白兴勇
四川省水电投资经营集团永安电力股份有限公司 四川省绵阳市 621100
摘要：在水电厂综合自动化改造过程中应注意的几个问题和建议。
关键词： 水电厂 综合自动化 技术改造
四川省水电投资经营集团永安电力股份有限公司 四川 绵阳621000
水电厂的综合自动化是建立在以计算机监控系统为基础之上的，对整个电站从水文测报；机组启、停控制，工况监视；辅助、公用设备的启、停控制，工况监视；负荷的分配，直到输电线路运行全过程的自动控制，并能准确地与上一级调度部门进行实时数据通信等全方位自动监测的控制系统。
水电厂综合自动化改造包括基础自动化原件及设备改造和计算机监控系统改造。
一、水电厂基础自动化元件和设备是为保障主机设备安全稳定发电而设置的,具有如下特点：
(1)分散性:受使用目的和使用空间位置的限制,分散布置于厂房内任何需要的地方,遍及厂房的各个位置和空间,运行巡视和监盘操作均不方便。
(2)差异性:,由于各自使用目的和功能不同,其控制对象、测控原理、控制流程、硬件配置和外围元件组成均有较大差异。不同电站因需求不同而对元件和设备的配置和功能要求也不尽相同。
(3)环境恶劣:由于使用对象（油、水、气系统）中普遍存在杂质、油污、锈蚀,而测控装置及外围元件装设位置多处在阴暗潮湿的地方, 强磁、强电环境场合。
(4)系统性:基础自动化元件和设备涉及许多方面,包括:液位、压力、压差、流量、温度的测量;电机、阀门的控制; 与监控系统的通讯。
水电厂自动化元件担负着水轮发电机组、全厂及其辅助设备运行的状态监视和测量，发出报警信号和按规定要求执行自动操作，是计算机监控系统、 调度系统的传感部分和执行部分，成为计算机监控系统中I/O设备，是水电厂自动化元件是实现水电厂无人值班（少人值守）的基础，其对整个水电厂的安全稳定运行具有至关重要的地位。对自动化元件进行改造和优化完善是关键，所有的自动化元件也必须在相应恶劣环境下满足长期运行和高可靠性要求。
1.压力油系统
自动化元件的配置：一般有4个压力开关用于油泵主起、备起、停止、事故低油压，1个压力变送器反映油罐压力、1个液位变送器反映油罐油位、3个液位开关、1台自动补气装置。控制方式一般以开关量控制方式为主，模拟量控制方式为辅。一般选用无源机械式压力开关和液位开关，在电源消失后依然能够监视和测量。液位监视和测量一般选用磁翻板液位开关变送器。能模拟信号输出和带开关量输出的磁性记忆开关。
自动控制单元以可编程序控制器（ PLC ）为控制核心，配置软启动器、交直流双路控制电源、触摸屏等组成自动控制单元。控制单元通过液位、压力等外围检测设备检测压油罐油压和油位，通过控制软启动器控制油泵和自动补气装置实现自动补油和自动补气，自动完成油压装置各种工况的控制和信息传递。油泵出口配置组合阀，由卸载阀和安全阀组成，油压意外超高时，组合阀安全保护功能可自动控制回油，保证系统功能正常、设备安全。
2.水系统
2.1技术供水
强迫水循环技术供水系统配置全自动滤水器加全自动四通换向阀组成。技术供水水泵出口管路上配置流量开关，用于监视水泵运行情况，在技术供水总管路上配置压力开关、流量开关、压力变送器和流量计等自动化元件等上送至机组PLC用于监视机组技术供水工况，压力开关选用无源机械式压力开关；流量开关现一般选用热导式，它的原理是，液体流动的大小不同，带走的热量不同，通过检测热量损失的大小，就可以检测出水的流动情况。其优点是，没有可动部件，不存在磨损的情况，大大增强的其寿命和稳定性。流量变送器送出模拟信号，实时监视技术供水流量大小。也有流量计可输出开关量与模拟量双路信号。
