笋塔水库两级水电站自动化系统建设探究

潘渊峰

(福建省南安市笋塔水库管理处，福建 南安 362300)

1 电站概况

笋塔水库有二个梯级水电站，一级电站位于水库坝后左侧，由水库供水，设计水头19m；二级电站位于一级电站下游约2km的罗溪右岸，引用一级电站尾水发电，压力前池为倚地形开挖的一个不规则蓄水池，压力管道长约66m，发电水头32m。

一级电站总装机容量2*250kW，两台进水碟阀型号为D941—6 DN800，两台水轮机型号均为HLA551C-WJ-50、调速器为Tc型弹簧储能操作器，两台发电机型号都为SFW250-8/850、出口电压400V，励磁机型号JL—55、额定励磁电压88V、额定励磁电流5A、三相桥式整流输出额定电压43V额定电流165A，1台主变型号为S11-630/10.5±2*0.25%/0.4，1台高压柱上断路器型号ZW32—12/TS630—20，跌落式熔断器型号为RW3—10/200A。有4G(5G)移动网络信号。

二级电级总装机容量2*320KW，进水电动闸阀2台型号均为Z945T-10 DN600，水轮机2台型号HLA551-WJ-43、调速器为Tc型弹簧储能操作器，发电机2台型号SFWJ320-6/850、出口电压400V，励磁机型号JL—55、额定励磁电压57V、额定励磁电流4.5A、三相桥式整流输出额定电压36V额定电流162A ，主变1台型号为：S11-800/10.5±2*0.25%/0.4，高压柱上断路器1台型号为ZW32-12/TS630—20，跌落式熔断器型号为RW3—10/200A。有4G(5G)移动网络信号。

2 建设的必要性

自动化系统各项控制过程无须人工操作,其能解决一系列问题：

①机组开、停机及并网后的负荷调节可减少人工操作，调节时间缩短、准确度提高，水量损失减少、避免误操作。②当突发线路故障或其它原因导致机组突然甩负荷时，可避免人工来不及关机使机组飞逸，减小对机组冲击引起机械损坏，同时避免高电压引起绝缘损坏，而造成事故。③系统具有较强的智能性、自控性、互动性；能提供设备故障诊断和提前预警，达到快速抢修，避免故障延伸升级，减少维修费用；优化运行水平，降低电站不正常工作状态，减少手动控制产生的疏漏或误操作造成设备损坏或事故的概率，提高运行的可靠性、安全性。④提高频率和电压偏差的调节精度，改善电能质量。⑤能根据水库或前池水位按电站优化运行方案给机组分配有功和无功功率任务，或设置主/从机根据不同水量选择开启不同机组，使机组始终运行在高水位高效率区；可使二级电站机组根据前池水位运行，尽量避免上游水位过低机组效率下降或来水过多产生弃水。⑥对峰谷期不同电价、无功电量不足反扣电费的情况，能灵活设定分时段定时发电，自动调节无功功率因数，实现发电效益最大化。⑦有关专家可通过远程实时查看设备运行状态，及时排除故障，提高维修时效性。

总之，自动化系统既能减轻运行人员的劳动强度，又能减少故障、节省大量的维修费用、延长设备使用寿命，甚至可减少运行人员数，降低发电成本，提高发电效益，增强电站的社会竞争力；因此其建设非常必要。

3 建设原则

1)从实际情况出发，既要功能完善、技术先进又要经济合理。技术上按国家相关标准、规范设计；经济上既要考虑系统运行后的经济收益，又要考虑系统自身价格及实施现场特殊要求所需的费用、售后服务费用等，不能采用中型电站高水准的配置。

2)实现少人值班、无人值班的目标：采用多功能为一体的综合自动化系统实现各电站生产过程的控制、保护、测量、远动等功能，减少运行人员的劳动强度。

3)系统采用分层分布、开放式结构：其硬件、软件采用模块化、结构化设计，实现硬件通用、功能模块能带电拨插即插即用，并留有一定的备用和可扩充容量，便于设备的扩充、系统规模的扩大和功能的增加。

