浅谈小型水电站无人值守运行模式

董彩宏，杨建伟，岳伟志，刘德利

(石家庄科林电气股份有限公司, 河北 石家庄 050061)



浅谈小型水电站无人值守运行模式

董彩宏，杨建伟，岳伟志，刘德利

(石家庄科林电气股份有限公司, 河北 石家庄 050061)

摘要：针对目前部分水电站无法实现远端集中控制、水电站数据无法在线实时传输到上级调度控制中心等方面存在的问题，提出了实现水电站自动化、远端集中化的建设性方案，该方案可以提高系统运行的稳定性、安全性、可靠性。图1幅。

关键词：小水电站；自动化；远端集中控制；无人值守

0引言

由于我国小型水电站数量众多且大多地处偏僻，交通十分不便，给其上级主管单位的管理带来许多困难，而且现行的运行管理模式也造成运行管理费用比较高。但如果将自动化技术中的远端集中控制及无人值守的运行方式应用在小型水电站上，则可以大大降低运行成本，推动和促进水电站运行管理体制的改革。

远端集中控制，就是对水电站的一切控制(如机组启动、停机、工况转换、有功及无功调整、运行监视及设备操作等)都是在距离水电站较远的控制中心完成，在水电站内不实施操作。

无人值守，是指水电站内无值守人员，厂房内无值班人员，水电站完全封闭，对水电站的一切控制都是由上级调度控制中心值班人员或由自动装置实施，并通过电站内的监控系统自动完成；而其巡检、清扫、维护均由上级调度控制中心定期派人员完成。

远端集中控制是实现无人值守的基础，无人值守是远动控制实施的目的。

1自动化技术实现无人值班的意义

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。小型水电站自动化的作用主要表现在以下几个方面：

1.1提高小型水电站运行的可靠性

小型水电站大多存在运行维护人员专业水平不理想的现实情况，造成水电站运行可靠性较低，设备隐患不能及时发现，误操作较多，电站利用率下降。水电站实现自动化及完全无人值班后，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(如开停机操作和并网)，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。

1.2提高小型水电站运行的经济性

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，水电站通常是水利资源综合利用的一部分，要兼顾电力系统、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。实行自动化以后，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。

1.3保证电能质量

电力产品中电压和频率是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。小型水电站经常脱网运行，这种情况下，提高电能质量，保证用发电设备及农村用电设备安全就显得尤为重要。

2技术关键

2.1水电站站内自动化

(1)水工建筑物。对于水工建筑物部分，其进水口闸门须设置冗余控制，既可实现站内手动及监控系统自动控制开关，也可以由远端控制中心控制开关。

(2)水力机械及辅助设备。对于在发生后将产生灾难性后果的事故(如飞车、调速器低油压紧急停机、冷却水失去等)，必须设置多级或多重保护措施；对于在发生后短期内不会造成严重后果的事故，必须发出告警信号通知站内及远端控制中心，并可以就地及监控系统控制。

(3)机电。电气设备的自动倒闸操作、监控系统开停机操作等，其闭锁装置及条件必须更加严密，防止误动。

(4)消防。全站要装设自动烟火报警装置，信号同时作用于站内及远端控制中心，并由监控系统自动控制启动消防设施。

(5)操作机构。对于以上各项保护，要根据实际需要，将操作机构设置冗余，防止拒动情况导致事故的发生或扩大。

(6)其他。为防止压力钢管、技术供水干管、消防供水干管破裂后导致水淹厂房，相应要装设预警装置，同时应自动快速关闭闸门或电动阀门，并由上级调度中心远方控制关闭。集水井排水能力要适当加大，站内要有足够的防水及告警措施。对于无人值守电站还必须设置防盗窃监视系统，其音像信号直接作用于远端控制中心，并由远端控制中心开启站内音响警报，并召唤安全保卫人员赶赴现场进行处理。还必须设置防生物措施，以防由于动物进入站内或植物生长而导致事故发生，并由防盗窃监视系统予以辅助监视，巡检人员要定期进行检查和维护。

2.2自动控制过程中保持机组状态稳定

随着自动化元件的技术不断提高，而且自动化元件大量应用于水电站中，小型水电站内自控功能基本都能实现。但是，小型水电站受系统影响较大，而且多台机组运行会出现不稳定状况，所以在自动控制过程中应保持机组状态稳定。

2.2.1 一键开机停机过程中保持功率因数恒定

在一键开机和一键停机的过程当中，都有一个机组有功功率和无功功率比较大的波动过程。以一键停机的过程为例，在中控下达停机令以后，机组开始减少有功出力和无功出力，而有功出力和无功出力的大小是通过PLC控制继电器的闭合来实现的。对于不同的机组、不同的励磁控制器调节励磁和水轮机导叶的继电器，闭合相同的时间有功和无功的变化量是不同的。这样问题就出来了，当一个机组开始减有功和无功的时候，有功降低得非常快，但是无功功率降低得非常缓慢；而PLC程序判定无功功率没有达到设定值的时候还不会发出跳断路器命令而是继续降低有功无功，严重情况下机组已经低频了但是无功还很高；如果电站装有低频保护装置的时候，则低频保护动作；这样正常的停机过程就变成了事故跳闸过程。针对于这个问题，提出了停机过程中保持功率因数恒定的思想。在PLC程序中给定停机跳断路器的时候有功和无功功率的值，并计算出功率因数；用计算出的功率因数分别乘以上下限系数，得到一个功率因数的上下限。当一键停机指令下达以后，PLC实时采集有功和无功功率的实际值并计算功率因数，当计算得到的实际功率因数低于设定的功率因数下限的时候，则闭锁减有功继电器的动作；当功率因数高于设定功率因数的上限的时候，则闭锁减少无功继电器的动作；当功率因数在设定的上下限范围内的时候则不闭锁任何继电器。这样，在整个停机的过程当中，可以维持功率因数的恒定。当有功和无功功率降低到设定值以后，自动跳开断路器，解决了停机引起事故跳闸的问题。在一键开机的过程中，同样按照上面的方法判定。

