劉永猛，魏中晉，瞿繼武，武志春

BHE—300S自動化控制系統(tǒng)在小型低壓機組上的應(yīng)用

劉永猛1，魏中晉1，瞿繼武1，武志春2

（1．河北北恒電氣科技有限公司，河北保定071051；2．淶源縣水利局，河北保定071000）

為了提高400V低壓機組水電站的技術(shù)水平，采用了BHE—300S水電站綜合自動化系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)備功能整合、降低了設(shè)備投入成本，并能實現(xiàn)水位功率自動調(diào)整等智能控制，同時還達(dá)到了無人值班（少人值守）的運行模式。圖1幅。

低壓水電機組；無人值班；BHE—300S水電站綜合自動化系統(tǒng)；應(yīng)用

0 引 言

我國投產(chǎn)發(fā)電的低壓機組水電站多建成在20世紀(jì)的60～80年代，許多電站已經(jīng)運行了幾十年，基本沒有進行過設(shè)備的更新維護和技術(shù)改造，電站設(shè)施、設(shè)備老化嚴(yán)重，維護困難，既影響了正常運行發(fā)電也存在著安全隱患。

1 BHE—300S自動化控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概述

BHE—300S水電站綜合自動化系統(tǒng)適用于小型水電站控制與計算機監(jiān)視，其將400V一次設(shè)備與二次控制集中組屏，控制和保護功能集中在一面屏上，保護、控制、監(jiān)視、測量和報警等功能均通過微機綜合自動化系統(tǒng)完成。同時，無需另設(shè)其他遠(yuǎn)動設(shè)備，完全滿足遙測、遙信、遙控、遙調(diào)及遙脈功能和無人值班（少人值守）的需要。

基于BHE—300S水電站綜合自動化系統(tǒng)的水電站自動化方案為分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)對電站的實時保護和監(jiān)控。系統(tǒng)由電站層操作員工作站和現(xiàn)地控制單元（機組保護單元）2個元件層配合網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)，并預(yù)留有與調(diào)度系統(tǒng)的接口。保護單元之間采用CAN或以太網(wǎng)架構(gòu)，極大地提高了可通訊速率及通訊可靠性，又較好簡化了現(xiàn)場接線，便于實現(xiàn)就地設(shè)備的分散安裝。

為提高系統(tǒng)的可靠性，在電站的現(xiàn)地監(jiān)控單元上保留了必要的簡易常規(guī)控制實現(xiàn)本單元的遙控、遙信、遙測等功能。

1.2 設(shè)計原則

全廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)按無人值班（少人值守）進行設(shè)計和系統(tǒng)配置。

可實現(xiàn)電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)度中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信，可實現(xiàn)遙信、遙測、遙控和遙調(diào)的功能?，F(xiàn)地控制層和電站層計算機之間相互獨立，各層完成的功能絕不依賴通訊手段，系統(tǒng)中任何單元的局部故障不會影響其他單元或電站控制層計算機的正常工作。

系統(tǒng)的軟件采用開放性的設(shè)計思想，可通過規(guī)約轉(zhuǎn)換等將通訊協(xié)議不同的其他公司的設(shè)備（如調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)、多功能電度表等）信息接入本系統(tǒng)。

系統(tǒng)具有高可靠性，局部故障不會影響現(xiàn)場設(shè)備的正常運行，而且系統(tǒng)的MTBF／MTTR各項可用性指標(biāo)均達(dá)到部頒《水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)條件》（DL／T578—95）的規(guī)定。

所有保護設(shè)有軟、硬壓板，保護參數(shù)可就地／遠(yuǎn)方進行修改、查詢，保護設(shè)備配有能顯示各種電氣參數(shù)的液晶顯示屏幕和可供操作的鍵盤。

系統(tǒng)具備防誤操作功能和完備的自診斷、自恢復(fù)功能，保護裝置設(shè)有防誤閉鎖設(shè)施以防止跳閘出口的誤開放。

系統(tǒng)配置和設(shè)備選型結(jié)合計算機發(fā)展的特點，充分考慮計算機領(lǐng)域的先進性，達(dá)到目前國內(nèi)先進水平。

采用分布式冗余系統(tǒng)，便于功能和硬件的擴充，又能充分保證用戶的投資。分布式數(shù)據(jù)庫及軟件模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計，使系統(tǒng)更能適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴充。

實時性好，抗干擾能力強。

本系統(tǒng)電站控制層具有功能較強的人機接口、全漢化的友好界面，系統(tǒng)畫面、打印格式組態(tài)方便，用戶可自行生成新的輸入／輸出方式。

現(xiàn)地控制功能應(yīng)保證可靠，所以在現(xiàn)地控制盤考慮有確保與上位機通信中斷時，現(xiàn)地可獨立運行，即考慮在控制盤上設(shè)常規(guī)按鈕，完成開機、停機、調(diào)相、事故停機、開／關(guān)快速閥門等功能。同時，還設(shè)有常規(guī)測量表計、控制開關(guān)，提高控制可靠性。

