汾河水库水电站自动化系统的应用

程天立

（山西省汾河水库管理局 山西太原 030006）

汾河水电站为坝后引水季节性电站,装机容量2×6 500 kW,出口电压6.3 kV,设计水头52 m,设计流量2×14.75 m3/s,年平均发电量2 200万kW·h,年均收入600万元左右。水电站能否安全可靠运行,能否达到“无人值守，少人值班”的综合自动化水平，对于汾河水电站结合灌溉、工业供水及生态用水为主的电站调度运行十分重要。

1 汾河水电站自动化系统的技术简介

加拿大Powerbase系统提供了从水源到线路完整的控制、监视、保护系统，是按照中小型水力发电系统设计的,典型应用在2.5MW以下的电站。Powerbase系统采用模块化设计,可根据不同电站特殊要求选择适用模块,具有安装方便、集成化程度高,自编程能力强,升级容易，体积小,结构紧凑,运行维护简单,稳定可靠.考虑到灵活性,并提供了现场的特定控制和保护特性。

对于中小型水力发电而言，与传统基于PLC控制器的系统相比,Powerbase提供低成本、实用的解决方案，系统可采用多个制造商的控制部件组合.Powerbase安装软件具有先进的自动编程能力,消除了基于PLC系统对开发软件的需求。

汾河水电站主要用了Powerbase系统的GDI-20显示模块、TCM-40水轮机控制模块、EXP-30扩展模块、GPM-40线路和发电机设备保护模块,LSE-10/LCM导叶线性编码器和位置传感器。

2 汾河水电站改造的内容

汾河水电站综合自动化技术改造,控制部分主要采用加拿大的Powerbase水机控制系统,根据汾河水电站的实际情况高压系统仍采用汾河水电站现有方式,对Powerbase自动化控制系统的TCM-40调速控制单元进行了改进,把PID的连续量变成一个脉冲量；配套设备提供单位选择了长沙华能自控集团有限公司、天津水利水电研究所,对汾河水库配套设备进行生产和施工.长沙华能自控集团公司主要提供的配套设备是调速器电液转换模块，气机控制屏,公用控制屏,主变/线路保护屏各一套,辅机控制箱以及电站综合自动化后台监控系统等.天津水利水电研究所提供的自动化元件,测温屏,碟阀控制柜,辅机控制屏等。国内配套设备与Powerbase控制系统的有效结合使汾河水库水电站圆满实现了发电自动化。

3 汾河水电站自动化改造的主要原则

1）汾河水电站微机监控系统采用分层分布开放式结构,满足于安全可靠，经济实用,技术先进,功能齐全和便于扩充等基本原则。

2）系统设计以计算机监控为主、常规控制为辅进行总体设计及配置,计算机监控系统能够满足自动控制和安全自动化要求,保证电站运行管理能达到较高的水平。

3）系统为容错设计,任何一台计算机发生故障均不会引起系统误操作而降低系统其他性能。LCU也不会因主控层发生故障而影响稳中有各自的监控功能。

4）系统设备选用国际工业标准生产厂商成熟可靠,标准化的硬件、软件、网络结构和汉化系统，保证系统有稳定可靠的备品备件和产品升级与更新换代,充分保证用户的投资和利益。

5）系统设计符合计算机技术发展迅速的特点,具有先进性和向上兼容性,软件采用模块化、结构化设计,便于硬件设备的扩充及系统规模的扩展。

6）系统上层网络采用以太网结构,下层采用工业控制现场总线网络结构。

7）系统实时性好,抗干扰能力强,计算机监控系统软硬件安全可靠,能适应电站现场环境的要求。

8）系统能与励磁,调速器,直流系统等站内智能设备及远方调度进行通信,同时预留大坝测控等系统通信接口,可实现用遥测,遥信,遥调等功能。

9）系统人机接口功能强，操作控制简洁,方便,灵活。

10）计算机监控系统可以按用手动优先,下层优先或用户指定的其他方式设置必要的硬件和软件,使运行操作人员能方便地在各控制层之间,计算机控制与简化常规控制设备之问选定对设备的控制权,对无控制权的控制设备进行闭锁。