全自动滤水器应具有自动过滤、清污、排污功能，其自动清污、排污功能是在线完成的，不影响正常的技术供水。应开设置滤筒检修孔，方便检修。控制方式有差压排污、定时排污、手动排污等可选，其运行、故障、差压等开入信号上送至技术供水系统控制单元，还要具有通讯口与技术供水系统通讯。
清水塔自流供水方式与强迫循环供水系统一致。
水泵控制单元以可编程序控制器（ PLC ）为控制核心，配置软启动器、交直流双路控制电源、触摸屏等组成自动控制单元。
2.2排水系统
自动化元件配置：排水系统水质较差，其元件工作环境恶劣，要求其配置较高，现一般配置投入式压力变送器与液位开关，2套系统互为备用，以确定集水井水位，较高的配置有超声波液位计与液位开关组合。在排水泵出口配置流量开关用于监视水泵工作状态，水泵润滑水用电磁阀控制，在润滑水管路上配置流量开关用于监视润滑水工作状态。
水泵控制单元以可编程序控制器（ PLC ）为控制核心，配置软启动器、交直流双路控制电源、触摸屏等组成自动控制单元。通过其控制单元完成水泵的启动与停止，完成排水系统工况的上送。
3.气系统
自动化原件配置：在管路出口配置无源机械式压力开关、压力变送器用于气机启动与停止，现大多数低压气机为一体化设计，其工作过程为全自动，完成气机的卸荷启动、停止与排污，通过其开关量信号与通讯和公用PLC连接，监视气机的运行工况。
气系统控制单元水泵控制单元以可编程序控制器（ PLC ）为控制核心，配置软启动器、交直流双路控制电源、触摸屏等组成自动控制单元。通过控制单元完成对空压机控制与工况上送。
4.闸门系统
自动化原件配置：配置荷重传感器、开度传感器、限位行程开关，以PLC为控制核心，通过其控制回路、保护回路等完成对闸门系统的控制。
5.工业电视系统
对无人值班（少人值守）电站来说，工业电视系统主要用于设备监视，兼防火、防盗功能，其配置据各个电站具体情况不同而配置摄像头、云台等不一致，现工业电视新安装时要考虑视屏跟踪，也就是在某个开关位置变化时，摄像头进行跟踪，在监控系统开关位置附近推出一个小窗口，反映开关状态。另外，在闸坝系统中工业电视摄像头选用云台式，在闸门门槽制作水标尺，操作闸门时可将摄像头转动至该闸门，可直观监视闸门升降情况。
6.由于调速系统、励磁系统、保护系统是成套设备，在选用设备时要考虑电站实际情况，做好各种开入、开出、模入、模出量的统计，还要考虑其与后台通讯系统的兼容性与稳定性。
二、计算机监控系统的改造
水电站计算机监控系统是利用计算机对水电站的电能生产过程进行的一种控制。采用计算机控制的目的，是为了提高水电站的自动化水平，提高水电站的供电质量，提高水电站的安全运行水平，提高水电站的劳动生产率和经济效益。
改造设计原则：安全、可靠、经济、实用。
1、网络结构
1.1采用PLC直接连接以太网的全开放、分层、分布式网络结构，此保护、励磁、调速器、直流系统等装置通过通讯管理机与上位机系统通信，减轻PLC通信负担。该方案考虑到各PLC生产厂家在直接上网哪个（以太网）上并不是支持所有产品，而且价格较高，因此可以考虑另外一种现地设备上网配置方案，就是通过多串口通讯转换装置（通讯管理机）将PLC和其他现场总线设备接入以太网络系统。可以在每一个LCU设置一台通讯转换装置，也可以全厂集中设备一台通讯转换装置。该方案的特点是成本较低、性能可靠、系统响应速度快。适用于通信协议复杂，协议数较多而PLC通信接口数较少，对监控系统要求较高的中、小型水电站综合自动化系统。
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1.2水电站实现“无人值班”（少人值守）后，由于现场值班人员减少，每值班往往只有两人，当现场设备出现故障时，维护人员一般要等待较长时间才能抵到现场，因此对于监控系统可靠性要求极高在中型水电站，可以采用图示的基于以太网联接的冗余组网方式。
