小型水电站的自动化改造

杨友栋，陈立辉

（1.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省水文管理中心，浙江 杭州 310009）

水电是一种重要的能源，因其清洁性和可再生性，得到大力发展。随着制造装备技术水平的提高，水电技术得到飞速的提高，经过多年的发展，水电技术已经十分成熟。相对于发达国家，我国的水电开发比例仍然较低。为了解决能源短缺与生态环保问题，水电站开发在我国经历了一个高速发展的阶段，在经过20多年的不断兴建，已建成大量的大大小小各种型式的水电站。在这些已建成的水电站中，有着数量庞大的装机容量在50 000 kW以下的小型水电站。随着小型水电站的进一步开发，小型水电站的数量、装机容量、年发电量仍在增加。这些小型水电站分布较为分散，主要位于交通不太便利的偏远山区，是当地农村电网的主力军，是电网主网的有力补充，解决了偏远地区供电难题，为促进当地就业、经济发展做出巨大的贡献。

1 小型水电站存在的问题

在众多建成的农村小型水电站中，存在着一大批总装机容量从几百千瓦到两三千千瓦的小型水电站。这些小型水电站大多数建成于20世纪八九十年代，已经运行20多年，机组设备接近使用寿命，亟待改造。这种类型小型水电站很多依据地形情况修建，电站规模较小，引水系统比较简单，设备数量较少，接线较为简单，整体具有以下几点共性:①出线电压低。总装机容量小，出线电压为10 kV等级，送出线路不长，T接于附近的10 kV农村电网，不敷设单独的送电线路。②单机容量小。为了充分的利用引水量，提高利用小时，充分利用水能，均设置有几台机组，在总装机容量较小的情况下，单机容量必然会小，一般不超过单机1 000 kW。③机组额定电压低。机组单机容量小，为了降低成本，采用低压机组，机组额定电压采用400 V。

小规模的小型水电站在经过多年的运行，已经在运行过程中凸显众多问题，而且问题越来越严重，影响正常生产，甚至难以满足现场安全运行的要求。综合目前的情况，主要存在下列几个问题:①运行人员不足。经济发展的浪潮下，小型水电站已经难觅年轻人的身影，留下的一些运行人员已经濒临退休，运行人员面临青黄不接的状况。②机组老化严重。小规模的小型水电站建造年代久远，设备大多数运行了20 a左右。大多数机电设备制造于20世纪，机组老化严重、效率低下、影响电站发电效益，且存在众多的安全隐患。③自动化水平低。众多的小型水电站还停留在手动操作的水平，手动开机、停机，手动投切励磁，手动刹车等等，机组的起停、发电处于手工操作阶段，自动化水平极其低下，电能质量不高。④继电保护水平低。大量的小型机组还在使用继电器组成的继电保护，这种类型的继电保护接线复杂、故障率高、维修工作量大，远远跟不上时代的发展。

2 解决方案

在大电网智能化的大背景，水电站自动化水平逐步发展完善，尤其是大中型水电站的自动化水平已经很高，小型水电站的自动化水平与大中型水电站相比，差距较为明显。在水电站自动化总体水平提高的基础上，小型水电站的自动化水平获得长足的进步，基本上已经可以实现“无人值班、少人值守”的运行模式。新建的水电站已经实现计算机监控系统，完全实现自动化，降低运行成本，提高水能利用效率，处于自动化低谷区的农村小型水电站急需自动系统改造升级，自动化缺少的设备需要增设，自动化水平低的需要升级。当前小型水电站的自动化系统基本上采用分层分布式结构的系统，主要分为集控层、网络层与现地控制单元3层。