4)系统各个层级各个功能模块保持相对独立，不允许单个故障范围扩大，局部故障不影响系统的正常运行。其采用模块化结构，设备自检到板、卡；出现故障，用户更换相应模块即可[2]。

5)其通信网络要有合理的带宽、数据传输能力要强，结构要简单、安全可靠。

6)系统设备配置、选型要保证整个电站运行可靠、安全稳定，电能质量达到上网要求。

7)人机交互直观、操作简单。

8)系统要达到一定的正常运行年限，有较长的使用寿命。

4 自动化系统的结构、功能、工作原理、操作特点

系统主要由现地控制层、网络层、站控层、远程监控端4个部分组成。对机组控制权限，手动高于自动；现地控制层高于站控层，站控层高于远程监控端。按电站工作需要，可设置、修改控制权限；按权限层次实现操作闭锁，同一时间只允许一个高权限者操作；事故停机、自动装置保护动作的断路器跳闸命令不因权限设置而闭锁，具有最高的优先权。系统对所有操作进行逻辑检查和校核(如断路器的合闸操作必经检同期)，有误的操作被禁止并报警，使操作正确率达100%；对任何自动、受动操作都记录储存。

4.1 现地控制层

现地控制层主要由采集各种项目数据的专项传感器(如水位、温度传感器等)、低压机组一体化自动控制屏(LCU)、手动控制柜等组成。笋塔水库两级水电站自动化系统组成图见图1。

图1 笋塔水库两级水电站自动化系统组成图

一体化屏将一次设备、二次设备、水轮机控制、智能通讯设备等安装在同一屏内；屏内强电、弱电严格隔离，排列有序；强弱电各种电气量经小PT、小CT隔离，开入开出量、通信口经光电隔离，有较强的抗电磁干扰能力；其集控制保护低压水轮发电机组安全生产所需的功能、通讯功能于一体。其一次设备有隔离刀闸、万能式空气断路器等；二次设备有电流互感器、测量装置、及以PLC为基础元件的自动智能控制装置和智能I/O综合保护控制装置、微机调速装置、微机励磁控制器、自动准同期装置、控制执行设备(如用于自动控制断路器合闸与跳闸等的各类出口继电器)、彩色液晶触摸屏等组成。两级电站每台水轮发电机组各采用一屏，型号相同、规格按机组额定容量选取。其可独立地对被控水轮机、发电机、进水闸阀、机组附属设备、电气一次设备等进行生产过程的监测和操控[3]。

手动控制柜安装在一体化屏旁边，当一体化屏故障时，操作切换装置将其退出启用手动控制柜，边发电边维修。手动控制柜由手动操作开关、常规仪表、手动同期并网装置、励磁调节器、智能综合保护器等组成，其由人工操作能完成所属机组的开机、同期并网、有功无功功率调节、实现其发电运行所需的继电保护功能、紧急关机和正常停机。

各现地控制层一体化屏、站控层计算机通过以太网络相连接，交换信息。当站控层计算机退出运行，现地控制层不受其影响可以独立运行。

现地控制层一体化屏的主要功能有：

1)数据采集和处理：实时采集机组运行过程中的有关电气量(如发电机和母线三相电压、电流、频率、有功功率、cosψ、励磁电流等)、模拟量(如前池水位、流量、水轮机轴承温度、发电机定子铁芯及空气冷却器风温、尾水管真空度等)、开关量(如断路器和隔离刀闸状态、保护动作信号、报警信号等)及其它项目数据，对采集的数据进行分析、处理、计算，自动编码打包、分别存入数据库，并在显示屏或相关仪表上显示；同时对采集的数据进行越限、复限、状态检查，记录保存检查结果，超限时报警并按要求动作于跳闸停机。对中断输入立即记下时标，存入现地数据库；根据开关量输入变位性质进行逻辑处理(如报警等)。运行人员据此可明了地监视机组的运行情况、操作动态和报警状况。

