小型水電站自動化運行和維護的可行性研究

姜維軍

（寧夏水利信息中心，寧夏 銀川 750000）

1 引言

自然環境中的可再生能源包括風能、太陽能、水能、潮汐能、地熱能和生物質能，這些資源在滿足我國能源需求方面發揮著至關重要的作用。在可再生能源的組合中，小型水電站(SHP)貢獻了約8%的發電量，SHP的平均運行和維護(O&M)成本占投資成本的1%～5%之間。對于手動控制的低功率小型水電站來說，由于運營商需要每天24 h監控SHP的運行，故手動控制水電站的成本較高。為了降低這個成本，可在水電站中利用自動化技術加強監控，還能一定程度上提升供電可靠性，保障供電質量，大大降低運行與維護成本[1]。且水電站電氣設備運行維護及故障檢修技術也隨著時代的變化不斷更新[2]，已有學者[3-5]意識到自動化對水電站發展的重要作用并對其進行相關研究，為我國水電事業的發展做出一定貢獻，促使其實現自動化運行。

本文以寧夏小型水電站的數據為基礎進行分析，鑒于信息和通信技術的高速發展，實現了遠程監控和自動化控制，使SHP（自動控制）的服務系統轉型。反之，通過新開發的服務，實現更高效的運行和維護(O&M)。研究SHP自動化在運行維護期間引入新產品和服務的可行性。基于規則開發出新的SHP運行和維護（O&M）模型，并針對不同自動化級別的場景進行模擬。

2 水電站O&M模型

小型水電站的主要功能是將河流的水能轉化為電能。因此，SHP的運行會受各種環境因素的影響，其中最重要的是水流流速。例如，當流量較大時，一些小型水電站的凈水頭高于運行極限，SHP停止運行。另一方面，當流量過小時，SHP停止運行，以維持正常河流生態系統所需的流量。

就O&M而言，基本活動如下：①日常檢查，包括檢查運行參數，根據可用流量進行控制，并在突然停止的情況下重新啟動SHP；②在極高或極低的流量條件下停止和啟動SHP；③維護活動，對大壩和渦輪機等水利設施進行大修、小修或維護。

O&M模型是由運行模型和維護模型兩部分組成。運行模型定義了SHP如何根據環境參數運行，以及何時發生需要維護的事件；維護模型將事件的組合與其執行所需的時間聯系起來。以上模型只考慮活動所需的時間，而不考慮成本。因為設備、勞動力和服務等事物產生的成本在不同的實施方案中存在差異，存在不確定性，故不考慮。

2.1 運行模型

小型水電站的運行模型可定義為以下事件：高流量(HF)、低流量（LF）、改變流量（CF）、SHP啟停（ST）、急停（SS）、小修（MM）、大壩維護（DM）和汽輪機維護（TM）。

每個事件都由一組特定的條件觸發。例如，當水流流速低于預定極限時，SHP停止。此外，幾個事件可能在同一天同時發生。事件及對應條件如表1所示，其中Q(t)是t時對應的流量，Qhf和Qlf分別是高流量和低流量的極限值，Qd是觸發控制動作的最小流量差，nss、nmm、ndm和ntm是相關事件的年度發生頻率。

表1 事件與對應條件

圖1 所示為該模型與示例流量Q(t)間的執行結果。

圖1 模型執行結果

2.2 維護模型

維護模型是將SHP操作模擬的結果轉換為維護所需的時間，表2說明了手動控制SHP維護所需的時間。如規則r5，當HF、LF和CF不發生時，維護所需時間為每天檢查的次數n乘以檢查的時間tv。事件組合所需的維護時間是根據專家經驗和調查數據設定的。

表2 SHP維護時間示例

維護模型允許出現不同的場景。所需的維護時間可以根據O&M策略和自動化水平來確定。例如，當用手動監視和控制時，對某些事件的響應會很慢。文中提出的O&M模型在Wolfram Mathematica軟件中對實際工況進行模擬，模擬的準確性取決于專家對模型中所用參數和時間的評估。

3 SHP自動化場景

文中定義了3種自動化場景：①手動控制；②基本自動化；③完全自動化。

3.1 手動控制

手動控制表示SHP操作和維護的狀態。在此場景中，SHP的所有部分都不是自動，全靠手動完成。每天操作員都會多次巡查SHP，并根據可用流量調整渦輪機的設置。

在高流量的情況下，操作員須停止SHP，并在現場控制大壩的進水閘門，當高流量時期結束時，操作員啟動SHP。在低流量時期開始時，操作員停止SHP并關閉進水閘門，在此期間，操作員很少巡查SHP。當流量再次上升時，操作員需要重新啟動SHP。

當電網和SHP中的保護措施啟動時，SHP會隨之停止。在該情況下，操作員必須訪問SHP，通常需要重新啟動SHP。根據多年經驗可知，急停和維護事件是全年隨機觸發的；大壩維護可在高流量期間進行；修復大壩結構最好在低流量或正常條件下進行。

