王歡

摘? 要：水電站監(jiān)控系統(tǒng)是指整個(gè)水電站設(shè)備的控制、測(cè)量、監(jiān)控和保護(hù)均由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來完成。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、PLC和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將水電站各個(gè)設(shè)備連接起來集中監(jiān)控管理，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)電站運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。文章對(duì)水電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、配置、功能、監(jiān)控內(nèi)容及典型應(yīng)用作了簡(jiǎn)要分析，為相關(guān)從業(yè)者提供參考。

關(guān)鍵詞：水電站監(jiān)控系統(tǒng);結(jié)構(gòu);功能;典型應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TV736? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(guó)外某水電站安裝兩臺(tái)單機(jī)容量為230MW立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，電站裝機(jī)總?cè)萘繛?60MW，電能經(jīng)過升壓變壓器、400kVGIS開關(guān)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(guān)站、大壩等主要建筑物組成，廠房及開關(guān)站位于大壩下游河右岸。電站按“無人值班”（少人值守）原則設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件配置

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

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

監(jiān)控系統(tǒng)主控級(jí)是系統(tǒng)中的最高級(jí)，負(fù)責(zé)控制整個(gè)電站的運(yùn)行，主要任務(wù)是通過發(fā)出開機(jī)、停機(jī)、調(diào)相等指令控制機(jī)組發(fā)電。本電站包括2套數(shù)據(jù)服務(wù)器、2套操作員工作站、1套工程師/培訓(xùn)工作站、1套語音報(bào)警及報(bào)表工作站、1套便攜式計(jì)算機(jī)、1套衛(wèi)星同步時(shí)鐘、2臺(tái)網(wǎng)絡(luò)針式打印機(jī)、1臺(tái)彩色網(wǎng)絡(luò)激光打印機(jī)。

監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制級(jí)是監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，一般根據(jù)其監(jiān)控對(duì)象及地理位置劃分，本電站包括2套機(jī)組LCU、1套公用設(shè)備LCU、1套蝶閥區(qū)域LCU、1套進(jìn)水口LCU、1套底孔LCU。單元級(jí)各LCU以可編程控制器（PLC）或智能處理器等為基礎(chǔ)構(gòu)成，PLC或智能模塊采用雙CPU熱備系統(tǒng)，各現(xiàn)地LCU設(shè)置觸摸屏作為人機(jī)對(duì)話界面，熱備系統(tǒng)切換時(shí)，觸摸屏能正常工作。

監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為雙環(huán)形以太網(wǎng)，主控級(jí)設(shè)備共配置兩臺(tái)交換機(jī)，交換機(jī)至各主控級(jí)設(shè)備之間網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線，交換機(jī)與各現(xiàn)地控制單元之間采用環(huán)形連接，網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)為單模光纖。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（1）計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配備速率不低于100MB的

雙光纖環(huán)形以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)上各工作站和LCU均設(shè)有自己的數(shù)據(jù)庫，可以互相訪問。該交換機(jī)采用工業(yè)級(jí)環(huán)形以太網(wǎng)交換機(jī)。（2）計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)每個(gè)現(xiàn)地LCU控制柜內(nèi)裝設(shè)2臺(tái)工業(yè)級(jí)環(huán)形以太網(wǎng)交換機(jī)，分別與電站主控級(jí)和各PLC相連。（3）站控級(jí)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì)可采用雙絞線，現(xiàn)地控制單元網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì)采用單模光纖。

