國外某水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)分析與應用

王歡

摘? 要：水電站監(jiān)控系統(tǒng)是指整個水電站設備的控制、測量、監(jiān)控和保護均由計算機系統(tǒng)來完成。計算機監(jiān)控系統(tǒng)充分利用計算機技術、通訊技術、PLC和網(wǎng)絡技術將水電站各個設備連接起來集中監(jiān)控管理，以實現(xiàn)整個電站運行的可靠性和經(jīng)濟性。文章對水電站監(jiān)控系統(tǒng)結構、配置、功能、監(jiān)控內容及典型應用作了簡要分析，為相關從業(yè)者提供參考。

關鍵詞：水電站監(jiān)控系統(tǒng);結構;功能;典型應用

中圖分類號：TV736? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）03-0162-03

Abstract： The monitoring system of hydropower station refers to the control， measurement， monitoring and protection of the equipment of the whole hydropower station completed by the computer system. The computer monitoring system makes full use of computer technology， communication technology， PLC and network technology to connect each equipment of the hydropower station for centralized monitoring and management， so as to realize the reliability and economy of the whole power station operation. This paper briefly analyzes the structure， configuration， function， monitoring content and typical application of the monitoring system of hydropower station， and provides reference for relevant practitioners.

Keywords： hydropower station monitoring system; structure; function; typical application

1 工程概況

國外某水電站安裝兩臺單機容量為230MW立軸混流式水輪發(fā)電機組，電站裝機總容量為460MW，電能經(jīng)過升壓變壓器、400kVGIS開關站后，采用400kV架空輸電線路向外供電。水電站為引水式電站，由廠房、開關站、大壩等主要建筑物組成，廠房及開關站位于大壩下游河右岸。電站按“無人值班”（少人值守）原則設計。

2 系統(tǒng)結構及硬件配置

2.1 系統(tǒng)結構

2.1.1 系統(tǒng)總體結構

水電站監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結構，分為主控級和現(xiàn)地控制級（LCU），通過雙環(huán)形以太網(wǎng)連接。

監(jiān)控系統(tǒng)主控級是系統(tǒng)中的最高級，負責控制整個電站的運行，主要任務是通過發(fā)出開機、停機、調相等指令控制機組發(fā)電。本電站包括2套數(shù)據(jù)服務器、2套操作員工作站、1套工程師/培訓工作站、1套語音報警及報表工作站、1套便攜式計算機、1套衛(wèi)星同步時鐘、2臺網(wǎng)絡針式打印機、1臺彩色網(wǎng)絡激光打印機。

監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制級是監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，一般根據(jù)其監(jiān)控對象及地理位置劃分，本電站包括2套機組LCU、1套公用設備LCU、1套蝶閥區(qū)域LCU、1套進水口LCU、1套底孔LCU。單元級各LCU以可編程控制器（PLC）或智能處理器等為基礎構成，PLC或智能模塊采用雙CPU熱備系統(tǒng)，各現(xiàn)地LCU設置觸摸屏作為人機對話界面，熱備系統(tǒng)切換時，觸摸屏能正常工作。

監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構為雙環(huán)形以太網(wǎng)，主控級設備共配置兩臺交換機，交換機至各主控級設備之間網(wǎng)絡傳輸介質為屏蔽雙絞線，交換機與各現(xiàn)地控制單元之間采用環(huán)形連接，網(wǎng)絡傳輸介質為單模光纖。

2.1.2 網(wǎng)絡結構

（1）計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡配備速率不低于100MB的

雙光纖環(huán)形以太網(wǎng)，網(wǎng)絡上各工作站和LCU均設有自己的數(shù)據(jù)庫，可以互相訪問。該交換機采用工業(yè)級環(huán)形以太網(wǎng)交換機。（2）計算機監(jiān)控系統(tǒng)每個現(xiàn)地LCU控制柜內裝設2臺工業(yè)級環(huán)形以太網(wǎng)交換機，分別與電站主控級和各PLC相連。（3）站控級設備網(wǎng)絡通信介質可采用雙絞線，現(xiàn)地控制單元網(wǎng)絡通信介質采用單模光纖。

2.1.3 外部連接

外部連接即與開關站的連接，主廠房和開關站之間設置2根8芯單模光纖，組成雙通道。雙側各設置配線架。各設備通過尾纖與配線架連接。電站監(jiān)控系統(tǒng)和開關站監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)連接通過光纖來實現(xiàn)。開關站監(jiān)控系統(tǒng)中的網(wǎng)關工作站A、B同時與電站監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務器A、B通信。

