趙光宇

（山西水投汾河水務(wù)有限公司，山西 太原030006）

1 工程概況

山西省汾河水庫水電站位于山西省太原市婁煩縣下石家莊村北，是依托于汾河水庫的壩后引水式水電站[1]，總裝機(jī)容量13 000 kW，現(xiàn)有2臺(tái)6 500 kW的立式混流水輪發(fā)電機(jī)組。汾河水庫水電站于2014～2016年完成增效擴(kuò)容改造，在技改方案設(shè)計(jì)過程中非常重視數(shù)字化自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，通過數(shù)字化管理和自動(dòng)化控制，讓該水電站現(xiàn)代化程度和發(fā)電效率大大提高，增效幅度超過25%。

2 數(shù)字化機(jī)組運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)方案

汾河水庫水電站將運(yùn)行情況轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)通過高速以太網(wǎng)傳輸?shù)娇刂茩C(jī)組LCU和公用LCU上，再通過LCU上編定好的程序自動(dòng)控制機(jī)組和各輔助設(shè)備、繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作。該水電站將機(jī)組自動(dòng)化運(yùn)行體系劃分為3層：站控層、單元層和過程層[2，3]。同時(shí)，按照不同功能或區(qū)域要求對(duì)分布式子系統(tǒng)或IED進(jìn)行配置，各子系統(tǒng)或IED之間具備實(shí)現(xiàn)層深次數(shù)據(jù)共享和互操作的能力[2]。機(jī)組數(shù)字化運(yùn)行系統(tǒng)如圖1所示，圖中箭頭表示信息傳導(dǎo)方向，實(shí)線方框表示數(shù)字化模塊，虛線方框表示廠外單元。

該系統(tǒng)設(shè)有2個(gè)操作員工作站，互為備用，互為冗余[4，5]，1個(gè)工程師站，3臺(tái)計(jì)算機(jī)配置如下：CPU為 Intel Xeon E5530，主頻 2.40 MHz，內(nèi)存 6 GB，硬盤SATA 500 GB，2個(gè)100 M以太網(wǎng)接口，標(biāo)準(zhǔn)鍵盤和鼠標(biāo)。2臺(tái)操作員工作站計(jì)算機(jī)均安裝有廠級(jí)中控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集和機(jī)組的操作控制的功能。工程師站計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)廠級(jí)中控系統(tǒng)的維護(hù)和培訓(xùn)任務(wù)。

圖1 機(jī)組數(shù)字化運(yùn)行系統(tǒng)圖

2.1 實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制

機(jī)組控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制主要包括蝶閥自動(dòng)開閉、導(dǎo)葉開度自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)并網(wǎng)和解列、跟蹤電網(wǎng)情況和水頭水壓動(dòng)態(tài)調(diào)整有功和無功。自動(dòng)并網(wǎng)，能夠最大幅度的降低并網(wǎng)對(duì)機(jī)組和電網(wǎng)的沖擊，提高運(yùn)行的安全性和電能的質(zhì)量。自動(dòng)解列可根據(jù)后臺(tái)命令和事故信號(hào)自動(dòng)降低機(jī)組負(fù)荷，以最安全和最迅速的方式解列停機(jī)，實(shí)現(xiàn)操作人員的意圖，并最大限度保護(hù)機(jī)組。動(dòng)態(tài)調(diào)整有功無功主要是實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)的電壓、頻率和電站的水頭水壓等實(shí)際情況，通過導(dǎo)葉和勵(lì)磁系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)，能夠保證機(jī)組時(shí)刻處于經(jīng)濟(jì)高效區(qū)運(yùn)行，降低能耗和水耗，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。水電站技改后，平均每度電水耗由10.3 m3降低到7.7 m3，增效明顯。

2.2 實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組及電氣系統(tǒng)監(jiān)控和保護(hù)

汾河水庫水電站實(shí)現(xiàn)了對(duì)各部門油位、溫度、振動(dòng)量、各回路電壓電流、冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)視，能夠直觀的了解各部位的情況變化，對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著非常巨大的作用，可以大大減輕工作人員現(xiàn)場(chǎng)巡回檢查的工作強(qiáng)度，盡可能減少工作人員暴露在噪聲和電磁輻射環(huán)境下的時(shí)間，保護(hù)工作人員身體健康。

水力監(jiān)視測(cè)量?jī)?nèi)容包括：上、下游水位監(jiān)測(cè)，攔污柵前后壓差、水輪機(jī)工作水頭、軸功率、蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管進(jìn)口真空、技術(shù)供水壓力、示流、溫度、機(jī)組效率等。本次對(duì)進(jìn)水池和尾水渠的各一套液位計(jì)全部更換為超聲波液位傳感器。技改后的電站水力監(jiān)視測(cè)量系統(tǒng)與電站自動(dòng)化設(shè)計(jì)相結(jié)合，選取與自動(dòng)化相配套的智能性設(shè)備，除在現(xiàn)場(chǎng)顯示外，還接入廠級(jí)計(jì)算機(jī)中控系統(tǒng)。

