淺談微機綜合自動化在拴驢泉水電站的實際應用

秦志鋼

摘要：

為了提高晉城市沁河拴驢泉水電站的自動化水平，對電站進行了機組增效擴容改造，淺談了微機綜合自動化技術在中小型水電站的應用，水電站綜合自動化系統的重要性和發展趨勢，提出了水電站改造的必要性，綜合自動化的基本概念，并對系統結構、通信方式和能實現電站的遙控、遙調、遙信和遙測等遠動功能，從而達到電站的無人值班或少人值守的目的。

關鍵詞：微機綜合自動化技術改造系統配置計算機監控系統

中圖分類號： F407 文獻標識碼： A

一、前言

二十一世紀是信息時代，隨著科學技術的不斷進步和自動化程度的日益提高，微機綜合自動化在電力生產中得到了廣泛的應用。根據水電站所在電力系統調度自動化、系統繼電保護和安全自動控制、電能計費、系統通信以及電力系統生產調度管理等方面的要求，對新建水電站應按自動化要求進行設計并具體實施，考慮人體的特點、能力和限度，采取適當的技術措施，實現了水電站少人值班，以滿足電力系統安全經濟運行的需要，最終達到無人值班的目的。

二、電站概況

晉城市沁河拴驢泉水電站位于山西省與河南省交界的澤州縣山河鎮拴驢泉的沁河干流上，整個電站坐落在山里泉旅游區內，距晉城市區55KM，是澤州縣小水電骨干電源之一，一九八七年主體工程動工興建，一九九一年建成投產，設計水頭57.65M，設計引水流量每秒32.8立方米，總裝機2臺，每臺容量8750KM，設計年平均發電量9460萬KM*h.電站自運行以來，為緩解水電供電壓力和當地的工農業生產用電及農民脫貧致富起到了積極的推動作用。

1991年電站開始建設時的工程任務是防洪、發電和利用尾水向引沁濟莽渠道送水，一部分電力送往晉東南電力系統，另一部分用于解決廠用電和近區自供區供電。隨著工農業經濟的發展，本地區新增多處工業企業，新型農業也日新月異，原來設定的工程任務更顯突出和迫切，同時生態環境保護和旅游等綜合利用也對電站提出新的更高要求，所以拴驢泉水電站的增效擴容改造是刻不容緩的。

三、技術改造的必要性

節能減排、環境保護是建設資源節約型、環境友好型社會的戰略大計，是實現國家可持續發展的必由之路。 我國小水電發展較早較快，但受當時技術水平、經濟條件的制約和多年運行、老化的影響，普遍存在機組效率差、水能利用效率低等問題。拴驢泉水電站改造工程完成后，裝機容量雖然不變，卻可以提高水電站機組效率，降低電網電損，提高發電量，增加發電效益，使農民直接受益促進當地經濟的發展。開展農村水電增效減排的工程規劃工作是非常必要的。開發水力資源，實現農村電氣化建設的要求。

四、 計算機監控系統的配置

1 電站控制層配置

電站控制層設備設在中央控制室，由主機操作員工作站、通訊工作站、主控制臺、漢字打印機、GPS時鐘同步裝置、語音報警裝置、UPS電源等組成。

2 現地控制層（LCU）配置

現地控制層分機組LCU和公共LCU兩部分，由人機界面終端（液晶觸摸屏）、智能I/O控制器、I/O模塊、輸出繼電器、準同期裝置、溫度測量裝置、轉速信號測量裝置、數字式測量儀表和交直流雙供電源等設備組成。

機組LCU監控范圍包括水輪機、發電機、進水口主閥和機組附屬設備?，F地控制層負責對水輪發電機組、電氣一次設備及公用設備等實時監控，通過工業以太網絡實現各現地控制層與全站控制層連接交換信息，實現現地設備的監控及數據共享。當電站控制層因故退出運行時，現地控制層可以獨立運行而不受影響。

3 通訊網絡及設備配置

網絡結構形式采用工業以太網，網絡通信介質為多模光纖和屏蔽雙交電纜線。網絡傳輸速率為100Mbit/s，節點數可達340個，網絡上的任一節點可以實時向網絡上其它節點和網絡上發送信息，某一節點故障，自動從網絡上退出，不影響網絡上的其它節點傳輸信息。

