【摘要】本文主要從小水電站實施計算機監(jiān)控的目的和意義、計算機監(jiān)控系統(tǒng)的配置、電氣自動化技術(shù)在小水電站中的應(yīng)用、設(shè)備選型及自動化配置設(shè)計等方面進行了探討。
【關(guān)鍵詞】小型水電站；電氣監(jiān)控；信息
中圖分類號：TV742 文獻標識碼： A
一、前言
我國信息技術(shù)日趨成熟，小型水電站的電氣監(jiān)控越來越受到企業(yè)及水電站的重視，研究該部分內(nèi)容具有很強的現(xiàn)實意義。
二、小水電站實施計算機監(jiān)控的目的和意義
小水電的開發(fā)利用，既解決了缺電問題，又促進了水利建設(shè)，但大多數(shù)小水電站都存在裝機容量不大、自動化水平不高、生產(chǎn)管理水平偏低、經(jīng)濟效益不顯著的現(xiàn)狀。如何降低生產(chǎn)成本，提高小水電站安全管理質(zhì)量，也是職能部門和投資業(yè)主面臨的一大難題。小水電站實施計算機監(jiān)控的目的和意義就是通過計算機、通訊、自動控制技術(shù)對電站各種設(shè)備信息進行采集，處理，實現(xiàn)自動監(jiān)視，控制，調(diào)節(jié)，保護， 從而保證水電站設(shè)備充分利用水能安全穩(wěn)定運行，并按電力系統(tǒng)要求優(yōu)化運行，保證電能的質(zhì)量，同時減少運行與維護成本，改善運行條件，實現(xiàn)無人值守或少人值守。
1.自動化與優(yōu)化運行相結(jié)合，使電站獲得最大的發(fā)電效益
水電站計算機監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用，使水電站運行實現(xiàn)自動化，運行人員對設(shè)備的操作工作量大大減少，減輕了運行人員的勞動強度，減少了水電站的運行人員數(shù)量，使水電站實現(xiàn)少人或無人值守，減低了運行費用及發(fā)電成本，使水能利用率提高3%~5%。
2.設(shè)備的安全可靠運行，保障了電能供應(yīng)的穩(wěn)定可靠性
計算機監(jiān)控系統(tǒng)不僅能準確而迅速地反映水電站各設(shè)備正常運行的狀態(tài)參數(shù)，還能及時反映水電站設(shè)備的不正常狀態(tài)及事故情況，自動實施安全處理。水電站的自動控制減少了運行人員直接操作的步驟，從而大大降低了發(fā)生誤操作的可能性，避免運行人員在處理事故的緊急關(guān)頭，發(fā)生誤操作，保證了水電站設(shè)備運行的可靠性，從而也保證了電網(wǎng)運行的可靠性。
3.加快水電站控制調(diào)節(jié)過程，確保實施競價上網(wǎng)
計算機監(jiān)控系統(tǒng)可按預(yù)定的邏輯控制順序或調(diào)節(jié)規(guī)律，依次自動完成水電站設(shè)備的控制調(diào)節(jié)，免去了人工操作在各個操作過程中的時間間隔，還免去了人工操作過程中的檢查復(fù)核時間，大大加快了控制調(diào)節(jié)過程,確保競價上網(wǎng)的優(yōu)勢。
4.以選型的方式代替電氣設(shè)計，簡化設(shè)計工作
采用常規(guī)控制，電氣設(shè)計非常繁瑣，訂貨時要向廠家提供原理圖，布置圖，還要進行各種繼電器的選型。而自動控制設(shè)備集成后，設(shè)計單位只要提供一次主接線盒保護配置及自動化要求即可，故能以選型方法代替電氣設(shè)計，簡化設(shè)計，安裝和調(diào)試工作。
三、計算機監(jiān)控系統(tǒng)的配置
1.電站控制層配置
電站控制層設(shè)備在中央控制室，由主機操作員工作站、通訊工作站、主控制臺、漢字打印機、GPS時鐘同步裝置、語音報警裝置、UPS電源等組成。
電站控制層負責協(xié)調(diào)和管理各項地控制層的工作；收集有關(guān)信息并作相應(yīng)處理和存儲；迅速、準確、有效地完成對本站被控對象的安全監(jiān)視和控制。操作員可以在主控制室通過人機接口對數(shù)據(jù)庫和畫面在線修改，進行人工設(shè)定、設(shè)置監(jiān)控狀態(tài)、修改限值、事故處理指導(dǎo)和恢復(fù)操作指導(dǎo)等功能，并可下傳至LCU。監(jiān)控命令輸出只有監(jiān)控主機取得控制權(quán)的工作執(zhí)行。