控制命令可以在當(dāng)?shù)鼗螂娬静僮鲉T工作站上給出。當(dāng)在電站操作員工作站上發(fā)出機組開、停機指令確認(rèn)并下發(fā)后，電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)自動推出相應(yīng)機組的開、停機操作過程監(jiān)視畫面。畫面上應(yīng)反映操作全過程中所有重要步驟的實時狀態(tài)、執(zhí)行時間及執(zhí)行情況，當(dāng)操作受阻時及時提示受阻部位及受阻原因。機組的開、停機操作可在開環(huán)單步運行和閉環(huán)自動運行。操作員工作站自動識別在不同方式下的開、停機操作要求并做出不同的響應(yīng)。不同控制過程有相應(yīng)的操作畫面，并在提示下進行操作，控制操作功能如下：

·機組開機、停機

·機組轉(zhuǎn)速及有功功率調(diào)節(jié)

·機組電壓及無功功率調(diào)節(jié)

·壓油裝置系統(tǒng)自動控制

·機組事故緊急停機以及快速閘門緊急關(guān)閉控制

·機組閘閥開啟、關(guān)閉操作

·機組技術(shù)供水投入，切除控制

·機組事故停機和緊急事故停機關(guān)閘閥控制

1.3 主要功能

本系統(tǒng)具有自動開機、自動調(diào)頻、自動起勵、自動準(zhǔn)同期、自動有功調(diào)功、自動無功調(diào)功、自動停機、通訊、水位運行、轉(zhuǎn)速飛逸保護、過電流保護、欠壓保護、過壓保護、低周保護、過頻保護、失磁保護等功能。

自動開機功能：接收到配電屏上的一鍵開機信號或在自動狀態(tài)下等待水位達(dá)到高水位時自動開機。

自動調(diào)頻功能：開機后，水輪發(fā)電機組自動化控制系統(tǒng)自動打開水輪機導(dǎo)葉，將水輪機轉(zhuǎn)速自動調(diào)整到一定轉(zhuǎn)速。

自動起勵功能：當(dāng)水輪機轉(zhuǎn)速達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時，裝置將發(fā)出起勵信號，啟動勵磁使發(fā)電機建壓。

自動準(zhǔn)同期功能：水輪發(fā)電機組自動化控制系統(tǒng)在發(fā)電機建壓之后，自動調(diào)整本機電壓與頻率以及相位差，使其與大網(wǎng)電壓和頻率及相位差基本一致，發(fā)出自動同期合閘信號，使發(fā)電機發(fā)出的電輸送至大網(wǎng)。

自動有功調(diào)功功能：有功的調(diào)節(jié)是根據(jù)用戶整定的功率值，裝置自動調(diào)節(jié)水輪機導(dǎo)葉，使功率穩(wěn)定在整定值。

自動無功調(diào)功功能：無功的調(diào)節(jié)是根據(jù)用戶整定的功率因數(shù)值，裝置自動調(diào)節(jié)勵磁，使功率因數(shù)為1個恒定值。

轉(zhuǎn)速飛逸保護功能：水輪機組開啟后，如突然轉(zhuǎn)速上升，超過55Hz時，裝置將迅速將水輪機組關(guān)至下限位置，啟動折向器阻滯水輪機的轉(zhuǎn)速。

過電流保護功能：當(dāng)發(fā)電機組電流超過發(fā)電機過載電流時，本裝置將啟動保護，分開斷路器，并且迅速將水輪發(fā)電機組關(guān)至下限位置，作停機處理。

欠壓保護功能：當(dāng)發(fā)電機或大網(wǎng)電壓低于所設(shè)定的值，本裝置將啟動保護，分開斷路器，并且迅速將水輪發(fā)電機組關(guān)至下限位置，作停機處理。

過壓保護功能：當(dāng)發(fā)電機或大網(wǎng)電壓高于所設(shè)定的值，本裝置將啟動保護，分開斷路器，并且迅速將水輪發(fā)電機組關(guān)至下限位置，作停機處理。

低周保護功能：當(dāng)發(fā)電機或大網(wǎng)頻率小于所設(shè)定的值，本裝置將啟動保護，分開斷路器，并且迅速將水輪機機組關(guān)至下限位置，作停機處理。

過頻保護功能：當(dāng)發(fā)電機或大網(wǎng)頻率大于所設(shè)定的值，本裝置將啟動保護，分開斷路器，并且迅速將水輪發(fā)電機組關(guān)至下限位置，作停機處理。

失磁保護功能：當(dāng)發(fā)電機在失去勵磁時，本裝置將啟動保護，分開斷路器，并且迅速將水輪發(fā)電機組關(guān)至下限位置，作停機處理。

自動停機功能：接收到配電屏上一鍵停機信號或在自動狀態(tài)下水位達(dá)到低水位或不經(jīng)濟水位時，本裝置將發(fā)電機負(fù)荷減至最小，調(diào)整功率因數(shù)，然后發(fā)出分閘信號，并且將水輪機組關(guān)至下限位置。

