水电站自动化系统的应用与探讨

董 鹏

(陕西省水工程勘察规划研究院，陕西 西安 710003)

水电站自动化系统的应用与探讨

董 鹏

(陕西省水工程勘察规划研究院，陕西 西安 710003)

水电站自动化主要完成对水轮发电机组及其辅助设备运行方式的自动控制和运行工况的监视和水工建筑物运行工况的控制和监视，完成对主要电气设备的控制、监视和保护。对计算机监控系统的监控系统电源，监控系统与励磁、保护、调速器系统接口，监控系统与现地自动控制回路和装置的功能协调，事件记录与故障录波的考虑，信号返回屏的考虑和工业电视、消防报警、保安、故障录波器及MIS的接入等一些技术问题进行探讨。提出水电站“无人值班”或“少人值守”的技术条件。

水电站自动化;计算机监控系统;发展;技术问题;技术条件

随着水电站“无人值班”或“少人值守”工作的开展，以“站网分开、竞价上网”为基础的电力体制改革的深入进行。对水电站的生产运行和管理提出了新的要求，也对水电站自动化技术提出了更高的要求。计算机监控系统的应用是水电站实现“无人值班”或“少人值守”的必备条件。计算机技术、信息技术及网络技术的飞速发展，给水电站自动化系统无论在结构上还是在功能上，都提供了一个广阔的发展舞台。水电站自动化工作也必须适应新的形势需要，有新的发展。如今的水电站自动化系统应该成为一个集计算机、控制、通信、网络及电力电子为一体的综合系统。不仅可以完成对单个电站，还可以进一步实现对梯级流域、甚至跨流域的水电站群的经济运行和安全监控。

1 水电站自动化概述

1.1 水电站自动化的作用

水电站自动化就是要使水电站生产过程的操作、控制和监视，能够在无人(或少人)直接参与的情况下，按预定的计划或程序自动地进行。水电站自动化程度是水电站现代化水平的重要标志，同时，自动化技术又是水电站安全经济运行必不可少的技术手段。因此，水电站自动化的作用在今后水电发展过程中将更加重要。

1.1.1 提高工作的可靠性

水电站实现自动化后，一方面可通过各种自动装置快速、准确、及时地进行检测、记录和报警，既可防止不正常工作状态发展成事故，又可使发生事故的设备免遭更严重的损坏，从而提高了供电的可靠性。另一方面，通过各种自动装置来完成水电站的各项操作和控制(如开停机操作和并列)，不仅可以大大减少运行人员误操作的可能，从而也减少了发生事故的机会;而且还可大大加快操作或控制的过程，尤其在发生事故的紧急情况下，保证系统的安全运行和对用户的正常供电，具有非常重大的意义。

1.1.2 提高运行的经济性

水电站实现自动化后，可根据系统分配给电站的负荷和电站的具体条件，合理地进行调度，保持高水头运行，同时合理选择开机台数，使机组在高效率区运行，以获得较好的经济效益。如何实现各电站合理最优调度，避免不必要的弃水，充分利用好水力资源，对于梯级电站来说尤为重要。此外，水电站通常是水力资源综合利用的一部分，要兼顾电力系统、航运、灌溉、防洪等多项要求，经济运行条件复杂，单凭人工控制很难实现，实现自动化以后，将有助于电站经济运行任务的实现。特别是对于具有调节能力的水电站，应用电子计算机不但可对水库来水进行预报计算，还可综合水位、流量、系统负荷和各机组参数等参量，按经济运行程序进行自动控制，大大提高运行的经济性。

1.1.3 保证电能质量

电压和频率作为衡量电能质量好坏两项基本指标。电压正常偏移不超过额定值的 ±5%，频率正常偏移不超过额定值的±0.2～0.5 HZ。电压或频率的的稳定主要取决于电力系统中无功功率和有功功率的平衡。因此，要维持系统电压和频率在规定范围内，就必须迅速而又准确地调节有关发电机组发出的有功和无功功率。特别是在发生事故的情况下，快速的调节或控制对迅速恢复电能质量具有决定性的意义，而这个过程，单纯靠手动操作，无论在速度方面还是在精度方面都是难于实现的，只能借助于自动装置来完成。可见，提高水电站的自动化水平，是保证电力系统电能质量的重要措施之一。