该组网方式的硬件要求可根据要求采用多层次的冗余措施，如数据服务器、操作员工作站、通讯服务器、网络交换机、网络通道、UPS、现地总线、机箱电源、机柜电源等，都可以实现冗余配置，并可对PLC扩充双CPU、双电源、I/O模块热插拔等功能，系统要求由软件实现冗余设备的检测与故障诊断，实现冗余部件的无扰动切换，确保系统中某一部件的故障不影响系统的正常运行。故障部件稍后可由维护人员及时处理。该方案系统功能极为丰富，可靠性极高，适用于对监控系统要求极高的中大型水电站综合自动化系统。
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2、监控系统基本功能
2.1数据采集功能
数据采集包括模拟量数据采集、开关量数据采集、数字输入事件顺序量、数字脉冲量及外部链路数据量。模拟量数据分为电气模拟量和非电气模拟量2类。电气模拟量主要是指定子电压、定子电流、有功功率、无功功率、励磁电压、励磁电流、机组频率（转速）等。非电气模拟量主要是指温度、流量、压力、上下游水位、闸门开度及荷重等。开关量数据主要是指各个断路器及隔离开关的位置信号、机组运行状态信号、继电保护动作信号、手自动位置信号、调速、励磁、油压装置、技术供水装置和其他自动化原件等输入的硬接点信号。数字输入事件顺序量是指对事件发生时的事件记录。数字脉冲量是指电能计量及部分脉冲输入设备。外部链路数据量是指其它微机化智能装置或网络计算机向计算机监控系统传输的数据，如微机调速器、微机励磁调节器、油压装置、技术供水装置、时钟同步装置、智能温度巡检仪或监控系统中的其它计算机等需要向主机传送的数据。
2.2数据处理功能
数据处理包括模拟量数据处理、开关量数据处理、数据计算处理、事故追忆处理和趋势分析处理。
2.3控制调节功能
2.3.1正常控制及调节操作
包括运行工况的转换、机组并列操作、断路器及隔离开关操作、辅助设备操作和给调速器及励磁系统发出增减有、无功操作等。
2.3.2紧急控制和恢复操作
紧急控制是当系统和设备发生异常情况时，监控计算机能够作出判断，采取自动跳闸和紧急停机或增加机组出力、投入备用机组、改变机组运行工况等相应的处理措施，使电力系统及时回到安全状态。
恢复控制是当事故发生后能得到尽快的处理，恢复到正常运行的状态，以尽可能的缩小事故范围和减少事故损失的一系列控制和操作。例如调整机组的出力，将解列的机组重新并列等。
2.3.3自动发电控制（AGC）与自动电压控制（AVC）
自动发电控制（AGC）是指在满足机组各项安全发电的约束条件下，以迅速、经济的方式控制整个水电厂有功功率来满足电力系统多方面的需求。
AGC主要任务：
根据水电厂需发功率、供电的可靠性和设备的实际状况，考虑调频和备用容量的需要，通过实时计算，在避开机组的气蚀振动区和保证机组安全运行的前提下，确定当前水头下最佳经济负荷分配方案，即确定水电厂的最佳发电机组台数和组合方式。
自动电压控制（AVC）是指在满足水电厂和机组各种安全约束条件的前提下，根据不同的运行方式和运行工况，对全厂的机组作出实时的控制决策，以自动维持母线电压或全厂无功功率为当时的设定值，并合理的分配厂内各机组的无功功率，尽量减少水电厂的功率消耗。
AVC调节方式：在优化计算的基础上通过改变励磁或改变联络变压器分接头实现。
2.3.4人机联系功能
设置原则
（1）运行人员控制台的功能；
（2）人机联系应有汉字显示和打印功能；
（3）人机联系操作简便、灵活、可靠、一致性原则；
（4）画面、对话区、提示三者相结合原则；
（5）校核及闭锁原则；
（6）响应速度要求；
（7）安全等级的操作权限原则。
LCD基本功能：
