周宏偉+余建軍

摘 要：70～90年代修建的小型水電站監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)需要更新?lián)Q代，恰逢國(guó)家“十二.五”、“十三.五”規(guī)劃對(duì)小水電站增效擴(kuò)容改造的政策出臺(tái)，使得大量的農(nóng)村小水電需要進(jìn)行微機(jī)監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)改造。在“十二.五”期間四川已有很多小型水電站完成了增效擴(kuò)容改造，微機(jī)監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)是增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目的重點(diǎn)，文中不對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的全部?jī)?nèi)容做描述，主要根據(jù)近幾年在小水電站監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)改造中的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際介紹小型水電站微機(jī)監(jiān)控改造中設(shè)計(jì)、訂貨、施工等方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)作介紹，并討論如何搞好小型水電站微機(jī)監(jiān)控改造，供同行們分享，以利“十三.五”改造中走少的彎路，達(dá)到更好的能效指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：小型水電站；常規(guī)監(jiān)控；微機(jī)監(jiān)控改造

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.097

1 概述

我國(guó)上世紀(jì)七十、八十年代大力開發(fā)小型水電站，很多地區(qū)、縣的小型水電站撐起了該地區(qū)供電的一片天，加快了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)建設(shè)，對(duì)促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了巨大作用。然而限于當(dāng)時(shí)的科技發(fā)展水平這一大批小型水電站的監(jiān)控保護(hù)基本上都是采用常規(guī)監(jiān)控模式。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)在電力行業(yè)應(yīng)用的普及，使原來(lái)在大中型電站使用的計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)逐步向小型水電站推廣；隨著水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)逐漸成熟，產(chǎn)品逐步走向系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，產(chǎn)品價(jià)格進(jìn)一步降低；加之常規(guī)監(jiān)控保護(hù)設(shè)備逐步老化、失靈，需陸續(xù)進(jìn)行技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)水電站計(jì)算機(jī)綜合自動(dòng)化。在“十二.五”、“十三.五”國(guó)家對(duì)小水電站增效擴(kuò)容改造的政策中，也明確規(guī)定需將監(jiān)控系統(tǒng)改造為微機(jī)監(jiān)控。

2 常規(guī)監(jiān)控保護(hù)的小型水電站的系統(tǒng)設(shè)置

常規(guī)監(jiān)控保護(hù)的小型水電站一般配置有：電液型調(diào)速器；分離式電路的勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置；機(jī)組及全廠公用設(shè)備采用電磁式邏輯順序自動(dòng)控制加手動(dòng)控制；電磁式的繼電保護(hù)；分離式的磁電系、電磁系、整流系測(cè)量表計(jì)；手動(dòng)或者半自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置；直流系統(tǒng)也配磁電式的充電裝置。

常規(guī)監(jiān)控保護(hù)的缺點(diǎn)是反應(yīng)速度慢，靈敏度低，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，二次部分采用的元件多，接線復(fù)雜，運(yùn)行、維護(hù)、檢修困難，故障率高，可靠性低。一般小型水電站電氣二次部分運(yùn)行維護(hù)困難，尤其是有關(guān)保護(hù)、調(diào)速器、勵(lì)磁裝置、同期系統(tǒng)、機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題均感到非常棘手。

3 小型水電站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

小型水電站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)一般采用全開放分層分布式以太網(wǎng)總線型結(jié)構(gòu)。在電站內(nèi)部設(shè)站控層和現(xiàn)地層兩層，如果電站需要向調(diào)度或流域中心上傳信息，還需預(yù)留通信接口，設(shè)置上級(jí)調(diào)度層。在站控層配置的硬件設(shè)備主要有：系統(tǒng)服務(wù)器和操作員工作站（統(tǒng)稱上位機(jī)）、通信工作站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、GPS衛(wèi)星對(duì)時(shí)系統(tǒng)、UPS電源和若干人機(jī)聯(lián)系裝置；廠長(zhǎng)和總工工作站現(xiàn)一般配為移動(dòng)式，更有利于管理；站控層設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與現(xiàn)地控制單元聯(lián)系；現(xiàn)地控制單元又通過(guò)通訊管理單元與各智能設(shè)備（保護(hù)、調(diào)速器微機(jī)調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁裝置微機(jī)調(diào)節(jié)器、智能儀表、自動(dòng)化元件）相連，構(gòu)成一個(gè)局域網(wǎng)。

