水电站自动化系统设计

水电站自动化系统设计

王怀柱

（华自科技股份有限公司湖南长沙410205）

摘要：水电站一般地处偏远地区，生活条件艰苦，为了达到增效扩容的目的，并改善水电站职工的劳动条件，水电站采用“微机自动化系统”将是一个重要的途经，也是降低水电站运行成本的重要举措。本文将在如何对水电站自动化系统进行设计作一探讨。

关键词：增效扩容；水电站自动化系统；系统设计

1系统设计概述

水电站自动化系统是通过控制机组（水轮机、发电机）、主阀、油系统、水系统、气系统、调速器系统、励磁系统、高压设备、大坝闸门等相关设备运行，实现稳定发电为目的。整体可体现为六遥即遥控、遥调、遥测、遥信、遥脉和遥视。水电站自动化系统通过遥信（开关量输入或DI）、遥测获得被控设备运行状态，根据既定策略进行遥控（如断路器的分合操作，前池闸门、进水阀门/闸门、各种电磁阀等的打开和关闭、机组开机、机组停机等）和遥调（如并网后的有功、无功调节等）。通过遥视（即视频监控系统）完成重要设备的直观监视。

2系统设计依据

各种国家标准（GB、GBT）、行业标准、地方标准。技术协议、供货清单等详细配置清单。用户、设计院厂家提供的资料图纸。技术部门现场勘测报告、照片等技术资料。设计各阶段与用户、设计院沟通的邮件、函件、设联会会议纪要等都是很重要的设计依据。

3自动化系统主要设备

水电站自动化系统通过摆放于现场的各种屏柜、信号采集设备及硬件和软件通讯网络等，来控制与机组相关的设备有序运行，通过合理的监控，最终实现最小成本实现最大发电量的目标。常见的高速单环行以太网网络形式可参看图1。自动化系统由如下设备构成。

3.1后台监控设备

如操作员工作站、工程师工作站、各种服务器、打印机、中控台、不间断电源等，运行人员通过工作站等对电站内的设备进行监控。

3.2网络通讯设备

常用的网络通讯设备有：通讯管理装置、串口服务器、交换机、光纤设备（光纤交换机/光纤收发器设备等）、模拟量信号传输设备、通讯线缆等，该部分设备完成所有智能设备的通讯采集并上送到后台监控系统。各通讯方式传输参考距离：串口RS232＜30m；串口RS485、RS422＜1000m；以太网RJ45＜100m。多模光纤＜4km。单模光纤＜80km；4-20mA模拟量信号＜1km。以上设备的传输距离也与环境条件有关。

3.3微机保护、测量及计量

发电机：采集发电机出口侧和中性点侧电流，软件计算差电流，用于反馈发电机内部故障的差动保护及三段过流、转子接地、定子接地等后备保护；

主变：实时采集主变各侧电流，软件计算差电流，用于反馈主变内部故障的差动保护和常见的过流保护、速断保护等后备保护。及完成变压器的轻重瓦斯、压力释放、主变油温升高过高等非电量保护。

线路：主要是配置线路距离保护（针对66kV及以上系统），及后备保护（用于66kV及以上大接地系统和35kV及以下小接地系统或不接地系统的保护选型不同）；

其他保护测量：如厂用变保护、励磁变压器保护、备用电源自投装置等；

针对机组、主变、厂变、线路电气测量，常用设备是各种仪表、电度表等。一般站内电度表作为电量参考用，专用计费表由当地供电公司提供。站内电度表精度一般配置为：机组0.5级，上网线路0.5或0.2S级，厂用电1.0级；

3.4机组控制设备

机组电量、非电量监测：如电流、电压、频率等电气量，及通过电气量运算得到的有功功率、无功功率、有功电度、无功电度、电压及电流的相位角等。还有导叶开度、机组绕组及线圈温度、蜗壳压力、油泵压力、闸门开度、前池水位高度等；

