计算机监控系统在张河湾水电站的应用

彭瑞双

（河北省石家庄市水电及农村电气化发展处，石家庄 050011）

张河湾水电站位于石家庄市井陉县南部山区，距县城45km。为坝后式电站，系利用张河湾水库引水发电；总装机2×320kW，采用两机一变单母线的电气主接线方式，接入电力系统电压为10kV，一回出线并入国家10kV电网。

该水电站于2008年10月完成初步设计，2009年10月开工建设，2010年11月竣工并投入使用。该水电站采用计算机监控系统，整个水电站设备的控制、测量、监视和保护均有计算机系统完成。

采用计算机监控系统，一是有效减少水电站运行人员，降低电力生产成本和避免了运行人员误操作。由于水电站设备的一些重复操作、调节、运行状态及参数的记录均由计算机监控系统在不须运行人员干预的情况下自动完成，避免了因人为因素造成的误操作，因其自动化程度高，可实现少人甚至无人值守，从而降低电力生产成本，提高电站经济效益。二是进一步提高水电站设备运行的可靠性。常规自动控制系统是由继电器或静态集成电路等构成，运行时若某一部分发生故障，运行人员不易发现。若此时水电站设备再发生事故，就有可能造成拒动或误动的严重后果。计算机监控系统则可避免这个缺点，系统在运行时可通过自检来及时发现自身的故障，从而进一步提高水电站设备运行的可靠性。三是以选型的方式代替电气设计，简化设计工作。采用常规控制，电气设计非常繁琐，订货时要向厂家提供原理图、布置图，还要进行各种继电器的选型。而自动控制设备集成后，设计单位只提供一次主接线和保护配置及自动化要求即可，故能以选型的方法代替电气设计，简化设计、安装和调试工作。水电站计算机监控系统的性能大大优于常规的自动控制系统，既适用于新建电站使用，也适用于老电站对自动控制系统进行完整改造。

1 系统结构及配置

张河湾水电站计算机监控系统采用全开放、模块化、分层分布式网络结构设计，由主控层（上位机）和现地层组成，两层设备功能各自独立，互不影响。

1.1 主控层 （上位机）

（1）主控层监控设备由主机/操作员工作站、打印机、UPS电源、网络设备等组成，主控制层是电站的实时控制中心，负责全厂的自动化功能 （AGC、AVC、发电优化等），采集和处理现地控制层的数据 （制作各种运行报表、重要设备的运行档案、各种运行参数等），全站的人机对话 （全站设备的运行监视、事故和故障报警、对运行设备的人工干预及监控系统各种参数的修改和设置等），与现地控制层和调度端的通讯及时钟同步等。

（2）主控层通讯网络结构采用以太网，通讯介质为超五类双绞线，设置1台16口10/100Mpbs自适应交换机，其通讯协议为TCP/IP。主控层与LCU控制层之间通过通讯总线连接。

1.2 现地控制 (LCU)

现地控制层共设有4套现地控制单元（LCU），即1号机组LCU、2号机组LCU、主变线路LCU和公共设备LCU。

（1）1号机组LCU、2号机组LCU分别完成对水轮发电机组的保护和监控。1号机组LCU、2号机组LCU主要由以下装置组成：可编程控制器 （PLC）、TFT彩色触摸屏、发电机保护、操作控制设备、I/O电源和扩展继电器等。

（2）主变/线路LCU实现对变压器、线路的保护和监控。变压/线路LCU的主要装置包括：可编程控制器 （PLC）、TFT彩色触摸屏、变压器线路保护、电子式电度表、I/O电源和扩展继电器等。

（3）公共设备LCU实现对电站前池水位、集水井水位等公共部位的保护监控。公共设备LCU的主要装置包括：可编程控制器 （PLC）、TFT彩色触摸屏、计算机自动准同期装置，手动准同期装置、GPS卫星时钟系统、I/O电源和扩展继电器等。

2 系统功能

2.1 主控层 （上位机）功能

上位机监控系统对整个水电站的所有现地控制单元进行控制、管理，是水电站计算机监控系统的核心[1]。主要完成全站运行自动化及其管理，历史数据存档、检索、报表生成，运行操作记录，故障报警，各种画面显示，与调度自动化系统联网等功能。

（1）数据采集与管理：1号机组、2号机组的电气参数，包括电压、电流、频率、有功、无功、电度等；机组开关量数据，包括断路器状态、PLC工况、保护动作信号等；机组的温度量、机组工况转换；1号调速器、2号调速器及励磁控制、保护、状态信号；主变保护、状态信号。

（2）控制与调节：机组和主变监控，机组自动开机、停机，自动发电控制 （AGC），自动电压控制 （AVC）， 经济运行 （EDC）， 机组负荷调整，机组同期并网等。