3.1 現(xiàn)地控制單元—LCU

現(xiàn)地控制單元一般采用可編程控制器（PLC或PCC）作為核心元件。以發(fā)電機(jī)組、主變、線路、廠用電、機(jī)組輔助及公用設(shè)備、壩區(qū)閘門設(shè)備為監(jiān)控保護(hù)對(duì)象配置現(xiàn)地控制單元，分別稱為機(jī)組LCU、升壓站LCU、全廠公用LCU、壩區(qū)LCU。

目前微機(jī)監(jiān)控裝置生產(chǎn)廠家眾多，技術(shù)水平比前幾年有很大提高。各廠家產(chǎn)品外形、細(xì)部功能、輸入輸出接口不盡相同，但基本功能大致相當(dāng)。

3.1.1 微機(jī)保護(hù)簡(jiǎn)介

微機(jī)保護(hù)裝置常以單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器DSP為核心元件。根據(jù)《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》（GB/T14285-2006）規(guī)定，對(duì)主要的被保護(hù)設(shè)備需配置主保護(hù)和后備保護(hù)兩套裝置，對(duì)一般被保護(hù)設(shè)備配含主保護(hù)和后備保護(hù)的一套裝置。各保護(hù)裝置可以組屏安裝在中控室或機(jī)旁，也可以根據(jù)實(shí)際情況分散安裝在高壓開關(guān)柜的二次室。

保護(hù)裝置的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)為：

三塊電路板及面板：

輸入板：電壓、電流輸入及模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換

主板：各種存儲(chǔ)器、處理器CPU、時(shí)鐘電路等

輸出板：輸出及顯示電路。

面板：含顯示器、人機(jī)對(duì)話鍵盤、按鍵。

保護(hù)裝置的軟件：廠家已經(jīng)直接開發(fā)并預(yù)裝于保護(hù)單元中。

3.1.2 監(jiān)控簡(jiǎn)介

目前國(guó)內(nèi)有兩大類產(chǎn)品，一是將保護(hù)、監(jiān)控、同期、調(diào)速、勵(lì)磁裝置集成到一套微機(jī)裝置中（簡(jiǎn)稱“五合一”），此方式簡(jiǎn)單易行造價(jià)低，適用于微型水電站（單機(jī)500kW以下）。另一種方式是保護(hù)與監(jiān)控裝置獨(dú)立，監(jiān)控采用PLC，保護(hù)裝置采用單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器DSP，通過(guò)保護(hù)出口硬接點(diǎn)與PLC相連，通過(guò)通信接口與通信管理機(jī)或網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)相連，此方法造價(jià)較前方法高，但可靠性高，適用小型水電站。

3.2 可編程PLC控制器

一般選擇國(guó)際知名品牌或國(guó)內(nèi)具有研發(fā)能力的幾個(gè)大公司產(chǎn)品，要根據(jù)控制對(duì)象的要求統(tǒng)計(jì)DI、DO、AI的點(diǎn)數(shù)并考慮20%的裕量選擇PLC的容量，要求PLC的DI/DO回路都自帶光隔，電源模塊、通信模塊為基本配置，并考察PLC的MTBF（平均故障間隔時(shí)間）、MTTR（平均故障修復(fù)時(shí)間）、EMC（電磁相容性）、EMI（電磁干擾）、各種實(shí)時(shí)響應(yīng)性指標(biāo)。將PLC及配套的觸摸屏、開出繼電器以及其它的智能設(shè)備集中組屏為機(jī)組LCU屏，安裝于機(jī)旁；集中組屏為公用LCU屏，安裝于中控室；集中組屏為壩區(qū)LCU屏，安裝于壩區(qū)值班室，通過(guò)光纖與站控層相連。