2.1.3 外部連接

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

2.2 主控級(jí)硬件配置

（1）數(shù)據(jù)服務(wù)器。數(shù)據(jù)服務(wù)器配備一對(duì)按集群配置的計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)整個(gè)電站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、AGC/AVC的運(yùn)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(yùn)行人員對(duì)整個(gè)電站的實(shí)時(shí)監(jiān)控和操作。（3）工程師/培訓(xùn)工作站。電站計(jì)算機(jī)室布置1套工程師/培訓(xùn)工作站，用于系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)等工作。（4）便攜式計(jì)算機(jī)。電站計(jì)算機(jī)室設(shè)置1套便攜式計(jì)算機(jī)，用于系統(tǒng)調(diào)試等工作。（5）語音報(bào)警及報(bào)表工作站。電廠中央控制室控制臺(tái)上設(shè)置1套語音報(bào)警及報(bào)表工作站。（6）廠內(nèi)通信工作站。電廠計(jì)算機(jī)室控制臺(tái)上設(shè)置1套廠內(nèi)通信工作站。（7）打印機(jī)。配置2臺(tái)網(wǎng)絡(luò)針式打印機(jī)和1臺(tái)彩色網(wǎng)絡(luò)激光打印機(jī)。（8）時(shí)鐘同步系統(tǒng)。配備1套全廠時(shí)鐘同步系統(tǒng)供電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)裝置等使用。衛(wèi)星同步時(shí)鐘的時(shí)間信號(hào)接收單元能接收GPS、北斗等衛(wèi)星發(fā)送的協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）信號(hào)作為外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。

2.3 單元控制級(jí)LCU配置

系統(tǒng)共配有6臺(tái)現(xiàn)地控制單元。每臺(tái)現(xiàn)地控制單元配備雙電源、雙CPU、雙機(jī)架、雙網(wǎng)絡(luò)等，PLC通過LCU的交換機(jī)接入以太網(wǎng);每套LCU配置1臺(tái)彩色觸摸屏作為現(xiàn)地人機(jī)接口，每臺(tái)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(jí)LCU為PLC組成的網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)并支持TCP/IP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障均不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)及其他各節(jié)點(diǎn)的正常工作。

3 系統(tǒng)功能

現(xiàn)地控制級(jí)可獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理及控制操作，也可向主控級(jí)發(fā)送數(shù)據(jù)信息，由主控級(jí)通過對(duì)現(xiàn)地控制級(jí)的命令實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)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(diào)節(jié)、自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）、自動(dòng)電壓控制（AVC）等。

3.1 數(shù)據(jù)采集及處理

系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集電站各設(shè)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(shí)間順序記錄，系統(tǒng)可對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算等綜合處理。對(duì)于系統(tǒng)暫時(shí)無法采集或因故障退出的測(cè)點(diǎn)，系統(tǒng)操作人員可對(duì)這些測(cè)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定，以便系統(tǒng)做出相應(yīng)處理。

3.2 全廠安全監(jiān)視及報(bào)警

全廠安全監(jiān)視及報(bào)警主要包括全廠運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、時(shí)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(jìn)行故障自檢查及容錯(cuò)處理。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示各設(shè)備工作狀態(tài)，如開機(jī)、停機(jī)、故障等。當(dāng)主設(shè)備故障時(shí)系統(tǒng)可自動(dòng)切換到備用設(shè)備運(yùn)行，當(dāng)外圍設(shè)備故障，系統(tǒng)可自動(dòng)將其切除。同時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，阻擋各種網(wǎng)絡(luò)病毒，確保網(wǎng)絡(luò)安全。

3.4 控制與調(diào)節(jié)

系統(tǒng)可對(duì)全廠設(shè)備進(jìn)行控制，包括機(jī)組開機(jī)、停機(jī)、工況轉(zhuǎn)換;斷路器的分、合;閘門的啟、閉;輔助設(shè)備啟、停等。電站可根據(jù)調(diào)度的指令進(jìn)行自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）及自動(dòng)電壓控制（AVC），在滿足運(yùn)行安全的前提下，進(jìn)行負(fù)荷分配，減少電廠功率損耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.5 通信

系統(tǒng)通信能做到整個(gè)電站數(shù)據(jù)高效、實(shí)時(shí)共享。包括電站內(nèi)部設(shè)備之間的通信、與調(diào)度的通信、與時(shí)鐘同步系統(tǒng)通信。

4 監(jiān)控的內(nèi)容

監(jiān)控系統(tǒng)主要對(duì)電站的水輪發(fā)電機(jī)組、機(jī)組附屬設(shè)備、升壓設(shè)備、廠用電、水電站輔助設(shè)備、水工金屬結(jié)構(gòu)等進(jìn)行監(jiān)控。

