遠(yuǎn)程集控下水電廠監(jiān)控自動(dòng)化功能完善的思考

譚丕成，吳東磊

（1.五凌電力近尾洲水電廠，湖南 衡陽(yáng)421127；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京211100）

0 引言

隨著我國(guó)水利事業(yè)的發(fā)展，建立了越來(lái)越多的水電廠，越來(lái)越多的大型機(jī)組投入運(yùn)行，水電廠自動(dòng)化運(yùn)行就愈顯得關(guān)鍵。自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)是水電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行必不可少的技術(shù)手段。計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)在水電站自動(dòng)化控制中的可靠性越來(lái)越高，從集中式現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制向遠(yuǎn)程自動(dòng)化的飛躍，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的控制。遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)了水電廠監(jiān)控與運(yùn)維的獨(dú)立，這一方面提高了水電廠自動(dòng)化、智能化水平，大大降低了維護(hù)人員的工作量，另一方面也在很大程度上降低了水電站的運(yùn)行成本，使水電站的工作效率和綜合效益得到了大幅度提升[11]。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)集中控制作為計(jì)算機(jī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的延伸，已不再是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。水電站實(shí)施“遠(yuǎn)程集控、少人維護(hù)”是促進(jìn)管理創(chuàng)新、提高安全生產(chǎn)管理水平的必然要求[7]。由于集控中心跨流域、多機(jī)型機(jī)組的全部接入，集控運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)也在加大[9]。隨著水電廠自動(dòng)化的不斷推進(jìn)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的不斷發(fā)展，電廠也面臨著許多安全隱患，許多問(wèn)題也日益突出，亟待解決。

目前遠(yuǎn)程集控模式廣泛應(yīng)用于水電廠，在帶來(lái)方便、快捷、高效的同時(shí)也存在一定安全隱患。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)此展開(kāi)了豐富的研究，并取得了許多成果。

文獻(xiàn)[5]主要闡述流域水電站遠(yuǎn)程集控中心的主要功能，探討流域水電站遠(yuǎn)程集控運(yùn)行的主要策略，分析流域水電站遠(yuǎn)程集控運(yùn)行技術(shù)的重點(diǎn)，通過(guò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，有效提高水電站監(jiān)控的整體質(zhì)量，提高水電站智能化調(diào)度的安全性，實(shí)現(xiàn)水電站的最大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。文獻(xiàn)[6]根據(jù)某水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司推進(jìn)烏江流域梯級(jí)水電站群“遠(yuǎn)程集控、少人維護(hù)”生產(chǎn)管控模式建設(shè)實(shí)施情況，介紹了實(shí)施措施，并對(duì)實(shí)施情況進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[7]以某河建管局為例，立足現(xiàn)狀與存在問(wèn)題，探討了遠(yuǎn)程自動(dòng)控制的必要性、可行性，提出了水利電力調(diào)度與遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)規(guī)劃思路、設(shè)計(jì)原則與解決方案。文獻(xiàn)[8]主要是介紹計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、軟件技術(shù)方面的內(nèi)容以及計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)在水電廠的發(fā)展形式和在水電廠應(yīng)用的情況。文獻(xiàn)[9]以某公司（紅水河）集控中心與其各受控廠站實(shí)際運(yùn)行情況，詳細(xì)描述該集控中心在遠(yuǎn)程集控運(yùn)行中存在的風(fēng)險(xiǎn)及針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)制定、實(shí)施的應(yīng)對(duì)措施，使電網(wǎng)和受控廠站得以安全高效運(yùn)行。文獻(xiàn)[10]主要從機(jī)構(gòu)設(shè)置及人員分工、設(shè)備調(diào)度、發(fā)電調(diào)度、異常及事故調(diào)度和水庫(kù)調(diào)度5 個(gè)方面進(jìn)行闡述，全面系統(tǒng)的介紹了水電遠(yuǎn)程集控模式下生產(chǎn)調(diào)度管理工作。文獻(xiàn)[11]詳細(xì)介紹了鳳灘水電廠遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集、操作控制權(quán)限、AGC/AVC 運(yùn)行主備方式的實(shí)現(xiàn)及“虛擬廠站”調(diào)試試驗(yàn)安全隔離措施等內(nèi)容。文獻(xiàn)[12]主要闡述了某水電廠在遠(yuǎn)程集控模式下，水電廠發(fā)生事故時(shí)，集控中心、電廠調(diào)度主管、運(yùn)維人員三方的配合及事故處理的程序和主要注意事項(xiàng)。文獻(xiàn)[13]在廣泛調(diào)研目前國(guó)內(nèi)水電智能化發(fā)展現(xiàn)狀，并結(jié)合某公司集控中心和各水電廠實(shí)際的基礎(chǔ)上，就流域梯級(jí)集控及水電廠智能化建設(shè)規(guī)劃提出了一些建議。文獻(xiàn)[14]綜合比較當(dāng)前國(guó)內(nèi)流域梯級(jí)電站遠(yuǎn)程集控中心建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)流域梯級(jí)電站遠(yuǎn)程集控中心進(jìn)行幾點(diǎn)思考，并提出建議措施，希望對(duì)建立流域梯級(jí)電站遠(yuǎn)程集控中心運(yùn)行模式，促進(jìn)我國(guó)流域梯級(jí)電站的監(jiān)控管理作出有益貢獻(xiàn)。

