浅析小水电站按水位自动控制的方法

林智海

（广东粤水水电发展有限公司，广东 广州 510610）

0 引言

YAVUZ 水电站为引水式电站，其引水系统由明渠和压力钢管组成，前池在其中间，有着调整和稳定水流的作用，在机组增、减负荷时，削减上游渠道水流产生的流浪，当机组突然甩负荷时，在压力钢管中产生的压力突变，钢管中流量的变化引起水位的改变，在明渠中将产生非恒定流。取水口、引水渠道、前池、泄水道、尾水渠和电站厂房等为该水电站的主要建筑物。

压力前池的作用：①平稳水压，平衡水量；②均匀分配流量；③排除多余水量，电站停机时，向下游排出水量；④拦阻污泥和泥沙。在前池中设有拦沙等装置，能有效的纺织泥沙流入管道，确保水轮机的正常工作。

1 系统的组成

YAVUZ 电站采用的计算机监控系统是全开放环境下的计算机监控系统，在功能上也是分层分布的。如图1 所示。

图1 网络拓扑图Fig.1 Network topology graph

该电站的监控系统采用的是计算机为主，简化常规设备为辅的设计原则，分为电站控制级和单元控制级。单元控制级包括三套机组LCU，一套公用LCU，一套前池LCU，一套开关站LCU，一套溢洪门LCU。在各LCU 之间都能通过光纤环网交换数据。电站控制级由两台工业控制计算机和一台通讯服务器组成，其功能就是采集处理电站设备的数据，存入历史数据库，实现对电站设备的控制和操作，监视电站的运行状态，控制链路与调度中心监控系统的通信。

机组LCU 负责实时的采集机组相关运行的参数，监测机组正常的开停机工作，以及完成对机组负荷的调节。

开关站LCU 主要负责的是采集三台主变和两条出线的参数、状态信号以及控制操作。

公用LCU 主要负责的是实时采集直流装置、消防水泵等辅助设备的运行参数、状态信号等。

前池LCU 主要负责的是实时采集前池水位和前池闸门的信号以及对前池进水闸门的控制操作。

溢洪门LCU 主要负责的是实时采集坝区水位信号、溢洪门信号以及对溢洪门的控制操作。

2 调节原理

规定按水位标准选择开机数量，前池水位在282.9～283.9 米时，开一台机；水位在283.9～284.15 米时，开两台机；水位在284.15 米以上时开三台机。图2 为调节水位的控制流程图。

当前池水位太高时，首先通过增大3台机组出力来调节，如果在三台机组满载运行情况下，前池水位还是太高，要通过减小水库闸门的开度减少来水量，来控制水位。反之如果水位过低时，首先通过增大水库闸门的开度来增加来水量，在水库闸门全开的情况下，前池水位还是偏低，自动减少机组出力甚至关闭机组。总之就是根据前池水位，通过自动调节机组出力达到最有效的利用水能。

图2 控制流程图一Fig.2 Control flow chart 1

3 控制过程

在正常情况下，水电站要实现按水位优化运行需要具备以下条件：各LCU 运行正常，上位机IPC 运行正常，光纤环网通讯正常，前池水位计工作正常，调速器要具备按水头调节的功能。中控室的操作人员在上位机的IPC 人－－机界面上选择“按水位运行模式”，同时人工设定进入按水位运行模式的运行的机组台数和开停机的先后顺序。前池LCU 在接收到上位机的指令后,依据前台水位的实际值来确定所开机的台数和运行机组运行的具体模式（指的是按给定功率运行还是水头－－开度的模式）。当水电站按水位运行模式时，必须保证其中有一台机组是按水头－－开度模式运行，而其他机组是按效率的最高点的给定值运行。机组LCU 和前池LCU 必须通过光纤环网来交换信息，也是为了实现水位调节模式下机组LCU 和前池LCU 的直接控制。

前池LCU 接收到各机组LCU 的信号有：允许开启机组进出口闸门、机组事故关闭机组进水口闸门、允许关闭机组进水口闸门、机组开机、机组状态、机组停机指令、机组允许开机、机组开机失败、机组关机失败等等各类信号。而前池LCU 传达到各机组LCU 的信号有：机组进水口闸门全开位置、机组进水口闸门全关位置、按给定功率模式运行命令、按水头－开度模式运行命令、机组开指令、机组关指令。机组初始的开机顺序为：1号机→2 号机→3 号机→1 号机。机组初始的停机顺序为：3 号机→2 号机→1 号机→3 号机。