4.1 水輪發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控

水輪發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控主要包括控制、保護(hù)、監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)。

（1）機(jī)組的控制。機(jī)組的控制主要包括機(jī)組的自動(dòng)開機(jī)、自動(dòng)停機(jī)、故障自動(dòng)報(bào)警、事故緊急停機(jī)、自動(dòng)同期并網(wǎng)等。（2）機(jī)組的保護(hù)。機(jī)組的保護(hù)分為電氣保護(hù)和機(jī)械保護(hù)。機(jī)組電氣保護(hù)指發(fā)電機(jī)的電氣保護(hù)。主要包括過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、零序保護(hù)、轉(zhuǎn)子接地保護(hù)等。機(jī)組機(jī)械保護(hù)包括定子溫度過高、軸承溫度過高、機(jī)組過速、導(dǎo)葉剪斷銷剪斷、技術(shù)供水中斷、軸承油位過高或過低等。（3）機(jī)組的監(jiān)測(cè)。機(jī)組監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要為導(dǎo)葉開度、主軸擺度、尾水管壓力、蝸殼壓力、頂蓋壓力、技術(shù)供水水壓、軸承溫度、定子溫度、發(fā)電機(jī)三相電壓及三相電流、有功功率、無功功率、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流等。（4）機(jī)組的調(diào)節(jié)。機(jī)組的調(diào)節(jié)即根據(jù)實(shí)際水力情況及調(diào)度的指令，通過對(duì)導(dǎo)葉開度控制和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓及電流的控制來調(diào)節(jié)機(jī)組的有功功率及無功功率。

4.2 機(jī)組附屬設(shè)備的監(jiān)控

機(jī)組附屬設(shè)備的監(jiān)控為主閥、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和保護(hù)。機(jī)組附屬設(shè)備監(jiān)測(cè)和保護(hù)的主要內(nèi)容包括主閥全開和全關(guān)位置、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、調(diào)速器油壓、設(shè)備故障狀態(tài)保護(hù)。

4.3 升壓設(shè)備的監(jiān)控

升壓設(shè)備的監(jiān)控內(nèi)容為主變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、線路的監(jiān)測(cè)和保護(hù)。

（1）主變壓器的監(jiān)測(cè)和保護(hù)。主變壓器監(jiān)測(cè)內(nèi)容為三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、溫度等。保護(hù)包括過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、溫度過高保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)等。（2）線路的監(jiān)測(cè)和保護(hù)。線路的監(jiān)測(cè)內(nèi)容為三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、溫度等。保護(hù)包括過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、電流速斷保護(hù)、零序保護(hù)等。（3）斷路器和隔離開關(guān)的監(jiān)測(cè)和保護(hù)。斷路器和隔離開關(guān)的分合閘位置監(jiān)測(cè)。

4.4 廠用電的監(jiān)控

廠用電的監(jiān)控內(nèi)容為廠用變壓器、廠用直流電的監(jiān)測(cè)和保護(hù)。

（1）廠用變壓器的監(jiān)測(cè)和保護(hù)。廠用變壓器的監(jiān)測(cè)主要包括三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率等。保護(hù)包括過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)等。（2）廠用直流電的監(jiān)測(cè)和保護(hù)。廠用直流電的監(jiān)測(cè)主要包括直流電壓、自動(dòng)開關(guān)、接觸器等。保護(hù)包括直流系統(tǒng)接地、充電機(jī)故障保護(hù)等。

4.5 水電站輔助設(shè)備的監(jiān)控

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

4.6 水工金屬結(jié)構(gòu)的監(jiān)控

水工金屬結(jié)構(gòu)主要包括防洪（泄洪）閘門、進(jìn)水口攔污柵、前池等。監(jiān)控主要內(nèi)容包括防洪閘門位置、攔污柵前后壓差、上下游水位等。

5 機(jī)組監(jiān)控典型應(yīng)用

水電站監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)組典型應(yīng)用包括機(jī)組開機(jī)、正常停機(jī)、事故停機(jī)、發(fā)電工況轉(zhuǎn)調(diào)相工況、調(diào)相工況轉(zhuǎn)發(fā)電工況等。本節(jié)將對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)下的水輪發(fā)電機(jī)組開機(jī)、正常停機(jī)、事故停機(jī)流程作介紹。