可編程控制器PLC的編程一般由微機(jī)監(jiān)控生產(chǎn)廠家根據(jù)電廠的控制對(duì)象、控制要求、外圍設(shè)備等情況完成，將程序輸入可編程控制器PLC中。對(duì)機(jī)組LCU負(fù)責(zé)對(duì)主機(jī)實(shí)施監(jiān)控，同時(shí)機(jī)組的輔助設(shè)備如主閥（前池快速閘門）、頂蓋排水控制、調(diào)速器油壓控制、發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)控制納入機(jī)組控制范圍由機(jī)組PLC統(tǒng)一進(jìn)行；公用LCU負(fù)責(zé)對(duì)全站公用設(shè)備：技術(shù)供水系統(tǒng)、集水井排水系統(tǒng)、空壓機(jī)系統(tǒng)及升壓站設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控（也可升壓站設(shè)備單獨(dú)配置LCU）；壩區(qū)LCU負(fù)責(zé)對(duì)壩區(qū)水位監(jiān)測(cè)、壩區(qū)各閘門的監(jiān)控。

3.3 幾個(gè)主要系統(tǒng)改造

3.3.1 勵(lì)磁裝置系統(tǒng)改造

改造方案有二：可選用整套新的可控硅靜止勵(lì)磁裝置加微機(jī)型調(diào)節(jié)器；也可對(duì)原可控硅靜止勵(lì)磁裝置的控制部分進(jìn)行微機(jī)改造。

微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器可采用單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器DSP，也有選用PLC作為調(diào)節(jié)器的，具體工程實(shí)施中可根據(jù)項(xiàng)目規(guī)模和投資的要求，在滿足技術(shù)要求的前提下選型。

近年來(lái)在勵(lì)磁系統(tǒng)開發(fā)了幾項(xiàng)新技術(shù)：

功率元件更新：二極管+絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（IGBT）技術(shù)取代可控硅（SCR）。大功率的場(chǎng)效應(yīng)管的應(yīng)用，使發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)除具有可控硅管整流的優(yōu)點(diǎn)外，IGBT將整流功能和控制功能分開，IGBT勵(lì)磁裝置控制部分只對(duì)一只IGBT管子進(jìn)行控制，不需同步電路、不需脈沖分配電路等使得電路大大簡(jiǎn)化，元件大大減少，可靠性大大增加。

熱管散熱技術(shù)：即在可控硅或IGBT的散熱器上設(shè)置能夠自循環(huán)的冷卻管，減少了由于軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行帶來(lái)的粉塵；在該系統(tǒng)內(nèi)也考慮設(shè)置冷卻風(fēng)機(jī)，正常運(yùn)行時(shí)可不開風(fēng)機(jī)。

滅磁方式：當(dāng)采用可控硅全控橋時(shí)，正常停機(jī)采用逆變滅磁加氧化鋅非線性電阻滅磁，不跳滅磁開關(guān)，加快了滅磁速度，延長(zhǎng)滅磁開關(guān)的使用壽命；事故停機(jī)時(shí)采用非線性電阻滅磁，其滅磁速度比線性電阻快。

勵(lì)磁變壓器選擇為環(huán)氧樹脂澆筑的干式變壓器，取代油浸變壓器。

建議在編寫勵(lì)磁系統(tǒng)的招標(biāo)文件時(shí)均需考慮以上新技術(shù)的應(yīng)用。

3.3.2 調(diào)速器系統(tǒng)的改造

改造方案有二：可選用全新的高油壓可編程微機(jī)型調(diào)速器；也可對(duì)原機(jī)械液壓或者電氣液壓型調(diào)速器控制部分進(jìn)行微機(jī)控制改造（經(jīng)費(fèi)較?。?。

近年開發(fā)有16MPa高油壓PCC可編程計(jì)算機(jī)控制的微機(jī)型調(diào)速器，可取消原常規(guī)油壓機(jī)械液壓調(diào)速器補(bǔ)氣操作，從而取消相應(yīng)高壓空氣系統(tǒng)；還可將調(diào)速器接力器布置于機(jī)墩調(diào)速環(huán)處，提高傳動(dòng)效率；還可將調(diào)速器電氣部分（電柜）與液壓部分（機(jī)柜）分開布置，將機(jī)柜布置于水機(jī)層減少管道長(zhǎng)度，減少壓力傳遞沿程損失，提高傳動(dòng)效率；調(diào)速器機(jī)座不再承受大的扭矩，可減少調(diào)速器安裝布置對(duì)廠房電機(jī)層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。將電柜布置與機(jī)旁勵(lì)磁屏等并列布置方便操作，減少?gòu)S房機(jī)組布置時(shí)調(diào)速器占位尺寸。

