小型水电站自动化运行和维护的可行性研究

姜维军

（宁夏水利信息中心，宁夏 银川 750000）

1 引言

自然环境中的可再生能源包括风能、太阳能、水能、潮汐能、地热能和生物质能，这些资源在满足我国能源需求方面发挥着至关重要的作用。在可再生能源的组合中，小型水电站(SHP)贡献了约8%的发电量，SHP的平均运行和维护(O&M)成本占投资成本的1%～5%之间。对于手动控制的低功率小型水电站来说，由于运营商需要每天24 h监控SHP的运行，故手动控制水电站的成本较高。为了降低这个成本，可在水电站中利用自动化技术加强监控，还能一定程度上提升供电可靠性，保障供电质量，大大降低运行与维护成本[1]。且水电站电气设备运行维护及故障检修技术也随着时代的变化不断更新[2]，已有学者[3-5]意识到自动化对水电站发展的重要作用并对其进行相关研究，为我国水电事业的发展做出一定贡献，促使其实现自动化运行。

本文以宁夏小型水电站的数据为基础进行分析，鉴于信息和通信技术的高速发展，实现了远程监控和自动化控制，使SHP（自动控制）的服务系统转型。反之，通过新开发的服务，实现更高效的运行和维护(O&M)。研究SHP自动化在运行维护期间引入新产品和服务的可行性。基于规则开发出新的SHP运行和维护（O&M）模型，并针对不同自动化级别的场景进行模拟。

2 水电站O&M模型

小型水电站的主要功能是将河流的水能转化为电能。因此，SHP的运行会受各种环境因素的影响，其中最重要的是水流流速。例如，当流量较大时，一些小型水电站的净水头高于运行极限，SHP停止运行。另一方面，当流量过小时，SHP停止运行，以维持正常河流生态系统所需的流量。

就O&M而言，基本活动如下：①日常检查，包括检查运行参数，根据可用流量进行控制，并在突然停止的情况下重新启动SHP；②在极高或极低的流量条件下停止和启动SHP；③维护活动，对大坝和涡轮机等水利设施进行大修、小修或维护。

O&M模型是由运行模型和维护模型两部分组成。运行模型定义了SHP如何根据环境参数运行，以及何时发生需要维护的事件；维护模型将事件的组合与其执行所需的时间联系起来。以上模型只考虑活动所需的时间，而不考虑成本。因为设备、劳动力和服务等事物产生的成本在不同的实施方案中存在差异，存在不确定性，故不考虑。

2.1 运行模型

小型水电站的运行模型可定义为以下事件：高流量(HF)、低流量（LF）、改变流量（CF）、SHP启停（ST）、急停（SS）、小修（MM）、大坝维护（DM）和汽轮机维护（TM）。

每个事件都由一组特定的条件触发。例如，当水流流速低于预定极限时，SHP停止。此外，几个事件可能在同一天同时发生。事件及对应条件如表1所示，其中Q(t)是t时对应的流量，Qhf和Qlf分别是高流量和低流量的极限值，Qd是触发控制动作的最小流量差，nss、nmm、ndm和ntm是相关事件的年度发生频率。

表1 事件与对应条件

图1 所示为该模型与示例流量Q(t)间的执行结果。

图1 模型执行结果

2.2 维护模型

维护模型是将SHP操作模拟的结果转换为维护所需的时间，表2说明了手动控制SHP维护所需的时间。如规则r5，当HF、LF和CF不发生时，维护所需时间为每天检查的次数n乘以检查的时间tv。事件组合所需的维护时间是根据专家经验和调查数据设定的。

表2 SHP维护时间示例

维护模型允许出现不同的场景。所需的维护时间可以根据O&M策略和自动化水平来确定。例如，当用手动监视和控制时，对某些事件的响应会很慢。文中提出的O&M模型在Wolfram Mathematica软件中对实际工况进行模拟，模拟的准确性取决于专家对模型中所用参数和时间的评估。

3 SHP自动化场景

文中定义了3种自动化场景：①手动控制；②基本自动化；③完全自动化。

3.1 手动控制

手动控制表示SHP操作和维护的状态。在此场景中，SHP的所有部分都不是自动，全靠手动完成。每天操作员都会多次巡查SHP，并根据可用流量调整涡轮机的设置。

在高流量的情况下，操作员须停止SHP，并在现场控制大坝的进水闸门，当高流量时期结束时，操作员启动SHP。在低流量时期开始时，操作员停止SHP并关闭进水闸门，在此期间，操作员很少巡查SHP。当流量再次上升时，操作员需要重新启动SHP。

当电网和SHP中的保护措施启动时，SHP会随之停止。在该情况下，操作员必须访问SHP，通常需要重新启动SHP。根据多年经验可知，急停和维护事件是全年随机触发的；大坝维护可在高流量期间进行；修复大坝结构最好在低流量或正常条件下进行。