5.1 機(jī)組開機(jī)流程

機(jī)組開機(jī)前檢查滿足開機(jī)條件后發(fā)開機(jī)指令，進(jìn)入開機(jī)流程：制動(dòng)閘復(fù)位;開技術(shù)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(jī)輔助設(shè)備;開水輪機(jī)輔助設(shè)備;主軸密封水投入;開調(diào)速器;導(dǎo)葉開至空載;轉(zhuǎn)速>95%Ne;進(jìn)入空轉(zhuǎn)狀態(tài);滅磁開關(guān)合閘;勵(lì)磁開機(jī)起勵(lì);機(jī)端電壓大于95%;進(jìn)入空載狀態(tài);自動(dòng)準(zhǔn)同期;同期到位，GCB合閘;進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。

5.2 正常停機(jī)流程

機(jī)組正常運(yùn)行條件下發(fā)停機(jī)指令，進(jìn)入停機(jī)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(jī)出口斷路器分閘，進(jìn)入空載狀態(tài);停勵(lì)磁;停機(jī)聯(lián)動(dòng)調(diào)速器;轉(zhuǎn)速<20%導(dǎo)葉全關(guān);發(fā)制動(dòng)命令;停機(jī)至發(fā)電機(jī)輔助設(shè)備;制動(dòng)閘投入;關(guān)技術(shù)供水閥;開主軸空氣圍帶充氣閥;投入接力器鎖錠;冷卻水關(guān)閉;主軸密封水關(guān)閉;電加熱器開啟;關(guān)水輪機(jī)輔助設(shè)備;進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。

5.3 事故停機(jī)流程

事故停機(jī)分為一般事故停機(jī)和緊急事故停機(jī)，停機(jī)流程也有所不同。

（1）一般事故停機(jī)流程。一般事故停機(jī)指軸承溫度過高、技術(shù)供水中斷、振動(dòng)擺度過大、操作事故停機(jī)按鈕等導(dǎo)致的停機(jī)。停機(jī)流程：停機(jī)聯(lián)動(dòng)調(diào)速器及停機(jī)聯(lián)動(dòng)勵(lì)磁;有功功率降至空載;無功功率降至空載;關(guān)進(jìn)水閥、跳GCB、聯(lián)動(dòng)調(diào)速器緊急停機(jī);進(jìn)水閥關(guān)閉、GCB分閘、導(dǎo)葉全關(guān);進(jìn)入正常停機(jī)流程。（2）緊急事故停機(jī)流程。緊急事故停機(jī)指電氣事故、機(jī)組火災(zāi)、調(diào)速器事故低油壓、一般事故停機(jī)失效、操作緊急停機(jī)按鈕等導(dǎo)致的停機(jī)。停機(jī)流程：關(guān)進(jìn)水閥、跳GCB、開滅磁開關(guān)、投入事故配壓閥、停機(jī)聯(lián)動(dòng)調(diào)速器;進(jìn)水閥關(guān)閉、GCB分閘、滅磁開關(guān)分閘、導(dǎo)葉全關(guān);進(jìn)入正常停機(jī)流程。

6 結(jié)束語

水電站監(jiān)控系統(tǒng)功能完善、實(shí)時(shí)性好、可靠性高，兩臺(tái)機(jī)組分別于2017年8月、2018年3月取得初步接收證書，運(yùn)行狀況良好，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文通過對(duì)監(jiān)控方案的分析與介紹對(duì)同類項(xiàng)目提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁倫軍，張露成，李黎明，等.溪洛渡水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].水電廠自動(dòng)化，2017，38（1）：1-5.

[2]彭瑞雙.計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在張河灣水電站的應(yīng)用[J].中國(guó)水能及電氣化，2011（8）：50-53.

[3]徐金壽，張仁貢，等.水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)與應(yīng)用[M].浙江大學(xué)出版社，2011.