关于水电厂自动化系统改造要点探索

2011-12-31陆文亮

中国新技术新产品 2011年24期

陆文亮

（天生桥水力发电总厂，贵州兴义 562400）

1 水电站自动化系统概述

随着我国经济的快速发展和人民群众物质文化生活水平的不断提高，社会对电力的需求日益增强，对电能质量的要求也越来越高。电力行业长期存在自动化水平低下，难以满足社会对高质量电能的要求，为了提高电能质量和发电效率，需对老式水电站以人工操作为主的控制模式进行以计算机监控系统为基础的综合自动化系统改造；对新建水电站应按综合自动化要求进行设计并实施，使水电站逐步实现少人值班，最终达到无人值班(或少人值守)的目标。根据国家电力体制改革的要求，实现水电站的综合自动化系统控制，以满足市场竞争的需要。

2 基础自动化系统改造要点及原则

2.1 调速器

为了解决调速器存在的诸多问题，结合天生桥二级电站现场，根据调速器接力器不串油、漏油，油压装置不漏气、自动控制回路完好的实际。经过研究,确定选用调速器的原则:(1)设备须有高度的可靠性和一定的先进性。(2)能够很好的与微机监控系统进行连接。(3)具有较高的性能价格比。(4)运行操作简单,维护工作量小。经过充分的论证比较，从安全及技术先进性、发展方向，运行操作简单,维护工作量小考虑。如TDBWT型调速器是目前国内比较先进的新一代的调速器，这种调速器具有结构简单、速动性好、可靠性高,维护工作量少(基本上可实现免维护),既可通过常规方式与计算机监控系统连接,也可通过串行通讯方式与计算机监控系统连接,符合整体的发展要求。

2.2 励磁系统

确定选用励磁装置的原则。(1)设备须有高度的可靠性和一定的先进性。(2)能够很好的与微机监控系统进行连接。(3)具有较高的性能价格比。(4)运行操作简单,维护工作量小。经过充分的论证比较，从安全及技术先进性、发展方向，运行操作简单，维护工作量小考虑。如广州电器科学研究所研制的FL-2型微机励磁装置。这种励磁装置可靠性高，维护工作量少，既可通过常规方式与计算机监控系统连接，也可通过串行通讯方式与计算机监控系统连接，符合整体改造要求。可有效确保励磁系统安全可靠运行。

2.3 自动化测量元件

自动化测量元件选型配置是否合理将直接影响到机组的安全稳定运行及微机监控系统改造的成败。我站对自动化测量元件选型配置的原则是:高可靠性和先进性、维护方便、高性价比、标准化和系列化。

3 微机监控单元的改造设计及选型

在完成基础自动化系统改造后,开始全面进行计算机监控系统设计选型、安装完成进行调试后投入运行。

3.1 计算机监控系统的主要监控对象及全厂需要监控的信息量。

3.2 选用微机监控系统的原则及要求

(1)按照无人值班(少人值守)的原则，既要实现站内的监控，又能实现远程监控。(2)监控系统须有高度的可靠性和一定的先进性。(3)应采用成熟的、可靠的、标准化的硬件、软件、网络结构且有足够的备品备件和技术长期的服务支持。(4)监控系统软件应采用模块化、结构化设计,保证系统的可扩性,并满足功能增加及规模扩充的需要。系统应具有冗余容错设计,不会因局部的故障而引起系统误操作或降低系统性能。各LCU应能脱离主控级独立运行。(5)选用全开放、分布式的系统结构,系统配置和设备造型应适应计算机发展迅速的特点,具有先进性和向上兼容性。(6)监控系统必须响应速度快,可靠性和可用率高,可维护性好。(7)监控系统实时性好,抗干扰能力强。(8)监控系统应有与工业电视系统、火灾报警系统、闸门监控系统、大坝监测系统、水情测报系统、机组状态维护系统等通信的接口。(9)具有较高的性能价格比。

结合现场实际情况，天生桥二级电站采用SIEMENS S7-300 PLC作为现地控制单元，采用PROFIBUS-DP现场总线通信控制方式，全站设备实现远程监控功能。

4 监控系统结构改造设计与选型

4.1 监控系统设计原则

(1)电站按无人值班（少人值守）原则设计。(2)电站自动化系统应满足中国南方电网调度自动化的要求。(3)电站采用全计算机控制，不设常规布线逻辑控制设备。(4)计算机监控系统应具有可靠、完善的监控功能，良好的开放性，以确保系统的可扩展性和移植性，保护用户的硬、软件投资。(5)计算机监控系统应具有容错功能，主要控制设备采用冗余配置。(6)计算机监控系统采用分层分布式结构，保证系统中任何局部设备的故障均不影响监控系统总体功能的实现。(7)监控系统中的现地控制单元和各就地设备应能独立工作。

4.2 监控系统目标

(1)对电站主要设备进行监视和记录。(2)对电站主要设备实施自动控制或直接控制。包括机组的开/停机、有功/无功调整均由计算机监控系统完成。(3)机组事故紧急停机、公用设备的启/停及自动切换操作由计算机自动完成，无须人工干预。(4)实现电站运行管理自动化。(5)对重要故障和事故进行语音报警及电话报警。(6)实现与上级调度部门的通信。电站的主要控制和监视功能均能在上级调度部门实现。(7)电站按“无人值班”（少人值守）设计，待条件成熟时，逐步过渡到无人值班、关门运行。