通訊功能：本裝置具有RS—232RS—485及以太網(wǎng)通訊接口。

水位運行功能：本裝置根據(jù)前池實際水位高低調(diào)整水輪發(fā)電機組出力，使其始終保持在一個高水位狀態(tài)下發(fā)電。

小型水電站如果需要更高的自動化要求，可以組成計算機控制系統(tǒng)，通過計算機技術(shù)的應(yīng)用，可以對全站的設(shè)備進行計算機控制，還可以通過通訊網(wǎng)絡(luò)，將電站的數(shù)據(jù)和狀態(tài)遠(yuǎn)傳到調(diào)度中心（見圖1）。根據(jù)要求，也可以組成以太網(wǎng)。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1.4 模塊外觀及端子功能說明

模塊設(shè)計為后插拔，各模塊功能如下：

電源模塊：為裝置提供裝置電源和控制電源。

輸入模塊：42路，節(jié)點的輸入。例如，斷路器的常開常閉節(jié)點、閥門開關(guān)的位置節(jié)點、剪斷銷節(jié)點等。

輸出模塊：42路，控制的開出。例如，合勵磁開關(guān)，增減勵磁節(jié)點，增減開度節(jié)點等。

模擬模塊：20路，可接入溫度傳感器、流量儀、液位儀等4～20mA輸入。

電量采集：機端電流、機端電壓、系統(tǒng)電壓。

通訊板：6路485口可接電度表，GPS對時等其他智能設(shè)備；2路以太網(wǎng)口，可接后臺；2路232口。

2 經(jīng)濟技術(shù)特點及推廣前景

2.1 經(jīng)濟技術(shù)特點

該產(chǎn)品把轉(zhuǎn)速信號模塊、同期模塊、保護模塊、溫度巡檢模塊的功能進行了集中整合，1個模塊就實現(xiàn)了所有的功能，更能實現(xiàn)整體性能的配合與協(xié)調(diào)，從而達(dá)到了少人或無人自動化控制。

（1）提高水資源利用率，增加發(fā)電效益。水輪發(fā)電機組控制系統(tǒng)能夠根據(jù)前池入水的多少自動調(diào)整水輪機的開度，使得前池水位保持在一個比較高的水平、維持在一個比較高的落差下發(fā)電，從而提高了單位水量的發(fā)電效益。

（2）降低值班人員的勞動強度，提高自動化水平。水輪發(fā)電機組控制系統(tǒng)內(nèi)建多個數(shù)字模型，實現(xiàn)對水輪發(fā)電機組更精確、更智能化控制。也就是說，當(dāng)前池處于高水位時，自動化控制器能自動開啟水輪發(fā)電機組，而后自動調(diào)整水輪機開度，直至同期合閘，并網(wǎng)后能自動加載到開度上限或額定電流，運行時可以根據(jù)水位高低自動調(diào)整發(fā)電機出力。當(dāng)機組運行不夠經(jīng)濟的時候，又能自動關(guān)機，蓄水等待高水位進行發(fā)電。整個發(fā)電過程都不需要人工去操作，能有效降低值班人員的勞動強度，而且使得電站的機組運行更科學(xué)、更經(jīng)濟。

（3）為發(fā)電機組提供更全面的保護。水輪發(fā)電機組控制系統(tǒng)的保護功能做得非常全面，具有高低壓、高低周保護、過流、過載、開度機構(gòu)定時保護、非正常跳閘保護，還帶有外部輸入信號接口，可以實現(xiàn)過速保護，失磁飛車保護等。

2.2 推廣前景

BHE—300S自動化控制系統(tǒng)的研發(fā)成功，為小水電站提供了自動化程度更好、集成度更高、性能更先進、維護更方便、價格更低廉的設(shè)備，實現(xiàn)了少人值守或無人值守。隨著國家政策越來越重視綠色清潔能源，水電站在促進節(jié)能減排、改善生態(tài)環(huán)境、持續(xù)可發(fā)展等方面都具有十分重要的意義。

［1］ 趙金光．實現(xiàn)無人值班（少人值守）現(xiàn)代化小水電的配置要求［J］．小水電，2010（2）．

［2］ 楊金棟，周志清，方輝欽．我國水電廠“無人值班”（少人值守）工作評述［J］．水電自動化與大壩監(jiān)測，2012（5）．

［3］ 袁木林，汪艷紅．無人值守自動化系統(tǒng)在小水電站的應(yīng)用探討［J］．吉林水力，2013（8）．

責(zé)任編輯 吳 昊

2014－12－12

劉永猛（1976－），男，高級工程師，主要從事水電站自動化系統(tǒng)的研究工作。