2)逻辑控制：①自动开机，当水库、前池水位及时间符合设定条件，自动打开进水闸、冷却水闸、水机调速器，实现开机。②自动并网，通过分别检测电网、发电机侧的电压、频率、相位，根据偏差量快速调节，当这三项符合并网要求时，自动并网。③自动调整发电功率及功率因数，根据水位变化通过调速器自动调整发电功率；智能微机励磁控制器自动调节励磁电流，达到恒功率因数。④自动关机，当一级电站符合设定关机时间或二级电站水位下降到设定关机条件时，各自自动关闭调速器减少功率、并减少励磁电流、减至空载断开空气断路器、关机。⑤自动开关水闸阀，停机后达设定的时间自动关闭冷却水、进水闸。⑥防止飞车，当发电机组或电网故障，智能保护装置动作，断路器直接断开，发出紧急关机指令，系统进行灭磁、关闭调速器、停机；故障解除，符合设定开机条件时自动开机。

3)保护功能：发电机容量都小400kW，其保护比较简单只设置：过载保护、过流保护、短路保护、过压保护、低压保护、高频保护、低频保护、失磁保护、掉电保护。还有当发生冷却水阻塞不通、润滑油油位低、机组温度过高、机组或引水压力钢管振动度过大的某种现象，都会发出相应的报警信息。2个电站在变压器高压侧均选择安装跌落式开关和户外断路器。利用跌落式开关为检修提供高压侧明显的断开点；由于机组容量小，其高压熔断丝可作为变压器过电流及短路电流的保护；跌落式开关一般情况下不允许带负荷操作，可作为空载变压器的投、切操作之用；高压断路器经设置可用于分、合负荷电流、过载电流及短路电流。发电机出口断路器经设定可用于低电压、过电流、短路保护。

4)人机接口：液晶显示屏能显示机组主要参数、状态、报警信息，可输入控制和负荷调节指令，可设置和修正有关设备的参数。

5)自诊断及自恢复：当硬件或软件故障时能自诊断、产生报警信息，对某些异常情况进行自恢复或冗余部件切换处理。当系统某单元发生故障或错误时，能正确地判断出故障内容，并检测、指出故障设备、故障插板，以便迅速排除。

6)通信功能：其配置以太网接口和多个串行接口，具有与上位机或其它智能设备通信的功能，实现将采集到的设备运行数据、状态信息向网络传输，接收站控层、远程监控端的管理操作指令。

4.2 网络层

根椐实际情况，各电站应建设一套由机组监控子系统、 图像视频子系统、厂内通信子系统等组成的1000M级工业以太网，不同子系统、不同类型的数据接入网络交换机不同的接口(光口、电口、网口)，然后由网络交换机分配数据。

各电站每台一体化屏LCU、图像视频子系统等设备以星形方式和本站控层计算机通过1000M网络交换机连接成工业以太网，网络介质是光纤。 LCU 的PCL与其他设备以串口方式通讯，网络协议为TCP/IP。某台一体化屏LCU或图像视频子系统或其它某一设备故障，其自动从网络上退出，不影响网络上其它节点的正常工作。

网络层主要功能是将各台一体化屏LCU、图像视频子系统等设备的数据信息全部上传给站控层计算机，并下传站控计算机的监控指令，与相关设备通讯，实现站控层、远程监控对现地单元设备的控制、调节操作及监视等。

考虑到二个电站之间整个监控系统架设专线的路程远点、费用较高、又受环境影响较大易损坏，维修不方便；于是各个电站内部架设专网，两个电站间及远程监控端的通讯采用电信或移动公网。

4.3 站控层

设在各电站控制室，由计算机、三合一黑白打字复印扫描机、时钟同步装置、语音报警装置、通讯设备等组成；其主要通讯配置有交换机、数据传输模块包括4G(5G)移动通信模块、防火墙、网络检测加密隔离装置、光传输设备等。

