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技術文章

小型水電站計算機監控系統實施現狀與分析

   在小型水電站實行計算機監控系統，可以提高電站的自動化程度和經濟效益，增加其運行的可靠性與穩定性。通過對一些小型水電站的考察和調研，分析了小型水電站計算機監控系統實施現狀和普遍存在的問題。  
    我國小水電的蘊藏量很大，分布很廣，已成為我國很多地區水利資源的重要組成部分。目前國內1/3以上地區電力資源由小型水電站提供，其中有800多個縣主要依靠小型水電站供電。開發小型水電站已成為我國推進農村電氣化的重要途徑。但是20世紀90年代以前所建的小型水電站都存在著設備和管理運行方式落后、陳舊、技術水平低下，**性能較差，事故發生率高，電能質量差，經濟效益低等弊端。隨著計算機監控系統在大型水電站中的成功應用，一批小型水電站自20世紀90年代重汽開始，也陸續實施計算機監控和自動化改造，在已實施計算機監控和自動化改造的小型水電站中，絕大多數電站的改造是成功的，特別是近幾年新改造或新投入的小型水電站。但是，在一些小型電站的計算機監控和自動化系統中仍不同程度地存在一些缺陷，少數小型水電所存在的問題比較嚴重，影響了電站的正常運行。研究和分析這些問題，總結經驗，吸取教訓，對今后小型水電站的計算機監控系的實行和自動化改造，都是有益的。

    1  小型水電站計算機監控系統實施的情況
    在所考察和調演的小型水電站中，電站容量一般為800-9600KW，單機容量為400-3200KW，這些電站的計算機監控系統的基本情況如下。

    1.1  計算機監控系統的類型
    目前小型水電站計算機監控方式有4種基本形式：1  以常規控制裝置為主，簡稱（CASC）方式；2  簡單的計算機監控與常規控制裝置雙重設置方式，簡稱CCSC方式。3  以計算機監控為主、常規設備為輔方式，建成CBSC方式；4  全計算機方式。
    已實施了計算機監控和自動化改造的小型水電站中，大部分采用以計算機監控為主、常規設備為輔方式即CBSC方式或全計算機監控方式。應該說，計算機監控系統的水平較高，屬于20世紀末至21世紀初的水平。如河南省的馬路灣水電站，裝機容量2500kw，裝有3臺機組，該電站于1996年進行自動化改造并投入計算機監控系統。是河南省*早實行計算機監控的電站，電站的自動化系統采用計算機監控與常規控制雙重配制方式。兩種控制系統均可獨立運行。這種控制方式的結構較為復雜，但其有點是兩套系統可能切換，互位備用，可靠性高。經過一段時間的運行，該電站的計算機監控系統及自動化元件出現了一些問題，這樣計算機監控系統只能進行監視，不奪口直，整個電站由常規系統來控制，并沒有因為計算機監控系統的鼓掌而影響正常發電。隨著計算機水平和自動化元件可靠性的提高，實施了計算機監控系統的水電站大都能可靠運行。特別是*近二三年新建的一些小型電站采用以計算機監控系統為主，配置簡易手動操作盤的模式，即在計算機監控系統出現故障時，可用手動操作按紐、常規繼電器構成的簡易自動化開停機回路，進行開停機與增減負荷、無調節的操作，增加了系統的可靠性。且前這種配制模式已被許多小型水電站所采用，一方面增加了水電運行的可靠性，另一方面也為習慣常規控制操作系統的運行人員提供了一定的方便。

    1.2  計算機監控系統的功能
    對已經實行了計算機監控系統的小型水電站進行調查，并對其監控系統的設計功能與目前所實現的功能進行分析。
    這些電站的計算機監控系統設計都是按“無人值班”或“少人但手”設計的，其功能主要包括數據的采集預處理、機組的運行狀態檢測和運行參數的自動記錄與打印、機組的正常自動化操作、機組的機械保護與電氣保護、有功和無功的自動調節、自動發電控制（AGC）、自動電壓控制（AVC）與輔助設備的自動口之功能。在調查中發現，不同電站的控制系統設計功能實現的程度是不同的。有些電站基本實現了設計的功能，而有的電站只能實現設計的部分功能，但普通可以實現的功能有：機組的正常自動化操作，如正常開、停機；機組的機械保護和電氣保護，如溫度過高、油壓過低、軸承油位過低、機組過速、過電流、過電壓、過負荷等保護；機組的運行狀況檢測和運行參數的自動記錄與打印、有功和無功的調節、事故報警與記錄。普通沒有實現的功能有：自動發電控制（AGC）、自動電壓控制（AVC）、上級調度部門的通訊等。目前還沒有能夠完成實現“無人值班”的小型水電站。  
  
