数字化在水电站运行管理中的应用

赵光宇

（山西水投汾河水务有限公司，山西 太原030006）

1 工程概况

山西省汾河水库水电站位于山西省太原市娄烦县下石家庄村北，是依托于汾河水库的坝后引水式水电站[1]，总装机容量13 000 kW，现有2台6 500 kW的立式混流水轮发电机组。汾河水库水电站于2014～2016年完成增效扩容改造，在技改方案设计过程中非常重视数字化自动化技术的应用，通过数字化管理和自动化控制，让该水电站现代化程度和发电效率大大提高，增效幅度超过25%。

2 数字化机组运行监控系统方案

汾河水库水电站将运行情况转化成数字信号通过高速以太网传输到控制机组LCU和公用LCU上，再通过LCU上编定好的程序自动控制机组和各辅助设备、继电保护装置的动作。该水电站将机组自动化运行体系划分为3层：站控层、单元层和过程层[2，3]。同时，按照不同功能或区域要求对分布式子系统或IED进行配置，各子系统或IED之间具备实现层深次数据共享和互操作的能力[2]。机组数字化运行系统如图1所示，图中箭头表示信息传导方向，实线方框表示数字化模块，虚线方框表示厂外单元。

该系统设有2个操作员工作站，互为备用，互为冗余[4，5]，1个工程师站，3台计算机配置如下：CPU为 Intel Xeon E5530，主频 2.40 MHz，内存 6 GB，硬盘SATA 500 GB，2个100 M以太网接口，标准键盘和鼠标。2台操作员工作站计算机均安装有厂级中控系统，可以实现现地数据采集和机组的操作控制的功能。工程师站计算机可以实现厂级中控系统的维护和培训任务。

图1 机组数字化运行系统图

2.1 实现水轮发电机组自动控制

机组控制系统可以实现水轮发电机组自动控制主要包括蝶阀自动开闭、导叶开度自动调节、自动并网和解列、跟踪电网情况和水头水压动态调整有功和无功。自动并网，能够最大幅度的降低并网对机组和电网的冲击，提高运行的安全性和电能的质量。自动解列可根据后台命令和事故信号自动降低机组负荷，以最安全和最迅速的方式解列停机，实现操作人员的意图，并最大限度保护机组。动态调整有功无功主要是实时跟踪电网的电压、频率和电站的水头水压等实际情况，通过导叶和励磁系统的动态调整来实现，能够保证机组时刻处于经济高效区运行，降低能耗和水耗，提高机组运行的经济性。水电站技改后，平均每度电水耗由10.3 m3降低到7.7 m3，增效明显。

2.2 实现水轮发电机组及电气系统监控和保护

汾河水库水电站实现了对各部门油位、温度、振动量、各回路电压电流、冷却系统和润滑系统的运行监视，能够直观的了解各部位的情况变化，对机组的安全稳定运行有着非常巨大的作用，可以大大减轻工作人员现场巡回检查的工作强度，尽可能减少工作人员暴露在噪声和电磁辐射环境下的时间，保护工作人员身体健康。

水力监视测量内容包括：上、下游水位监测，拦污栅前后压差、水轮机工作水头、轴功率、蜗壳进口压力、尾水管进口真空、技术供水压力、示流、温度、机组效率等。本次对进水池和尾水渠的各一套液位计全部更换为超声波液位传感器。技改后的电站水力监视测量系统与电站自动化设计相结合，选取与自动化相配套的智能性设备，除在现场显示外，还接入厂级计算机中控系统。

机组及电气设备保护系统通过对电站各部位定量数字化信号的分析比对，能够很快的发现问题和事故隐患，然后反馈异常信号，触发继电保护装置，动作一次设备，保护设备和电网的安全。

2.3 信息数据采集存储系统

该系统依托于机组数字化自动化运行监控系统的数据，分时段采样并记录，确保机组运行时间全覆盖，并保证记录的准确性。该系统还可以对数据进行横向和纵向比较，可以回顾性地判断系统运行状况，方便从过去的运行数据中发现隐患和需要修正的地方，能够使机组设备更加经济稳定安全的运行。

3 数字化日常管理方案

水电站日常管理主要包括厂区高清视频监控、进出厂区车辆人员跟踪系统、“三票”数字化管理、备品备件仓库数字化管理系统、工作人员数字化识别管理等5大日常生产管理系统，让生产管理更加精细化和智能化，日常数字化管理功能和构成如图2所示，图中箭头表示信息传导方向，实线方框表示功能模块，无方框文字表示终端设备。

图2 数字化日常管理系统构成图

3.1 厂区高清视频监控系统

视频系统主要增加布置在电站及其变电站等处，共增设摄像头10个。视频系统充分利用图像通信系统压缩编解码技术，将动态图像编码成数字信号，以利于通信传输通道的传输。

中控室设视频主机，可以随时查看和调用任一摄像头的图象，能灵活地控制云台的转动和摄像头调焦与动作。当监控终端出现告警时，可按预定程序进行告警联动；告警后可自动启动录像机，对告警现场进行实时录象，中心对已发生的告警、录音、操作员的动作均有历史记录，可查询和实时打印，记录时间可达15 d，在厂区安全防护和事故后分析方面起着重要的作用。