4.3 设备选型

本电站计算机监控系统分为集控中心、厂站控制级、现地控制级三层。

集控中心设备包括：主机兼历史数据库服务器、操作员工作站、工程师/培训工作站、GPS时钟装置、网路设备、打印机等

厂站控制级设备包括：SCADA兼AGC/AVC主机、历史数据库服务器、操作员工作站、工程师/培训工作站、网关工作站、厂内通信工作站、报表及电话语音报警工作站、GPS时钟装置、网络设备、打印机、UPS及便携计算机等。

现地控制级设备包括：现地控制单元（25套）。

天生桥二级水电站计算机监控系统选用SSJ-3000型水电厂计算机监控系统，采用基于UNIX操作系统跨平台的全分布开放系统结构的NC2000监控系统软件。

5.辅助设备自动化改造

进行水电厂辅助设备的自动化改造，对其系统设计、优化配置和适应性方案的研究是改造成功与否的关键。

5.1 改造方案探讨

目前，国内水电站辅助设备的控制有统一的集中控制操作和分散控制集中管理两种模式。由于其分散性和差异性特点，如果采用集中控制的改造方案存在如下弊端:（1）线路改造量大、人力、物力消耗大；（2）集中控制的面越宽、量越大，一旦控制系统故障，其影响和造成的后果也越严重，对故障的分析和处理也造成困难，而不象分散控制系统可以将这种风险限制在较小范围。因此，分散控制集中管理的模式，是辅机控制的首选方案。在确立控制模式之后，应严格以“无人值班(少人值守)”技术要求为依据制订相应改造方案。首先，测控装置本身必须是可靠性高、具有完善功能的独立智能系统，能够满足一切运行需要，有完善的保护功能，具有故障识别和自诊断能力，而所有的测控元器件也应在相应恶劣环境下满足长期运行和高可靠性要求。同时，能及时准确地将系统各种信息送入计算机监控系统作集中管理使用，而计算机监控系统应能通过或跨越辅助设备控制核心间接或直接对控制对象进行操作，以便在现地控制系统出现异常又不能及时赶到现场处理时紧急远方干预，而避免故障或事故进一步扩大。只有达到这些技术要求，才能解除运行维护人员的顾虑，为真正实现“无人值班(少人值守)”目标创造条件。

5.2 关于系统优化配置

要实现上述方案的要求，系统的优化配置显得尤其关键。(1)系统控制核心的确立：可编程序控制器是作为水电站辅助设备控制核心的最理想对象，其特点是在恶劣的环境中具有高可靠性和长寿命，用计算机替代继电逻缉、用程序替代硬件布线且编程方便；同时，其通讯能力和模块化配置使系统与计算机监控系统信息交换和物位量测量、跨越控制等很容易实现，且其也可以很轻松地完成对自身和系统元器件进行故障识别和诊断的任务。(2)关于压油系统外围元器件配置:压油装置的压力测量应采用先进可靠的压力变送器，其信号通过量值转换整定后，可以获得监控需要的连续、准确可靠的压力值和整定值;同样，压油罐和回油槽油位的测量应采用液深变送器以替代传统的浮子信号器来实现。二者共同作为压油罐压力、油位及补气过程的控制依据；而系统还应配置一只压力开关作为事故低油压的冗余出口元件。需要说明的是，许多电站的压油装置不能可靠地实现自动补气，多次改造补气阀也无明显改善，其原因并非只在补气阀本身，而在于应有一个略高于额定油压的稳定气压和可靠的油位信号，以及由油压和油位共同参与的补气控制流程。(3)关于排水系统外围元器件的配置:由于集水井水质清洁条件差，有较多杂质、油污、腐蚀性化学成份，淤积现象也时有发生，这些情况对液位测量的准确性均会产生影响，而这将直接降低排水控制系统运行的安全可靠性，甚至可能造成水淹厂房的恶性事故。因此，其液位测量元器件配置必须严格把关，采用适宜恶劣环境且有高可靠性的液深变送器和不同测量原理的液位开关共同完成测量任务，同时，软件上应将两路信号经自检和互检作有效性判别后再作为集水井水位控制的依据。由于水泵电机启动不频繁，工作周期相对较长，其控制保护可采用先进可靠的接触器组件实现，对于功率较大的电机则最好使用软启动器完成。另外，水泵的出水监视、深井泵的润滑水监控、离心泵的灌水控制等，其监控元器件的配置均应具备良好的适应性和可靠性。(4)关于压缩空气系统外围元器件的配置:压缩空气系统的测控包含下列内容:气罐压力测控、空压机出口压力监测、气缸温度监测、冷却水监控、空压机卸载启停以及气系统各级气罐、气水分离器的自动排污控制。这些测控元器件均应先进可靠，任何一种元器件故障都会导致系统无法正常工作。还有一点值得注意，整个储供气罐、管路良好的密封性是压缩空气系统正常运行的先决条件。