      1.3  計算機監控系統的結構
    計算機監控膝頭的結構優集中監控系統、功能分散式監控系統與分層分布式監控系統。目前機組臺數較少、控制功能簡單的總容量為2000kw的小型電站多采用集中監控系統，總裝機容量大于2000kw的小型水電站多采用分層分布式監控系統，整個監控系統分兩層，即廠級層與機組層（現地層LCU），兩層之間采用局域網（LAN）聯接。由于電站容量較小，廠級層配置都相對比較簡單，一般由1臺或2臺計算機兼作操作員工工作站，并實施打印與報警等功能，保存歷史數據。
    隨著計算機水平的發展，廠級層主要采用功能集中式的結構形式，即電廠控制的功能全部集中于1臺或2臺操作員工作站。考慮機組運行的可靠性和穩定性，現地單元（LCU）主要包括機組LCU、公共設備LCU和變電站LCU。現地單元的結構普遍采用工業控制級（IPC）+可編程控制器（PLC）+自動化裝置的形式或可編程控制器（PLC）+自動化裝置的形式。通常采用的自動化裝置包括：微機調速器、微機同期裝置、溫度巡測裝置、微機勵磁掉節裝置和微機側測速裝置。這些自動化裝置可以獨立運行，也可與機組現地單元工控機通信、接收指令、反饋信息。而PLC主要擔負機組順序操作、數據采集等功能；工業控制機主要擔負數據處理、口直操作、歷史事件記錄、報警、人機聯系、與廠級計算機通信以及與自動化設備聯系的功能。功用LCU主要完成輔助設備運行狀態的檢測以及控制操作。變電站LCU主要對單臺設備、斷路器通斷進行操作與電器設備保護。

    2  實施中存在的問題
    通過對已實施計算機間系統和自動化改造的小型水電站的現狀進行調查后發現，在小型水電站的自動化改造或實施計算機監控中存在著一些共性的問題。

    2.1  選型中未充分考慮電站容量與單機容量
    所考察的小型水電站中，其裝機容量從1000kw至9600kw不等，單機容量從500kw至3200kw不等，而計算機監控系統都采用了分層次分布式結構，機組單元大都采用IPC十PLC+自動化裝置的模式。主要原因是受當時產品較單一、資料不足、職工素質較差等因素的影響，片面追求設備的可靠性、沒有重新考慮電站和機組的具體要求及監控系統的功能，這就不不可避免地造成設備資源與資金方面的浪費。

    2.2  自動化裝置和元件的選擇與系統不匹配
    調查中發現，有些電站所選擇的調速器、同期裝置和勵磁裝置沒有與計算機監控系統的通訊接口或接口協議矛盾，致使這些自動化設備不能正常接入計算機監控系統。還有一些電站在進行自動化改造與事實計算機監控過程中，沒有認真對原油設備進行分析，未按監控系統的自動化要求配備必須的傳感器、儀表；對一些傳統的手動操作設備，也沒有及時配備電動及氣動、液壓等自動化操作機構，致使底層設備必要的信號不能送入計算機監控系統，系統下達的操作指令也不能自動執行，特別是設置了公用LCU，卻不能實現對輔助系統的自動鍵控；有個別水電站在監控系統設備選擇時，同一系統選用了數家的自動化設備，各種設備之間的參數不匹配，通訊協議不一致或數據格式不統一，為設備之間的通訊帶來很大困難，也不易調試，有的電站設備安裝多年，也無法實現設備的聯網。同時，當某些設備出現問題后，需找不同的廠家維修，造成責任不分明，相互推委，一個小的問題或局部故障，往往數月得不到維修，嚴重影響電站的正常運行。

    以上這些問題都導致了計算機監控系統統一控制的水平難以實現。因此，也難以實現少人值守和無人值班的技術要求。

    3  電站運行人員的技術力量嚴重不足
    計算機監控系統及自動化設備的運行、維修需要具有一定專業和計算機水平的技術人員。而在對已實施計算機監控系統的小型水電站調研中發現，許多電站的運行人員文化素質和計算機水平較差，對計算機監控系統及自動化設備等技術要求理解不足，沒有經過足夠的專業培訓，使運行人員不能充分理解所裝置的軟、硬件的基本原理與操作方法，由此造成使用上的一些錯誤。當某些設備及軟件系統出現簡單故障時，更談不上二次開發，從而嚴重影響電站的正常運行。

    4  結語
    根據中華人民共和國電力工業部1996年以來發布的《水利發電廠計算機監控系統設計規定》（DL/TS065-1996）、《小型水電站改造規程》（SL193-97）、《水力發電廠自動化設計技術規范》（DL-TS081-1997（以及國標《小型水力發電站設計規范》（GB50071-2002）的規定，我國已建和新建的小型水電站將*終實現計算機監控系統。所以總結已實現計算機監控和自動化改造的電站在實施過程中的經驗、吸取其中的教訓，做到精心設計、周密計算施工過程、認真考察和選擇設備及生產廠家，可能使新建或即將改造的電站在實施計算機監控系統和自動化改造中少走彎路，節約資金，使系統更加科學、合理。