农村小水电自动化控制技术现状及分析

2012-07-19张巧惠邓小刚杨春霞

水电站机电技术 2012年3期

张巧惠，邓小刚，杨春霞，李伟，李越

（中国水利水电科学研究院自动化所，北京 100038）

0 引言

农村小水电作为重要的民生工程和可再生能源之一，受到国家的高度重视，是我国农村和边远山区发电的主力。而目前，由于农村水电大部分分布在广大农村地区和偏远山区，建设年代较早或受投资的限制，存在建设标准低、设施老化、失修严重、自动化程度低、安全性不足等突出问题。加快农村水电自动化改造，是实现水电管理精细化、现代化的重要内容，对于提高农村水电安全性、提高发电效益，不断提高贫困山区农村用电水平，改善民生，促进农村经济社会可持续发展具有十分重要的作用。

通过广泛查阅资料、实地考察、专家咨询等方式，笔者对我国小水电自动化技术现状作了深入调研，就目前小水电自动化技术存在的问题、当前技术水平和运行实际情况作了分析和总结，并结合笔者在水电厂自动化系统、无人值班/少人值守技术方面的长期经验，对研究开发适合于小水电的自动化控制系统总体解决方案，尤其是小水电一体化控制技术提出了建议和研究课题，目的是降低自动化设备的投资成本，提高机组安全运行水平，节省人员开支，降低运营成本，推动农村小水电技术进步。

1 农村小水电站自动化技术存在的主要问题

据有关资料统计，至2008年底我国农村水电站大约有4.5万座，需要技术更新改造的约有2.4万座，总装机约1800万kW。因此农村水电站技术改造，包括自动化改造任务艰巨、市场前景巨大。但是农村水电站技术改造门槛较低，所以市场竞争比较激烈。目前农村水电站技术改造主要面临以下几个主要问题。

1.1 性价比问题

由于农村水电站的产权不明晰，以前的农村水电建设专项贷款政策被取消，所以农村水电站更新改造需要大量的投资，资金存在巨大缺口。这样就要求农村水电站技术改造设备具有良好的性价比。

1.2 运行管理问题

农村小水电站的运行维护人员普遍技术能力相对较弱，需要加强培训。自动化系统的易维护性、界面友好性、操作简单等方面就更加重要。系统长期运行缺乏定期维护与保养等问题比较突出。

1.3 设备可靠性问题

由于投资资金有限、重视短期发电效益、轻视运行管理、不注重设备维护等原因，设备可靠性，尤其是自动化系统元器件产品的可靠性、性能、安全性、稳定性等较低，存在安全隐患。

1.4 人员素质问题

由于农村水电站地处偏僻山区，环境较差，所以运行人员、维护人员的技术素质普遍较低。有的水电站运行人员只有小学或初中文化程度，所以计算机、自动化技术基础较差，给自动化设备的运行维护带来一定困难。

2 农村水电站自动化技术现状

为深入调查了解小型、微型水电厂自动化系统相关技术的现状、自动化技术实际应用水平、运行状况，尤其是小水电自动化控制的一体化技术和集成化程度，笔者通过多种渠道的广泛调查、收集信息，查阅相关资料、参加相关会议、进行专家咨询等多种方式了解有关技术和设备应用情况，并先后多次组织来自于监控专业、调速器专业、励磁专业的技术人员在浙江进行了有关农村小水电自动化系统的走访和实地现场考察。考察地点既有水利部所属国家科研机构，又有专门从事小水电自动化设备研发与生产的有代表性的厂家，还有最近改造完成的自动化水平较高的小水电站。对相关技术和实际运行情况进行了深入细致的调查研究。通过调研，发现目前在新建的小水电低压机组中，机组监控、调速、励磁、后备保护的一体化集成技术方面有新产品研发和实际的应用案例，对于其他的新建或最近改造的小水电站，自动化控制技术大部分还是采用机组监控、调速、励磁、保护装置相互独立的系统。现将相关调研情况作较详细的归纳和介绍。

2.1 小水电高压机组自动化技术

我国浙江一带的小水电资源非常丰富，在浙江建设了许多小型水电站。通过浙江省水利厅水电处了解到，临安县的青山水库电站和水涛庄电站、安吉县的凤凰水库电站和安城水电站在近一两年完成了技术改造，自动化水平相对较高，在一定程度上代表了目前的小水电自动化技术水平现状和趋势，对这四家水电厂的自动化状况进行了实地调研。