1.1.4 提高劳动生产率、改善劳动条件

水电站大多地处偏僻山区，远离城镇，职工长期生活在较差的环境之中。水电站实现自动化后，很多工作都是由各种自动装置按一定的程序自动完成，用计算机监控系统来代替人工操作及定时巡回检查、记录等繁杂劳动，大大改善运行人员的工作和生活环境，减轻了劳动强度，提高了运行管理水平。同时还可减少运行人员，实现无人值班(或少人值守)，提高劳动生产率，降低运行费用和电能成本。

1.2 水电站自动化的内容

水电站自动化的内容，与水电站的规模及其在电力系统中的地位和重要性、水电站的型式和运行方式、电气主接线和主要机电设备的型式和布置方式等有关。

1)完成对水轮发电机组运行方式的自动控制:一方面，实现开停机和并列、发电转调相和调相转发电等的自动化，使得上述各项操作按设定的程序自动完成;另一方面，自动维持水轮发电机组的经济运行，根据系统要求和电站的具体条件自动选择最佳运行机组数，在机组间实现负荷的经济分配，根据系统负荷变化自动调节机组的有功和无功功率等。此外，在工作机组发生事故或电力系统频率降低时，可自动起动并投入备用机组;系统频率过高时，则可自动切除部分机组。

2)完成对水轮发电机组及其辅助设备运行工况的监视:如对发电机定子和转子回路各电量的监视，对发动机定子绕组和铁芯以及各部轴承温度的监视，对机组润滑和冷却系统工作的监视，对机组调速系统工作的监视等。出现不正常工作状态或发生事故时，迅速而自动地采取相应的保护措施，如发出信号或紧急停机。

3)完成对辅助设备的自动控制:包括对各种油泵、水泵和空压机等的控制，并发生事故时自动地投入备用的辅助设备。

4)完成对主要电气设备(如变压器、母线及输电线路等)的控制、监视和保护。

5)完成对水工建筑物运行工况的控制和监视:如闸门工作状态的控制和监视，拦污栅是否堵塞的监视，上下游水位的测量监视，引水压力管的保护(指引水式电站)等。

2 计算机监控系统技术问题探讨

监控系统是一个客户化程度很高的自动控制系统，系统的实用性、先进性、可靠性以及灵活性等取决于客户(包括管理、设计开发、使用等)的要求。在此就一些技术问题进行探讨。

2.1 监控系统电源

水电站控制层应设有直流和交流控制电源，监控系统的LCU及外围自动化装置宜采用交直流双电源、互为备用、无扰切换的供电方式，电源装置的电压选择应保证正常情况下交流供电、直流备用，以减轻直流系统的负担。运行经验表明，UPS在现场环境下使用寿命很短，难以维护，不宜采用。监控系统主站设备(工作站、服务器和网络设备等)的运行环境要达到国家规定要求，采取交流+UPS供电方式较好。

2.2 监控系统与励磁、保护、调速器系统接口

LCU与上述自动化装置一般采用开关量(DIO)接口和通信两种方式。对于DIO方式，由于交换的信号一一对应，接线直观，便于调试和故障查处。但接线较多，有些控制功能，例如有功和无功调节，必须在LCU内编制复杂的PID调节程序，如PID参数不当还可能造成调节性能不佳。现场应用表明，这种方式对无功/电压闭环调节尚能满足要求，但对有功闭环调节，常常出现超调或调节不到位、或凋节时间延长等现象。

上面三种自动化装置宜采用通信方式，LCU直接将给定值传送至电调和励磁装置，实现有功、无功的一次设定;LCU通过通信链路获得各个自动化装置的内部详细状态和微机保护的事故追忆采样值数据包(如果微机保护有此功能的话)。

尽管监控系统与励磁、保护、调速器装置存在接口联系，但各系统间应保持相对独立，并在通信上设置"互检"和容错功能，一方故障不应影响其它系统的正常运行。上述装置中直接作为控制和调节条件的信号(例如主开关状态、机组转速和机组状态等)不应相互转送利用，而应通过高可靠的渠道直接从设备上采集。

2.3 监控系统与现地自动控制回路和装置的功能协调

机组或公共辅助设备，例如冷却水系统、压油泵、深井泵、空压机等，一般设有现地自动控制装置。处理现地自动化与监控系统的关系时，应遵循现地自动化为主的原则，监控系统则通过开关量、模拟量的采集(无需通信)承担监视、后备控制的任务，一旦发生异常，则发出信号，并通过独立的信号采集进行紧急控制。