3.2 进出场车辆人员跟踪系统

水电站在厂区进出口装设有云台摄像头，具备移动侦测功能，与视频监控系统配合使用，可以准确记录进入生产厂区的人员车辆的活动轨迹和所有行为，特别是在安全防护和防盗方面，让不法分子和破坏活动无所遁形。

3.3 “三票”数字化管理系统

汾河水库水电站自主研发的操作票、第一种工作票、第二种工作票数字化管理系统，集成了水电站绝大部分操作和工作的步骤和顺序，在需要填写操作票和工作票时，只要输入操作任务名称就可以找到常规的操作票和工作票范本，只要根据现场实际情况稍加修改和完善即可，极大的方便了“两票”的填写，且能最大程度地减少由于个人疏忽和遗忘出现的“两票”填写错误，进而保证操作和工作的正确性和准确性，杜绝事故的发生。

3.4 备品备件仓库数字化管理系统

汾河水库水电站自主设计制作了一整套仓库备品备件数字化管理系统，只要在表中填入出库或入库数据，仓储量将随之改变。录入维修养护消耗量，可以自动生成需要采购的物品清单，以确保维修养护计划正常实施。该系统一改以前仓库管理需要的盘点和繁琐的计数工作，使备品备件管理变得简单易行，而且可以随时查看仓储情况，有效减少库存，减少仓库物资对资金的占用。

3.5 操作人员数字化识别管理

操作人员数字化识别管理依托于厂级中控系统，水电站为所有工作人员在厂级中控系统中注册用户名和密码，并排定交接班班次和时间安排，所有值班的工作人员必须在规定的时间段输入自己的用户名和密码进行电子交接班，而且接班人员必须与系统中排定的交接班人员一致，才能成功交接班，超出规定时间段和错误的人员信息都无法实现交接班。接班后，所有对机组运行状态改变的操作都必须输入与当值人员信息一致的用户名和密码才能实现操作。该系统的优点是极大地减少了误操作的机率，保证了操作的安全性和可靠性。该系统与日常管理分属两个控制计算机，因此未在图2中标示。

3.6 厂区范围内语音播报系统

汾河水库水电站厂区范围内语音播报系统主要包括机组运行故障语音警报、直流电池系统故障语音警报、公用LCU屏故障警报、全厂范围内的消防警报、全厂范围内的语音广播，是机组运行监控系统、直流系统、消防系统中语音播报功能的总和。该系统与日常管理分属不同控制终端，因此未在图2中显示。机组运行故障语音警报、直流电池系统故障语音警报、公用LCU屏故障警报让工作人员在中控室可以第一时间知道系统故障情况并采取紧急维护措施，防止故障扩大，引起更加严重的后果。消防警报遍布整个厂房，声音穿透每个角落，可以让所有在厂员工以最快的速度确认火情，采取措施，减少或阻止损失。语音广播系统可以让中控室值班人员将其掌握的任何信息以最快的速度传播到厂房内的每一个人，特别是在抢险活动中作用巨大。

4 数字化消防管理方案

水电站数字化消防管理主要包括火情监测、系统联动、语音广播3部分，采用总线制集中控制，集中控制主机布置在中控室，24 h值班。由于机组运行时温度最高可达120℃，不适用湿式自动喷淋灭火（该方式适用温度范围4℃～70℃），所以机组和电气设备视火情严重程度，主要靠二氧化碳灭火器和消防栓喷水灭火。图3是站内数字化消防管理系统的功能和结构。

图3 数字化消防管理系统图

4.1 火情监测

汾河水库水电站通过增加“眼睛”贯通“神经”装备“大脑”的消防网络体系将电站厂房监控得无一死角。“眼睛”是温感和烟感探测器和水流探测器，“神经”是信号传输的网络和线路，“大脑”是消防中心控制器，装备着一套先进且功能强大的消防监控系统。通过消防数字化监控系统，工作人员能第一时间发现火情，及时采取措施。

4.2 联动系统

消防中心控制器监测到火情后，可以设定为直接联动系统动作，也可设定为人工判断后联动系统，人工判断时间可设定为30 s～5 min。一旦火情确认，该系统能够迅速联动机组LCU快速停机解列，联动公用LCU切断站内主电源，并切换消防备用电源，并且在机组停机和切断主电源之间设有电子闭锁；联动启动排烟风机和消防水泵，把火灾的隐患和危害降到最低，最大限度地保证设备和人员的安全。

5 结束语

综上所述，汾河水库水电站将数字化积极地运用到电站的设备运行和日常管理的各个方面，效果显著，不仅提高了机组运行的经济性和效能，更规范了水电站的管理，人员权责界定清楚，数据、记录管理规范到位，备品备件的数量明晰、总量大幅减少，事故隐患容易被发现，事故发生时能够施以正确的处置措施，安全边界大大提高。数字化让水电站的管理更加精准、经济和轻松。