摘要：为保证小水电可持续发展并适应自动化、信息化建设需要，小水电实施综合自动化系统改造是必要也是必须的。本文简述了小水电的生存现状，系统设计原则，实施方案，总体结构，功能介绍等。小水电机组综合自动化系统改造应采用分层分布系统结构，具有可靠性高、操作简单、检修维护方便等特点,能有效提高小水电站运行的综合效率,在确保机组安全稳定运行的基础上,减少日常运行维护工作量和成本,促进小水电站“无人(或少人)值班值守”信息化运行管理系统的建设。
关键词：小水电；现状；设计原则；系统结构；综合自动化
0前言
小水电作为一种清洁的可再生能源，日益受到重视。二十世纪七、八十年代，随着社会经济发展对电力需求大幅增加，推动了小水电的建设，项目的建设带动了当地经济的发展，解决了当地劳动力就业问题，为社会的发展作出了重大的贡献。
大型水电站的不断建设投运，以计算机监控系统为技术平台，管理规范，技术先进，系统稳定和电能质量也有很大的提高。相较之下，小水电受当时技术水平、施工能力、建设资金等因素的制约，其技术水平，产能效益、安全生产、规范管理等方面与大型水电站先进管理水平有较大的差距。
小水电应与时俱进，紧跟信息化、智能时代的步伐，避免被淘汰出局。纵观我国在这一领域建设情况来看，小水电机组综合自动化改造力度不断加大，各小水电经营管理者应学习借鉴大型水电站先进管理经验，结合自身实际情况，通过实施自动化系统改造，提升电站自动化水平，提高设备可利用率，为电站创造经济效益，促进电站可持续发展。
1小水电站现状及存在的问题
（1）小水电站由于总投资少，对自动化设备的投入成本有限，在投资建设期采用传统控制方式、继电器逻辑或采用半自动化模式，经过多年运行设备已经老化，可靠程度降低，故障率高，存在安全隐患。
（2）电站受当地网架结构、线路条件、售电电价、人员结构、经营体制等诸多因素的影响，在改善电站经营、工作环境、生产管理等方面缺乏持续资金支持，处于心有余而力不足的窘境。
（3）小水电设备运行常设运行班组，依靠人工完成设备日常巡视、检查、操作、维护，劳动强度高、安全隐患大，且人工操作会有调节响应不及时，精度低可靠性差，一旦发生电气事故，有设备烧毁，甚至人员伤亡的风险。
（5）水轮发电机组投运年限长，检修不足，转动部件磨损严重、密封止漏不良、管路渗漏、绝缘老化、调速器调节精度差等因素，导致机组出力下降，减少电站经济效益，制约了电站的持续发展。
（6）电站采用河道或压力钢管取水，在取水口配置手动操作闸门启闭机，未建立取水口与中控室通讯通道，不满足远程控制的要求。
（7）自动化水平不足。受限当时设计及管理思路，电站自动化设备及采集元件仅满足基本监测需要，或不满足通讯要求，某些环节元件损坏也未及时更换，压力元件采用电接点式，精度低，可靠性差。
鉴于此，小水电企业经营管理者应结合机组自身状况，借鉴及消化吸收大型水电站先进技术，根据资金到位情况有针对性分阶段实施机组综合自动化改造，打破被动与技术落后、管理水平低的局面，逐步达到电站自动化、网络化、信息化及管理规范的水平。
2小水电机组综合自动化系统设计原则
（1）系统的可靠性
为达到无人值班，综合自动化系统应具有高可靠性，应采用知名厂商成熟而可靠、标准化的设备、产品及应用软件。广泛采用分布式和冗余技术。系统操作电源、关键控制模块应采用冗余配置，互为备用。数据库及控制功能分布处理，系统功能分布在网络的各个节点中，系统内任一节点的故障不影响其他节点的正常工作。采用交直流双供电源装置确保系统供电可靠性，使用电源避雷装置(防雷抗浪涌保护器)进一步提高系统的可靠性。运行控制采用多重软硬件安全闭锁逻辑和操作权限控制。系统具有自诊断、自恢复功能，故障时不会引起成误动。
（2）系统的开放性和可扩性