直流电源装置也应视为现地自动装置，监控系统只对直流系统和电源装置的工作状态进行监视，不参与控制。无需建立网络或串行通信联系。

2.4 事件记录与故障录波的考虑

事件记录与故障录波装置都是运行和事故分析的手段。事件记录一般集成在计算机监控系统中，但由于采样速度、内存等限制往往不能提供足以用来分析事故的波形;故障录波一般用在开关站，作为线路故障数据的采集和分析工具。

机组不必配置故障录波器，因为配置故障录波器会导致信号的重复采集，使二次回路和电缆布置复杂化，而且不可能收集太全的信号(有些设备的关键量、中间计算数据点无法提供接口)。将事故记录与故障录波功能分别由监控系统和具有快速交流采样功能的微机保护装置、微机励磁调节器、微机调速器等分担较为合理。这就要求微机保护装置、微机励磁调节器、微机调速器具有判别故障、存储、对时等功能。

2.5 信号返回屏的考虑

信号返回屏是电站实现集中监视和控制的重要人机交流界面，由于显示直观、清晰可靠，画面和各仪表、元件位置固定，对运行值班十分方便，尤其是事故情况下，运行人员对全站的状况一目了然，其作用是计算机屏幕不可替代的(采用大屏幕电视或投影替代也是不可取的)。信号返回屏宜考虑采用一些指针仪表，以反映系统的动态过程(例如系统振荡)。

2.6 工业电视、消防报警、保安、故障录波器及MIS的接入

鉴于监控系统在电站运行控制中的突出地位，其接入系统越少越好，信息交换量不大时，为了保证各个系统的安全运行，能采用I/O接入的决不采用通信连接。

对工业电视，由于图像信号数据量大，占用网络资源多，不应通过监控网传送，而应自成网络，在控制室设置工业电视专用CRT。但如果工业电视要实现图像自动联控切换功能，仍应以通信方式接入监控系统，通信链路上仅从监控系统单向传送用于图像自动联控切换的信息。而工业电视与电站管理信息系统(MIS)应联网，以便授权用户进行图像访问。

消防报警对运行监视十分重要，其数据量不大，因此接入监控系统比较合理。消防报警火情信号和保安监视信号可转送给工业电视系统，进行图像自动联控切换。

故障录波器为大容量数据采集和记录分析设备，数据的实时作用不强，离线分析的成分较多，应各自自成系统，并建立各自的中心分析站。从运行管理模式看，电站实现“无人值班”或“少人值守”后，控制室运行人员很少，而这两个系统的数据分析工作十分费时，专业性很强，不适合运行值班人员操作;如果两系统与 MIS系统联网，监控系统仅通过 I/O对其故障和动作等情况进行监视。专业技术人员通过MIS即可访问两系统，完成数据分析和远程管理功能。

为实现生产发电与电站管理相结合，MIS应与监控系统联网。由于MIS用户多，MIS上数据多种多样，为安全起见，两网之间除采取防火墙等隔离措施外，还应采用单向数据流(从监控系统流向MIS)，控制室设置专用MIS终端。

3 自动化系统的发展

水电站自动化系统由 I/O设备 (传感器和执行器 )、控制硬件、控制软件、人机接口及与信息系统的连接等组成。而水电站的自动化是从80年代初单个功能装置研制开始的，至今经历了一个复杂的发展过程。

3.1 功能分布式的星型分层监控系统

以单功能微机装置集成系统，每个微机装置具有特定的功能，但每个微机装置都具有不同功能，如有的微机装置专门采集开关量，有的微机装置专采集模拟量，有的微机装置专门进行控制操作。该系统在分布的方式上进行了一些有益的尝试，但从模式上看不算是很成熟的系统。

3.2 以设备单元分布的星型分层监控系统

为了检修维护的方便，以发电机组为单元，将数据采集与控制集成到一台微机或PLC装置中，构成了现地控制单元LCU。LCU无法直接接入以太网，而计算机非常昂贵，不能使每台LCU都配备CPU(中央处理器)接入以太网，只能将微机作为前置机。这时的系统采用专门的计算机，在应用网络上已跨出了一大步，但相应的国际标准还不完善，尚不能形成理想的开放系统环境。

