水电站电气设备智能调度方案分析

水电站电气设备智能调度方案分析

李聪

潇湘水电站湖南永州425000

摘要：智能化是当前水电站建设的主要方向，以IEC61580为标准进行智能化构建是主要方案。通过站控层、间隔层和过程层的建设实现了水电站的有效控制，既能进行远程自动控制，也能实现现地自动和手动控制，有效的减少了人员的使用，并提高了运行效率和经济收益。潇湘水电站通过智能化建设实现了极大的经济收益。

关键词：IEC61580；水电站；智能化；智能调度

一、以IEC61580为标准的水电站智能调度方案

1、IEC61580标准化的智能调度主要功能

当前水电站智能化建设的的标准化依据主要是IEC61580。通过网络通信系统将水电站的继电保护、远动、监控、在线状态检测等各种装置进行互联，数据信息完全共享，模拟量、开关和控制命令等相关信息都可以实现有效共享。水电站的智能调度主要通过站控层、过程层和间隔层的分层和联合控制实现，如下图1所示。

图1智能调度系统

2、站控层

1）定义

站控层是指各种管理机、网络交换机、远动装置、数据服务器、通信系统和监控系统等，水电站的运行、管理和工程配置等界面都由站控层提供，并记录相关信息，再将这些信息按照远动、集控设备的相关协议规范进行转化，监控中心可实现远方控制。站控层主要根据IEC61580标准进行模型建设，是面向全站的上位机设备。

2）站控层的主要任务

实现对全厂设备的监测、控制、预警和数据通信；高速网络系统对全站实时信息数据进行采集、汇总，相量和电能量等数据的采集同步进行，实时数据库会不断被刷新，检测时可以按照时间登录当时的历史数据库；将汇总的信息数据输送到调度控制中心；将调度控制中心的控制命令转向间隔层和过程层以方便执行；可以在线进行可编程操作闭锁的全站调节和控制；自动分析水电站的故障和状态监测；进行住址的管理、指导和培训；实现全站设备的控制自动化、调节智能化、互动协同化，同时还能进行综合决策的分析管理；可以对站内进行当地的监控以及人机联系，实现了全站的远方监控和调度；可以对间隔层和过程层各种设备进行在线维护、组态和参数修改。

3、间隔层

1）设备组成

主要包括水电站的各种现地控制单元(LCU)，继电保护设备、励磁系统、测控设备、智能采集设备、调速器电柜等相关的二次设备，LCU又包括机组、开关站、公用和坝区等的LCU屏。主要负责提供统一建模、通信信息分层、通信接口抽象化以及自描述规范等技术。

2）主要功能

LCU各间隔层的实时信息汇总；各间隔层设备的监控、保护和操作闭锁；同期操作、调节和控制发电机有功和无功功率；控制数据采集、运算和控制命令发出的优先级别；过程层和站控层之间的通信功能。

4、过程层

1）设备组成

过程层是一个基本网络层，主要是连接智能一次设备及间隔层。主要包括两类智能设备，一类是水电站的一次设备的智能组件和独立智能电子设备，相关一次设备主要有：变压器、电流和电压互感器、隔离开关、断路器和合并单元等；另一类是水电站独有的水轮发电机组和相关附属设备的智能组件、终端和设备，这些设备包括阀门、电动机、各类传感器、自动化元件、全站的公用设备、坝区闸门设备、各种厂房等水电站特有的系统。

2）主要功能

过程层是各类现地设备和间隔层设备的有机结合，可以视为各种现地设备的智能化部分，现地设备的各种功能要在这一层完成。通过以太网交换机的发布和订阅模式的通信完成对于传输控制设备和监测设备的数值采样以及开关量传输。主要功能包括：水电站运行时的实时电气量和非电气量监测、采集；监测和统计现地设备的运行状态；执行现地设备的控制命令。

二、潇湘水电站的智能调度方案

1、站控层

站控层设置了中控室。中控室配备了互为备用的两套工作站，管理机由台湾研华ITC210工控机组成，使用两台21英寸的一卡多显技术的显示器，可以实现显示、多窗口、交互作图和图形缩放一系列功能。配置了一套GPS标准时钟，各现地层LCU、机组、开关站和公用设备LCU通过这套标准时钟的同步脉冲信号实现同步。

网络交换机系统为美国3COM所产，通过这一网络设备联成中心主干网，主控层的计算机则以高屏蔽性能的双绞线作为连接介质由RJ45口连接在一起。

远动装置由多膜光纤配合光纤收发器与间隔层各现地控制单元LCU分别对接，构成一个完整的以太网络。同时由这个网络提供各LCU的数据，并进行通信、监测和控制。实现中控室对水电站进行远程操作。同时站控层还配备了打印设备和可靠的电源装备，保证操作人员的方便使用和系统的稳定运行。

站控层通过远程控制对各RTU中的PLC进行控制，从而对发电机组的启动停止，断路器的分闸、合闸，有功电度和无功电度的调节，各辅助设备的启动停止等进行远程控制。

站控层对各现地控制单元相关数据进行定时的采集、存储、分析和处理，通过对监视画面和传输数据的定时收集和刷新，实现对全站设备的运行监视，并对开关量进行状态分析和异常报警，并对故障和事故原因进行全程监控和追忆，从而为之后的事故处理提供数据和经验。