系统主要硬件设备符合计算机技术发展迅速的特点，且有成熟的案例，能在水电厂环境下长期连续稳定运行。系统中各工作站计算机及其系统软件均符合开放系统要求，便于系统功能和硬件的升级，充分保护用户资源。支持多种通用协议，如MODBUS、DL645、IEC101、IEC104及第三方协议等，预留与上级调度/远程系统的接口。
（3）功能的完善性
系统按电站无人值班的原则设计，整个系统具备完善的应用功能，除可完成电站的各项控制和监视功能外，还应预留与上级调度中心的通讯接口与功能，完成数据传输并能接受下发的控制和调节命令。
（4）系统的安全性
系统采用标准化的成熟产品，功能完善，采用模块化结构，并具有完备的确保硬件及软件安全的措施，防止监控系统硬件或软件的故障或缺陷对现场设备的损害。
（5）抗干扰能力
现地控制单元的主要信号回路均采用电气隔离，包括模拟量信号隔离、电源隔离、信号传输采用屏蔽电缆，电缆布置也应强弱电分离，分层分布，避免信号被干扰。
（6）系统的友好性和可维护性
人机接口功能强，操作方便，采用面向对象的全汉化界面。系统为用户提供简单实用、维护方便的功能。
（7）充分利用现地控制核心器件的高可靠性，完成闭环控制与功能调节，保证设备安全可靠运行，各子系统在脱离电站主控级的情况下，也能独立安全运行。
（8）现地手动操作与控制
机组现地控制单元具有部分设备状态显示及主要的操作控制功能，方便运行人员在后台监控宕机或通讯中断时，通过机组现地控制单元完成机组控制操作。
（9）系统各项技术性能指标应满足DL/T578-95“水电站计算机监控系统基本技术条件”的要求，满足国家经贸委关于“电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护规定”的要求。
（10）小水电机组综合自动化改造应结合电站自身情况，考虑安全可靠、经济实用、维护方便等方面的要求，满足技术先进，功能实用，能提高电站生产管理及安全运行水平。
3小水电综合自动化改造方案
要实施小水电综合自动化改造，应制定周密详尽改造计划，编制改造方案，评估改造的技术指标及经济指标。方案内容包括改造范围、材料计划、时间安排、人员组织安排、技术措施及安全措施等。改造过程中严格遵守工作票制度和安全监护制度，杜绝随意性施工与违规作业，保证工程的质量、进度，避免发生安全事故，树立小水电改造的形象工程。
小水电综合自动化改造范围包括机组控制系统、继电保护装置、调速器系统、励磁系统、电源装置系统、油水气辅助控制系统、自动化元件、取水口控制系统等。改造过程中应按技术标准、技术规范要求完成设备选型，设备发到现场后，按计划拆除原有设备并安装新设备，完成设备检查、调试、试验及单体交付工作。在全厂设备均完成后再完成全厂设备的联调及与调度之间的远动调试等。
4小水电综合自动化系统总体结构
为提高系统的实时性及可靠性，系统采用分层分布式系统结构。综合自动化系统分为站控层、传输层和现地层。站控层配置后台操作员工作站，完成全站设备的监测控制，承担数据处理、存储。现地层按对象分布设置现地测控单元及子系统，包括机组LCU、公用/开关站LCU、调速器系统、励磁系统、油水气辅助控制子系统等。传输层完成信息传输功能，主要包括信号转换、网络交换、收发器等设备。
电站采用全计算机控制的分层分布开放式系统结构，系统由电站中控室主控层及电站现地控制层组成，系统整体安全可靠、技术先进、易于维护，有较强的扩展及升级换代能力。整个系统采取总体设计一次到位，根据现场进度分期施工的办法，分阶段分步骤实施。
水电站设备包括水轮发电机、变压器、油水气、水工建筑机电设备等，按电压等级划分又分为电气一次及电气二次设备。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆小水电综合自动化系统各子系统完成上述各设备的监测与控制，各子系统之间相互独立又互相协同。后台计算机监控系统完成全站设备的集中监视与控制，是全站的核心控制部分。
