白石水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王義才

(遼寧省白石水庫(kù)管理局，遼寧 朝陽(yáng)　122000)

?

白石水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王義才

(遼寧省白石水庫(kù)管理局，遼寧 朝陽(yáng)122000)

【摘要】本文結(jié)合白石水電廠微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造工程，介紹了白石水電廠改造方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。重點(diǎn)闡述了機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)流程，對(duì)類似老廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)改造與實(shí)踐有一定的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】白石水電廠；自動(dòng)化系統(tǒng)；改造；設(shè)計(jì)

1工程概況

白石水庫(kù)是遼寧省“九五”期間水資源開(kāi)發(fā)建設(shè)的重點(diǎn)工程項(xiàng)目，是采用RCD碾壓混凝土筑壩技術(shù)建在北方嚴(yán)寒地區(qū)和利用第四批日本海外經(jīng)濟(jì)協(xié)力基金(OECF)貸款的項(xiàng)目。壩址位于北票市上園鎮(zhèn)境內(nèi)的大凌河干流上，地處朝陽(yáng)、阜新、錦州三市交界地帶。距北票市46km，距義縣45km。控制流域面積17 649km2，占大凌河流域面積的76%，總庫(kù)容16.45億m3,多年凈調(diào)節(jié)水量為4.47億m3。校核洪水位133.88m，正常蓄水位127.00m，正常庫(kù)容10.00億m3。是一座以防洪、灌溉和城市供水為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚、旅游觀光等綜合利用的多年調(diào)節(jié)大型水利樞紐工程。

白石水力發(fā)電廠建成于2001年，是一座壩后式水電站，裝有水輪發(fā)電機(jī)組4臺(tái)，其中1號(hào)機(jī)組為1.6MW立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組，2號(hào)和3號(hào)機(jī)組均為4.0MW立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組，4號(hào)機(jī)組為0.2MW臥式混流式水輪發(fā)電機(jī)組，電站總裝機(jī)容量為9.8MW。按國(guó)家電力監(jiān)管的統(tǒng)一要求，白石水力發(fā)電廠已在2008年將發(fā)電和輸變電系統(tǒng)由常規(guī)保護(hù)改為微機(jī)保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了以電廠遙測(cè)和遙信為基礎(chǔ)的發(fā)電量遠(yuǎn)程監(jiān)管。受當(dāng)時(shí)資金所限，水輪發(fā)電機(jī)組仍舊是人工機(jī)調(diào)，與電力監(jiān)管的統(tǒng)一要求不配套，不符合電力安全生產(chǎn)的要求，亟需改造成為微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

2自動(dòng)化系統(tǒng)改造的必要性

白石水庫(kù)發(fā)電廠是隨著筑庫(kù)過(guò)程同期建設(shè)的水電廠，目前尚未實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控。早在20世紀(jì)70年代末期即開(kāi)始了計(jì)算機(jī)監(jiān)控的研制工作，由天傳所、華工、長(zhǎng)辦、原電力部南自所和中國(guó)水科院自動(dòng)化所等在富春江、永定河、葛洲壩、隔河巖、潘家口、二灘等水電廠實(shí)施了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的引進(jìn)和研制工作，并于80年代中期先后投入運(yùn)行，形成了分層分布式系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)、多媒體與專家系統(tǒng)等。省直庫(kù)電廠(如參窩、湯河、柴河、觀音閣等)也從2000年左右開(kāi)始陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)監(jiān)控，目前白石電廠的計(jì)算機(jī)監(jiān)控還是空白。

為保證白石水電廠發(fā)電安全正常并網(wǎng)，必須采取相應(yīng)的技術(shù)措施，使其頻率、電壓和相位滿足并網(wǎng)要求，即實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)頻率與系統(tǒng)頻率近似相等，發(fā)電機(jī)電壓與系統(tǒng)電壓幅值近似相等，合閘瞬間發(fā)電機(jī)電壓的相位與系統(tǒng)電壓的相位近似相等。否則，合閘瞬間的頻率差、電壓差和相位差會(huì)導(dǎo)致沖擊電流和轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，較大的沖擊將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)繞組的電氣損壞、電壓下降、短路甚至燒毀，以及產(chǎn)生劇烈振動(dòng)使機(jī)組損壞，廠房及水工結(jié)構(gòu)破壞。為避免上述情況的發(fā)生，依靠人工是難以實(shí)現(xiàn)的，必須由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)完成。

