大黑汀水库东坝电站自动化监控系统设计构想

2017-03-29张晓军付靓

海河水利 2017年1期

关键词：继电器电站水库

张晓军，付靓

（引滦工程管理局大黑汀水库管理处，河北迁西064300）

大黑汀水库东坝电站自动化监控系统设计构想

张晓军，付靓

（引滦工程管理局大黑汀水库管理处，河北迁西064300）

基于分层分布式网络结构的自动化监控系统对大黑汀水库东坝电站进行改造，以计算机监控系统替代以人工操作为主的监视测量设备来满足水电站的运行要求。针对东坝电站的安装及运行方式提出了切实可行的设计构想及系统组成，系统具有先进性、可靠性、经济性，可操作性极强。

水电站；自动化；监控；改造

大黑汀水库位于河北省唐山市迁西县城北约5 km的滦河干流上。水库西坝建有渠首电站和河床电站2座坝后式水电站，共安装5台水轮发电机，总装机容量23.4 MW。东坝电站位于距西坝渠首电站1 300 m的水库大坝东侧，总装机容量1 000 kW，由2台单机容量500 kW的卧式水轮发电机组（站内运行编号为6#机和7#机）组成，机组采用一机一变的运行方式将输出的6.3 kV电压分别通过自身的升压变压器升压成10 kV等级电压送至位于大坝西侧的变电站内，然后再由另一台变压器升压为35 kV后送入电网。东坝电站由于兴建时科技发展水平等条件限制，设计理念落后，采用的各类设备及元器件型号已经老旧，目前已经完全不能达到水电站安全、稳定运行的要求。

1 东坝电站现状

目前，东坝电站的监测项目仅限于发电机电气设备运行参数和机组温度、冷却水等几组必需的水轮机运行参数，不仅增大了运行人员的工作强度，还极大地提高了机组运行的不确定性，更不能满足现代水电站机组的安全运行标准。现就机组主要监测设备应用中存在的问题简述如下。

1.1 水轮机控制屏

水轮机控制屏由DZ系列中间继电器及翻板式电压继电器组成，主要用于手动开机过程中对各开机条件的检测及闭锁，以确保机组开机过程中无故障，同时在机组运行过程中完成机组转速的检测及过速保护。其存在的问题包括各类继电器老化，信号检测量少，仅能完成最基本的信号量监视，且全程均需人工参与才能确保机组安全运行。

1.2 机组保护屏

机组保护屏由电磁式差动继电器、电流继电器和翻板式电压或电流继电器组成，用于保护机组电气参数。其存在的问题包括参数整定精度差，机械式锁定机构容易受振动等因素的影响，保护效果差，可靠性低。

1.3 机组励磁系统、调速系统

机组的励磁系统、调速系统（调速器）均各自独立运行，彼此无任何联系，只能依靠运行人员根据运行数据和经验手动调整机组的运行状态。

此外，由于年久失修，目前该电站基本处于瘫痪状态。其主要表现在：进水闸门控制设备损坏，不能完成正常的起、落闸门操作；机组出口开关（同期点）合、跳闸机构卡阻导致机组并网困难；机组励磁系统工作不稳定，经常出现失控现象等。

由于上述现象的存在，整个东坝电站需要投入大量人力、物力才能维持机组的基本运行。目前，整个电站运行控制方式为手动操作，因此对运行人员在数量和基本业务素质等方面要求较高。众所周知，大量的人为操作其误差是较大的，因此在很大程度上影响了电站机组的运行质量，机组运行的可靠性和安全性也不能保证。为提高电站的运行效率、减少运行成本，必须对整个东坝电站进行彻底改造，采用新的计算机监控技术代替目前的手动控制方式。

2 监控系统构想

2.1 设计思路

对东坝电站自动化监控系统的设计以信息采集全面精准、控制功能齐全可靠、自动化程度高为基本设计原则，以整个系统实现“无人值班、少人值守”为设计目的，确保东坝电站现场不再有常规运行值班人员而改为定期现场巡视、远程操控的运行方式。

2.2 系统构成

东坝电站的自动化监控系统采用双层分布开放式结构，即由厂站级中央控制层和现地级控制单元层组成。其中，厂站级中央控制层安装在大坝西侧的渠首电站中控室内，由操作员工作站（上位机）、网络打印机和工程师工作站等设备组成；现地级控制单元层由各个独立的现地控制单元组成，各现地控制单元分别安装在被控设备本地。现地控制单元与中央控制层通过光纤进行物理连接，用于完成各类数据的传输。

针对东坝电站水轮发电机组的运行及控制方式，现将整个电站现地控制层设计成6#机组现地控制单元、7#机组现地控制单元和公共设备控制单元。计算机监控系统框图，如图1所示。

图1东坝电站计算机监控系统框图

图1 中上方虚框内为操作员工作站，安装于渠首电站的中央控制室内；中间为网络传输部分，由网络设备（如以太网交换机、光纤和串口转以太网模块等）组成，负责完成现地控制单元与中央控制层之间的数据传输；最下方为现地控制单元，包括6#机、公共设备和7#机现地控制单元。

3 实现功能

基于电站“无人值守、少人值班”的设计构想，整个电站监控系统能够实时、准确有效地完成对机组的监视和控制，能够按预定要求或由实时运算结果直接控制每台机组和主要开关，实现单机控制，也可以根据AGC算法给定全厂总负荷向电站主站级计算机给出全站有功功率和无功功率给定值。

3.1 主机现地控制单元

主机现地控制单元有两套，即6#机现地控制单元和7#机现地控制单元，主要负责完成对水轮发电机组的开、停机操作以及对机组运行状态的监视和管理，同时以网络通信的方式实现对其它设备的数据传输及管理。机组现地控制单元框图，如图2所示。

图2 机组现地控制单元框图

每套现地控制单元由PLC模块、输出继电器、测速装置等组成，主要完成对机组的逻辑控制和数据采集。

其它设备（如励磁系统、调速器系统）以主机控制单元为核心，按照机组主机控制单元发出的指令相对独立地完成对机组各参数的控制及操作并以串口通信的方式与主机控制单元进行信息传输。

快速门控制系统由独立的PLC模块组成，用于控制进水闸门起落和蜗壳充水阀开关，它与主机现地控制单元之间通过485通信口进行物理连接，机组开停机操作以串行通信的形式传达给闸门控制单元，闸门控制单元在接收到数据后根据数据内容确定闸门或充水阀门的开或关。

3.2 公共设备现地控制单元

公共设备现地控制单元主要用于电站公用设备及现场的控制及监视，包括照明系统、排风系统、直流电源系、厂用电、厂房温度监视和控制等。

3.3 数据采集单元

数据采集为自动化监控中的一环，起着至关重要的作用，数据采集的内容和质量直接影响着整个监控系统的自动化程度。水电站所采集的数据包括电气量和非电气量两大类，就数据性质又可分为模拟量和开关量。其中，非电气量模拟量和开关量由各现地控制单元的PLC完成采集、分析和处理，如机组温度、蜗壳压力、压力油油压、冷却水状态、断路器位置等；电气模拟量主要是电压、电流、功率等，由智能仪表完成采集，然后通过485通信口以Modbus协议将数据传输给现地控制单元，再由现地控制单元PLC模块分析处理并传输至安装在中央控制室的上位机（操作员工作站）。