2.2.2机组发电过程中维持机组有功无功的稳定措施

在机组运行的过程中，特别是多个机组并网运行而机组参数不一样的时候，会发生机组间无功不平衡的现象，有的机组无功功率不断增大而有的机组则不断减小，久之则发生跳闸事故。基于这个问题，提出如下解决方案：

在机组稳定运行之前，在PLC内部设定有功功率和无功功率的值，并计算出功率因数。将有功功率和无功功率分别乘以各自的上下限系数，当低于下限值的时候，则增大出力，当高于上限值的时候则减小出力。调节的过程保持功率因数的平衡(保持方法见一键开机停机过程)。这样机组运行起来以后，形成闭环的调节，保持了机组稳定状态。

2.3可靠的通讯系统

整个机组系统具有强大的通讯网络，能够迅速稳定的将全站的信息传输到计算机监控系统，传输的信息包括机组遥测、遥信、告警、SOE等。计算机监控系统结合强大的数据库功能将采集到的数据形成报表、曲线、记录等记录文件，能够向用户准确的反映全站的实时信息和全站的历史信息，真正的实现全站无人值班的要求(见图1)。

图1电站通信系统示意

如图1所示，对于执行标准通讯协议的仪表或者智能设备，PLC采用与之相同的协议进行通讯，完成对智能仪表的数据采集。对于采用非标准或者自由协议的设备，PLC则可以通过自由口通讯技术与之进行通讯。通过PLC强大的数据采集功能，实现了各种智能仪表数据的上传。PLC采集到数据以后，通过PLC内的逻辑程序和计算机监控系统进行通讯，计算机监控系统和PLC通讯过程中严格按照PLC对上所能支持的协议进行通讯。例如，西门子S7—200系列PLC可以按照Modbus协议对计算机监控系统进行数据的上传，而欧姆龙的CJ—2M系列PLC则可以通过FINS协议和计算监控系统进行数据的交互。计算机监控系统内集成了各大知名厂商的通讯协议，能够和多款PLC进行完美对接。对于市场不常见的PLC，则可以充分发挥计算机监控系统的可拓展性，在其内部进行协议的添加。

PLC向计算机监控系统上传数据可以通过星形或者环网进行稳定传输，对于通讯距离比较远的项目还可以采用光纤网络传输。PLC也可以通过总线的方式向监控系统传输数据，因为以串口通讯方式向计算机监控系统传输数据的PLC，由于计算机的串口数量一般有限，故此，我们在系统中添加了串口服务器，将多个虚拟的串口添加到计算机中，从而完成串口通讯。

2.4可靠的远端监控系统

小型水电站无人值守自动化系统以远端计算机监控系统为核心，通过应用到全站的自动微机保护装置、自动微机励磁装置、自动微机调速装置以及其他自动化元器件来完成对小型水电站的机组以及其他公用辅助设备的自动启动、停止的控制和监视，还有对负荷的调节和分配乃至整个输电线路运行的自动控制。完善、可靠的计算机监控系统能有效地完成对机组和主设备的各项操作和控制，提高电站的运行管理水平。计算机监控系统采用的是冗余设计的双网配置，也就是将上位机和下位机采用双以太网系统和双现场总线网配置，运行中能自动切换，保证机组安全可靠运行。

概括起来，计算机监控系统有以下几点要求：对计算机监控系统中的所有模拟量、数字量等输入量要进行快速巡查，具有越限报警以及事情顺序记录等功能；要能够对机组的起、停和各种工况的转换过程进行控制，监视以及操作；可以对机组的有功功率和电压进行调节；电站的机组、变压器、开关等各种设备产生异常情况时要能够迅速将信息传递到控制中心并自动报警，同时也要能够事故停机；要能够自动平稳切换以及让管理人员能够方便快捷地与计算机联系，通过与控制中心计算机系统的协作来实现遥控、遥调、遥信、遥测、遥视等五大功能。

3结语

总之，小型水电站实现无人值班运行模式后不仅提高了水电站运行的经济性和工作的可靠性，保证了电能质量；而且提高了劳动生产率，改善了劳动条件，从而提高了电站运行的效益。随着国家能源结构的调整，水资源开发利用程度的加大，水电站无人值班运行模式将是一种发展趋势。

参考文献：

[1]郑曲全．浅谈水电站自动化技术及其应用[J]．大众科技，2008(5)：131_132.

[2]黄祚继，黄忠赤，马浩．水利工程自动化现状与适应技术分析研究[J]．水利建设与管理，2012(10)：53_55．

[3]熊霁．自动化设备在水电站中的实际应用[J]．技术与市场，2011，18(6)：50_51．

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责任编辑吴昊

作者简介：董彩宏(1966-)，女，工程师，主要从事水电站自动化系统的研究工作。

收稿日期：2016-01-05

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