4 系統軟件配置

系統軟件：采用中文版的美國微軟Windows 軟件，具有良好的實時性、穩定性、可靠性，系統管理保密性好。用于操作系統，它管理整個計算機系統的所有資源，包括CPU、存儲器、外部設備等，提供其它軟件與系統資源的接口，是其它軟件運行的環境。

應用軟件：采用PLC編程軟件，用于程序的編輯、編譯、軟件連接等。具有良好的人機界面和全開放特性。它是可以運行多種通訊協議的監控軟件，與網上有不同通訊協議的設備交換數據，其數據庫生成、監控畫面、控制流程、報表等配置靈活，使用和維護方便。

5 繼電保護系統的配置

保護的配置整定：對于保護裝置的使用，首先要進行配置整定，輸入相關參數，保護裝置通過這些參數進行保護功能和測量功能的計算。

五、計算機監控的功能

計算機監控系統取代常規的控制盤、儀表盤、模擬盤、中央信號系統、電壓無功調節裝置等，具體包括以下內容:

1 監控畫面功能

畫面顯示電氣主接線所有開關的狀態，發電機出口的電氣和勵磁參數，主變壓器高、低壓側的電氣參數，10KV、110KV線路出口的電氣參數，6.3KV、10KV 和110KV母線的電氣參數，廠用變壓器的電氣參數，電氣主接線上所有開關的分、合閘操作按鈕狀態。主接線的運行狀態和操作均在該畫面上進行。當運行參數超出正常范圍或開關跳閘時，相應的數值和開關顏色變化，語音設備報警。

2 遠動功能

由監控系統的主工作站實現，并留有擴展能力。需要向電力系統調度機關傳送和接收數據，實現調度機關對本電站的遙測、遙信、遙控和遙調，實時接收調度命令，向調度機關發送水電站實時運行工況、運行參數等信息。

3 實時數據采集和處理功能

采集電站電力運行實時數據和設備運行狀態，包括各種模擬量、狀態量和脈沖量。監控系統采取定時采集和主動上送的方式進行數據采集，并將這些數據存于數據庫供計算機處理之用。

電站控制層：自動實時采集和處理來自各現地控制層及調度系統的數據。當出現異常事件記錄和出現事故時，計算機監控系統根據目前的情況自動作出處理。

機組現地層LCU：自動實時采集和處理發電機、水輪機、勵磁及調速裝置、機組附屬設備的電氣模擬量、非電氣模擬量、脈沖量、開關量，主要設備運行工況診斷處理，并以一定的格式存入實時數據庫，對各類信息進行數據封裝后存放在現地控制單元的存儲單元中，并上傳電站控制層。

直接采集的信號有：

電氣量：發電機定子電壓、電流，勵磁電流、電壓、頻率、有功功率、無功功率和功率因數等。

非電量：機組油、氣、水系統的壓力、流量、接力器行程、溫度。

開關量：發電機斷路器位置、繼電保護電氣事故信號、故障分類信號；勵磁系統工作方式設置、滅磁開關位置、故障信號；調速器工作方式設置、故障信號；油壓裝置壓力、油位信號；機組各溫度信號、轉速位置信號、導葉開度位置信號、接力器鎖錠投切信號、制動閘塊位置信號、制動氣壓位置信號、剪斷銷剪斷信號、油槽油位信號；進水口閥門位置信號、機組冷卻水信號；水機保護動作信號等。

脈沖量：發電機有功電能、無功電能等。

通信采集的信號數據有：

機組各部位溫度、測溫電阻斷線及裝置故障，以及有關機組軸溫溫度信號和交換控制、狀態和報警信息。勵磁系統、調速器系統、同期系統、發電機及主變和線路微機保護裝置的通訊。

4 綜合參數統計、計算與分析功能

計算機監控系統根據實時采集到的數據進行周期、定時或召喚計算與分析，形成計算數據庫與歷史數據庫，幫助運行人員對電廠設備的運行進行全面監視與綜合管理，可及時發現故障征兆，提高機組運行的安全性。對現成的計算數據列出作為實時數據處理，存入相應的實時數據庫和歷史數據庫，進行越限報警、啟動相關處理程序等操作。

5 定值管理功能

計算機監控系統對所有定值作統計，定值修改、變更情況統計，并存入數據庫，以備查詢。

6制表打印功能

對有人值班的變電所，監控系統可以配備打印機，完成以下打印記錄功能；定時打印報表和運行日志；有關操作記錄打??；事件順序記錄打??；越限打??；事故追憶打??；設備運行狀態變位打印、召喚打?。ㄓ蛇\行人員通過人機界面召喚起動打印已存的報表）等。