表3 手動控制SHP的維護時間

3.2 基本自動化

在基本自動化場景中，建立SHP遠程監控。使用適當的傳感器、可編程控制器和通信調制解調器可以實現遠程監控。通過這次升級，日常檢查被遠程檢查取代。遠程監控每次檢查需要操作員大約1 min的時間。對于其他事件，操作員還須要現場巡查SHP。

表4 基本自動化SHP的維護時間

3.3 全自動化

完全自動化包括遠程監控、遠程啟動/停止、根據可用流量自動控制SHP渦輪機并遠程控制閘門。遠程控制閘門的功能與基本自動化的SHP完全不同。除了小型維護和渦輪機維護之外，所有O&M檢查都可以遠程進行，代替了操作員的現場檢查。

表5 全自動SHP的維護時間

3.4 比較3種自動化場景

圖2 為SHP 3種自動化場景的模擬，顯示了每日平均O&M時間從手動控制的45 min到基本自動化控制的27 min，完全自動化時可降低到19 min。如圖2（b）所示，在春季和初夏(80～180 d)時，流量因頻繁降雨而隨之變化，則對應的平均O&M時間略有增加。在基本自動化的情況下，操作員仍然需要到場檢查SHP，根據流量調整參數。至于完全自動化，對檢查的需求較少，但是操作員也需要對大壩和其他小部件進行維護。秋季可能出現雷暴，此時在手動控制和基本自動化控制的情況下，平均O&M時間增加了大約3倍，而全自動化控制將這一數值減少了一半。對比SHP 3種自動化方案的模擬結果，可知隨著自動化程度提高，平均O&M時間急劇減少。

圖2 SHP 3種自動化情景模擬

4 O&M自動化可行性評估

4.1 SHP運營商

對手動控制SHP最有影響的參數是操作員的檢查時間，主要包括往返SHP以及檢查機器和大壩所需的時間，手動控制的檢查時間越長，基本自動化控制時的O&M時間減少的越多。如果水的流速變化較快，那么在全自動化時，O&M時間減少的更多。由此可見，對于相對恒定的流量，基本自動化就能滿足日常需求。

圖3 顯示了2個具有不同檢查時間的SHP。圖3（a）SHP的規模比圖3（b）SHP的規模大一點，圖3（a）的SHP每天需要檢查3次，每次檢查持續2 h。圖3（b）的SHP每天檢查2次，每次15 min。在圖3（a）中，基本自動化大大減少了正常運行期間O&M的時間。然而，需要根據流量進行控制時，操作員仍必須到場對SHP進行檢查。全自動化在以下2種情況更能體現其優點：根據流量進行控制和高流量時，如圖3（b）中，O&M的時間更少，證明了全自動化在高流量時更為便利。

圖3 比較2個SHP的O&M時間

4.2 O&M服務提供商

圖4 顯示了水電站的總O&M時間。假設O&M服務提供商（基本和完全自動化）的控制中心距離SHP有2 h的車程。在基本自動化的情況下，O&M服務提供商比SHP運營商(手動控制)需要更多的O&M時間。出現這種情況是因為O&M服務提供商的出行時間超過了SHP運營商(手動控制)的出行時間。因此，只有在SHP完全自動化的情況下，O&M服務才是更便捷的選擇。

圖4 比較SHP運營商和O&M服務提供商的O&M時間

4.3 政府部門

圖5 顯示了SHP的平均O&M時間。目前，每個SHP每天花在O&M上的平均時間超過1 h。在基本自動化的情況下，O&M時間減少了大約一半，而在完全自動化的情況下，O&M時間減少大約三分之二。

圖5 SHP的平均O&M時間

從政府部門的角度出發，基本自動化在遠程監測電力生產和流量時，大大縮減了人力物力的出行時間，且可以實時監測流量對生態環境的影響。另一方面在發生洪水時，完全自動化更有助于提供控制洪水的相關策略。

5 結論

本研究以小型水電站為例，探討了O&M自動化的可行性。從SHP運營商、O&M服務供應商和政府部門的角度出發，分析了手動控制、基本自動化和全自動化的變化規律。結果表明：基本自動化對位于偏遠地區的小型水電站，且需要花費大量時間進行日常檢查的操作員非常有利；在流量變化迅速的情況下，完全自動化是最適用的。建議服務提供商提供O&M服務時，應以完全自動化為主，因為基本自動化對服務提供商而言無明顯優點。建議政府部門應努力補貼實現基本自動化，這將使遠程監測電力生產和流量成為可能，并實時監測流量對生態環境的影響程度。完全自動化的建設在洪水易發地區更有現實意義，可以快速協調控制河流流量。為了確保SHP生產可持續能源，今后的研究工作應側重于將提出的方法擴展到更大規模，同時考慮不同區域和國家的具體情況。