周宏偉+余建軍

摘 要：70～90年代修建的小型水電站監(jiān)控保護系統(tǒng)需要更新?lián)Q代，恰逢國家“十二.五”、“十三.五”規(guī)劃對小水電站增效擴容改造的政策出臺，使得大量的農(nóng)村小水電需要進行微機監(jiān)控保護系統(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容改造，微機監(jiān)控保護系統(tǒng)是增效擴容改造項目的重點，文中不對計算機監(jiān)控保護系統(tǒng)的全部內(nèi)容做描述，主要根據(jù)近幾年在小水電站監(jiān)控保護系統(tǒng)改造中的經(jīng)驗，并結(jié)合生產(chǎn)實際介紹小型水電站微機監(jiān)控改造中設(shè)計、訂貨、施工等方面的經(jīng)驗教訓(xùn)作介紹，并討論如何搞好小型水電站微機監(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；微機監(jiān)控改造

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

1 概述

我國上世紀(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)濟建設(shè)，對促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮了巨大作用。然而限于當(dāng)時的科技發(fā)展水平這一大批小型水電站的監(jiān)控保護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，特別是計算機監(jiān)控技術(shù)在電力行業(yè)應(yīng)用的普及，使原來在大中型電站使用的計算機監(jiān)控技術(shù)逐步向小型水電站推廣；隨著水電站計算機監(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)品價格進一步降低；加之常規(guī)監(jiān)控保護設(shè)備逐步老化、失靈，需陸續(xù)進行技術(shù)改造，實現(xiàn)水電站計算機綜合自動化。在“十二.五”、“十三.五”國家對小水電站增效擴容改造的政策中，也明確規(guī)定需將監(jiān)控系統(tǒng)改造為微機監(jiān)控。

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

常規(guī)監(jiān)控保護的小型水電站一般配置有：電液型調(diào)速器；分離式電路的勵磁調(diào)節(jié)裝置；機組及全廠公用設(shè)備采用電磁式邏輯順序自動控制加手動控制；電磁式的繼電保護；分離式的磁電系、電磁系、整流系測量表計；手動或者半自動準(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)控保護的缺點是反應(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，運行、維護、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行維護困難，尤其是有關(guān)保護、調(diào)速器、勵磁裝置、同期系統(tǒng)、機組自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題均感到非常棘手。

3 小型水電站微機監(jiān)控系統(tǒng)

小型水電站微機監(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）、通信工作站、網(wǎng)絡(luò)交換機、GPS衛(wèi)星對時系統(tǒng)、UPS電源和若干人機聯(lián)系裝置；廠長和總工工作站現(xiàn)一般配為移動式，更有利于管理；站控層設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)交換機與現(xiàn)地控制單元聯(lián)系；現(xiàn)地控制單元又通過通訊管理單元與各智能設(shè)備（保護、調(diào)速器微機調(diào)節(jié)器、勵磁裝置微機調(diào)節(jié)器、智能儀表、自動化元件）相連，構(gòu)成一個局域網(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)電機組、主變、線路、廠用電、機組輔助及公用設(shè)備、壩區(qū)閘門設(shè)備為監(jiān)控保護對象配置現(xiàn)地控制單元，分別稱為機組LCU、升壓站LCU、全廠公用LCU、壩區(qū)LCU。

目前微機監(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 微機保護簡介

微機保護裝置常以單片機或數(shù)字信號處理器DSP為核心元件。根據(jù)《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》（GB/T14285-2006）規(guī)定，對主要的被保護設(shè)備需配置主保護和后備保護兩套裝置，對一般被保護設(shè)備配含主保護和后備保護的一套裝置。各保護裝置可以組屏安裝在中控室或機旁，也可以根據(jù)實際情況分散安裝在高壓開關(guān)柜的二次室。

保護裝置的內(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：各種存儲器、處理器CPU、時鐘電路等

輸出板：輸出及顯示電路。

面板：含顯示器、人機對話鍵盤、按鍵。

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

3.1.2 監(jiān)控簡介

目前國內(nèi)有兩大類產(chǎn)品，一是將保護、監(jiān)控、同期、調(diào)速、勵磁裝置集成到一套微機裝置中（簡稱“五合一”），此方式簡單易行造價低，適用于微型水電站（單機500kW以下）。另一種方式是保護與監(jiān)控裝置獨立，監(jiān)控采用PLC，保護裝置采用單片機或數(shù)字信號處理器DSP，通過保護出口硬接點與PLC相連，通過通信接口與通信管理機或網(wǎng)絡(luò)交換機相連，此方法造價較前方法高，但可靠性高，適用小型水電站。

3.2 可編程PLC控制器

一般選擇國際知名品牌或國內(nèi)具有研發(fā)能力的幾個大公司產(chǎn)品，要根據(jù)控制對象的要求統(tǒng)計DI、DO、AI的點數(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（平均故障間隔時間）、MTTR（平均故障修復(fù)時間）、EMC（電磁相容性）、EMI（電磁干擾）、各種實時響應(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)備集中組屏為機組LCU屏，安裝于機旁；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，通過光纖與站控層相連。

可編程控制器PLC的編程一般由微機監(jiān)控生產(chǎn)廠家根據(jù)電廠的控制對象、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。對機組LCU負責(zé)對主機實施監(jiān)控，同時機組的輔助設(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)電機冷卻風(fēng)機控制納入機組控制范圍由機組PLC統(tǒng)一進行；公用LCU負責(zé)對全站公用設(shè)備：技術(shù)供水系統(tǒng)、集水井排水系統(tǒng)、空壓機系統(tǒng)及升壓站設(shè)備進行監(jiān)控（也可升壓站設(shè)備單獨配置LCU）；壩區(qū)LCU負責(zé)對壩區(qū)水位監(jiān)測、壩區(qū)各閘門的監(jiān)控。