2.現(xiàn)地控制層（LCU）配置
現(xiàn)地控制層分機組LCU和公共LCU兩部分，由人機界面終端、智能I/O控制器、I/O模塊、輸出繼電器、準同期裝置、溫度測量裝置、轉(zhuǎn)速信號測量裝置、數(shù)字式測量儀表和交直流雙供電源等設(shè)備組成。
機組LCU監(jiān)控范圍包括水輪機、發(fā)電機、進水口主閘和機組附屬設(shè)備。現(xiàn)地控制層負責對水輪發(fā)電機組、電氣一次設(shè)備及公用設(shè)備等實時監(jiān)控，通過工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各現(xiàn)地控制層與全站控制層連續(xù)交換信息，實現(xiàn)現(xiàn)地設(shè)備的監(jiān)控及數(shù)據(jù)共享。當電站控制層因故退出運行時，現(xiàn)地控制層可以獨立運行而不受影響。微機保護裝置、轉(zhuǎn)速、溫度巡檢、調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)等設(shè)備通過現(xiàn)地LCU與以太網(wǎng)聯(lián)接，實現(xiàn)相應(yīng)參數(shù)的監(jiān)視和控制。部分沒有通訊接口的設(shè)備則通過現(xiàn)地控制單元的I/O模塊實現(xiàn)設(shè)備的控制和狀態(tài)檢測。
3.通訊網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備裝置
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式采用工業(yè)以太網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì)為多模光纖和屏蔽雙交電纜線。網(wǎng)絡(luò)傳輸采用Modbus協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為100Mbit/s，節(jié)點數(shù)可達340個，網(wǎng)絡(luò)上的任一節(jié)點可以實時向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送信息，某一節(jié)點故障，自動從網(wǎng)絡(luò)上退出，不影響網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點傳輸信息。
網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成電站控制層各工作站之間和來自現(xiàn)地控制層（LCU）的全部數(shù)據(jù)的傳輸和各種訪問請求。其網(wǎng)絡(luò)具有良好的開放性。計算機監(jiān)控系統(tǒng)不會因任何一個元器件發(fā)生故障而引起系統(tǒng)的誤操作。網(wǎng)絡(luò)成熟可靠，符合國際標準。
四、電氣自動化技術(shù)在小水電站中的應(yīng)用
1.實現(xiàn)對水輪發(fā)電機組運行方式的自動控制
電氣自動化在水電發(fā)電廠中的應(yīng)用，實現(xiàn)了對水輪發(fā)電機組運行的自動控制。一方面，可實現(xiàn)開停機以及并列，實現(xiàn)發(fā)電轉(zhuǎn)調(diào)以及調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)電等自動化模式，從而建立能按照設(shè)定好的程序?qū)崿F(xiàn)對相應(yīng)機組操作的自動完成，而另一方面，電氣自動化技術(shù)能實現(xiàn)對水輪發(fā)電機組的經(jīng)濟運行建立自動維持，由此根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的要求以及水電站的具體要求自動選擇最佳的運行機組的數(shù)量，同時協(xié)調(diào)不同機組之間的配合，在機組之間建立電力負荷的經(jīng)濟性分配，同時根據(jù)系統(tǒng)負荷的變化對機組的有功以及無功功率進行自動調(diào)節(jié)。同時當水電廠工作機組發(fā)生事故或者系統(tǒng)運行頻率降低時，可自行啟動并投入備用機組，當發(fā)電系統(tǒng)的運行頻率過高則自動停止部分機組的運行。