機(jī)組及電氣設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)通過對(duì)電站各部位定量數(shù)字化信號(hào)的分析比對(duì)，能夠很快的發(fā)現(xiàn)問題和事故隱患，然后反饋異常信號(hào)，觸發(fā)繼電保護(hù)裝置，動(dòng)作一次設(shè)備，保護(hù)設(shè)備和電網(wǎng)的安全。

2.3 信息數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)

該系統(tǒng)依托于機(jī)組數(shù)字化自動(dòng)化運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，分時(shí)段采樣并記錄，確保機(jī)組運(yùn)行時(shí)間全覆蓋，并保證記錄的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向和縱向比較，可以回顧性地判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀況，方便從過去的運(yùn)行數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)隱患和需要修正的地方，能夠使機(jī)組設(shè)備更加經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定安全的運(yùn)行。

3 數(shù)字化日常管理方案

水電站日常管理主要包括廠區(qū)高清視頻監(jiān)控、進(jìn)出廠區(qū)車輛人員跟蹤系統(tǒng)、“三票”數(shù)字化管理、備品備件倉庫數(shù)字化管理系統(tǒng)、工作人員數(shù)字化識(shí)別管理等5大日常生產(chǎn)管理系統(tǒng)，讓生產(chǎn)管理更加精細(xì)化和智能化，日常數(shù)字化管理功能和構(gòu)成如圖2所示，圖中箭頭表示信息傳導(dǎo)方向，實(shí)線方框表示功能模塊，無方框文字表示終端設(shè)備。

圖2 數(shù)字化日常管理系統(tǒng)構(gòu)成圖

3.1 廠區(qū)高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻系統(tǒng)主要增加布置在電站及其變電站等處，共增設(shè)攝像頭10個(gè)。視頻系統(tǒng)充分利用圖像通信系統(tǒng)壓縮編解碼技術(shù)，將動(dòng)態(tài)圖像編碼成數(shù)字信號(hào)，以利于通信傳輸通道的傳輸。

中控室設(shè)視頻主機(jī)，可以隨時(shí)查看和調(diào)用任一攝像頭的圖象，能靈活地控制云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)和攝像頭調(diào)焦與動(dòng)作。當(dāng)監(jiān)控終端出現(xiàn)告警時(shí)，可按預(yù)定程序進(jìn)行告警聯(lián)動(dòng)；告警后可自動(dòng)啟動(dòng)錄像機(jī)，對(duì)告警現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)錄象，中心對(duì)已發(fā)生的告警、錄音、操作員的動(dòng)作均有歷史記錄，可查詢和實(shí)時(shí)打印，記錄時(shí)間可達(dá)15 d，在廠區(qū)安全防護(hù)和事故后分析方面起著重要的作用。

3.2 進(jìn)出場(chǎng)車輛人員跟蹤系統(tǒng)

水電站在廠區(qū)進(jìn)出口裝設(shè)有云臺(tái)攝像頭，具備移動(dòng)偵測(cè)功能，與視頻監(jiān)控系統(tǒng)配合使用，可以準(zhǔn)確記錄進(jìn)入生產(chǎn)廠區(qū)的人員車輛的活動(dòng)軌跡和所有行為，特別是在安全防護(hù)和防盜方面，讓不法分子和破壞活動(dòng)無所遁形。

3.3 “三票”數(shù)字化管理系統(tǒng)

汾河水庫水電站自主研發(fā)的操作票、第一種工作票、第二種工作票數(shù)字化管理系統(tǒng)，集成了水電站絕大部分操作和工作的步驟和順序，在需要填寫操作票和工作票時(shí)，只要輸入操作任務(wù)名稱就可以找到常規(guī)的操作票和工作票范本，只要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況稍加修改和完善即可，極大的方便了“兩票”的填寫，且能最大程度地減少由于個(gè)人疏忽和遺忘出現(xiàn)的“兩票”填寫錯(cuò)誤，進(jìn)而保證操作和工作的正確性和準(zhǔn)確性，杜絕事故的發(fā)生。

3.4 備品備件倉庫數(shù)字化管理系統(tǒng)

汾河水庫水電站自主設(shè)計(jì)制作了一整套倉庫備品備件數(shù)字化管理系統(tǒng)，只要在表中填入出庫或入庫數(shù)據(jù)，倉儲(chǔ)量將隨之改變。錄入維修養(yǎng)護(hù)消耗量，可以自動(dòng)生成需要采購的物品清單，以確保維修養(yǎng)護(hù)計(jì)劃正常實(shí)施。該系統(tǒng)一改以前倉庫管理需要的盤點(diǎn)和繁瑣的計(jì)數(shù)工作，使備品備件管理變得簡(jiǎn)單易行，而且可以隨時(shí)查看倉儲(chǔ)情況，有效減少庫存，減少倉庫物資對(duì)資金的占用。

