水电站监控装置的效用和意义

韩会彬

国网四川映秀电厂 四川都江堰 611830

水电站电气自动化是一门涉及多方面理论和新技术的综合性科学技术。近年来，由于电力电子技术和计算机应用技术的迅速发展及计算机性能的显著提高，通过日趋成熟的计算机网络技术、自动控制技术、微机保护技术及视频处理技术对水电站生产过程进行操作、控制和监视，可实现水电站在无人直接参与的情况下，按预定的计划或程序自动运行，达到提高生产效率、安全经济性、可靠性、改善工作环境等目的[1]。

1 概况

水电站呈河床式布置，设计水头为2.1m，流量为10m3/s，共装配6台套GD-WS-175型竖井贯流式水轮机、6台SFW160-8/740型发电机。水电站采用计算机自动监控系统，按“无人值班、少人值守”进行总体设计，对水轮发电机组、相关辅机设备、重要电气设备及水工建筑物的安全运行进行全面监视与控制，实现了自动化监控系统在水电站运行管理中的综合应用。

2 自动化监控系统工作原理

整个系统采用开放式分层分布结构、符合开放系统国际标准的开放式环境下全分布计算机监控系统。计算机监控系统与枢纽同步投运，并留有接口与其他管理信息计算机系统连接，保证了其系统可靠、实用、先进、经济、灵活和便于扩充。

（1）系统网络结构。监控系统网络结构采用光纤以太环网，枢纽内监控主机、通信计算机设备以及PLC均挂在以太网上，PLC可通过现场总线同闸门开度仪、直流系统及各种传感器和自动化设备等进行数据通信[2]。

（2）系统工作原理。计算机自动控制系统分为两级，即主控级与现控级。控制权分“控制室、现地”两级，可以无忧切换。控制权顺序为：现地、控制室。远方控制经授权方可进行操作。控制系统中心设置带密码的授权、核对程序。现地级与主控级采用以太网实现数据通信，环网交换机具备网管功能，控制室交换机采用模块化交换机。主控级通过GPRS无线上网设备与上级管理所实现数据与图像传输。微机保护、微机励磁系统、发电机控制系统和直流系统通过RS-485串行通信口转换为以以太网方式与监控系统链接，传感器通过RS-485串行通信口或4-20mA输出与PLC相连。主控级通过监控网络与现地级建立通信，通过工作站的监测监控界面，显示现场设备的运行参数与状态，同时下发控制命令，监督现地控制单位对监测监控命令的执行[3]。现地控制级PLC装置是系统最后一级也是最优先的一级控制，它向下接收各类传感器与执行机构的输入输出信息，采集设备运行参数和状态信号;向上接收上级控制命令，并上传现场的实时信号，实施对现场执行机构的逻辑控制。即使在监控发电机组出现故障时，也能够采用现地PLC控制装置保证机组正常运行和程序控制的各种运行操作。

3 自动化监控系统的主要组成设备及功能

根据水利枢纽工程运行特点，自动化控制系统采用分层、分布、集中式结构，实现实时监测，选用兼容性强、使用成熟的测控设备，以保证整个系统安全可靠运行。

（1）可编程序控制器PLC。可编程序控制器PLC主要完成数据的采集及数据预处理功能，同时也具有现地控制操作和监视功能。系统共设4套PLC。其中1-3发电机组、4-6发电机组分别设置一套PLC，计2套;进线、变压器、清污机、皮带机、供排水系统、变压器油温等所有公用设备设置1套PLC。PLC具有与主控级进行通信的功能，以现场总线的方式与微机保护测控装置、直流系统、智能仪表等进行通信，定时向主控级传送所需要的过程信息，也可根据主控级指令随时上送要求的信息。故障或事故情况下及时向主控级传送故障及事故信息，接受主控级发来的控制指令，并将执行情况和结果回送到主控级。当PLC与主机系统脱离后，实现对枢纽进行必要的监视和控制的功能，而当其与主机恢复联系后又能自动地服从上位机系统的控制和管理[4]。