2.2 主控級硬件配置

（1）數(shù)據(jù)服務器。數(shù)據(jù)服務器配備一對按集群配置的計算機，負責整個電站的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、AGC/AVC的運行和管理。（2）操作員工作站。電站中控室配置2套操作員工作站，互為熱備用，用于運行人員對整個電站的實時監(jiān)控和操作。（3）工程師/培訓工作站。電站計算機室布置1套工程師/培訓工作站，用于系統(tǒng)開發(fā)和維護等工作。（4）便攜式計算機。電站計算機室設置1套便攜式計算機，用于系統(tǒng)調試等工作。（5）語音報警及報表工作站。電廠中央控制室控制臺上設置1套語音報警及報表工作站。（6）廠內通信工作站。電廠計算機室控制臺上設置1套廠內通信工作站。（7）打印機。配置2臺網(wǎng)絡針式打印機和1臺彩色網(wǎng)絡激光打印機。（8）時鐘同步系統(tǒng)。配備1套全廠時鐘同步系統(tǒng)供電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、保護裝置等使用。衛(wèi)星同步時鐘的時間信號接收單元能接收GPS、北斗等衛(wèi)星發(fā)送的協(xié)調世界時（UTC）信號作為外部時間基準信號。

2.3 單元控制級LCU配置

系統(tǒng)共配有6臺現(xiàn)地控制單元。每臺現(xiàn)地控制單元配備雙電源、雙CPU、雙機架、雙網(wǎng)絡等，PLC通過LCU的交換機接入以太網(wǎng);每套LCU配置1臺彩色觸摸屏作為現(xiàn)地人機接口，每臺LCU上均配置冗余的交直流雙供電裝置，提高其供電的可靠性。單元級LCU為PLC組成的網(wǎng)絡型結構并支持TCP/IP協(xié)議，網(wǎng)絡上任一節(jié)點發(fā)生故障均不會影響網(wǎng)絡及其他各節(jié)點的正常工作。

3 系統(tǒng)功能

現(xiàn)地控制級可獨立進行數(shù)據(jù)采集處理及控制操作，也可向主控級發(fā)送數(shù)據(jù)信息，由主控級通過對現(xiàn)地控制級的命令實現(xiàn)對設備監(jiān)控。系統(tǒng)主要功能包括數(shù)據(jù)采集和處理、控制與調節(jié)、自動發(fā)電控制（AGC）、自動電壓控制（AVC）等。

3.1 數(shù)據(jù)采集及處理

系統(tǒng)可實時采集電站各設備的模擬量、數(shù)字量、事件順序記錄（SOE）等數(shù)據(jù)，并根據(jù)時間順序記錄，系統(tǒng)可對這些數(shù)據(jù)進行算術運算、邏輯運算等綜合處理。對于系統(tǒng)暫時無法采集或因故障退出的測點，系統(tǒng)操作人員可對這些測點進行設定，以便系統(tǒng)做出相應處理。

3.2 全廠安全監(jiān)視及報警

全廠安全監(jiān)視及報警主要包括全廠運行實時監(jiān)控、時間順序記錄、故障及狀態(tài)顯示記錄等。

3.3 異常監(jiān)視

系統(tǒng)可進行故障自檢查及容錯處理。系統(tǒng)可實時顯示各設備工作狀態(tài)，如開機、停機、故障等。當主設備故障時系統(tǒng)可自動切換到備用設備運行，當外圍設備故障，系統(tǒng)可自動將其切除。同時，系統(tǒng)可實時監(jiān)視網(wǎng)絡狀態(tài)，阻擋各種網(wǎng)絡病毒，確保網(wǎng)絡安全。

3.4 控制與調節(jié)

系統(tǒng)可對全廠設備進行控制，包括機組開機、停機、工況轉換;斷路器的分、合;閘門的啟、閉;輔助設備啟、停等。電站可根據(jù)調度的指令進行自動發(fā)電控制（AGC）及自動電壓控制（AVC），在滿足運行安全的前提下，進行負荷分配，減少電廠功率損耗，提高經(jīng)濟效益。

3.5 通信

系統(tǒng)通信能做到整個電站數(shù)據(jù)高效、實時共享。包括電站內部設備之間的通信、與調度的通信、與時鐘同步系統(tǒng)通信。

4 監(jiān)控的內容

監(jiān)控系統(tǒng)主要對電站的水輪發(fā)電機組、機組附屬設備、升壓設備、廠用電、水電站輔助設備、水工金屬結構等進行監(jiān)控。

4.1 水輪發(fā)電機組的監(jiān)控

水輪發(fā)電機組的監(jiān)控主要包括控制、保護、監(jiān)測、調節(jié)。

（1）機組的控制。機組的控制主要包括機組的自動開機、自動停機、故障自動報警、事故緊急停機、自動同期并網(wǎng)等。（2）機組的保護。機組的保護分為電氣保護和機械保護。機組電氣保護指發(fā)電機的電氣保護。主要包括過電壓保護、欠電壓保護、過電流保護、過負荷保護、差動保護、零序保護、轉子接地保護等。機組機械保護包括定子溫度過高、軸承溫度過高、機組過速、導葉剪斷銷剪斷、技術供水中斷、軸承油位過高或過低等。（3）機組的監(jiān)測。機組監(jiān)測的內容主要為導葉開度、主軸擺度、尾水管壓力、蝸殼壓力、頂蓋壓力、技術供水水壓、軸承溫度、定子溫度、發(fā)電機三相電壓及三相電流、有功功率、無功功率、勵磁電壓、勵磁電流等。（4）機組的調節(jié)。機組的調節(jié)即根據(jù)實際水力情況及調度的指令，通過對導葉開度控制和發(fā)電機勵磁電壓及電流的控制來調節(jié)機組的有功功率及無功功率。