2.1 集控层

集控层由工作站构成，工作站装设监控软件和通讯服务软件，软件遵循“开放”系统设计原则，采用模块化编程，灵活组态、适用性强，可根据不同类型和规模的水电站的需求进行针对性设计，满足水电站在不同时期的需求。监控软件主要完成电站控制、电站监视、事故与故障处理、数据管理等功能。①电站控制:机组自动开停机、机组控制模式切换、机组自动发电、机组有功无功调节、调度与遥控。②电站监视:全站实时运行状态监视、全站运行参数监视、控制操作过程监视、系统设备运行状态监视。③事故与故障处理:事故与故障报警、遥测越线与遥信变位报警记录、事故与故障记录。④数据管理:运行参数数据库生成、历史运行参数查询。

通讯服务软件主要是完成与上级调度的通讯任务，可根据实际情况与电站的规模，与其他电站组成集中监控。

2.2 网络层

网络层是整个系统可靠运行的基础，应具有高安全可靠性、较强的数据吞吐能力，合理的带宽及通讯的开放性、集成性、易用性和可维护性，保证系统的实时通信与信息交换。网络通讯主要采用RS - 232/RS 485和以太网双网冗余通讯，相比较以前的RS - 232/RS 485单通道通讯，可靠性得到提高。

2.3 现地控制单元

现地控制单元是自动化控制的基础，完成对机组、机组辅助设备、其他配电设备的实时测量、控制、调节以及数据采集、处理、上传至集控层。现地控制单元具有最高权限的优先级别，当网络层或者集控层出现故障，失去与集控层联络时，仍然可以独立完成对设备的监控，通过现地/远地功能切换能实现现地手动操作，集控层与网络层维护检修时不影响电站的发电运行。目前自动化设备厂家较多，各大厂家均有自己特点的产品，造成现地控制单元设备种类较多，可以选择的产品比较广泛，总体可分为2类，一类为基于PLC的控制单元，另一类为高度集成的一体化控制单元。①基于PLC的控制单元:采用普及率较高的PLC，以PLC为基础，配置继电保护元件、一定数量的开关量输入继电器、开关量输出继电器、模拟量输入变送器、人机显示等设备，利用控制线路将各个功能连接在一起组成一个控制单元。人为增加中间转换环节，造成设备数量与费用增加，线路增多的同时使接线复杂性增大，无形中提高故障率。与此同时，由于农村小型水电站功能要求较为简单，数据采集的点数较少，采用的PLC一般为小型PLC，数据处理能力较差，故障发生时容易发生延时发出命令的情况，有可能造成故障的进一步扩大。一般情况下，PLC不单独设置屏柜，直接布置于发电机控制柜内，且发电机控制柜大多数就近布置于水轮发电机组附近，使PLC容易受到电磁干扰和环境影响。整体来说该类设备优点是设备的通用性强、易于扩展；缺点是抗干扰性能差、环境适应能力较差，故障率较高，整体可靠性差。②一体化集成控制单元:以嵌入式DSP处理器为核心，采用模块化设计，每一个具有独立功能的部件做成一个模块插件，通过装置的主板插槽将各个功能组合成一个整体。主要模块插件包括电源、DSP处理器、励磁、交流采样、直流采样、开关量输入、开关量输入、模拟量输入、通讯、人机显示等模块。一体化集成控制单元集成度高，集中了控制、保护、调节、监视、采样、通讯等各种功能，减少大量的辅助元件，接线复杂性大大降低，降低人为的故障率。主要优点有抗干扰性能好、环境适应能力强、数据处理能力强、插件配置更换简易、可靠性高，与具有同等功能的PLC相比较造价便宜；缺点是受制于主板插槽的数量限制，可扩展性能差。

3 结 语

农村小型水电站的改造是一项急需进行的工程，通过对小型水电站的自动化改造，在提高水电站发电效率的同时有效提高电站的运行管理水平，减少运行人员数量，解决人员短缺的问题。尽管每一座水电站有其自身的要求，不能采用同一个自动化模式，但是自动化改造系统架构大致相同，不同的是现地控制单元的选择。对比2种不同的现地控制单元，在造价水平相当的情况下，一体化集成控制单元具有较为突出的优点，应优先考虑。