3.5 操作人員數(shù)字化識(shí)別管理

操作人員數(shù)字化識(shí)別管理依托于廠級(jí)中控系統(tǒng)，水電站為所有工作人員在廠級(jí)中控系統(tǒng)中注冊(cè)用戶名和密碼，并排定交接班班次和時(shí)間安排，所有值班的工作人員必須在規(guī)定的時(shí)間段輸入自己的用戶名和密碼進(jìn)行電子交接班，而且接班人員必須與系統(tǒng)中排定的交接班人員一致，才能成功交接班，超出規(guī)定時(shí)間段和錯(cuò)誤的人員信息都無法實(shí)現(xiàn)交接班。接班后，所有對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)改變的操作都必須輸入與當(dāng)值人員信息一致的用戶名和密碼才能實(shí)現(xiàn)操作。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是極大地減少了誤操作的機(jī)率，保證了操作的安全性和可靠性。該系統(tǒng)與日常管理分屬兩個(gè)控制計(jì)算機(jī)，因此未在圖2中標(biāo)示。

3.6 廠區(qū)范圍內(nèi)語音播報(bào)系統(tǒng)

汾河水庫水電站廠區(qū)范圍內(nèi)語音播報(bào)系統(tǒng)主要包括機(jī)組運(yùn)行故障語音警報(bào)、直流電池系統(tǒng)故障語音警報(bào)、公用LCU屏故障警報(bào)、全廠范圍內(nèi)的消防警報(bào)、全廠范圍內(nèi)的語音廣播，是機(jī)組運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、消防系統(tǒng)中語音播報(bào)功能的總和。該系統(tǒng)與日常管理分屬不同控制終端，因此未在圖2中顯示。機(jī)組運(yùn)行故障語音警報(bào)、直流電池系統(tǒng)故障語音警報(bào)、公用LCU屏故障警報(bào)讓工作人員在中控室可以第一時(shí)間知道系統(tǒng)故障情況并采取緊急維護(hù)措施，防止故障擴(kuò)大，引起更加嚴(yán)重的后果。消防警報(bào)遍布整個(gè)廠房，聲音穿透每個(gè)角落，可以讓所有在廠員工以最快的速度確認(rèn)火情，采取措施，減少或阻止損失。語音廣播系統(tǒng)可以讓中控室值班人員將其掌握的任何信息以最快的速度傳播到廠房?jī)?nèi)的每一個(gè)人，特別是在搶險(xiǎn)活動(dòng)中作用巨大。

4 數(shù)字化消防管理方案

水電站數(shù)字化消防管理主要包括火情監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)、語音廣播3部分，采用總線制集中控制，集中控制主機(jī)布置在中控室，24 h值班。由于機(jī)組運(yùn)行時(shí)溫度最高可達(dá)120℃，不適用濕式自動(dòng)噴淋滅火（該方式適用溫度范圍4℃～70℃），所以機(jī)組和電氣設(shè)備視火情嚴(yán)重程度，主要靠二氧化碳滅火器和消防栓噴水滅火。圖3是站內(nèi)數(shù)字化消防管理系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)。

圖3 數(shù)字化消防管理系統(tǒng)圖

4.1 火情監(jiān)測(cè)

汾河水庫水電站通過增加“眼睛”貫通“神經(jīng)”裝備“大腦”的消防網(wǎng)絡(luò)體系將電站廠房監(jiān)控得無一死角?！把劬Α笔菧馗泻蜔煾刑綔y(cè)器和水流探測(cè)器，“神經(jīng)”是信號(hào)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)和線路，“大腦”是消防中心控制器，裝備著一套先進(jìn)且功能強(qiáng)大的消防監(jiān)控系統(tǒng)。通過消防數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)火情，及時(shí)采取措施。

4.2 聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)

消防中心控制器監(jiān)測(cè)到火情后，可以設(shè)定為直接聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作，也可設(shè)定為人工判斷后聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，人工判斷時(shí)間可設(shè)定為30 s～5 min。一旦火情確認(rèn)，該系統(tǒng)能夠迅速聯(lián)動(dòng)機(jī)組LCU快速停機(jī)解列，聯(lián)動(dòng)公用LCU切斷站內(nèi)主電源，并切換消防備用電源，并且在機(jī)組停機(jī)和切斷主電源之間設(shè)有電子閉鎖；聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)排煙風(fēng)機(jī)和消防水泵，把火災(zāi)的隱患和危害降到最低，最大限度地保證設(shè)備和人員的安全。

5 結(jié)束語

綜上所述，汾河水庫水電站將數(shù)字化積極地運(yùn)用到電站的設(shè)備運(yùn)行和日常管理的各個(gè)方面，效果顯著，不僅提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和效能，更規(guī)范了水電站的管理，人員權(quán)責(zé)界定清楚，數(shù)據(jù)、記錄管理規(guī)范到位，備品備件的數(shù)量明晰、總量大幅減少，事故隱患容易被發(fā)現(xiàn)，事故發(fā)生時(shí)能夠施以正確的處置措施，安全邊界大大提高。數(shù)字化讓水電站的管理更加精準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)和輕松。