小水电站按水位自动控制方法的研究

刘加英

（杭州华辰电力控制工程有限公司，浙江杭州 310014）

1 工程概况

YAVUZ水电站为引水式电站，电站位于土耳其AMASYA，电站装机容量3×7 500 kW，发电机出口电压为10.5 kV，一机一变，两条出线，出线电压为35 kV。引水系统由明渠、前池以及压力钢管组成，其中渠道总长3 235 m，压力钢管长约80 m，渠道和压力钢管之间有一前池。前池底面积约3 829 m2，表面积约4 476 m2，最浅处深5.6 m，最深处约11 m，前池顶高程285.1 m，容积较大。前池右侧设有溢流堰，溢流堰顶高程284.1 m。

引水系统由明渠以及压力钢管组成，前池在其中间起到调整和稳定水流的作用，在机组增、减负荷时，消减上游渠道来流所产生的涌浪。当机组突然甩负荷时，压力钢管中产生水力瞬变，钢管中流量的改变将引起前池水位的变化，明渠中产生非恒定流动。

工程主要建筑物有：取水口、引水渠道、前池、泄水道、电站厂房及尾水渠。

压力前池设置在引水渠道或无压隧洞的末端，是水电站无压引水建筑物与压力管道的连接建筑物。

压力前池的作用：

（1）平稳水压、平衡水量。当机组负荷发生变化时，引用流量的改变使渠道中的水位产生波动，由于前池有较大的容积，就可减少渠道水位波动的振幅，稳定发电水头。另外，前池还可起到暂时补充不足水量和容纳多余水量的作用，适应水轮机流量的改变。

（2）均匀分配流量。从渠道中引来的水经过压力前池能够均匀地分配给各压力管道，管道进口设有控制闸门。

（3）排出多余水量。电站停机时，向下游供水。

（4）拦阻污物和泥沙。前池设有拦污栅、拦沙、排沙及防凌等设施，防止渠道中漂浮物、冰凌、有害泥沙进入压力管道，保证水轮机正常运行。

2 系统组成与调节原理

2.1 监控系统的组成

YAVUZ电站采用的SCADA系统是开放环境下全分布式计算机监控系统，功能上分层分布。该电站监控系统采用以计算机为主、简化常规控制设备为辅的监控系统设计原则，分为电站控制级和单元控制级。单元控制级包括三套机组LCU、一套公用LCU、一套开关站LCU、一套前池LCU、一套溢洪门LCU。每套LCU均配有触摸屏，PLC采用GE 90-30系列PLC，可实时监控所管辖设备是否正常运行。机组LCU、公用LCU、开关站LCU安装在厂房，前池LCU、溢洪门LCU安装在坝区，各LCU之间均可通过光纤环网交换数据。电站控制级由两台工业控制计算机和一台通讯服务器组成，其功能为采集和处理电站主要设备的数据，存入历史数据库，实现对电站主要设备的控制与操作，并能在电站内实现有功/无功分配及电压控制，监视电站主要设备的运行状态，在显示器上显示，编制和打印运行报表和事故/故障报表，通过控制链路与调度中心监控系统通信。

图1 网络拓朴图Fig.1 Network topography

机组LCU负责实时采集机组相关的运行参数及状态信号、监控机组正常的开停机操作及机组负荷的调节。当电站处于“水位控制模式”运行时，可根据前池水位进行开停机操作，并负责机组负荷的调节，保证前池水位不会太高而引起溢水。

公用LCU负责实时采集厂变、直流装置、渗漏排水泵、消防水泵、空压机等辅助设备的运行参数及状态信号，根据集水井水位、储气罐压力等信号自动启停相关设备。

开关站LCU负责实时采集三台主变及两条出线的运行参数、状态信号及控制操作。

前池LCU负责实时采集前池水位、前池闸门的信号及机组前池进水口闸门的控制操作。

溢洪门LCU负责实时采集坝区水位、溢洪门的信号及溢洪门的控制操作。

2.2 控制原理

前池水位在282.9～283.9 m，开一台机；水位在283.9～284.15 m，开两台机；水位在284.15 m以上，开三台机。当前池水位太高时，首先通过增大3台机组的出力来调节，如果3台机组都已满负荷运行而前池水位还太高，减小水库闸门开度减少来水量。反之，如果前池水位太低，首先通过增大水库闸门开度增加来水量，当水库闸门全开而前池水位还偏低时，自动减少机组出力，甚至自动关闭机组。根据前池水位，通过自动调节机组的出力最有效地利用水能。

2.3 控制过程

正常情况下，电站实现按水位优化运行需具备下列条件：上位机IPC运行正常、各LCU工作正常、前池水位计工作正常、光纤环网通讯正常、调速器具备按水头调节的功能。

中控室操作员在上位机IPC的人-机界面上选择“按水位运行模式”，同时人工设定进入按水位运行模式的机组台数和开、停机的顺序，例如：1号、2号、3号。前池LCU接收上位机命令后，根据前池水位的实际值确定开机台数以及每台运行机组是按给定功率运行还是水头-开度运行的模式。在电站按水位运行模式运行时，保证只有一台机组按水头-开度模式运行，其他机组按效率最高点的给定值运行。为了实现水位调节模式下前池LCU与机组LCU直接的控制，机组LCU和前池LCU需通过光纤环网交换信息。