4.2 機組附屬設備的監(jiān)控

機組附屬設備的監(jiān)控為主閥、勵磁系統(tǒng)、調速系統(tǒng)的監(jiān)測和保護。機組附屬設備監(jiān)測和保護的主要內容包括主閥全開和全關位置、勵磁電壓、勵磁電流、調速器油壓、設備故障狀態(tài)保護。

4.3 升壓設備的監(jiān)控

升壓設備的監(jiān)控內容為主變壓器、斷路器、隔離開關、線路的監(jiān)測和保護。

（1）主變壓器的監(jiān)測和保護。主變壓器監(jiān)測內容為三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、溫度等。保護包括過電壓保護、過電流保護、過負荷保護、溫度過高保護、差動保護等。（2）線路的監(jiān)測和保護。線路的監(jiān)測內容為三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、溫度等。保護包括過電壓保護、欠電壓保護、過電流保護、過負荷保護、電流速斷保護、零序保護等。（3）斷路器和隔離開關的監(jiān)測和保護。斷路器和隔離開關的分合閘位置監(jiān)測。

4.4 廠用電的監(jiān)控

廠用電的監(jiān)控內容為廠用變壓器、廠用直流電的監(jiān)測和保護。

（1）廠用變壓器的監(jiān)測和保護。廠用變壓器的監(jiān)測主要包括三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率等。保護包括過電壓保護、過電流保護、過負荷保護等。（2）廠用直流電的監(jiān)測和保護。廠用直流電的監(jiān)測主要包括直流電壓、自動開關、接觸器等。保護包括直流系統(tǒng)接地、充電機故障保護等。

4.5 水電站輔助設備的監(jiān)控

水電站輔助設備的監(jiān)控即為水電站油、汽、水系統(tǒng)的監(jiān)控。監(jiān)控內容主要包括調速系統(tǒng)和剎車系統(tǒng)的油壓、高低壓壓縮空氣氣壓、技術供水（冷卻水）水壓、集水井水位等。

4.6 水工金屬結構的監(jiān)控

水工金屬結構主要包括防洪（泄洪）閘門、進水口攔污柵、前池等。監(jiān)控主要內容包括防洪閘門位置、攔污柵前后壓差、上下游水位等。

5 機組監(jiān)控典型應用

水電站監(jiān)控系統(tǒng)對機組典型應用包括機組開機、正常停機、事故停機、發(fā)電工況轉調相工況、調相工況轉發(fā)電工況等。本節(jié)將對監(jiān)控系統(tǒng)下的水輪發(fā)電機組開機、正常停機、事故停機流程作介紹。

5.1 機組開機流程

機組開機前檢查滿足開機條件后發(fā)開機指令，進入開機流程：制動閘復位;開技術供水閥，冷卻水投入;開主軸圍帶排氣閥;拔接力器鎖錠;開發(fā)電機輔助設備;開水輪機輔助設備;主軸密封水投入;開調速器;導葉開至空載;轉速>95%Ne;進入空轉狀態(tài);滅磁開關合閘;勵磁開機起勵;機端電壓大于95%;進入空載狀態(tài);自動準同期;同期到位，GCB合閘;進入發(fā)電狀態(tài)。

5.2 正常停機流程

機組正常運行條件下發(fā)停機指令，進入停機流程：減有功功率至空載;減無功功率至空載;有功功率/無功功率<5%;發(fā)電機出口斷路器分閘，進入空載狀態(tài);停勵磁;停機聯(lián)動調速器;轉速<20%導葉全關;發(fā)制動命令;停機至發(fā)電機輔助設備;制動閘投入;關技術供水閥;開主軸空氣圍帶充氣閥;投入接力器鎖錠;冷卻水關閉;主軸密封水關閉;電加熱器開啟;關水輪機輔助設備;進入停機狀態(tài)。

5.3 事故停機流程

事故停機分為一般事故停機和緊急事故停機，停機流程也有所不同。

（1）一般事故停機流程。一般事故停機指軸承溫度過高、技術供水中斷、振動擺度過大、操作事故停機按鈕等導致的停機。停機流程：停機聯(lián)動調速器及停機聯(lián)動勵磁;有功功率降至空載;無功功率降至空載;關進水閥、跳GCB、聯(lián)動調速器緊急停機;進水閥關閉、GCB分閘、導葉全關;進入正常停機流程。（2）緊急事故停機流程。緊急事故停機指電氣事故、機組火災、調速器事故低油壓、一般事故停機失效、操作緊急停機按鈕等導致的停機。停機流程：關進水閥、跳GCB、開滅磁開關、投入事故配壓閥、停機聯(lián)動調速器;進水閥關閉、GCB分閘、滅磁開關分閘、導葉全關;進入正常停機流程。

6 結束語

水電站監(jiān)控系統(tǒng)功能完善、實時性好、可靠性高，兩臺機組分別于2017年8月、2018年3月取得初步接收證書，運行狀況良好，達到了預期的設計目標。本文通過對監(jiān)控方案的分析與介紹對同類項目提供參考。

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