这4个水电站，均采用老式的独立控制设备，励磁、调速、保护等均为传统的独立设备，监控采用PLC控制方式实现机组的自动化控制。通过实地调查发现，小水电自动化设备虽然造价相对较低，但相关设备并不少，仅控制部分就有：励磁装置、调速装置、继电保护、交流采样装置、温度巡检装置、转速测控装置、同期装置、监控用的现地控制单元PLC设备、多台监控用上位机计算机设备等。监控系统一般采用星型网络结构，每台机组配置一套PLC现地控制单元，上位机一般配置有主备操作员站、报警及打印服务工作站。在功能上一般较为简单，通常不采用较复杂的冗余设备配置。但对于设备的可靠性要求并不比大中型机组低，加之南方水量充沛，全年机组运行时间长，且经常满发甚至超发，调研中就有一个电站超发10%运行，机组的安全可靠运行问题不容忽视。考虑到运行及维护人员技术水平问题，只有更为人性化和智能化、易于维护、可长期稳定可靠运行的控制设备才能满足小水电的需求。对该4个小水电厂调速器系统的调研结果如表1所示。

表1 浙江4个小水电站调速器系统配置情况

通过对杭州一家部级农村电气化研究单位走访发现，对于高压机组（指出线6.3 kV及以上的机组），一般是按照和大中型水轮机组一样的常规设计，即开关柜、励磁、调速、保护、监控系统盘柜分开配置，采用相互独立的自动化系统。

由此可见，对于小水电中的高压机组，为保证设备的可靠性、安全性和高性能指标要求，大部分均采用监控、励磁、调速、保护相互独立的自动化系统，只是设备配置和结构相对简单。

2.2 小水电低压机组自动化技术

通过调研了解到，对于低压机组（指容量800 kW以下，出线400 V的机组），采取较多的是一种简单的“一机一屏”的配置，即断路器和机组自动化控制回路放在一块屏柜中，而励磁、调速仍然分开配置。

笔者还调研走访了几家主要从事小水电自动化控制系统产品的研发与生产的公司。随着电子技术的不断进步，处理器速度、精度与性能的不断提高，多种功能的合并成为可能，比如其中一家公司开发了四合一组合控制装置，专门应用于小型微型水电厂，是集励磁调节、调速器电气控制、发电机后备保护、测温、测频、同期、自动化控制等功能为一体的自动化装置设备；该设备使得小水电控制系统硬件配置简化、维护方便、造价低，可在成本较低的情况下实现较完善的多种自动控制功能，在投资有限的小水电市场有较强的价格竞争力；该自动化设备的成本随机组类型及容量不同而变化，一台机组配置一套该设备。

另一方面，一些学者从社区公共服务供给机制和模式研究方面提出自己的看法，吕芳、潘小娟通过分析合同外包、志愿服务与协同生产之间这三个模式的差异，得出基于公民互助的公共服务协同生产模式是建立于人们的互惠合作之上，这更适合当下中国的国情[5]；蒋源提出了“辅导式生产”的概念，以厦门市思明区居家养老“安康计划”为例，思明区政府主动搭建平台，创新管理模式、供给机制、服务项目、融资方式等，吸收社会养老力量，引入市场机制提升养老服务效能，充分发挥服务主体多元化与运作机制多样化的协同效应。[6]

该四合一组合控制装置（单元）硬件采用32位高速数字信号处理器（DSP）为CPU，集成了8路数字式温巡、8路进水流量/涡壳压力/水位/导叶开度等机组参数测量、机组电度计量、发电机后备保护、转速测量、数字自动准同期、励磁调节、调速器（操作器）控制等功能，提供基于TCP/IP的网络通讯和RS485通讯接口，完成测量、操作、保护、顺控、调节等全自动智能化控制。人机界面采用小型LCD显示各种运行参数，并具有设置调节控制的功能。根据客户要求和实际需求，该装置实现模块化组合设计。例如，在公司现场演示的一套自动化系统，为满足可靠性和实时性要求，保障安全、稳定、高速的机组控制需要，励磁功能和其他功能分开，采用相互独立的CPU，即励磁单独用一块CPU板，监控及其它功能采用另一块CPU板，两块CPU板和其他I/O板放在同一4U高的机箱里，有两个小液晶显示屏显示相关参数。

该种自动化装置主要适用于小型、微型水电站低压机组的自动化控制。目前该套自动化设备在非洲等海外国家的微型水电站有使用案例，但其运行效果和性能还需进一步调研，并需要接受时间的检验。对于小水电的高压机组，从几家厂商的调研情况来看，还是采用监控、调速、励磁、保护等相互独立的分体式系统，以保证机组的安全可靠运行和监视控制功能的实时性。

2.3 箱式整装小水电站技术

从调研中了解到，2004年一家农村小水电研究单位从澳大利亚引进箱式整装小水电站，它是一座将所有的发电设备（包括水轮机、发电机、励磁系统、调速系统、机组控制保护系统及开关等设备）都集装在一个金属箱内，并在工厂联调完毕，实现无人值班的一体化电站。其优点是：便于运输和现场快速安装，简化水电站工程设计，减少厂房面积，缩短电站施工期等。该项目于2006年在浙江金华双龙洞水电站（160 kW）投入运行。在消化吸收国外技术后生产了一套箱式水电站，在浙江岩坦水电站（320 kW）投入运行。但箱式水电站只适合于水头高、转速大、机组体积小的水电站。