本文主要針對(duì)某電站進(jìn)行的安全隱患排查作出具體的分析、研究，對(duì)電廠可能出現(xiàn)的故障和損壞作出經(jīng)濟(jì)評(píng)估，重點(diǎn)對(duì)電廠監(jiān)控自動(dòng)化控制的完善進(jìn)行深入思考，并給出幾點(diǎn)可行性方案和建議。

1 概況

五凌電力近尾洲水電廠位于湘江中游的衡陽(yáng)、常寧、祁東三縣交界處，該水電廠為湘江干流十一個(gè)梯級(jí)開(kāi)發(fā)方案中的第七級(jí)，安裝有3 臺(tái)奧地利ELIN公司燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)，單機(jī)容量20 MW，2000 年12 月投產(chǎn)發(fā)電。機(jī)組采用ELIN 公司成套自動(dòng)控制設(shè)備，2010 年，經(jīng)過(guò)改造采用了國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，更換了計(jì)算機(jī)主機(jī)和機(jī)組LCU 模塊及相應(yīng)軟件，考慮成本問(wèn)題，對(duì)原廠家的LCU 輸入、輸出回路未做改動(dòng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制功能未做變動(dòng)。2012 年，為進(jìn)一步提升管理水平和經(jīng)營(yíng)效益，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程集控，機(jī)組的啟停及加減負(fù)荷操作、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控主要由遠(yuǎn)方值班人員完成，現(xiàn)場(chǎng)平時(shí)只保留了1 名運(yùn)行人員。

圖1 電站概貌

2 故障分析

2019 年5 月，電廠在例行隱患排查、試驗(yàn)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，模擬機(jī)組LCU CPU 電源故障，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組所有輔機(jī)停運(yùn)、水機(jī)保護(hù)不能正常動(dòng)作等重要隱患。在隨后的排查分析中發(fā)現(xiàn)，機(jī)組LCU 采用單CPU設(shè)計(jì)，調(diào)速器油泵、軸承油泵、軸流風(fēng)機(jī)等機(jī)組重要輔機(jī)啟動(dòng)回路由LCU 輸出繼電器常開(kāi)接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，水機(jī)保護(hù)動(dòng)作后通過(guò)LCU 監(jiān)控程序啟動(dòng)事故停機(jī)流程。由于LCU 采用UPS 電源比較可靠，且CPU 一直穩(wěn)定運(yùn)行，導(dǎo)致該隱患長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。

圖2 機(jī)組控制與監(jiān)視

遠(yuǎn)程集控模式下，電廠中控室一般沒(méi)有設(shè)置監(jiān)控值班人員，僅保留1～2 個(gè)ON-CAll 人員，負(fù)責(zé)辦理工作票、組織操作和事故隔離、白天設(shè)備巡視及定期檢查報(bào)警信息等工作，晚上中控室基本無(wú)人值班。而在目前的技術(shù)條件下，還不能將具有硬接線的緊急停機(jī)按鈕布置到遠(yuǎn)方中控室，即使遇到緊急情況，也只能由遠(yuǎn)方值班人員，通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程啟動(dòng)緊急事故停機(jī)流程。可以想象，在上述隱患未及時(shí)處理的情況下，一旦機(jī)組在夜間運(yùn)行過(guò)程中突然發(fā)生LCU CPU 故障，由遠(yuǎn)程集控通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)啟動(dòng)停機(jī)流程，將由于機(jī)組LCU 不能正常運(yùn)行，導(dǎo)致機(jī)組輔機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)，可能發(fā)生軸承系統(tǒng)斷油燒損；機(jī)組調(diào)速器系統(tǒng)無(wú)油壓靠重錘關(guān)導(dǎo)葉；依靠逆功率保護(hù)動(dòng)作跳發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)，機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間低速運(yùn)行各部位溫度異常升高等情況，后果不堪設(shè)想。

圖3 水電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)