3.3.3 操作電源系統(tǒng)改造

淘汰原直流系統(tǒng)設(shè)備，選用微機(jī)型直流電源系統(tǒng)。

微機(jī)型直流系統(tǒng)由以下部分組成：交流進(jìn)線及進(jìn)線防雷模塊，智能充電模塊（每個(gè)獨(dú)立模塊均可單獨(dú)承擔(dān)充電和帶直流負(fù)荷），監(jiān)控保護(hù)模塊，蓄電池組、合閘饋電回路，控制及信號(hào)饋電回路。

3.4 站控層設(shè)備

3.4.1 上位機(jī)

上位機(jī)一般采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱工控機(jī)IPC，其優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，適應(yīng)惡劣（高溫、高濕、粉塵重、鹽密大）環(huán)境的能力強(qiáng)，抗高處跌撞，抗電磁干擾能力強(qiáng)。

上位機(jī)分：服務(wù)器和工作站。兩者間可各自獨(dú)立工作，互為備用。

廠長(zhǎng)（總工）終端：一般采用個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC機(jī)）或者筆記本電腦。

不管是IPC、PC機(jī)，其技術(shù)指標(biāo)（主頻、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)接口等）均應(yīng)選擇改造當(dāng)時(shí)再考慮5～10年的發(fā)展期的技術(shù)水平下的產(chǎn)品。

3.4.2 人機(jī)對(duì)話設(shè)施

一般用24英寸以上并分辨率合適的液晶顯示器；計(jì)算機(jī)外圍配鍵盤、鼠標(biāo)、音箱、打印機(jī)等。

3.4.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及通信介質(zhì)。一般采用總線型結(jié)構(gòu)設(shè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)1套，至少配置有16個(gè)10/100M RJ45以太網(wǎng)接口；上位機(jī)與調(diào)度中心層用光纖相連（預(yù)留）；上位機(jī)系統(tǒng)各控制系統(tǒng)和設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)間的通信介質(zhì)為不低于超5類屏蔽雙絞線；廠房?jī)?nèi)各現(xiàn)地控制單元LCU與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)用屏蔽雙絞線相連。

3.4.4 GPS時(shí)鐘系統(tǒng)

全站配置一套高精度的時(shí)鐘系統(tǒng)，采用脈沖或B碼對(duì)時(shí)，時(shí)鐘系統(tǒng)應(yīng)能與衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步，并使上位機(jī)和各現(xiàn)地控制單元時(shí)鐘、保護(hù)系統(tǒng)與衛(wèi)星時(shí)鐘同步，時(shí)鐘精度滿足事件順序記錄分辨率的要求。

也有微型小電站，從節(jié)省投資角度考慮，用計(jì)算機(jī)對(duì)各設(shè)備進(jìn)行時(shí)鐘同步，而不設(shè)置專門的時(shí)鐘系統(tǒng)。

3.4.5 UPS電源

全站配置一臺(tái)在線式UPS電源。電源應(yīng)具有一定的過(guò)壓和過(guò)載能力，應(yīng)具有抑制浪涌電壓和電磁干擾的能力；輸入電源為廠用交流220V及直流220V，當(dāng)廠用電消失時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)由電站蓄電池系統(tǒng)供電，供電電源轉(zhuǎn)換應(yīng)不影響計(jì)算機(jī)正常工作。

3.4.6 組態(tài)

