某水电站自动化监控系统设计实例

欧耘天

（韶关市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东韶关 512026）

电力资源作为重要的能源之一，可满足人们生产生活用电需求。而为确保电力资源的稳定、安全供应，需要做好水电站建设工作。我国幅员辽阔，水电站分布广泛，不乏一些水电站在长期的使用中超负荷工作或者处于年久失修的状态，设施老旧，故障频发。而随着技术的创新，自动化监控系统研究及应用更为成熟，也带动水电站自动化监控改造，以提升电能质量，提升供电服务水平。

1 水电站自动化监控系统组成及工作原理

1.1 自动化监控系统组成

目前，计算机监控系统在水电站自动化监控系统中的应用表现对应不同的水电站自动化监控系统构成模式。①以计算机监控系统作为辅助监控的自动化监控系统，核心构成是常规的自动化装置，负责对水电站运行情况相关数据进行采集与处理。该模式下，一旦自动化监控系统出现问题，水电站其他自动化装置仍可正常工作，以确保电能供应的稳定。②以计算机监控系统为主控制系统的自动化监控系统[1]。这种监控系统的核心操作体是自动化装置，多数情况下不保留常规的自动化装置，但这种自动化监控系统对计算机网络运行安全性要求较高，若计算机自动化监控系统出现问题，会造成整个水电站供电系统的瘫痪。③双重配置的监控系统。自动化装置与常规监控装置同时运行，增强水电站运行中的稳定性与安全性。目前在水电站自动化监控系统改造中得到了广泛应用。

1.2 自动化监控系统工作原理

水电站是借助水力发电，利用水流作用，推动水利机械水轮机转动，将水流产生的机械能转变为电能。水电站中设置自动化监控系统，主要是发挥计算机监控系统、相关辅助监控设备及电气监控设备的作用，负责整个水电站的的自动化功能：安全监视、控制操作等；历史数据处理：运行报表、设备档案、运行参数等；人机对话：对运行设备的监视、事故和故障报警，对运行设备的人工干预及各种参数的修改和设置等，以帮助水电站工作人员及时了解生产过程的实时数据采集和预处理以及对设备的状态监视、调整和控制等功能。保证水电站供电稳定性，更好满足客户用电需求。

2 水电站自动化监控系统设计原则

在水电站自动化监控系统设计中应明确设计原则。具体来说，要坚持实用性、可靠性原则，在设计水电站自动化监控系统时，坚持面向应用，强调实效发挥[2]。秉承逐步完善的理念，让技术应用更理想，设备运作更成熟。要坚持先进性、成熟性、可扩展性原则，在满足实用性原则的基础上，根据水利发电站的具体情况，选择先进的设备，优化的结构，综合的布线方式及模块化设计。以更好地适应现代生产管理的需要，以系统可扩展性能优势的发挥，方便后续新设备的增加，新功能的扩展让步，也让不同系统能有效兼容。要坚持经济性原则，争取最少的成本投入，获得最理想的效益回报[3]。这要求网络设计、设备选型都要综合对比，优中选优，以确保整个系统设计及改造建设对应最理想的。

3 个案：山口一级水电站运行情况

山口一级电站为1995年8月正式投产发电的老电站，电站至今已运行23 a，受当时生产条件限制，机组效率较低，水轮机效率大约在为85.5%左右，经过20多年的运行，设备进一步磨损、老化，效率更低，目前效率在为82%左右。存在的主要问题有：①水轮机转轮叶片磨损、空蚀严重，转轮效率偏低，机组出力度下降，出力为3 860 kW，推力轴瓦温度偏高；②转轮效率低，汽蚀严重，调速器调节柜部分经改造后性能较好；③水力机械辅助设备老化，自动化程度低，2#机蝶阀有机械故障，操作不灵敏；④发电机绝缘老化，2016—2017年定子线圈击穿了3次，定子线圈无测温电阻；⑤励磁设备老化技术落后；⑥高低压柜及控制设备技术落后，另外水轮机停机时不能密封，渗漏水较大，高压柜开关为油开关，性能差；⑦控制保护仍为未常规控制保护，设备老化，技术落后，自动化程度低，运行不稳定，可靠性差。由于上诸多述原因，造成电站发电效益逐年降低，而且机电设备维护工作量大，维护费用高，水能资源得不到充分利用。因此该水电站技术改造提上议程。本文就自动化监控系统部分的设计及改造进行论述。

4 水电站自动化监控系统设计

4.1 设计原则

根据实际情况明确设计思路。对山口一级水电站自动化监控系统进行设计规划时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，力求通过自动化监控系统的设计，实现“无人值班，少人值守”，变原有的常规运行值班、人员巡视为定期现场巡视、远程控制。以自动化监控实现对水电站运行情况的即时把控，以做到监控的不间断、无死角。

4.2 设计框架

为了适应电站今后走上科学管理运行的要求，实行“少人值班”的原则，山口一级电站扩容改造工程采用微机监控系统对电站进行控制，该系统技术目前日益趋于成熟，配置有打印机、报警及音响系统功能，可以实现远程控制[4]。工作人员在中控室微机系统上操作就可实现全厂的监控，包括自动执行开机、停机、并网、带上负荷等操作，发出一个停机命令就可以完成机组御负荷、停机、刹车制动的作业全过程，并配有相应的自动化元件，包括电磁空气阀、温度信号器、示流信号及压力信号器等。机组采用与微机监控系统配套的可控硅自并励磁装置，可实现远程控制。自动化改造涉及机电设备参数见表1。

