操作應具備“五防”閉鎖。完成全廠的運行自動化及其管理，包括AGC，AVC，歷史數據存檔、歸類、檢索和管理;完成設備運行的實時監視與控制，來自現地控制單元LCU的實時信息直接在上顯示刷新，以及事故、故障語音報警等，并負責與當地調度中心等通信。同時，機組優化調度系統不但能夠實現對設備設施及信息采集層、廠站信息管控層以及調度集中管控層各層的優化調度，而且能夠有效處理層與層之間的信息傳輸，不但能夠實現下層信息及時上傳到對應的調度單元，而且能夠將上級生成的調度指令下達到對應的設施執行相關操作。

（5）運行日志及系統可視化：升級改造后的系統能夠對關鍵數據信息、重要操作生成運行日志以及與日志對應的報告，保存后能夠供后續人員進行各類分析及故障溯源。比如，狀態運行分析時能夠利用日志及可視化功能實現故障檢測、閾值調整、判斷是否越限等;狀態趨勢分析能夠利用報表中統計的最大值、最小值、平均值等顯示關鍵設備設施運行的現況及未來的發展變化趨勢，輔助相關工作人員分析設備狀態量隨相關狀態的變化規律。總之，運行日志及系統可視化提供了人機交互的接口，可以幫助運行人員由粗到細、由大及小逐級選擇希望得到的信息。

4 結語

系統升級改造是中小型水電站不斷完善自身功能、持續提質增效的重要保障。本文以中小型水電站為研究對象，對中小型水電站系統特點、設備設施及信息采集層、廠站信息管控層、調度集中管控層進行系統分析和介紹，據此提出中小型水電站在終端系統監控及信息采集、消防系統預警及故障診斷處理、電氣“五防”保護、系統優化調度、運行日志及系統可視化等方面的建設內容，不僅能夠為電站機組的安全、穩定運行提供重要支撐作用，而且為未來機組調度的優化決策提供重要的技術依據。

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