3.3 基于开放系统的分布式监控系统

随着计算机技术和网络技术的发展，计算机应用软件越来越复杂和庞大，软件开发的投入也越来越大，如何使这些巨大的资源不仅在这一家公司制造的计算机上运行，而且也能在另一家公司制造的计算机上运行，这就形成了一系列的开放系统标准:TCP/IP、POSIX、SQL、ODBC、JDBC、OPC 等。基于开放系统的分布式计算机监控系统具有通用性和可移植性，监控系统的软件可以安装在任何具有开放系统特点的计算机上。开放系统为水电站计算机监控系统的发展提供了强大的历史舞台。

3.4 基于对象技术的分布式监控系统

计算机硬件技术发展迅速，给软件开发提供了广阔的平台。软件技术发展到现在除了遵循开放系统标准以外，还应遵循面向对象技术的标准，如:SUN公司的 Java RMI、Microsoft公司的COM/DCOM。水电站计算机监控系统由于面向对象的复杂性和多样性，基于面向对象的技术应用将水电站运行设备如发电机组、主变、开关等抽象为对象。从系统设计、编程语言选择到用户界面等一系列过程都依据面向对象的理念、原则和技术，这样工作的结果将给用户带来使用和维护上的极大方便。

4 水电站“无人值班”或“少人值守”的技术条件

无人值班相对于有人值班而言就是要让自动化系统来完成值班人员日常的工作，包括定时巡视运行设备，记录各设备有关参数和相关事件，按操作票形式进行设备的正常操作，发生事故或故障时，进行反事故处理，采取有效措施，防止事故扩大等工作。实现比有人值班更迅速、更可靠、更安全的运行方式。虽然自动化系统具有一定的反事故处理能力，在局部范围内起到防止事故扩大的特点，但是事故或故障的出现原因是非常复杂的，少数可以通过一定的处理恢复，但大多数是无法迅速恢复，并需要检修维护人员及时前往现场认真分析处理。因此，水电站“无人值班”或“少人值守”必须具备几个重要的技术条件。

4.1 具有计算机监控系统

计算机监控系统是实现“无人值班”或“少人值守”的一个非常重要的系统。它具有采用水电站的机组、辅机、油水风系统、主变、开关站、公用设备、站用电系统以及各种闸门等的电气量、开入量、温度量、压力、液位、流量等输入信号，完成各种生产流程，如开停机、分合开关等顺序控制，机组有功功率和无功功率的调节，AGC、AVC，以及其他设备的操作控制。同时监控系统还具有丰富的人机界面，防误操作的措施和一定的反事故处理能力。

4.2 具有远程控制、调节功能

监控系统不仅具有现地的各种监视、操作和控制功能，而且要具有能与远方控制系统通信能力，上送有关信息，接收远方控制系统的命令来实现远程控制和调节。

4.3 具有 ON－CALL功能

现场运行的设备一旦出现事故或故障时，就需要维护人员立即前往现场，了解事故或故障现象，分析事故或故障原因，及时排除事故或故障。如何使维护人员甚至领导能及时、准确、详细的掌握事故或故障信息，这就是无人值班水电站计算机监控系统必须具备的功能:ON－CALL功能，可以通过电话、呼机或手机发布呼叫信息或手机短信息。

因此，水电站通过开发自动化系统，能够提高设备的整体健康水平，保证设备的安全稳定运行，为“无人值班”或“少人值守”奠定基础。

5 结语

水电站采用自动化系统后不仅提高水电站运行的经济性和工作的可靠性、保证电能质量;而且提高劳动生产率、改善劳动条件和减少运行人员，从而提高电站运行的效益。在自动化设计中，要注意计算机监控系统的一些技术问题，如监控系统电源采用交流+UPS供电方式较好，协调好监控系统和现地自动控制回路装置，考虑事件记录与故障录波，信号返回屏等。采用水电站“无人值班”或“少人值守”工作方式，比有人值班更迅速、更可靠、更安全。因此，计算机监控系统是一个客户化程度很高的自动控制系统，是实现水电站“无人值班”或“少人值守”的重要条件。处理好计算机监控系统和水电站之间的关系，以及监控系统应用方面的技术问题，能使水电站更加经济、安全、可靠的运行。让水电站自动化系统在越来越多的水利枢纽工程中得到更广泛的应用，发挥更大的作用。

［1］水电自动化与大坝观测.2002.

TV736

B

1004－1184(2012)05－0185－03

2012－06－20

董鹏(1982－)，男，陕西榆林人，助理工程师，主要从事水利电气工程设计方面工作。