3新自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及結(jié)構(gòu)

白石水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)改造工程主要內(nèi)容為對(duì)水電站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造，其重點(diǎn)是對(duì)影響水庫(kù)發(fā)電安全生產(chǎn)的關(guān)鍵系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造。水電廠監(jiān)控總體布置詳見(jiàn)圖1。

圖1　電廠監(jiān)控總體布置

3.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

為保證白石水庫(kù)水電站安全運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值守、少人值班”為目標(biāo)，對(duì)白石水庫(kù)電站自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行改造。在保證科學(xué)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便、功能實(shí)用目標(biāo)的前提下，滿足白石水庫(kù)發(fā)電和水庫(kù)運(yùn)行安全的基本需要，達(dá)到國(guó)內(nèi)同類同期建設(shè)的先進(jìn)水平。

3.2設(shè)計(jì)原則

以分層分布開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，建設(shè)發(fā)電計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。用當(dāng)前先進(jìn)、成熟的計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，按全計(jì)算機(jī)監(jiān)控和保護(hù)方式進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)配置。

電廠監(jiān)控系統(tǒng)按“無(wú)人值守、少人值班”的方式設(shè)計(jì)。實(shí)施模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保持系統(tǒng)穩(wěn)定的可維護(hù)資源。以手動(dòng)優(yōu)先和底層優(yōu)先的原則設(shè)置相應(yīng)的軟件和硬件結(jié)構(gòu)，運(yùn)行操作人員能夠方便地選定控制權(quán)，閉鎖無(wú)控制權(quán)的設(shè)備。

3.3總體結(jié)構(gòu)

白石水庫(kù)水力發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，主要建設(shè)內(nèi)容包括電站控制級(jí)和現(xiàn)地控制級(jí)(LCU)。對(duì)4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組實(shí)施廠站中心統(tǒng)一調(diào)控下的微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造，組成廠內(nèi)監(jiān)控網(wǎng)，集中監(jiān)控水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全及上級(jí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。自動(dòng)化系統(tǒng)改造工程總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2　自動(dòng)化系統(tǒng)改造工程總體結(jié)構(gòu)

4機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1系統(tǒng)構(gòu)成

白石水電廠監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要由電站控制級(jí)和現(xiàn)地控制級(jí)(LCU)2部分構(gòu)成。對(duì)4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組實(shí)施廠站中心統(tǒng)一調(diào)控下的微機(jī)監(jiān)控，組成廠內(nèi)監(jiān)控網(wǎng)。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3　微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)

4.2主控級(jí)控制

主控級(jí)由2套主機(jī)/操作員工作站及外圍設(shè)備組成，負(fù)責(zé)全廠的自動(dòng)流程控制，包括開(kāi)/停機(jī)自動(dòng)流程控制、AGC(自動(dòng)發(fā)電量控制)和AVC(自動(dòng)電壓控制)。歷史數(shù)據(jù)處理包括事故分析處理，運(yùn)行報(bào)表、運(yùn)行檔案、運(yùn)行參數(shù)特征值等。

監(jiān)控中心設(shè)備包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、逆變電源、水位計(jì)、交換機(jī)等設(shè)備。

監(jiān)控中心裝修改造包括地板鋪裝、操作臺(tái)椅更換和墻面刮白。

4.3現(xiàn)地單元控制級(jí)

現(xiàn)地單元控制級(jí)分為機(jī)組LCU、開(kāi)關(guān)站及公用LCU，實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控，由機(jī)組LCU和開(kāi)關(guān)站及公用LCU組成。實(shí)現(xiàn)控制操作和數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理。各機(jī)組LCU以相對(duì)獨(dú)立的方式配置，當(dāng)其與主機(jī)脫分后仍能在現(xiàn)地實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的監(jiān)控，與主機(jī)復(fù)位后，又能自動(dòng)復(fù)從主機(jī)系統(tǒng)的控制和管理。