（1）画面显示
（2）画面实时刷新
（3）信息提示
（4）光标与画面的控制
（5）显示画面的编排
（6）画面图形符号及显示颜色的定义
键盘操作控制：主要用于各种参数的设置或修改、报警处理 。
制表打印与记录：定时打印与召唤打印。
现地控制单元的人机联系：现场对设备的控制联系。
2.3.4系统通信功能 ：
（1）监控系统与各调度级的调度自动化系统间的通信
（2）监控系统与电厂其它计算机系统之间的通信
（3）监控系统内部通信
（4）时钟同步控制
2.3.5多媒体功能
视屏服务、语音服务、动画服务及其他综合服务。
2.3.6系统自诊断与自恢复功能
2.3.7仿真培训功能
2.3.8专家系统功能
运行操作安全分析、事故分析处理、智能报警、设备状态检修
3计算机监控系统的性能指标
3.1实时性
?计算机监控系统对外部事件的响应速度。
3.1.1对机组现地控制单元实时性的要求
（1）数据采集时间：
?状态和报警点采集周期：1s或2s
?模拟点采集周期：电量1s或2s；非电量：1～30s
?事件顺序记录（SOE）点分辨率：小于等于5～20ms
（2）现地控制单元接受控制命令到开始执行的时间应小于1s
（3）供事件顺序记录使用的时钟同步精度应高于所要求的事件分辨率。
3.1.2对电厂控制级实时性的要求
（1）从LCU回收的数据至电厂控制级数据库的时间 1～2s。
（2）人机接口响应时间
（3）双机切换时间：
?热备用时：保证实时任务不中断。
?冷备用时：小于5min。
（4）电厂控制级控制功能的响应时间：
?有功功率联合控制任务执行周期可取3-15s。
?无功功率联合控制任务执行周期可取6s、12s、3min。
?自动经济运行功能处理周期时间可取5-15min。
3.2可靠性
? 在给定条件下计算机监控系统能够持续保持正确工作的能力，或正确的功能可维持的时间。
3.3可维修性
? 计算机监控系统或设备发生故障后能够进行维护和修理的可能性和难易程度。
3.4可用性
? 可用性也称可利用率，它是表征计算机监控系统在任何需要时间内能够工作的指标。一般不低于99.5%。
3.5系统安全性
主要是指：操作安全性、通信安全性与硬件设计安全性。
3.6可扩充性
（1）根据实际需要，预留10%以上的备用点、布线点和空位点设备。
（2）电厂控制级计算机的存储器容量应有40%以上的余度。
（3）应留有扩充现地控制单元、外围设备或系统通信的接口。
（4）通道的容量应留有足够的余度，期望的通道利用率应小于50%。
3.7可变化性
是指对监控系统中输入、输出点的参数或结构配置能够根据实际需要进行改变的能力。一般需要改变的内容包括：输入、输出点说明的改变；模拟量输入、输出点限值及限制值死区和工程单位标度的改变；控制点时间参数的改变等。
4结束语
水电站实施综合自动化的技术改造时，应先从基础自动化元件、自动装置、保护、励磁、调速等方面着手，再实施微机监控系统改造。即使在近期内不能实现计算机监控，也能很好地实现小系统或常规方式的自动控制。这部分增加的投资在电站总投资中所占比例不大，但所起的作用和发挥的效益却是巨大的。水电站在考虑自动化改造时，应加强与其他水电站和设计单位间的信息交流，吸取国内外的先进经验，结合自身实际，因地制宜，力求实用，避免少走弯路，以提高水电站综合自动化系统的经济效益。同时应积极采用新技术、新工艺、新产品，为其可靠运行及其功能的正常发挥创造条件，进一步提高水电站的安全运行水平。?
参考文献：
《小型水电站技术改造规范》GB/T50700-2011?
《LCU在水电站计算机监控系统中的应用》程国清 范艺红《电站系统工程》
《可编程计算机控制器在水电站LCU中的应用》张帅 郑宽磊 《自动化与仪表》