水轮发电机组是小电站主要设备，每台机组配置一套以PLC作为控制核心部件的现地控制单元（机组LCU）,实现机组现地自动控制。在机组控制程序在设计时,应具有完整的逻辑及流程控制功能，包括状态监测、开机流程、停机流程、事故停机流程以及调节控制、故障报警等功能，确保执行机组正常控制，在机组发生故障时,能通过声光报警提示外,还能够通过内部程序判断自动执行相应的应急或调节控制,保障整个机组安全稳定的运行。
就机组现地控制单元而言，控制逻辑是通过内部程序控制对机组开停机的自动控制、运行的实时调节及机组运行工况的自动转换，功能独立且不依赖于其他系统，在通讯中断时，也能独立完成本控制单元的逻辑与功能。
除机组现地控制单元外，其他诸如继电保护系统、测温制动系统、电气测量系统、电度计量系统、油气水系统、调速器控制系统、励磁系统等重要辅助系统,共同保障了小水电设备高效稳定运行，小水电是麻雀虽小，但五脏俱全，综合自动化改造过程中所配置的设备比较多，本文不能将所有控制系统、控制装置的功能进行一一说明，在此仅对计算机监控后台系统的功能进行简单的介绍。
5计算机监控系统功能介绍
5.1数据采集：监控系统能自动采集各现地单元的各类实时数据、智能装置的有关信息；自动接收电厂监控系统以外的数据信息。
5.2数据处理：对自动采集的数据进行可用性检查、工程单位转换；具有开关量输入点的抖动限值、模拟量输入点的梯度限值报警及处理；具有输入／输出通道的自诊断功能；对采集的数据进行报警检查，形成各类报警记录和发出报警音响；对采集的数据进行数据库刷新；生成各类运行报表、曲线图、统计记录等；具有事件顺序记录的处理能力；
5.3人机接口：人机接口功能应具有二维和三维图形处理和显示能力。人机接口软件应通用，人机接口画面不应有单独的人机接口处理程序，所有的人机接口画面只有一个人机接口处理程序。
5.4逻辑控制：通过综合自动化系统通完成设备的自动启停控制，如机组开停机及顺序控制，当用户通过后台监控系统或现地控制装置下发开机命令，系统会执行开机流程，首先判断是否满足开机条件，如满足则执行下一步，如条件不满足系统则会发出相关的提示或触发报警，并退出控制流程。针对停机流程系统也会作出相应的逻辑判断及自动控制，一旦发生电气或机械事故时，系统会触发事故停机流程，快速将机组停下来，避免事故进一步的扩大。
5.5报警及事故处理
5.5.1报警、记录显示和打印软件
具有各类报警记录、运行报表、操作票和操作指导的显示和打印，报警记录的显示应能按设备类型和报警类型分类显示；具有趋势记录、事故追忆及相关值记录的显示和打印；具有彩色画面拷贝能力（以文件形式存贮，并提供打印工具）和显示彩色画面拷贝文件的工具；具备主要类型的报警记录、报表显示格式和可修改项目的说明。
5.5.2报警、事故处理及运行指导
对于水电厂运行的异常状态，例如电气的（电压、电流、功率等）和非电气的（油位、压力、温度等）模拟量越限，短时不会发生破坏事故，因此，应发出预告（或警告）信息。监控系统向运行人员发出预告信息，通常是将信息内容显示在信息区，同时将信息进行数据库存储。信息内容提要至少应包括时间、异常状态描述、当前值。如果当前模拟量越限时应有表示越限的颜色显示或闪烁以提示运行人员。
对于事故情况，监控系统必须启动报警，包括声（喇叭或语音）、光（监控事面上事故部分变色或闪烁）、显示事故信息并将事故信息存储记录、显示相应的报警报警内容。
系统提供了事故或故障运行指导方面的帮助文档，在事故或故障光字信息画面有相关的运行指导索引按钮。能方便运行人员或维护人员对相关帮助信息进行查看或检索。
5.6AGC和AVC软件
5.6.1自动发电控制（AGC）
