中小型水电站自动控制系统设计思路

摘 要：自从水电站采用自动化控制系统以来，“少人值班”已在我国的水电站得到广泛的应用。由于计算机监控技术、网络通信技术和水电站各种配套设备性能质量不断进步，质量不断提高，而且人们的观念和管理水平也在不断进步，这为水电站“完全无人值班”的实现提供了良好的条件。

前言：水电站综合自动化系统必须以计算机监控系统为核心,通过全厂具有自动化功能的微机保护、微机励磁、调速器以及全厂的自动化元件等,来完成对整个水电站(甚至梯级电站或整个流域)的机组自动启停控制和监视、公用辅助设备的启停控制和监视、负荷的自动调节和分配,直至整个输电线路的运行全自动控制,并准确和上级调度部门进行数据通信。

一、水电站自动化系统设计思路

1、调速器及其系统

调速器故障时应有自动停机功能，压油装置应可靠工作，尽量采用16MPa以上油压的速器，应有自动插拔“锁定销”的装置，与上位机的通讯功能应良好，最好有以太网通讯口。

2、 励磁系统

采用双通道自并励的微机励磁系统;灭磁系统运行正常;采用环氧浇注变压器或干式变压器;与上位机的通讯功能良好，最好有以太网通讯口。

3、计算机监控系统

水电站计算机监控系统是一个实时闭环的过程控制系统,它可以在给定电站总负荷或日负荷曲线的情况下，自动控制电站行,实现机组的自动启停、工况转换,负荷的自动调整和分配,各种开关的操作;也可以由运行人员通过控制操作工作站，以人机对话的方式进行上述控制和操作;也可由上一级调度中心的计算机系统下达命令进行控制和操作。

4、安全保护系统

主要建立以值班制度、设备巡检管理制度、设备缺陷管理制度、设备检修管理制度和设备维护管理制度等为主的制度体系。人员的高素质是实现水电站“无人值班”的首要条件。首先要从有水电站运行经验的员工中选择素质高、事业心强、敢于负责、具有与其工作相适应的文化程度的员工，进行相关岗位的技能培训，做到“一工多艺、一专多能”的原则。

二、水电站自动化控制的一般步骤

1、直流电源系统的配置

一般中大型水电站应配置双系统的直流电源，互为备用，自动投切。由于目前的高频开关式直流电源的充电模块都采用了N+1的冗余设计，容量较小的水电站也可只采用一套直流电源系统。但应考虑增加直流出线回路的“微机绝缘监测仪”和“电池”。

2、UPS的配置

UPS应双重配置，有足够的容量，交流停电时，UPS应有2小时以上的放电时间，以供维护人员检修设备。

3、通信最优方案的选择

方案1:将保护模件底板上CAN网连接线剪断,通过CAN转RS-485转换器连接到通信管理装置上,根据CAN网通信协议点表分模拟量测点及事件上送编写通信驱动,组态到通信管理装置中完成通信。该方式缺点为CAN转RS-485转换器成本高且构造复杂运行不稳定。

方案2:保护模件有RS-232调试口,用于后台调试软件下载定值以及功能测试,可直接连接到通信管理装置,根据后台调试软件的通信协议和点表编写驱动程序,并在通信管理装置中进行组态。该方式缺点为若使用后台调试软件连接保护模件,计算机监控系统将无法接收保护单元相关信号。经过通信驱动程序编写及测试,最后选用的通信连接方式。

三、水电站自动化控制的要求

1、可编3程控制器PLC根据水电站容量,采用有2个以太网通讯模块的PLC;要求更高时, PLC可采用双CPU、双电源、双通讯模块的配置。

2、实现“完全无人值班”以后,上位机的结构不再是放在计算机桌上的计算机系统,而是采用嵌入式工控机作主机,并且是和以太网交换机、光端机等安装在屏柜上,组成远动监控屏。由于水电站的规模大小不同,情况各异,不能用统一的结构来设计自动化控制系统。因此,将中小型水电站粗略的分成三类:第一类是单机容量在10 000 kW以上,可以称为中型水电站;第二类是单机容量在10 000 kW以下,可以称为小型水电站;第三类是容量很小的400 V电压的水电站,可以称为小小型水电站。这种分类不符合国家的分类标准,只是说明不同的单机容量,为了得到较好的性价比,其自动化控制系统设计时的不同。

3、软件的功能要求

(1) 数据采集和处理;

(2) 安全运行监视及事件报警;

(3) 生产过程的监测与自动控制操作

(4) 自动发电控制(AGC);

(5) 自动电压控制(AVC);

(6) 统计记录与制表打印;

(7) 人机接口与图形显示;

(8) 数据可靠地通信与网络能力;

(9) 系统自诊断与双网冗余切换;

(10) 具有强大的图形化工具;

(11) 实时和历史趋势;

4、计算机监控系统的接地要求

根据国家标准GB/T17949.1-2000，目前对电站的接地电阻的要求为 :0.05-0.5 。如果，电站的接地电阻能达到这个要求，则计算机的弱电系统可以与电网一点接地。如果不能达此要求，计算机的弱电系统应单独设置独立接地，其接地电阻应小于4 。否则，容易产生强电对弱电的干扰。结果会引起误动或误发信号。

四、水电站自动化控制系统的特点

1、采用全分布的开放系统。

各计算机均采用开放的Windows NT操作系统,网络采用工业以太网络。监控系统的全部计算机及PLC直接接入网络,使系统具有高速的通信能力和信息资源共享能力。PLC直接入网使系统具有更高的可靠性。

2、分层分布式技术,可靠性的保证。

将整个系统分为主控级和现地控制级,网络上接入的每一台设备都具有自己特定的功能,实现功能的分布,既保证了某一设备故障只影响局部功能,又利于今后功能的扩充,这一项技术的采用使系统变成总是可控的,具有极强的适用性。

3、硬件配置合理,性价比高。

电站主控级选用HPxw4600工作站,该计算机配置高、运行速度快、稳定性好,可以保证系统的实时性、可靠性和其他各方面性能要求。现地控制级选用施耐德Premium系列PLC,为目前水电厂监控系统主流高规格PLC,确保了LCU的可靠性。用26.67 cm液晶触摸屏+通信管理机的人机界面及通信方式替代了老式的工控机,这种方式性价比高、运行稳定、使用寿命长。使用MB40保护模件,通过触摸屏完成测值查看、定值修改与查看功能,在节省保护屏柜一面的同时也节省了保护装置自带的液晶屏,使整套系统性价比更高、竞争力更强。

4、 多种通信功能的实现。

系统具有与调度系统、厂内系统的通信能力,可根据不同通信对象选择用通信工作站或LCU通信管理装置。

5、主控系统的完善

控制操作工作站2个、机房工作站1个、通讯处理工作站2个,仿真培讽工作站1个、厂长工作站1个。两个控制操作工作站结构完全相同,为防止误操作,选择和控制只能在一个控制操作工作站上进行,当一个控制操作工作站因故障退出工作时,该站的控制自动切换到另一个工作站上进行。

结束语

水电站自动控制就是要保证水电站水轮发电机组的可靠、稳定、安全运行、加快税发电组调节速度及整个发电站发事故速度。提高劳动工作率、减少运行人员、降低电站运行费用。减轻运行人员劳动强度，使水电站实现远方控制“实现无人值班或者少人值班”。