11）系统高度可靠,高度冗余,其本身的局部故障不会影响现场调和的正常运行,且系统的MTBF.MTTR及各项可用性指标均达到《水电站计算机监控系统设备技术条件》（DL578-95）及《水力发电厂计算机监控系统设计技术规定》（DL/T5065-96）的要求。

4 汾河水电站自动化改造监控系统特点

1）系统采用分层分布开放式网络结构,系统的软硬件均采用模块化建构化的设计。

2）监控软件采用面向对象,全模块化结构化编程,采用关系型数据库结构,采用堆叠式模块组成,各模块独立完成相应功能,编程扩展方便,易组态,全开放。

3）操作系统采用运行经验成熟,运行稳定可靠,抗病毒功能强的实时多任务开放式操作系统,用户接接口支持多窗口操作,具有友善的用户界面。

4）机组控制采用模块式可编程控制器（PLC）,监控界面采用菜单形式,并具有强大的实时图形界面显示,可方便进行机组控制和参数设置。

5）国际标准的模块化结构,模块互换能力强。

6）不同监控层的设备相互独立,局部故障不影响整个监控系统的运行,现地控制层在监控系统退出后仍能对机组进行正常控制操作。

7）系统主要设备都具备自检功能,对通讯网络和所有软、硬件具有巡检功能,大大提高系统的可靠性。

8）可以多主方式工作,网络上任一个节点均可任意时刻主动向网络上其他节点发送信息,可以不分主从,方便地构成多主系统。

9）主机、辅机监控设备和公用开关站的保护设备均相对独立，仅通过通信网络互联，整体可靠性不受局部影响,具备高度的灵活性和扩展性,便于系统维护。

5 汾河水库水电站自动化系统的功能

5.1 数据采集和处理

监控系统通过计算机网络,从各现地控制单元采集机组、主变、线路、厂用和公用设备等设备的运行参数和状态,包括温度量、模拟量、状态量、报警量、SOE量和电度量等.系统对采集的数据进行必要的比较、处理和更新实时数据库及历史数据库,并用于画面显示、刷新、控制调节、记录检索、统计、操作、管理指导等。

5.1.1 数据采集

（1）模拟量采集.模拟量包括电气模拟量、非电气模拟量和温度量。电气量主要为电流、电压、频率、功率因素、有功功率及无功功率等.非电气量主要包括压力、流量、水位、油位以及机组的摆度、振动等。

（2）开关量采集。开关量按其采集方式及信号重要程度的不同将其分为中断型开关量和非中断型开关量两种。中断型开关量系指事故信号、断路器分合及重要继电保护的动作信号,监控系统能迅速响应这些信号并做出一系列必要的反应及自动操作，中断型开关量信号输入为无源接点输入,中断方式接收。非中断型开关量信号是指除中断型开关量信号以外的那部分开关量信号,包括各类故障信号、断路器及隔离开关的位置信号、机组设备运行状态信号、手动自动方式选择的位置信号等。监控系统对这些信号的采集方式为定时扫查。

5.1.2 数据处理

（1）数据变码、校验传递误差、误码分析和数据传输纠错控制。

（2）更新全站实时数据库,根据实时数据库,对显示画面的数据和设备状态进行刷新或修改。

（3）各机组有功功率和无功功率计算和累加,以及全站有功、无功定时平衡计算。

（4）全站有功和无功电度累计和平衡计算。

5.2 安全监视

安全监视包括状态监视、越限监视、过程监视、趋势记录和监控系统异常监视。

5.2.1 运行状态监视

运行人员可以通过监控系统的大屏幕彩色显示器对电站机组、输电系统、公用系统等主要设备进行实时运行状态和运行参数监视。

5.2.2 过程监视

对机组开、停工情况转换,各电压等级设备运行方式改变的倒闸操作等过程所经历的主要步骤予以监视。并在显示器上显示过程,当过程发生阻滞时,显示阻滞原因,并将设备转换到安全状态。

5.2.3 参数越复限报警记录

监控系统对某些参数以及计算数据进行越限监视,有些量如温度量等还将进行趋势记录,即进行梯度变化监视。这些处理包括越限报警、梯度越限报警、自动显示、记录和打印。

5.2.4 监控系统异常监视

监控系统的硬件或软件发生异常现象立即报警。

5.2.5 趋势记录分析

对发电机定子温度、轴承温度、主变压器油温等进行趋势记录,趋势变化速率超过限值时发出报警信号。

趋势分析包括历史趋势分析和实时趋势分析.历史趋势分析主要分析机组在中、长期运行过程中所监测参数的变化趋势,用以分析、掌握机组的运行状况。实时分析用以分析信号的变化趋势及变化率，特别是启停过程中信号的变化趋势，及时发现故障征兆,提高机组运行安全性。