7生產報表功能

計算機監控系統進行電氣量參數報表，非電氣化量參數報表，溫度、日發電量、廠用電量統計報表，生產綜合統計報表等。

8安全運行監視及事件報警功能

（1）主要設備安全運行實時監視

（2）事件報警

（3）事故追憶及相關量記錄

電站發生事故時，需對事故發生前后的某些重要參數進行追憶記錄，以供運行人員事故分析。事故發生時，計算機將按順序將事故報警信息、事故的名稱及這些追憶數據保存于磁盤中，形成歷史數據。并自動顯示、打印這些數據。

（4）機組開、停機過程監視

機組開、停機時（命令發出），計算機監控系統自動推出相應機組的開、停機過程監視畫面。畫面包括：機組編號、自動/手動標記、開（停）機條件、用流程圖表示的開（停）機步驟、每步操作的時間及總時間。

9 控制、操作與調節功能

根據電廠設備運行的情況和有關計算結果，操作人員可通過顯示器按預定步驟遠方及現地的控制命令對全廠設備的運行進行控制與調節。運行設備控制方式設置，自動/手動控制、遠方/現地操作，均可在操作畫面中點擊實現，有功功率、無功功率調節以及機組開停機的控制操作也可在操作畫面中點擊實現?？刂苾炏葯酁椋含F地控制層單元、電站控制層單元。

（1）電站主接線圖上的斷路器和開關的控制。

（2）機組順序控制

（3）機組開停機過程的控制

（4）公共系統的控制

（5）發電機勵磁系統的控制

10 人機聯系功能

（1）人機聯系的橋梁，包括顯示器、鼠標和鍵盤。操作人員或調度員面對顯示器的屏幕，通過鼠標或鍵盤可對全站的運行情況和運行參數一目了然，并可對全站的斷路器和隔離開關等進行分、合操作。另外，電站投入運行后，隨著送電量的變化，保護定值、越限值等需要修改，甚至由于負荷的增長，需要更換有的設備，例如更換互感器等。

（2）在操作臺上的運行人員只允許完成對電站設備進行監視、控制調節和參數設置等操作。

11 人機界面功能

（1）畫面顯示、畫面實時刷新（包括設備運行狀態，運行參數及時鐘）、報警與操作信息創新或標志提示、人機對話提示及操作命令信息提示、光標顯示與控制、畫面窗口變換與局部放大、畫面的平移、滾動和漫游、多窗窗口顯示、比例縮放。

（2）人機界面顯示內容

畫面顯示是電站計算機監控系統的重要功能，畫面是實時狀態的并采用多窗口技術以提供更多的信息。畫面調用具有程序自動調用和鍵盤菜單召喚調用形式。畫面的種類包括接線圖類、棒形圖類、曲線類、表格類、信息類、運行指導類等。

12 數據通信功能

13 系統診斷功能

14 時鐘同步功能

六、計算機監控系統網絡圖和監控對象

(1)2臺混流立式水輪發電機組及輔機設備、勵磁、調速系統

（2）2臺發電機配電裝置

（3）2臺主變壓器

（4）110KV升壓設備（GIS）

(5)6.3KV、400V廠用電設備

（6）全廠公用設備及通風空調系統設備

（7）220V直流電源系統

（8）水力監測系統

（9）其他系統

七、水電站綜合自動化系統的基本特征

從本水電站綜合自動化系統的構成來看，其特點主要表現在以下幾個方面：

（1）功能綜合化 （2）結構分層、分布化（3）操作監視屏幕化（4）通信局域網絡化（5）運行管理智能自動化

電站綜合自動化除了可以實現常規水電站的自動報警、自動報表、電壓無功自動調節小電流接地選線、故障錄波、事故判別與處理等自動化功能的運行管理水平和安全可靠性。

結束語

根據電站的實際情況，并借鑒其它電站的經驗教訓，揚長避短。其設計理念符合微機綜合自動化發展趨勢，提高信息采集、傳輸的時效性，為實現水電站自動化配置提供手段，特別是環境惡劣的工作區域和人員設置監視點提供自動化監視，及時排除故障，水電站采用自動化系統后不僅提高水電站運行的經濟性和工作的可靠性，保證電能質量。