中小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

文躍軍 龍宇平 張福興

摘 要：水電站建設(shè)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型升級(jí)、保障清潔能源科學(xué)利用的有效途徑之一。為提升中小型水電站自動(dòng)化監(jiān)控能力、有效解決因設(shè)備年久失修等產(chǎn)生的運(yùn)維保障難題，本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際提出水電站監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)集采、安全監(jiān)測(cè)與故障隔離、自動(dòng)控制、人機(jī)交互等方面的功能需求，并從運(yùn)行監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、設(shè)備設(shè)施層三個(gè)層面介紹了水電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路及要點(diǎn)，為我國(guó)水電站建設(shè)與相關(guān)管理部門(mén)提供決策參考。

關(guān)鍵詞：水電站;監(jiān)控系統(tǒng);運(yùn)行維護(hù);功能設(shè)計(jì)

1 緒論

隨著工業(yè)化發(fā)展程度的不斷提高及人們對(duì)能源需求的持續(xù)加大，以煤炭、石油、天然氣為主的傳統(tǒng)化石能源儲(chǔ)量日益減少，造成的環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越突出。近年來(lái)，以風(fēng)力、光伏、水電為代表的分布式可再生能源技術(shù)及產(chǎn)品發(fā)展速度驚人，并在國(guó)家、地區(qū)政策的支持下獲得快速發(fā)展。其中，水利發(fā)電是利用水位落差將勢(shì)能轉(zhuǎn)換機(jī)械能，據(jù)此帶動(dòng)同軸發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，供給千家萬(wàn)戶(hù)。

我國(guó)幅員遼闊、水域眾多。自1912年5月28日云南石龍壩水電站建成發(fā)電以來(lái)，我國(guó)先后建成大中小型水電站10萬(wàn)余座，其中單站5萬(wàn)kW以上的大中型水電站230余座，百萬(wàn)kW級(jí)以上的水電站20余座。在全球裝機(jī)容量排名前20的水電站中，我國(guó)有11座。其中，三峽水電站是世界上規(guī)模最大的水電站，裝機(jī)總量2250萬(wàn)千瓦，造價(jià)2485.37億元人民幣。

由于電站建設(shè)年代久遠(yuǎn)、設(shè)備設(shè)施型號(hào)不統(tǒng)一等原因，導(dǎo)致我國(guó)水電站運(yùn)維困難、運(yùn)行成本上升。為有效解決此類(lèi)問(wèn)題，水電站監(jiān)控設(shè)施已經(jīng)在新建站及舊站升級(jí)改造過(guò)程中普遍采用，為提升水電站自動(dòng)化水平、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和無(wú)人值守奠定基礎(chǔ)。

2 水電站監(jiān)控系統(tǒng)功能需求

根據(jù)電力工業(yè)部頒發(fā)的關(guān)于《水電廠(chǎng)“無(wú)人值班、少人值守”的若干規(guī)定》中的相關(guān)要求及運(yùn)行實(shí)踐過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)，水電站監(jiān)控系統(tǒng)需要具備如下基本功能：

（1）數(shù)據(jù)集采功能：能夠?qū)λ娬镜臍庀笮畔?、水文信息、發(fā)電設(shè)備信息、運(yùn)行操作信息以及日常管理信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分類(lèi)存儲(chǔ)。

（2）安全監(jiān)測(cè)與故障隔離功能：對(duì)影響系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的各類(lèi)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)故障后能夠及時(shí)預(yù)警，一方面告知運(yùn)行人員故障地點(diǎn)、故障類(lèi)型等基本信息，另一方面能夠?qū)收系牟糠植扇「綦x措施，保障非故障部分的持續(xù)、可靠運(yùn)行。

（3）自動(dòng)控制功能：通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備設(shè)施、運(yùn)行監(jiān)控設(shè)施、現(xiàn)場(chǎng)投切設(shè)施的密切配合，系統(tǒng)能夠根據(jù)預(yù)制程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制，保證各項(xiàng)業(yè)務(wù)的順利完成。

（4）人機(jī)交互功能：系統(tǒng)運(yùn)維人員能夠根據(jù)人機(jī)操作按鈕、操作界面等實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)整定、故障診斷、歷史數(shù)據(jù)分析、事故溯因等操作。

3 水電站監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

水電站根據(jù)設(shè)備設(shè)施布局、實(shí)際運(yùn)行邏輯等方面的差異，其監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)可以分為運(yùn)行監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和設(shè)備設(shè)施層，具體分別介紹如下：

（1）運(yùn)行監(jiān)控層：主要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)水電站系統(tǒng)的信息管理與分析，并結(jié)合系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)況、上級(jí)調(diào)度信息，制定出有利于水電站經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行的調(diào)度指令。同時(shí)，結(jié)合保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)保護(hù)壓板投退、保護(hù)定值整定以及故障信息處理等功能。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：對(duì)水電站采集的各類(lèi)信息進(jìn)行分類(lèi)預(yù)處理后，一方面，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施將關(guān)鍵信息匯總后輸送至指定的處理器、存儲(chǔ)器、服務(wù)器等，形成能夠反映系統(tǒng)運(yùn)況的完整信息;另一方面，將決策單元發(fā)出的調(diào)度指令輸送至指定單元，實(shí)現(xiàn)指令信息的精準(zhǔn)送達(dá)。

（3）設(shè)備設(shè)施層：包括水電站機(jī)組、各類(lèi)閥門(mén)、調(diào)速裝置、電氣設(shè)施、保護(hù)設(shè)施等，據(jù)此實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速、輸出電壓、頻率、水量水位、水流速度等各類(lèi)信息的采集以及相關(guān)設(shè)備設(shè)施的定向、精準(zhǔn)管控。

4 結(jié)語(yǔ)

水電站監(jiān)控系統(tǒng)在保障系統(tǒng)安全運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)持續(xù)獲益方面發(fā)揮重要的作用。本文結(jié)合我國(guó)水電站監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際需求，圍繞新建站及舊站升級(jí)改造過(guò)程中出現(xiàn)的重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行剖析。同時(shí)，提出了我國(guó)水電站監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)集采功能、安全監(jiān)測(cè)與故障隔離功能、自動(dòng)控制功能、人機(jī)交互功能等方面的需求，并從運(yùn)行監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、設(shè)備設(shè)施層三個(gè)層面介紹了水電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路及要點(diǎn)，為我國(guó)水電站建設(shè)與相關(guān)管理部門(mén)提供決策參考。

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*通訊作者：龍宇平。