（3）数据显示与打印：定时打印用户自行制定的报表，召唤打印历史报表，召唤打印实时报表，可人工设定报表打印时间。

（4）故障与事故报警：机组温度故障/事故报警，机组PLC故障报警，发电机保护动作报警，主变保护动作报警；故障/事故信号的记录和打印。

（5）站内及远方通信：与机组控制单元通信,与主变控制保护单元通信。

（6）系统自诊断及远程诊断功能：监控系统具有完善的系统自检、诊断和自恢复功能，同时具有远方在线诊断功能，可通过网络连通远方计算机，进行远方在线诊断[2]。

2.2 现地控制层功能

各现地控制单元能对所管辖的生产过程进行完善的监控。它们经输入、输出接口与生产过程相连，通过通讯接口与电站控制层交换信息。现地控制单元对电站控制层具有相对独立性，它们能脱离电站控制层直接完成生产过程的实时数据采集及预处理、单元设备状态监视、调整控制等功能。

2.2.1 机组现地控制单元

1号机组、2号机组的控制保护单元是由机组监控PLC、机组保护测控装置、计算机温度巡检仪、计算机自动准同期装置、转速信号装置、输出继电器、交直流两用电源和监控软件等组成。PLC配有24路数字量输入、16路数字量输出、4路模拟量输入和2路串行通信接口。

（1）测量功能：实时测量机组三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数、有功电度、无功电度、励磁电压、励磁电流等电气参数；实时测量发电机的轴承温度、发电机定子绕组和铁芯温度等非电气参数。

（2）状态监测功能：实时监测机组、进水阀、调速器、励磁系统运行状态，故障、事故状态监测等。

（3）控制和调节：完成机组自动开停机、自动同期并网、运行工况转换、事故停机等逻辑操作功能，故障、事故信号报警功能，按照上位机给定的值自动调节机组有功、无功功率。

（4）保护功能：实时反映输入信号的故障状态，当某些参数超过设定值时，按要求快速或延时发出信号或跳闸[3]。每台发电机配1套发电机微机保护装置，每台发电机保护装置和机组控制合用1块屏。保护装置功能如下：差动保护，定子接地保护，转子一点接地保护，低压、过电压保护，失磁保护，过负荷保护，复合电压过电流保护，CT、PT断线检测、报警。

（5）通信功能：完成与上位机的通信，并通过外部通信模块与监视系统 （SCADA）连接。

2.2.2 变压器和线路及公用辅助设备现地控制单元

变压器和线路及公用辅助设备现地控制单元，负责电站主变压器、线路、断路器、隔离开关、接地刀闸等各主要电气设备的监控和保护。

（1）模拟量采集和处理：完成变压器、线路和全站公用辅助设备各类开关量、模拟量、脉冲量、温度量等数据的采集、计算处理、越限检查、梯度检查、中断检查、事件顺序记录与报警和历史数据保存等功能。

（2）状态监测：升压站、线路断路器状态监测、故障状态监测、水库水位的测量和监控。

（3）保护功能：主变压器和线路微机保护装置合用1块保护屏。主变保护装置功能：差动保护，复合电压闭锁过电流保护，过负荷保护，重瓦斯保护，轻瓦斯保护，温度保护、CT断线闭锁。线路保护装置功能：过电流保护，低周、过周保护。

3 系统软件

水电站的运行人员、工程师可通过各自的工作站完成画面制作、画面显示、打印制表、参数设置和操作控制等功能。

（1）可选择画面显示，可同时显示多幅画面，主要包括：各类菜单显示；电气接线图；机组及辅机设备的状态模拟图；机组运行状态转换顺序流程图；各类棒图；设备元件的管理信息；系统设备运行状态图；各类运行报表；操作及事故处理指导；系统操作指南。

（2）打印功能：所有画面均可随时打印拷贝；报表可自动定时或召唤打印；各类事故报警打印和事故追忆打印。

（3）画面制作和参数设置：可以完成以下制作和设置功能：图元编辑；修改接线图、模拟图、流程图等；各类报表的制作编辑；修改各类参数，如报警上下限等。

（4）操作控制功能：完成对现地设备的操作控制。

（5）其他功能：与调度系统的通讯；电站事件顺序记录 (SOE)；系统的安全维护功能，如口令的设置与修改；系统对时；系统自诊断。

4 结语

张河湾水电站计算机监控保护系统，其功能完善、实时性强、可靠性高、人机界面友好，较好地满足了水电站运行管理智能化、远程化的需要。能够达到 “遥控、遥测、遥信、遥调”四遥功能，使水电站实现 “无人值班”或 “少人值守”的运行管理模式，提高水电站的自动化水平和运行管理水平，可有效减少水电站运行人员，降低电力生产成本，提高经济效益。

[1]黄少敏.水电站微机监控与保护[M].郑州：黄河水利出版社，2008.

[2]孙力,徐国君.小型水电站计算机监控技术［M］.北京：中国计划出版社，1999.

[3]徐锦才.小型水电站计算机监控技术［M］.南京：河海大学出版社，2006.