图3 控制流程图二Fig.3 Control flow chart II

图4 控制流程图三Fig.4 Control flow chart III

图5 控制流程图四Fig.5 Control flow chart IV

各机组LCU上传给前池的信号有：允许开启机组进水口闸门、允许关闭机组进水口闸门、机组事故关进水口闸门、机组允许开机、机组发电状态、机组无事故、机组开机令、机组停机令、机组开机失败、机组停机失败等信号。

前池LCU下发至各机组LCU的信号有：机组进水口闸门全开位置、机组进水口闸门全关位置、机组开机令、机组停机令、按给定功率模式运行命令、机组有功给定值、按水头-开度曲线模式运行命令。

初始的开机顺序为：1号机→2号机→3号机→1号机。

初始的停机顺序为：3号机→2号机→1号机→3号机。

按当前水位，前池LCU认为只需要1台机组运行时，即选择优先级最高的某台机组开机。当该机组的LCU接到开机令后，开机并完成并网发电，同时发信号到前池LCU告之该机组已并网。前池LCU根据当前水位下机组运行台数的需量确定是否需要再开机，并将最后并网的机组投入按水头-开度曲线运行，其他已并网机组置为最佳效率点运行。

当前池水位在282.9～283.9 m，前池LCU判断后，认为只需要1台机组运行时，按预定的开机顺序选择机组编号，当被选中的机组LCU接到开机令后，完成开机并网发电操作。前池LCU收到该机组的并网发电信号，向该机组LCU发送按“水头-开度曲线模式运行”命令，该机组LCU收到命令后向调速器发送“按水位运行模式”命令，由调速器自动按水头-开度曲线维持前池水位。第1台机按水头-开度曲线模式运行。详见图3。

如果水位继续上升，第1台机在导叶全开的情况下运行一段时间后水位仍然上升，当前池水位在283.9～284.15 m时，前池LCU判断后，认为只需要2台机组运行，将按预定的开机顺序选择开第2台机。当第2台机投运后，前池LCU会将第2台机设成按水头-开度曲线模式运行，将第1台机改成按最佳功率给定值运行，同时发送最高效率的给定值给第1台机。这样，第1台机按功率给定值模式运行，第2台机按水头-开度曲线模式运行。详见图4。

同样，如果水位继续上升，水位在284.15 m以上，前池LCU判断后，认为需要3台机组运行，将按预定的开机顺序选择开第3台机。第3台机投运后，前池LCU会将第3台机设成按水头-开度曲线模式运行，第1台机、第2台机改成按最佳功率给定值运行，同时发送最高效率的给定值给第1台机、第2台机。这样，第1台机、第2台机按功率给定值运行，第3台机按水头-开度曲线模式运行。详见图5。

当前池LCU根据水位判断需要开机，根据优先级确定需要开机的机组编号，再判断是否收到该机组LCU的开机允许信号。在规定时间内未收到开机并网信号或收到机组开机失败信号，继续判断下一优先级机组的开机允许信号。

水位调节过程中，当前池LCU水位降低，LCU判断需要停机，根据优先级确定需要停机的机组编号，并发停机令。前池LCU向机组LCU发出停机令后，若收到机组停机失败的信号，会向下一优先级机组LCU再发停机令。停机时，按照开机的顺序，最后并网（当前处于水头-开度模式运行模式下）的机组优先停机。停机时，前池LCU发出命令先退出机组的水头-开度模式运行模式，待机组完全停机完成以后，将停机优先级次高的机组置为水头-开度模式运行。这样的停机顺序可避免停机时引起电站输出功率大幅度波动。

3 结 语

多次试验证明，SCADA系统的水位调节模式可行，水位参数设置灵活，可按照实际情况修改，设置死区。通过修改水位参数的死区，避免试验过程中由于水位变化频繁而引起频繁开停机。

按照本文描述的控制原理，根据前池水位，YAVUZ电站自动控制系统可适时准确地开停机、自动调节机组的出力、有效地利用水能、尽最大可能将水能转化成电能。水电站自动控制系统具有良好的稳定性、可靠性、适时性、有效性、安全性等优点。

（1）水电站自动控制系统可以减小运行人员的劳动强度。

水电站自动控制系统可以取代常规控制、人工调节操作为主的控制模式，大大减少了电站运行人员的工作量。用计算机监控系统代替人工操作及定时巡回检查、记录等繁杂的劳动，实现少人值班或无人值班，减小了运行人员的工作强度，提高了工作效率。

（2）水电站自动控制系统可以提高工作效率，有效利用资源。

水电站自动控制系统提高了运行人员的工作效率，实现了少人值班或无人值班，释放了更多的劳动力；其次，根据前池水位自动控制发电机组，提高了发电效率，充分利用了水能，尽最大可能提高了能量转化的利用率。

（3）水电站自动控制系统可以提高水电站发电的有效性、及时性。

水电站自动控制系统实时监控前池水位，根据前池水位的高低来控制发电机组的启动与停止以及引水闸门的开启与关闭。水电站自动控制系统利用网络通信、PLC、计算机、上位机监控、电气控制等技术及时高效地控制调节发电站，其时效性大大超越了人工操作。

（4）水电站自动控制系统可以提高水电站发电的安全性、可靠性。

水电站自动控制系统取代人工操作，具有良好的可靠性，避免了人工操作的失误或者延时。控制系统适时检测现场工作情况，反馈工作信息，根据控制流程及时做出反应，可以很好地排除人为的危险因素，保证运行人员的人身安全以及设备的安全。