2、间隔层

间隔层（单元层）由各现地控制单元（LCU）、发电机组、励磁系统、测控设备、开关站、全站公用设备等组成。

LCU设备采用日本的Pro-face触摸屏，与GE90－30系列的可编程控制器PLC组成的数据采集和控制单元共同构成了现地控制单元。

间隔层还配置了温度巡回检测装置、微机智能电调装置、微机励磁装置等设备，各装置之间由可编程协处理卡IC693PCM301实现实时通信。

发电机组LCU的GE交流采样模块IC693PTM101直接插在了PLC底板上，现地控制单元的PT、CT信号都由这个采样模块进行连接，并执行数据的智能采集和换算，三相电压和电流、有功和无功功率、频率信号以及功率参数等电气量都由这一模块进行实时的采集、换算和控制。IC693PTM101模块有效的减少了元件配置的空间，使调速器屏柜的元件布置既合理又有序，同时能够减少各数据相关的变送器使用量和PLC模拟量的通道占用。

温度巡检仪和温度控制器进行温度数据的智能采集。温度巡检仪使用DAS型号设备，以RS－485接口进行连接，与LCU的数据交换通过通信系统实现。温度控制器使用XMT－102B型号，主要功能为温度信号的采集和输出，并且能够进行告警和停机，通过相关元件的故障自动诊断实现温度的监测和保护功能的合一。温度控制器主要是对发电机组的轴承、线圈、定子铁芯和冷却器进出口的热冷风等进行温度监测，如下图2所示。

图2调度系统示意图

发电机组还配置了其他装置，通过BJ1010E水轮发电机转速信号装置保护发电机组并控制发电机组的转速。PLC和高精度绝对型的旋转编码器组成一个OPLC机组导叶开度测控装置。屏柜内安装的PLC可根据现场编码值进行开度值的对应设置，并且进行模拟和报警信号的输出。现地安装的编码器则由反馈钢绳连接在开度控制环上，可以对开度的微小变化作出精确的反映，并得出相应的编码值，从而更精确的进行开度值设置，保证发电机组的开度精确性和可靠性。

3、过程层

过程层由现地控制单元对应的各远程终端单元RTU工控机构成，配置10个RTU，两个RTU对应一台发电机组，共4台水轮发电机组，需8个RTU，开关站和全站公用设备则各配备一个工控机。通过远程数据通信接口，将站控层和过程层进行数据连接，实现全站实时通信。站控层和过程层的可编程控制器（PLC）组网通讯协议标准为IEEE-485，PLC与RTU通过以太网进行连接，过程层各个RTU和站控层RTU均为单独工作，整个系统运行互不干扰。

各现地控制单元LCU配置有性能高且抗干扰性强的10.4英寸的液晶触摸屏和现地操作智能设备，能够保证站控层远方控制无法进行时，实现现地单元单独的自动监测和控制。

发电机组主要由PLC对机组进行自动控制，机组的启动停机、电网并列、电网解列顺序的控制和过程监测等，电气、机械的制动和转换等，发电机组的运行状态监测等都由PLC为主体的机组智能控制单元RTU完成。发电机组RTU既可以单独进行自动控制，也可由站控层中控室进行远程控制。RTU提供了现地分步、现地自动、远程自动三种控制方式，也可进行锁机操作。RTU将智能采集的数据传输至站控层，包括了机组的电气量、温度量、非电气量、电气保护告警量、机械保护告警量、辅助设备的模拟量、状态量以及告警量、有功和无功电度等数据。

开关站RTU进行电气量、过程控制的状态量、电气保护告警量和有功无功电度等数据的采集和传输。

全站公用设备RTU主要负责电气量、非电气量、过程控制的状态量、电气和机械保护告警量、水位信号数字量以及闸门开度等数据的采集和传输。

4、潇湘水电站的收益

潇湘水电站是一个梯级水电站，总装机容量5.2万千瓦，年发电量为2.15亿千瓦时。2002年5月4日第一个发电机组投入运营，次年4月一号机组发电量达到近9000万千瓦时，创收达2000多万元，税收达300多万元。建成5年后，3台机组共计发电6.7亿千瓦时，创收达2亿元，累计缴税在3000万元以上。

三、结语

以IEC61580为标准对水电站进行智能化建设是当前水电站智能调度的主要应用方案，这一方案以站控层、间隔层和过程层进行分层配置，实现了水电站的远程全自动控制、现地自动控制和现地手动控制，有效的减少了水电站的人员配置，水电站调度更为安全可靠，运行更为合理有序，从而大大提高了水电站的运行效率和经济收益。潇湘水电站通过智能调度的建设，建成后一年内迅速取得了极大的经济收益。4个机组全部投入运营后将会取得更大的经济收益。

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作者简介：李聪（1978年-），男，汉族，大学本科，工程师，主要从事水电站技术管理工作。