（2）监控主计算机。系统设2台监控主计算机，1主1从双机热备，功能包括对整个闸站计算机监控系统的管理、数据计算和处理、数据库管理、在线及离线计算功能，各图表、曲线的生成，事故、故障信号的分析处理等。2台监控主机形成冗余热备，当主机故障时，从机立刻接管主机工作。监控主计算机供运行值班人员使用，具有图形显示、数据打印、全闸站运行监视和控制、发操作控制命令、作定值切换、设定与变更工作方式以及语言报警等功能。全闸站所有的操作控制都可以通过鼠标器及键盘实现;通过显示器可以对设备运行进行实时监视，并取得所需的各种信息，易于开发人员进行应用程序的开发和修改。

（3）通信计算机。通信计算机负责与其他系统及控制中心通信，通过访问主机数据库或其他方式，采集泵闸设备运行状态，上传至监控中心，并接受监控中心的指控指令，对闸站内的设备进行控制[5]。

（4）微机综合保护装置。系统配备2台MICOM-P141型微机综合保护装置，装置均选用多功能版，保护动作有故障记录。实现远方/就地操作开关，实现远方/就地投退操作，实现远方/就地保护定值的修改，实现远方/就地告警信号事故信号的复位。有保护压板用于保护投退，具有测、控、保以及通信功能，不受自动控制系统控制，孤立闭环运行，作为独立的设备提供对电气设备的保护，具有独立完整的功能，在正常电源切换和事故情况下具有掉电不丢失功能，保证继电保护的可靠性、安全性和抗干扰性。装置与自动控制系统之间的通信，可通过多种类型的便准通信接口进行。装置通过网络将所有信息实时发送到上级监控系统，并能接收上级监控系统的各种控制操作及保护定值、保护投退、测量精度调校系数等各种配置参数。

（5）发电机组自动发电智能控制器。发电机组选用6台PAS661A型智能控制器，该控制器集发电机组开停机全自动控制、发电机励磁控制、水轮机调速控制、准同期合闸、发电机继电保护、数显仪表、自动经济发电、机组状态监视八大功能于一体。控制器提供RS-485通信接口，实现网上数据共享，实现发电机组的远方监控及集中控制。一台发电机组仅需配置一台控制器，就能实现机组自动化控制。实现了一键式开机、一键式停机、快速准同期自动并网、自动发电功能，还可以按水位全自动开停机、按水位经济发电模式，高效和谐利用水资源。

4 应用

（1）提高工作效率。水电站自动化监控系统运行管理模式，按照少人值班、集中控制方式设计，采用计算机监控系统，对水轮发电机组、相关辅机设备、重要电气设备及水工建筑物的安全运行进行全面监视与控制，与传统管理模式相比，运行值班人员可以减少30℅，达到人员配置少、工作效率高的目的[6]。

（2）实现经济运行。计算机自动监控系统，可根据不断获取的实时数据，对机组运行状态按水位经济发电模式、高效和谐利用水资源进行调整，提高了发电机组的运行效率，节约了人员成本，提高了经济效益，使工程实现高效管理、高效运行。

（3）保障安全可靠关键点实施分组、分权限管理，只允许特殊权限用户拥有查看和操作权限。用户实施分类别、分权限管理，不同类别的用户拥有不同的管理能力，并对部分用户指定可监控的画面和允许修改点的数值。系统同时考虑操作习惯和步骤、通信、硬件及软件设计的安全性，对每个功能操作提供安全检查和校核，当发生误操作时，系统自动禁止并发出告警，全方位保证水电站安全可靠运行。

水电站采用计算机自动监控系统，对水轮发电机组、相关辅机设备、重要电气设备及水工建筑物的安全运行进行全面监视与控制，在实际运行工程中，达到了操作简便、运行稳定、安全可靠、经济合理等目的，实现了“少人值守”设想，使电站的运行管理水平大大提高，可以为其他小型水电站的自动化监控系统提供借鉴。对于已经应用电气自动化的水电站，应结合实际情况，找出电气自动化中存在的不足，并加以完善，从而使电气自动化的作用能够在水电站中得以充分发挥，由此除了能够减少各类电气设备的故障发生几率之外，还能为水电站带来巨大的经济效益，对于推动水电站的持续发展具有重要意义[7]。