机组相关设备的开关量监测：如断路器分合状态、调速器运行相关状态、励磁设备运行相关状态、水轮机发电机相关状态、进水阀门、调速器油泵等相关运行状态；

机组相关设备的远方控制、调节：主要指控制励磁、调速器、断路器、进水阀门；

机组自动开停机、事故紧急停机：正常停机和事故紧急停机动作流程不同；

机组同期控制：同期三要素是电压、频率、相位。理论上压差、频差及角差都为0。手动同期，自动同期：两种同期方式建议都保留，且是完全独立的，避免万一自动同期有问题还有手动同期可用。

3.5辅机控制设备及自动化元件

调速器油泵控制箱一般每台机组一台油泵控制箱，有油泵控制箱内带PLC，也有通过机组LCU屏进行控制，还有自启动控制等模式。

进水闸（阀）门控制箱：需了解阀门电机容量、是否有旁通阀等；

空压气机控制箱：一般有高压、中压、低压气机，主要用于调速器、液压阀门等控制用，现在调速器一般选用高油压无需为调速器配空压机；

其它控制箱：如快速闸门控制箱、前池闸门控制箱、检修排水泵控制箱、顶转子控制箱、渗漏排水泵控制箱、技术供水泵控制箱等等可按电站实际情况进行配置；

自动化元件主要有各种变送器、开关、传感器、压力表、仪表、球阀等等；其接入自动化系统的方式也各有不同。开关量接入（如单点温控仪、转速信号装置示流开关等，如主变油温升高过高等可接入中间继电器进行扩展再接入）；对于变送器或有该功能的仪表，可直接接入PLC模拟量输入模块；智能仪表类的设备通过485通信通过串口服务器等采集设备接入后台监控系统，机组的电量采集仪表直接以RS485通信接入机组的PLC或者机组电量通过变送器变送后接入机组的PLC。

3.6厂用电源装置

厂用电源系统：一般按一体化电源进行设计，可以更合理设计以上各部分电源，尤其充分利用直流系统的电池。AC380/220V交流电源系统：一般用两路交流进线，采用双电源自动切换装置进行切换；并对三相电流、母线电压监视。DC220V/110V直流电源系统的电池一般容量有38AH、65AH、100AH、150AH、200AH、300AH、500AH等，采用优质“阀控式密闭铅酸蓄电池”，高频充电模块采用N+1的设计，性能优良，运行可靠，具有RS-485通信接口，与上位机通信，完成自动控制调节功能。DC24V开关电源，主要给PLC，触摸屏及自动化元件提供电源。DC48V通讯电源，主要用于调度通讯设备电源。不间断电源，主要给后台设备供电。

3.7其它设备

水电站自动化系统设计时，其它可选配的系统或设备有多种。如用于完成对电站内重要设备或地点进行实时监控的工业视频系统。用于实现事故分析和查找的微机故障录波装置。用于监视火灾信号并进行智能灭火的智能火灾报警系统。用于给自动化系统中需要时间信息的设备（计算机、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置、远动RTU）进行统一校时的校时装置。可实现短信远程控制，远程报警，远程维护，远程催款等功能的手机短信报警装置等。

4水电站设计模式

新建水电站的设计可以结合电站实际情况考虑长远规划，本文不进行详细描述。在水电站增效扩容改造中，如果考虑改造成本可进行局部改造，也可以选择改造投入少的“有人值班运行模式”，为了取得更好的效益，可以考虑采用水电站“完全无人值班运行模式”，尤其是梯级水电站会取得可观的效益。采用水电站“完全无人值班运行模式”后，可远距离对水电站进行监控，这样减少了运维人员，改善了职工生活条件，还优化了水库调度，提高了水资源利用率。通过建设完成水情自动化系统、发电优化调度系统、防洪优化调度系统、水情测报系统等，实现了流域水库群的优化调度、实时控制各水库水位、最大水利资源、实现了节能、环保调度，可为企业创造巨大的经济效益。

5结束语

在水电站增效扩容改造中，自动化系统设计是很重要的内容，结合多年从事水电站自动化系统工作的经验，以此做一个简单的探讨，由于篇幅关系，对很多具体的设备设计未能一一探讨。文中不正之处，望指正。

作者简介：

王怀柱（1980-），男，高级工程师，研究方向为电气自控，湖南大学工程硕士在读，华自科技股份有限公司，长期从事电力系统水电站、变电站、泵站、铁路牵引变电站自动化系统的技术设计工作。