5.3 控制与调节

监控系统具有对全站主要机电设备和油、汽、水、风等辅助系统的各种设备实现控制操作功能。

5.3.1 控制方式

控制方式主要分为电站中控和设备现地两级。平时监控系统的控制方式主要使用电站中控级,设备现地仅用于调试和应急处理。电站中控和现地的控制权选择通过现地控制开关进行切换。

5.3.2 控制对象

监控系统可以对电站机组、断路器、隔离开关和辅助设备等进行操作。操作类型包括机组的开、停各种工况的转换;断路器、隔离开关的分合;辅助设备的开、停等。

6 汾河水电站自动化改造的主要技术总结

汾河水电站技改后自动化程度达到微机控制与保护、机组自动化开停机、微机自动监测、报表资料自动整理、打印报表等.按照本电站的规模,为达到安全可靠、先进实用的目的,选用MTC-3S系统.系统分为三层,由工程师工作站、操作员（兼通信）工作站、现地控制单元三部分组成。

两台操作员工作站主机均采用美国DELL品牌,配置同品牌的19英寸彩色液晶显示器.2台操作员工作站互为热备用,系统采用最新的软件及网络技术,通过交换机与通信管理机交换数据,按全计算机监控进行总体设计和系统配置.系统投入运行后,全部保护、控制、监视、测量和报警功能均通过微机综合自动化系统完成。同时,完全满足遥测、遥信、遥调及遥脉功能和无人值班（少人值班）的需要。为提高系统的可靠性,在现地监控单元上保留了必要的简易常规控制。

现地保护控制装置按照不同的现地控制单元，以相对独立的方式布置，保护与监控系统各自独立配置,在计算机网络失效的情况下,仍能独立完成现地控制单元的监测和断路器等的控制监视功能。

现地保护控制装置之间RS485现场总线技术,RS485总线网络具有很强的抗干扰、抗震动性,适用于较大的温度范围,适合于电站较恶劣的工业环境,其传输速率已远满足电站综合自动化系统对信息传输速度的要求。

通信系统配置有通信管理机,主要负责公用LCU、全站所有智能化设备、微机保护及加拿大Powerbase公司生产的第四代TCM4的水电自动保护与控制设备通信，并预留有水情测报系统、大坝监控装置通信接口。

7 汾河水电站自动化系统的运行结论

兼容性:系统可与多个制造商的控制设备随意组合。

扩展性:系统为用户提供了EXP-30扩展模块,随着需求的增加或有其他用途时,可更新系统。

集成化成度高:Powerbase系统采用了集成模块,安装软件具有先进的自动编程能力,消除了国内基于PLC系统对开发软件的需求,Powerbase系统大大降低了实际控制单元的成本。

安全稳定性:Powerbase技术简化了人工开、停机程序,使机组接到开、停机指令后,Powerbase系统自动检索开停机条件,执行开、停机命令.运行中Powerbase系统随时对采集回来的数据进行分析对比,使机组始终处于最优工况下发电。

远距离操作性:Powerbase系统可以通过网络远距离对一个或多个电站进行控制。同时,还可以通过收机短信形式把故障、事故信号传送给管理人员。

总体而言,山西汾河水库水电站综合自动化技术改造是成功的，基本达到了设计要求与期望。

8 结束语

（1）加拿大Powerbase公司产品与国内产品配套应用于中国小水电的模式体现出的最大特点是性价比高,但为了发挥其效益,还有很多技术课题需要完成，例如:Powerbase公司产品机组控制方式要符合中国小水电实际情况，服务体系有待进一步加强,解决长期维护方面的问题；国内配套厂家要与Powerbase公司产品一起完善产品功能，才能提高其适用性。

（2）为了充分地发挥综合自动化性能,避免设备瓶颈现象,汾河水电站目前还亟待进一步改造设备,比如发电机励磁设备、水轮机、发电机等。