其协调和管理本站各现地控制层、图像视频子系统、通信子系统的工作，对本站生产过程有关数据进行收集、处理、储存；实时准确有效地对本站运行设备进行全方位的安全监视、控制。运行人员可通过人机接口对各台一体化屏LCU、图像视频子系统等设备下达监控命令、输出有控制权的操作指令。通过输入密码可对数据库和画面在线修改，可对一体化自动控制屏设定、修正保护限值，设置监控状态、事故处理和恢复操作指导。

其可对机组运行进行事故追忆(对事故前后一段时间内的数据、状态采样按序记录，可进行回放、打印，通过分析、比较，判断保护动作是否正确)、统计分析(对主要设备动作次数、运行时间、故障和事故进行载录建立档案；对全站运行日志和各种生产报表、操作及事件一览表等能定期召唤按时序打印)、实施高效的生产管理。

GPS或北斗时钟授时系统，其输出SNTP协议给监控系统校时，以保证系统时间的统一，满足系统要求。

站控层通过4G(5G)移动通信模块经移动无线通信网络实现站控层与远程监控端的数据交互。一将站控层监测数据、报警信息通过4G(5G)通信模块经移动无线网络发送到远程监控端的通信模块，二将远程监控端的控制、操作等命令传输给站控层；实现站控层与远程监控端的数据交互。

为防止系统受木马、病毒攻击，造成系统误动作或瘫痪，应安装防火墙等网络安全装置。

4.4 自动化监控系统软件

本系统软件设计应做到：①采用模块化、结构化设计，确保今后系统功能的增加及规模扩充的需要，同时尽可能地保护现有的设备资源。②其硬件设备的选型、配置要符合技术发展的特点和步伐，主控制软件和各个设备之间的通讯能很好地兼容，实现系统中良好的联动通信和数据传输。③当系统出现故障时，具备多种冗余措施继续进行监控，并能迅速查明故障原因和故障点。④实时性要好、抗干扰性要强。⑤按运行人员操作习惯设计，采用功能较强全汉化界面的人机接口。

监控系统软件由计算机系统软件、支持软件、工具软件和应用软件等组成。系统软件包括操作系统、数据库管理系统、网络软件等；它管理和控制计算机软硬件及外部设备等所有资源，提供其它软件与系统资源的接口，是其它软件的运行环境，方便用户使用计算机。操作系统选用易用、易构置、低成本(包括维护)的win10。支持软件有VS中文版软件、3D图形软件、PLC编程软件等；工具软件有系统管理软件、周期数据综合计算软件，报表生成转换工具、图形开发、数据库开发调试、程序维护诊断等软件；应用软件是为实现监控系统所有功能而开发的专业软件(如机组运行工况统计、定时任务管理、故障自诊断隔离和恢复、事故追忆等软件)的总称；其采用组态软件，能减少系统编程的工作量，它能较好地与其它软件共存实现各种数据的共享，实现数据采集和优化综合管理全站控制设备使之协调动作。这些软件共同管理控制了整个水电站资源，实现人机交流、实时数据采集管理、安全监视、数据发送接收校验通讯管理、机组开停顺序控制、运行调节、故障诊断恢复、参数统计计算、数据库管理等功能。

性能主要要求：①要严格限定监控系统数据采集时间、控制单元向各个设备发出控制指令传输和执行的时间，控制命令的传输时间要控制在 0.5s 以内，设备要在第一时间对接收到的具体控制指令做出相应的动作，其响应时间控制在 0.3s 以内。②监控系统设备可利用率≥99.9%。③正常情况下，任意30分种内计算机和现场控制设备负荷率<45%，事故状态下 10s内应<65%。⑤要有较强的环境适应能力和抗干扰能力。

4.5 视频监控子系统

视频信息由机组自动化监控系统实时传送，会干扰影响机组监控系统造成运行误控；还有视频信息传输速率远高于机组监控系统，若把两者结合一起要达到所需的传输速率，务必大增投资；于是两者应独立使用。