3 小水电自动化技术特点

3.1 高压机组自动化注重高性能

对于小水电中的高压机组，其自动化系统绝大部分还是采用监控、调速、励磁、保护相互独立的系统，以保证机组运行的安全性、可靠性及自动化系统的实时性、高性能。

3.2 低压机组自动化注重高性价比

对于小水电低压机组，根据实际情况，有选择地将功能模块进行组合设计，节约成本，提高性价比，在保证可靠性和高性能的同时，适当降低成本。一般的做法是将部分功能进行集成，但励磁、调速、保护仍然分开配置。

3.3 微型低压机组自动化注重降低成本

针对微型水电站的低压机组，在保证安全可靠的同时，更注重降低成本，相对降低了对性能的要求。目前国内研制生产的小水电自动化控制组合装置，有了一些实际应用的案例。其研发思路值得借鉴：监控、调速、后备保护可以集成于一体，采用同一个CPU，以降低成本；励磁采用单独的CPU进行控制与调节，以提高可靠性与实时性。整个系统的可靠性、质量、稳定性和性能还有待进一步调研，尤其需要经过长期运行实践的检验，但其做法值得借鉴，通过研制统一的硬件平台，监控、调速、励磁等各个部分在统一的硬件平台上开发各自的应用软件系统，研制出软硬件都有自主知识产权的、高集成化产品。根据我国小水电目前发展状况，小水电站数以万计，只要产品价格有优势，质量相对稳定可靠，还是会有巨大市场的。

3.4 针对不同需求灵活组合设计独特的产品

根据笔者所在公司在水电行业自动化系统、无人值班/少人值守技术、调速器、励磁技术等方面的长期经验和技术积累，机组监控和调速器的自动化控制，可以尝试采用一体化控制或集成控制，如采用一套CPU或一套PLC进行数据的采集、监视与控制，在保证机组的安全、可靠、实时运行的同时，提高集成化程度，降低成本，提高性价比。这种方式还可省略监控系统与调速器系统间的数据交换环节，节省数据交换通道，通过减少中间环节，提高整个系统的实时性、可靠性，在降低系统硬件成本的同时，还可降低系统集成与现场调试的成本。

4 今后的工作与课题

4.1 加快新产品研发

随着电子、通信、计算机控制技术水平的不断提高和元器件新产品的不断涌现，小水电自动化控制技术也必将面临着革新和挑战。加大科技研发力度，加快新产品研发步伐，提高产品质量和技术水平，顺应技术发展趋势，提高产品竞争力是企业生存发展的必然法则。针对水电厂实际情况，结合当前新技术新产品在速度、性能上的不断完善与提高，可以试验研究部分或全部功能的一体化控制或集成控制。

以目前的市场现状、当前自动化技术水平和水电站需求，可开发的集成化自动控制设备或装置模块包括：调速、交流采样、温度巡检、开入开出、转速和频率测控等，而励磁、保护、同期装置由于涉及到更为专业的知识和更高的可靠性、速度等性能指标要求，需配置相关专业的专门人员，投入大量的人力、物力和财力，并且从研发到产品成型需要一定的经验积累和长期的研发过程。目前市场上励磁、保护、同期装置相对独立、技术相对成熟、产品集成度高、成型产品较多、产品性能相对稳定可靠，因此，可选择现有成型产品集成到自动化系统中，以减少研发投入。

若开展相关研发工作，应先确定方案，统一总线结构、通讯规约甚至处理器规格，统一硬件插板结构，然后分专业、分模块分别进行开发，在条件具备后合并为整体装置，进行联合测试、开发与完善。

4.2 降低电站成本造价

我国中小河流的水能是最廉价的动力，同时作为清洁能源之一，充分利用水力资源，开发小型、微型水电站是群众的迫切要求。但因投资有限，小型电站设备要走系列化、集成化的道路，为降低造价创造有利条件。

4.3 加强技术指导

为了保证电站的安全和质量，尤其要依靠当地技术人员，抓好培训技术、加强技术指导工作。结合着训练班的学习，采取以工地作课堂、以工程作教材、传帮带、厂商与用户联合开发等多种方法，提高运行人员的技术力量和运行维护水平。

4.4 提高电站的经营管理水平

电站的经营管理工作必须与建设同步跟上，才能修好一处，管好一处，使电站充分发挥效能，解决当地实际问题和困难，提高综合经济和社会效益。小电站在经营管理上应以生产为主，结合照明，统筹兼顾以小水电代燃料，提倡清洁能源利用与开发，开展多种经营，使物尽其用。根据电站条件，制定必要的操作规程、管理章则，提高运行维护人员技术水平，以延长设备使用寿命，保证电站长期安全稳定运行。