按前池当前水位，前池LCU 只需要一台机组运行时，选择优先级最高的某机组开机。当机组LCU 接到前池LCU 传达的开机指令后，开机完成并网发电，同时发布信号到前池LCU 告知其机组已并网，然后前池LCU 再根据当期安水位环境下所运行的机组台数的数量在确定是否需要再开机，并将最后并网的机组按水头－－－开度模式运行，而其他已并网的机组是按效率最高点的给定值运行。

（1）当前池水位在282.9～283.9 米时，经前池LCU 判断后，判定只需要1 台机组运行时，按初始的开机顺序选择机组编号，当开机机组接收到前池LCU 的开机指令后，完成开机并网的工作。前池LCU 收到开机机组的开机并网信号后，又向该机组发送按“水头－开度模式运行”信号，机组收到该指令后，向调速器发送“按水位运行模式”运行的命令，由调速器按“水头－－开度”曲线模式运行。详见图3。

（2）如果在第一台机组全开的情况下，前池水位依然持续上升，水位达到283.9～284.15 米时，经前池LCU 判断后，认为需要开第二台机运行，将按初始开机顺序选择第二台机。第二台机的运行将按“水头－开度”曲线模式运行，而第一台机将将改成按效率最高点的给定值运行。第二台机按水头－开度模式运行。如图4 所示。

（3）如果水位继续上升，持续到284.15 米以上，经前池LCU 判断后，需要第三台机组运行，将按着初始开机顺序选择开启第三号机，三号机投运后，前池LCU将发送“水头－开度”曲线模式信号给三号机组LCU，使三号机机组按水头－开机曲线模式运行，同时前池LCU 将最高效率的给定值信号给1 号机组和2 号机组，使1 号机组和2 号机组按最高效率点的给定值运行。

图3 控制流程图2Fig.3 Control flow chart 2

图4 控制流程图3Fig.4 Control flow chart 3

当根据水位的高低判断需要开机指令，当前池LCU 的水位上升, 根据优先级确定需要开机的机组编号，观察是否在规定的时间内接收到开机信号，如果机组没有收到再继续判断下一优先级是否需要开机，当前池LCU 水位下降时，LCU 判断是否停机，发出的停机信号是按照优先级顺序的，若收到信息失败就要向下一优先级再发指令。为了避免停机时引起电站输出功率的大幅度波动，停机时要先由前池LCU 发出指令先退出机组的水头－开度模式的运行模式，待机组完全停机后，将停机优先级次高的机组置为水头－开度模式运行。这样的停机顺序是安全可靠，并且使功率输出平稳的高效方式。

4 水电站自控系统的优点

水电站的自控系统能够有效利用水能，发挥实际水电站的控制调节效果，在运行过程中安全，稳定，可靠。

（1）水电站自控系统可以减少运行人员的劳动强度。传统水电站的运行模式主体主要是工作人员，每天定时巡检，记录，调节控制等繁杂的工作内容，现在的自动控制用计算机代替了人工，节省了体力脑力，减少了工人的工作量，释放更多劳动力。同时提高了工作效率和准确度，能够将水能尽最大可能转化成电能。

（2）水电站自动控制系统可以提高水电站的有效性和及时性。自动化系统通过计算机，监控设置，控制体系技术能够高效的来通过前池水位高低控制发电机组的开停。其高效性和及时性已经远远的超越了完全人工的操作。

（3）水电站自动控制系统可以提高水电站发电的安全性、可靠性。在人工操作的时期，工作人员定时定点的去巡检，发现问题的及时程度远不及监控系统的快速，同时又避免了操作过程中工作人员的失误，所以自动控制系统具有一定的安全性和可靠性。

5 总结

近年来我国水电工程发展迅猛，已经建成小水电站4 万多座，为我国的经济科学发展和社会进步作出了巨大贡献。我国的小水电站主要解决中西部的边远地区的用电问题，小水电站的技术起点低，但是随着计算机技术、自动化技术的快速发展，小水电站的自动水位优化，能够更加高效地利用水能生产效益。根据控制原理和方法可以看出，SCADA系统的水位调节模式，避免频繁的开机停机，自动调节机组，有效的将水能转化为电能，充分体现了小水电站自动控制系统的有效安全，可靠稳定的优势。

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