表3 手动控制SHP的维护时间

3.2 基本自动化

在基本自动化场景中，建立SHP远程监控。使用适当的传感器、可编程控制器和通信调制解调器可以实现远程监控。通过这次升级，日常检查被远程检查取代。远程监控每次检查需要操作员大约1 min的时间。对于其他事件，操作员还须要现场巡查SHP。

表4 基本自动化SHP的维护时间

3.3 全自动化

完全自动化包括远程监控、远程启动/停止、根据可用流量自动控制SHP涡轮机并远程控制闸门。远程控制闸门的功能与基本自动化的SHP完全不同。除了小型维护和涡轮机维护之外，所有O&M检查都可以远程进行，代替了操作员的现场检查。

表5 全自动SHP的维护时间

3.4 比较3种自动化场景

图2 为SHP 3种自动化场景的模拟，显示了每日平均O&M时间从手动控制的45 min到基本自动化控制的27 min，完全自动化时可降低到19 min。如图2（b）所示，在春季和初夏(80～180 d)时，流量因频繁降雨而随之变化，则对应的平均O&M时间略有增加。在基本自动化的情况下，操作员仍然需要到场检查SHP，根据流量调整参数。至于完全自动化，对检查的需求较少，但是操作员也需要对大坝和其他小部件进行维护。秋季可能出现雷暴，此时在手动控制和基本自动化控制的情况下，平均O&M时间增加了大约3倍，而全自动化控制将这一数值减少了一半。对比SHP 3种自动化方案的模拟结果，可知随着自动化程度提高，平均O&M时间急剧减少。

图2 SHP 3种自动化情景模拟

4 O&M自动化可行性评估

4.1 SHP运营商

对手动控制SHP最有影响的参数是操作员的检查时间，主要包括往返SHP以及检查机器和大坝所需的时间，手动控制的检查时间越长，基本自动化控制时的O&M时间减少的越多。如果水的流速变化较快，那么在全自动化时，O&M时间减少的更多。由此可见，对于相对恒定的流量，基本自动化就能满足日常需求。

图3 显示了2个具有不同检查时间的SHP。图3（a）SHP的规模比图3（b）SHP的规模大一点，图3（a）的SHP每天需要检查3次，每次检查持续2 h。图3（b）的SHP每天检查2次，每次15 min。在图3（a）中，基本自动化大大减少了正常运行期间O&M的时间。然而，需要根据流量进行控制时，操作员仍必须到场对SHP进行检查。全自动化在以下2种情况更能体现其优点：根据流量进行控制和高流量时，如图3（b）中，O&M的时间更少，证明了全自动化在高流量时更为便利。

图3 比较2个SHP的O&M时间

4.2 O&M服务提供商

图4 显示了水电站的总O&M时间。假设O&M服务提供商（基本和完全自动化）的控制中心距离SHP有2 h的车程。在基本自动化的情况下，O&M服务提供商比SHP运营商(手动控制)需要更多的O&M时间。出现这种情况是因为O&M服务提供商的出行时间超过了SHP运营商(手动控制)的出行时间。因此，只有在SHP完全自动化的情况下，O&M服务才是更便捷的选择。

图4 比较SHP运营商和O&M服务提供商的O&M时间

4.3 政府部门

图5 显示了SHP的平均O&M时间。目前，每个SHP每天花在O&M上的平均时间超过1 h。在基本自动化的情况下，O&M时间减少了大约一半，而在完全自动化的情况下，O&M时间减少大约三分之二。

图5 SHP的平均O&M时间

从政府部门的角度出发，基本自动化在远程监测电力生产和流量时，大大缩减了人力物力的出行时间，且可以实时监测流量对生态环境的影响。另一方面在发生洪水时，完全自动化更有助于提供控制洪水的相关策略。

5 结论

本研究以小型水电站为例，探讨了O&M自动化的可行性。从SHP运营商、O&M服务供应商和政府部门的角度出发，分析了手动控制、基本自动化和全自动化的变化规律。结果表明：基本自动化对位于偏远地区的小型水电站，且需要花费大量时间进行日常检查的操作员非常有利；在流量变化迅速的情况下，完全自动化是最适用的。建议服务提供商提供O&M服务时，应以完全自动化为主，因为基本自动化对服务提供商而言无明显优点。建议政府部门应努力补贴实现基本自动化，这将使远程监测电力生产和流量成为可能，并实时监测流量对生态环境的影响程度。完全自动化的建设在洪水易发地区更有现实意义，可以快速协调控制河流流量。为了确保SHP生产可持续能源，今后的研究工作应侧重于将提出的方法扩展到更大规模，同时考虑不同区域和国家的具体情况。