表1 自动化改造涉及机电设备参数

4.3 设计要点

4.3.1 自动化监控设计要点

在山口一级电站自动化监控系统设计中力求取消原来所有常规控制屏柜，用计算机监控保护自动化系统完全取代原来的传统型监控保护系统，以对全站机电设备实现微机控制、调节、保护、测量、信号、通信等。分析自动化监控系统构成可知，计算机监控系统采用全分层、分布开放式的全厂集中监控方案，设有负责完成全厂集中监控任务的电站控制系统级及负责完成机组、开关站公用设备监控任务的控制系统。现地层每台机组监控设机组LCU 屏1面，所有公用设备和升压站设备监控设公用LCU 屏1面。主变线路共1面保护控制屏，2台发电机共2面保护控制屏。另外配置1 面计量屏，2 台发电机，主变及35 kV 线路各配置1台电子式多功能电度表。电站主控层配置两套互为热备用的操作员工作站，配置1套语音报警系统和报表、事故打印机，另外配置中央控制室控制台1套，用于安放操作员工作站及打印机等主控层设备，主控层和现地层采用100 M 快速工业以太网通信。计算机监控可实现对电源系统的遥测、遥控、遥信、遥调，真正实现无人值守，节省人力成本，提高监控实效。

4.3.2 继电保护设计要点

山口一级电站扩容改造工程中也应关注电气设备的保护问题，设计考虑采用微机保护，与监控系统共用一套，组合微机监控保护系统，按继电保护的有关规程，不同元件有相应的保护配置。其中，发电机保护的配置为纵联差动保护、复合电压起动过电流保护、电流速断保护、过电流保护，过电压保护、失磁、过负荷保护、定子单相接地、励磁回路一点接地及低电压保护等。其中变压器保护的配置为纵联差动保护，复合电压起动过电流保护，电流速断保护，过电流保护，重、轻瓦斯保护及油温升高发信号[5]。厂用变压器保护的配置为电流速断保护、过电流保护。35 kV线路保护的配置为电流速断保护、过电流保护。从系统结构看，微机保护采用分布式单元机箱结构，各保护单元均相对独立，通过站内现场总线互联。在功能分配上，采用能下放尽量下放的原则，保护单元箱能完成的功能绝不依赖通信网，各保护单元箱上均配有操作面板和必要的手动操作开关及信号灯，运行人员可通过就地单元箱上的操作面板或人机接口，对相应电气设备进行操作，各保护单元故障或退出运行时，不影响其他单元及上层监控。

4.3.3 视频监视设计要点

山口一级电站增效扩容改造工程设视频监视点多个，其中大坝水位2个、厂区1个、主厂房2个、中控室1个、高压室1个、厂变励变室2个、尾水1个、压力管道1个共11个。视频监控设备以数字技术进行监控并录像。若前端设备遭破坏出现视频图像丢失时，系统会发出报警，提示工作人员关注错误的图像源等信息，并及时进行设备调整。视频监控系统还设置视频移动感知报警模块，若监视画面中有物体移动，系统也有报警，提示工作人员及时关注监控区域内的移动物体，判断是否存在外来非法入侵的情况并科学处理。

4.3.4 二次接线设计要点

山口一级电站自动化监控系统设计中也应重点关注二次接线设计问题。①测量、信号及同期设计。山口一级电站扩容改造工程二次采用微机监控保护系统，测量部分有发电机、主变及35 kV 线路配置有有功功率、无功功率、电流及电压测量，通过信号采集输送至微机监控保护系统，由视屏显示；全厂的信号输送至微机监控保护系统，由系统发出信号或语音；主同期点设在发电机出口断路器，主变出口断路器为备用同期点，在微机监控保护系统上操作。②电流、电压互感器设计。山口一级电站自动化监控系统设计中要求发电机出口、主变高低压侧及35 kV 线路设有电流互感器；要求发电机端、6.3 kV 母线及35 kV 母线设有电压互感器，电压、电流互感器提供的测量数据均能满足微机监控保护系统的要求。在接线设计时也要合理控制电源。对原来直流系统进行改造，直流系统采用智能高频开关电源特有的模块化设计，N＋1热备份，可靠性高。直流电源系统采用通信接口与电站监控系统连接，可实现遥控、遥测、遥调、遥信的功能。③开展电工试验。由于山口一级电站高压设备不多，因此在自动化监控系统设计中不设计电工实验室，只新增一试修及工具室。此外为保障通信正常，设置专用电话与变电站联系，设置程控电话对外联络，对内则不设内部通信设备。考虑到以太网综合性能优势明显，及其在工业控制领域的成熟运用。山口一级电站自动化监控系统设计以以太网为基础，构建新的通信网络。网络采用分层分布的方式，其中占用层使用100 M 以太网，间隔层使用10 M 以太网，使用交换机的星型拓扑结构，并根据现实需要以光纤作为主传输介质。

5 结语

水电站在社会发展中的价值不容忽视，而水电站运行又相对复杂。传统的水电站监管多为半自动化监管，在部分偏远地区也一度沿袭传统的人工监管模式。随着技术的创新、系统的升级，自动化监控系统应用更为广泛，在水电站运行中也得到有效运用，减少了工作人员监管工作量，也减少了人为失误，水电站运行得到全方面的监管和即时性的管控。积极发挥水电站自动化监控系统优势，推动水电站自动化监控设计改造是当前水电站建设积管理的大趋势，将带来理想的效益回报。