現(xiàn)地單元控制級(jí)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括1～3號(hào)機(jī)組現(xiàn)地測(cè)控單元、4號(hào)機(jī)組現(xiàn)地測(cè)控單元和附屬設(shè)備更換。

a.1～3號(hào)機(jī)組現(xiàn)地單元包括機(jī)組測(cè)控單元、開(kāi)關(guān)站及公用LCU、機(jī)組測(cè)溫自動(dòng)屏。

b.4號(hào)機(jī)組現(xiàn)地單元包括低壓機(jī)組綜合柜、低壓機(jī)組輔機(jī)控制柜。

c.附屬設(shè)備更換。直流電源屏、計(jì)量屏應(yīng)全部更換。

4.4主控級(jí)主要功能

自動(dòng)周期采集電站主要電量、非電量及過(guò)程參數(shù)。包括溫度量、狀態(tài)量、報(bào)警量、SOE量和電度量等。其中，電氣模擬量包括電流、電壓、頻率、功率因數(shù)、有功功率及無(wú)功功率等；非電模擬量包括壓力、流量、水位、油位、機(jī)組擺動(dòng)、振動(dòng)、溫度，以及開(kāi)關(guān)量、電度量等。完成數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)和報(bào)警等。自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)和自動(dòng)電壓控制(AVC)，運(yùn)行數(shù)據(jù)技術(shù)管理，統(tǒng)計(jì)報(bào)表，設(shè)備參數(shù)異常分析與預(yù)報(bào)等。

4.5現(xiàn)地控制級(jí)主要功能

監(jiān)控水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備、公用輔助設(shè)備等，對(duì)主要運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)自動(dòng)定時(shí)采集、預(yù)處理和入庫(kù)。以掃查方式采集電氣模擬量、非電模擬量、開(kāi)關(guān)量，包括事件順序記錄(SOE)開(kāi)關(guān)量和普通形狀量。監(jiān)控系統(tǒng)采用中斷方式迅速響應(yīng)動(dòng)作信號(hào)，以毫秒級(jí)的時(shí)間分辨率進(jìn)行記錄。

對(duì)模擬量信號(hào)的處理包括回路斷線檢測(cè)、數(shù)字濾波、誤差補(bǔ)償、數(shù)據(jù)有效性合理性判斷、數(shù)據(jù)入庫(kù)等。進(jìn)行安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)、越限監(jiān)測(cè)、過(guò)程監(jiān)測(cè)、趨勢(shì)監(jiān)測(cè)、異常監(jiān)測(cè)等。

5結(jié)語(yǔ)

白石水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)的改造方案在結(jié)構(gòu)、技術(shù)路線、實(shí)現(xiàn)方法上都比較先進(jìn)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，技術(shù)路線和實(shí)現(xiàn)方法安全可行，改造工程實(shí)施簡(jiǎn)單，大大降低了工程投資成本。通過(guò)此次自動(dòng)化系統(tǒng)改造消除了水庫(kù)發(fā)電安全生產(chǎn)隱患，滿足電力監(jiān)管發(fā)電測(cè)控的要求；實(shí)現(xiàn)了“無(wú)人值班、少人值守”設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)中自動(dòng)控制功能得到了改進(jìn)和擴(kuò)充。白石水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)改造工程的順利實(shí)施，為同類改造工程提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]徐文佳，邵芳，林仁.福建沙溪口水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].水電廠自動(dòng)化，2010(2)：12-13.

[2]孟凡振.小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)流程[J].黑龍江水利科技，2014(9)：123-125.

[3]韓勇，成波，曲樹(shù)國(guó).日照水庫(kù)大壩測(cè)壓管水位自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國(guó)水能及電氣化，2015(8)：53-56.

[4]關(guān)躍康.分散式微機(jī)保護(hù)監(jiān)控裝置在電力系統(tǒng)的應(yīng)用[J].中國(guó)水能及電氣化，2003(04)：45-46.

The design and implementation of automation system in Baishi Hydropower Plant

WANG Yicai

(LiaoningBaishiReservoirAdministration,Liaoning122000,China)

Abstract:In the paper, Baishi hydropower station micro-computer monitoring and control system reconstruction project is combined. The design and implementation of Baishi Hydropower Plant reconstruction plan are introduced. The design and implementation flow of unit monitoring system is mainly described with certain reference value on the reconstruction and practice of comprehensive automation system in similar old plants.

Key words:Baishi Hydropower Plant; automation system; reconstruction; design

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.06.016

中圖分類號(hào)：TV736

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-8241(2016)06- 0054- 04