組態(tài)是一種編程過(guò)程（利用組態(tài)軟件進(jìn)行）。通過(guò)“組態(tài)”將本廠電氣主接線、廠用電接線等需要經(jīng)常操作、監(jiān)視、控制的部分編制成外觀直接清晰、連接準(zhǔn)確清楚、圖形整潔美觀的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫圖形。將各主要監(jiān)測(cè)參數(shù)直接在各回路處顯示；將各操作按鈕的圖標(biāo)直接布置于相應(yīng)主設(shè)備圖形符號(hào)旁。這樣運(yùn)行人員就可根據(jù)顯示器上圖像顯示，儀表顯示了解設(shè)備工況，使用鼠標(biāo)或者鍵盤點(diǎn)擊相應(yīng)操作按鈕進(jìn)行控制。（即人機(jī)對(duì)話）運(yùn)行操作人員每人有操作密碼，操作后即留下操作記錄便于事后分析。此外還有眾多的事件查詢、跳閘記錄查詢、參數(shù)查詢、定值修改（要相應(yīng)級(jí)別授權(quán)）等功能可供隨時(shí)點(diǎn)擊調(diào)用。

3.5 通訊系統(tǒng)

3.5.1 全廠通訊系統(tǒng)

用通訊系統(tǒng)將上位機(jī)與上述各現(xiàn)地LCU、調(diào)速、勵(lì)磁、各輔助系統(tǒng)PLC的通訊口連接起來(lái)構(gòu)成全廠通訊系統(tǒng)。

3.5.2 通訊制式

目前有多種通訊制式：CAN、以太網(wǎng)、RS232、RS485。

小型水電站用以太網(wǎng) 和RS485通訊較多。其中站控層與現(xiàn)地層間用以太網(wǎng)，現(xiàn)地層和各智能設(shè)備間用串口的RS485。

3.5.3 統(tǒng)一通訊制式

目前微機(jī)監(jiān)控裝置、勵(lì)磁裝置、調(diào)速器及其他智能設(shè)備原則上不是同一生產(chǎn)廠家，需要在訂貨前統(tǒng)一通訊制式；或者要增加通訊制式轉(zhuǎn)換器（通信管理機(jī)），要求高的還可能用通信工作站。

通訊系統(tǒng)是水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控中一個(gè)十分重要的系統(tǒng)，將站控層、現(xiàn)地層、直接控制設(shè)備聯(lián)系為一個(gè)整體，它涉及面廣，影響范圍大，通訊系統(tǒng)故障可能引起全廠癱瘓的后果。

3.5.4 通訊系統(tǒng)抗干擾

通訊系統(tǒng)的元器件、導(dǎo)線耐壓低，正因?yàn)樗婕懊鎸挘B線多，很容易招致外界干擾，尤其是大氣過(guò)電壓（雷擊）干擾。通訊系統(tǒng)是水電站微機(jī)監(jiān)控各系統(tǒng)最為薄弱的系統(tǒng)。

防止干擾主要措施：屏蔽、接地。通訊連接線用雙層屏蔽雙絞線效果較好。

全廠微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)一點(diǎn)接地。在每面微機(jī)保護(hù)屏底設(shè)接地銅排，將全廠各保護(hù)屏接地銅排用大截面銅芯軟線可靠連接后一點(diǎn)與全廠接地系統(tǒng)相連。接地系統(tǒng)接地電阻要求0.5Ω以下。

3.5.5 建議

小型水電站中對(duì)取水口、水塔、前池水位等通訊線路較長(zhǎng)的地方也建議采用光/電轉(zhuǎn)換后，用光纖來(lái)傳遞控制信號(hào)，避免干擾對(duì)通訊系統(tǒng)造成影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

水電站微機(jī)監(jiān)控是近幾年在水電領(lǐng)域產(chǎn)生并發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，科技含量高，涉及面廣，考慮因素復(fù)雜，有一定風(fēng)險(xiǎn)。但改造后的效果是顯著的，效益是看得見(jiàn)的，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是良好的。只要抓住用科學(xué)發(fā)展的觀點(diǎn)去分析，去決策就可以把工作做好！

讓水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控這一新技術(shù)在老電站改造中綻放出更加絢麗的光彩！

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：周宏偉（1965-），女，副教授，高級(jí)工程師，主要從事電力類專業(yè)課教學(xué)、小水電站的設(shè)計(jì)、監(jiān)理。