根据调度中心要求的发电功率或下达的负荷曲线，转发给各机组或按安全、可靠、经济的原则确定最佳运行的机组台数、机组的组合方式和机组间最佳有功功率分配，进行工程机组出力的闭环调节。并自动开、停机组，在LCD上显示供运行人员操作参考。计算机监控系统可确定每一台机组的启、停和有功、无功功率的设定值。
AGC的工作方式
远方：在此方式下，工程现地执行调度中心的AGC/EDC运算结果。
现地：在此方式下，工程现地运行AGC，AGC运算结果有两种方式。
闭环：工程现地AGC运算结果直接下达到LCU立即执行，不需运行人员干预。
开环：工程现地AGC运算结果需经运行人员确认后方可执行。
5.6.2 自动电压控制(AVC)
根据调度要求及安全运行约束条件，合理分配机组间的无功功率，经机组控制单元调节机组励磁，维持母线电压于梯级调度中心给定的变化范围，必要时自动开、停机组，在LCD上显示供运行人员操作参考。
母线电压给定值与电压测量值进行比较，根据该偏差，通过PI调节计算得出工程无功功率目标值。无功功率目标值及PI调节计算中的积分项均受到并网机组的无功负荷能力的限制。该无功功率目标值将在参加联合调节的机组间分配，经过分配后得出工程每台机组的无功功率目标值。机组无功功率目标值与无功功率测量值比较，根据比较的偏差，通过PI调节计算得出机端电压给定值，送给LCU执行。该电压给定值及PI调节计算中的积分项将受到励磁调节器电压给定最大和最小位置的限制。
5.7系统诊断
系统具有完备的诊断功能，以实现电站层、现地层各节点的诊断功能。诊断范围包括网络设备、计算机设备。应提供计算机监控系统CPU运行负载率（负荷率统计周期为1s）和内存使用情况的监视软件。
5.8功能模拟及仿真
仿真主要的作用在于对电厂的运行人员、维护人员，特别是对电厂新进人员的培训，是计算机监控系统的高级功能。仿真是在离线（与实际运行设备脱离）的状态模拟现场设备（如机组、辅机设备、其他子系统等）的实际运行情况，通过仿真系统能使电厂相关人员了解、熟悉计算机监控系统的画面调用、参数设置、数据查看等功能，仿真系统运行时所显示的数据是通过本机程序产生的，其状态与监控系统的在线状态类似或一致。
电厂的相关人员通过对仿真系统的学习和了解后能更快的掌握监控系统的操作方法，知道有哪些功能及用户界面，一旦系统出现事故或故障时，运行或维护人员能很快的调用相关的信息画面，查找故障原因，不会手足无措。
6结语
在小水电站自动化系统改造过程中,利用先进的控制技术形成集信息采集、机组控制、运行调节等功能为一体的综合自动化系统,不仅可以大大提高小水电的综合自动化水平,同时可以实现机组的自动控制和智能调节,保障机组安全稳定、高效经济的运行。经过对小水电综合自动化系统的技术改造,能有效解决小电站自投运以来存在的一些重大问题,促进电站“无人(或少人)值班值守”信息化运行管理系统的建设。
参考文献
[1]阴存琦，计算机监控系统在水电厂的应用[J].华东电力，1997(1):30-32
[2]关小刚、雷晓青、凌胜军、张东成。大峡水电站自动化改造设备综述 [J].水电厂自动化，2008，(4)
[3]徐茹枝，李为，水电站厂级监控系统设计方案研究[J].电力信息化，2006(7):72-75
[4]张红芹, 施雪芹. 小水电站自动化改造模式初探[J]. 中国科技博览, 2011(4):165-165
[5]张关松, 罗光汉. 小水电站自动化监测系统初探[J]. 农村电气化, 1995(2):10-11.
作者简介：杨莉，女，生于1975年，四川成都，大学本科，工程师，生产经理，生产单位:四川能源郫县水电厂
论文作者:杨莉
论文发表刊物:《电力设备》2019年第7期
论文发表时间:2019/9/18
标签：机组论文; 系统论文; 现地论文; 电站论文; 设备论文; 功能论文; 小水电论文; 《电力设备》2019年第7期论文;