3.3 幾個主要系統(tǒng)改造

3.3.1 勵磁裝置系統(tǒng)改造

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

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

近年來在勵磁系統(tǒng)開發(fā)了幾項新技術(shù)：

功率元件更新：二極管+絕緣柵型場效應(yīng)晶體管（IGBT）技術(shù)取代可控硅（SCR）。大功率的場效應(yīng)管的應(yīng)用，使發(fā)電機勵磁系統(tǒng)除具有可控硅管整流的優(yōu)點外，IGBT將整流功能和控制功能分開，IGBT勵磁裝置控制部分只對一只IGBT管子進行控制，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)機運行帶來的粉塵；在該系統(tǒng)內(nèi)也考慮設(shè)置冷卻風(fēng)機，正常運行時可不開風(fēng)機。

滅磁方式：當(dāng)采用可控硅全控橋時，正常停機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，延長滅磁開關(guān)的使用壽命；事故停機時采用非線性電阻滅磁，其滅磁速度比線性電阻快。

勵磁變壓器選擇為環(huán)氧樹脂澆筑的干式變壓器，取代油浸變壓器。

建議在編寫勵磁系統(tǒng)的招標(biāo)文件時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型調(diào)速器；也可對原機械液壓或者電氣液壓型調(diào)速器控制部分進行微機控制改造（經(jīng)費較省）。

近年開發(fā)有16MPa高油壓PCC可編程計算機控制的微機型調(diào)速器，可取消原常規(guī)油壓機械液壓調(diào)速器補氣操作，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墩調(diào)速環(huán)處，提高傳動效率；還可將調(diào)速器電氣部分（電柜）與液壓部分（機柜）分開布置，將機柜布置于水機層減少管道長度，減少壓力傳遞沿程損失，提高傳動效率；調(diào)速器機座不再承受大的扭矩，可減少調(diào)速器安裝布置對廠房電機層結(jié)構(gòu)強度要求。將電柜布置與機旁勵磁屏等并列布置方便操作，減少廠房機組布置時調(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，選用微機型直流電源系統(tǒng)。

微機型直流系統(tǒng)由以下部分組成：交流進線及進線防雷模塊，智能充電模塊（每個獨立模塊均可單獨承擔(dān)充電和帶直流負荷），監(jiān)控保護模塊，蓄電池組、合閘饋電回路，控制及信號饋電回路。

3.4 站控層設(shè)備

3.4.1 上位機

上位機一般采用工業(yè)控制計算機，簡稱工控機IPC，其優(yōu)點是可靠性高，適應(yīng)惡劣（高溫、高濕、粉塵重、鹽密大）環(huán)境的能力強，抗高處跌撞，抗電磁干擾能力強。

上位機分：服務(wù)器和工作站。兩者間可各自獨立工作，互為備用。

廠長（總工）終端：一般采用個人計算機（PC機）或者筆記本電腦。

不管是IPC、PC機，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 人機對話設(shè)施

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

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1套，至少配置有16個10/100M RJ45以太網(wǎng)接口；上位機與調(diào)度中心層用光纖相連（預(yù)留）；上位機系統(tǒng)各控制系統(tǒng)和設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)交換機間的通信介質(zhì)為不低于超5類屏蔽雙絞線；廠房內(nèi)各現(xiàn)地控制單元LCU與網(wǎng)絡(luò)交換機用屏蔽雙絞線相連。

3.4.4 GPS時鐘系統(tǒng)

全站配置一套高精度的時鐘系統(tǒng)，采用脈沖或B碼對時，時鐘系統(tǒng)應(yīng)能與衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)時間同步，并使上位機和各現(xiàn)地控制單元時鐘、保護系統(tǒng)與衛(wèi)星時鐘同步，時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，用計算機對各設(shè)備進行時鐘同步，而不設(shè)置專門的時鐘系統(tǒng)。

3.4.5 UPS電源

全站配置一臺在線式UPS電源。電源應(yīng)具有一定的過壓和過載能力，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，自動轉(zhuǎn)由電站蓄電池系統(tǒng)供電，供電電源轉(zhuǎn)換應(yīng)不影響計算機正常工作。

3.4.6 組態(tài)

組態(tài)是一種編程過程（利用組態(tài)軟件進行）。通過“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、圖形整潔美觀的計算機動畫圖形。將各主要監(jiān)測參數(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)備圖形符號旁。這樣運行人員就可根據(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)或者鍵盤點擊相應(yīng)操作按鈕進行控制。（即人機對話）運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)級別授權(quán)）等功能可供隨時點擊調(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)將上位機與上述各現(xiàn)地LCU、調(diào)速、勵磁、各輔助系統(tǒng)PLC的通訊口連接起來構(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

目前微機監(jiān)控裝置、勵磁裝置、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），要求高的還可能用通信工作站。

通訊系統(tǒng)是水電站計算機監(jiān)控中一個十分重要的系統(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，正因為它涉及面寬，連線多，很容易招致外界干擾，尤其是大氣過電壓（雷擊）干擾。通訊系統(tǒng)是水電站微機監(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。

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

3.5.5 建議

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

4 結(jié)束語

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

讓水電站計算機監(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：

[1]李付亮，周宏偉.水電站繼電保護[M].黃河水利出版社.

[2]劉錫藍.水電站自動裝置[M].水利電力出版社.

[3]徐錦才.小型水電站計算機監(jiān)控技術(shù)[M].河海大學(xué)出版社.

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