各电站视频监控子系统主要由前端摄像机、光纤收发器、DVR 超级模数混合监控一体机、 网络设备等组成，主要负责采集、编码、存储及上传电站的视频数据信息。

本子系统要能直观地显示监控区域的实时情况。其对厂房内整体，压力前池水位，水轮机及调速器、发电机、一体化监控屏、主变、闸阀等的重要部位(如冷却水、油位、开关及闸阀等设备的状态、仪表指示等)和主要场所进行全面实时地监控，实现事故或操作与视频联动，观察设备动作情况；与其它监控子系统通信，实现准确、及时、全面地收集各电站的各种(包括水位、继电保护等)数据，以满足各电站运行控制的要求。

DVR 及摄像机提供远程访问功能，通过视频监控平台软件按用户业务需求进行等级授权。用户可按不同权限获取相应信息；凭权限对所辖电站的任一摄像机进行遥控，实时预览、云台控制并对视频录像进行检索、回放和下载，可修改设备的各项参数。

4.6 远程监控端

远程监控端有PC端、手机APP及微信端。它们通过不同的设置，经各个电站的4G、5G无线网络通讯模块、交换机，可以直接访问各台机组的一体化自动控制屏、及视频监控子系统，实施对机组、视频等设备的监控。

一体化屏部件一般使用专用的通讯协议，而网页或APP、微信使用网络通讯协议一般不能直接和其通讯，因此现场控制终端需要加装一个通讯模块(如巨控GRM530)，电站数据经其安全通讯网关接入互联网，实现一体化屏部件专用协议和网页或APP、微信通讯协议的转换。设置数据传输严格的权限管理，采用数据加密技术、云技术平台安全认证、防火墙，在完成数据传输功能下，实现电站网络与互联网的安全隔离。

PC端及手机APP、微信平台服务利用4G、5G无线移动网络接入监控系统，只需在电站相关服务器安装B/S架构应用程序；远程PC端用户则可打开浏览器通过IP地址进入管理系统，凭管理员分配的用户名(账号)和密码就可以登陆操作管理。手机用户可在任何有移动网信号的地方通过IOS或Android版本APP、微信登陆系统，登陆账号和密码与PC端登陆相同。系统利用Web端无缝联接各种服务的功能，使用户可以随时随地使用终端计算机或手机APP、微信通过互联网登录网页查看电站实时监测数据、现场图片、历史数据，了解水电站的运行状态，及时接收故障告警，关注整体情况不错过任何重要信息，及时分析，对设备进行调整，排除故障，保持水电站的正常工作和对其有效管理。

4.7 防雷设施

本系统智能设备工作电压、信息电流只有几伏、几微安，易受强雷电磁场的干扰、破坏；为此，应建立具有整体性、多重性、立体性、功能完备的强有效防雷体系。要结合多种防雷技术，采用多级防雷：

1)防止直击雷，利用建设物钢筋混凝土结构，在电站厂房屋顶敷设一圈避雷带。

2)变压器高压侧采用一组HY5WZ-12-32.4(1)型避雷器，低压侧使用一组HY1.5WS-0.50/2.6型避雷器。

3)监控系统信号线以特制的屏蔽线为主，并穿管铺设；为避免感应雷影响出现的瞬态过电压，其两端使用浪涌保护器作为支路实现向大地排放电流。

4)一体化屏及手动控制柜等设备箱体、各单元器件外壳接地要良好，甚至重要的专用设备应设置专门的金属屏蔽网。

5)针对雷击高电位从电源线引入的约占80%，应对系统电源装设三级避雷保护。

6)在视频传输线、信号控制线等进入前端设备之前或进入控制台前应加装相应的避雷保护器(如三合一防雷器)。

7)对有的构筑物、设备还可选择避雷针或消雷器进行保护。

本系统要求各单元的接地电阻<4Ω，接地线要可靠连接。

5 结 语

根据本梯级特小型水电站的地位、特点等实际情况，采用现代水电站自动化监控技术，既不追求中型水电站的监控系统大而全的模式和配置，也不失信息时代的先进要求，选择出适合自身要求的可靠、实用、先进、经济型的综合自动化系统，提高生产效率和电能质量，大幅减轻运行人员的劳动强度，使电站获得更大的经济效益。