2.監(jiān)視水輪發(fā)電機組及其輔助設(shè)備
電氣自動化技術(shù)在水電廠中的應(yīng)用實際上是對水電廠中的各種設(shè)備以及運行模式建立了自動化的調(diào)節(jié)和控制以及監(jiān)控系統(tǒng)。除了水電廠中的水輪發(fā)電機，電氣自動化技術(shù)還實現(xiàn)了對其相關(guān)的輔助設(shè)備的控制，例如對發(fā)電機定子與轉(zhuǎn)子回路電量的監(jiān)控；監(jiān)控定子繞組與鐵芯和設(shè)備中各部位軸承溫度的監(jiān)視；監(jiān)視機組潤滑以及冷卻系統(tǒng)；監(jiān)視機組調(diào)速系統(tǒng)工作等等。當系統(tǒng)發(fā)生故障之時，還可迅速啟動保護措施，例如發(fā)出報警信號或者緊急停機等等。
3.輔助設(shè)備的控制
電氣自動化在小水電站中還實現(xiàn)了對發(fā)電站系統(tǒng)中其他輔助設(shè)備的控制，例如油泵、水泵以及空壓機等的控制，同時在發(fā)生事故之時自動使用備用設(shè)備。同時還可實現(xiàn)對主要電氣設(shè)備以及備用輔助設(shè)備的控制。建立了對水工建筑物運行狀況的監(jiān)視和控制。
五、設(shè)備選型及自動化配置設(shè)計
由于水電站綜合自動化系統(tǒng)的智能化，水輪發(fā)電機組所需自動化元件愈來愈多，其作用就愈重要，因此要求自動化元件的性能穩(wěn)定、靈敏度高、精度高。同時，需要對水電站設(shè)備進行合理的選型和自動化配置設(shè)計。
1.調(diào)速器采用可編程控制器實現(xiàn)的具有PLC調(diào)節(jié)規(guī)律的可編程調(diào)速器。調(diào)速器具有轉(zhuǎn)速和加速度檢測、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、導(dǎo)葉開度限制、機組頻率一相位跟蹤控制、網(wǎng)頻自動跟蹤、參數(shù)自適應(yīng)、自診斷和穩(wěn)定性控制等功能。可編程控制器完成所有控制功能。
調(diào)速器具有遠方/現(xiàn)地二種控制方式，可以在各種運行工況下進行遠方自動和手動控制。并提供電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)連接所需的串行接口，調(diào)速器柜內(nèi)部設(shè)有接線端子和通信接口設(shè)備。對串行通信的通信規(guī)約和與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的連接及開通質(zhì)量負責。
2.勵磁系統(tǒng)采用自并激靜止可控硅整流微機勵磁裝置。勵磁系統(tǒng)由勵磁干式變壓器、調(diào)節(jié)器、整流器、滅磁裝置、起勵裝置組成。
勵磁調(diào)節(jié)器由PLC可編程控制器、智能操作顯示屏、勵磁調(diào)節(jié)板、脈沖觸發(fā)板、測量用電壓、電流互感器、操作繼電器等組成。PLC可編程控制器，具有串行通訊接口，具有和上位計算機通訊的功能。操作及附加控制由PLC完成, 硬件相當簡單，可靠性高。發(fā)電機的電壓、無功功率及勵磁電流的調(diào)節(jié)可由現(xiàn)地或遠方進行控制。通過監(jiān)控系統(tǒng)的LCU，以串行口通信或開關(guān)量接口方式向勵磁裝置發(fā)送調(diào)節(jié)命令。
3.直流電源系統(tǒng)采用DC220V高頻開關(guān)式直流電源。高頻開關(guān)電源具有模塊化設(shè)計，N+1熱備分特點。具有強大的通訊功能，很方便實現(xiàn)與水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)相連。實現(xiàn)對電源系統(tǒng)的“遙測，遙信，遙控，遙調(diào)”以及無人值守。
六、結(jié)束語
只有加強對小型水電站的電氣監(jiān)控的研究，才能更好的提升水電站的工作效率，但是在監(jiān)控的過程中也存在著許多問題，需要對其進行進一步重視。
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