僅以該廠1 臺(tái)機(jī)組軸承系統(tǒng)需緊急修復(fù)為例，在不考慮鏡板損壞的情況下，緊急制做16 塊正、反推力瓦約需140 萬(wàn)元，水導(dǎo)、發(fā)導(dǎo)瓦約需40 萬(wàn)元，共180 萬(wàn)元；完成更換處理約需30 d，按0.3 元/kW·h計(jì)算，汛期發(fā)電收入損失約432 萬(wàn)元；更換軸承油約需30 萬(wàn)元；檢修人工費(fèi)約需20 萬(wàn)元，估算下來(lái)約需842 萬(wàn)元，可以說(shuō)損失慘重。如果還造成其他設(shè)備的損壞，損失更大。

根據(jù)《水力發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，單機(jī)容量100 MW 的水輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)控制單元LCU 應(yīng)雙重化冗余配置[1]，依據(jù)《水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件》等規(guī)范，僅對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件、軟件和固件設(shè)計(jì)安全提出基本要求：有自檢能力，檢出故障時(shí)能自動(dòng)報(bào)警；系統(tǒng)中任何地方單個(gè)元件的故障不應(yīng)造成生產(chǎn)設(shè)備誤動(dòng)[2-3]。很明顯，該電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求，但LCU CPU 故障后，導(dǎo)致全部輔機(jī)停運(yùn)不滿足技術(shù)條件要求。然而，僅解決輔機(jī)不停運(yùn)的問(wèn)題并不能完全保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。據(jù)分析，如果機(jī)組現(xiàn)地控制單元LCU CPU 故障期間，緊急通知人員到現(xiàn)場(chǎng)處理，需要一定時(shí)間，這個(gè)期間可能出現(xiàn)新的故障或人員誤操作，擴(kuò)大影響；若同時(shí)出現(xiàn)水機(jī)保護(hù)故障，還是由于不能迅速安全可靠的停機(jī)，可能導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組等主設(shè)備損壞。

3 改進(jìn)措施

（1）通過(guò)引用輔機(jī)動(dòng)力回路接觸器的動(dòng)作接點(diǎn)，引入控制回路并接在機(jī)組LCU 啟動(dòng)回路接點(diǎn)上，做為自保持回路，然后在啟動(dòng)回路串入LCU 停輔機(jī)繼電器的常閉接點(diǎn)，可以解決LCU CPU 故障后不影響輔機(jī)正常運(yùn)行的問(wèn)題。

（2）應(yīng)用看門狗技術(shù)，加強(qiáng)LCU 自身故障的自檢，一旦出現(xiàn)不能正常運(yùn)行的嚴(yán)重故障時(shí)，應(yīng)能立即接通硬接線回路，跳開(kāi)發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)和滅磁開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)調(diào)速器緊急停機(jī)回路停機(jī)。

（3）增設(shè)1 套獨(dú)立于機(jī)組LCU 的水機(jī)保護(hù)，盡可能采集不同路由的油流、油壓、溫度、油位等信號(hào)，實(shí)現(xiàn)水機(jī)保護(hù)雙重化，提高水機(jī)保護(hù)動(dòng)作的可靠性。

（4）對(duì)機(jī)組LCU 進(jìn)行冗余配置，即采用主輔CPU 冗余運(yùn)行、故障時(shí)無(wú)擾動(dòng)自動(dòng)切換，可以避免單套CPU 故障，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組LCU 無(wú)法正常運(yùn)行的情況發(fā)生，也使緊急情況下遠(yuǎn)程集控人員快速停機(jī)的可靠性大幅提高。

由于目前計(jì)算機(jī)及監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)化元件制造技術(shù)的進(jìn)步及價(jià)格下調(diào)，實(shí)現(xiàn)上述措施已完全成為可能。以該廠為例，改造全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)約需200 多萬(wàn)元，每臺(tái)機(jī)增設(shè)1 套水機(jī)保護(hù)接點(diǎn)信號(hào)約需30 萬(wàn)元。對(duì)比一次事故帶來(lái)的損失，完全可以接受。

4 結(jié)論

綜上所述，由于技術(shù)和管理的進(jìn)步，產(chǎn)生了原來(lái)規(guī)范規(guī)程和設(shè)計(jì)過(guò)程中所沒(méi)有考慮到的一些問(wèn)題，尤其是早期投產(chǎn)的小型水輪發(fā)電機(jī)組從節(jié)省成本的角度出發(fā)，采用功能配置較低的控制系統(tǒng)，安全隱患較明顯；結(jié)合實(shí)際情況和原有規(guī)范規(guī)程編寫的背景，從保護(hù)水輪發(fā)電機(jī)組主設(shè)備不受損害、提高遠(yuǎn)程集控的可靠性角度出發(fā)，加強(qiáng)分析和風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并積極應(yīng)用監(jiān)控及自動(dòng)化新技術(shù)、新裝備，可行也顯得非常必要。