中小型水电站控制系统改造设计

中小型水电站是我国的电力系统的重要组成部分，具有投资小、建设周期短、见效快等特点。早期建设的很多中小型水电站基本采用常规控制模式，其控制设备本身的缺陷和老化等因素已开始严重地威胁电厂的安全运行。随着电力工业的快速发展，电力市场改革的不断深化，很多中小型水电站的控制系统已不能满足电力系统日益提高的自动化水平的要求。

为保证中小型水电站安全、经济、可靠运行，逐步实现"无人值班、少人值守"的自动化要求，对中小型水电站进行自动化系统的改造工作已经势在必行。本文介绍了吉林省长白县宝泉山三级水电站控制系统改造设计的总体方案。

1　工程概况及改造目标

宝泉山三级水电站位于吉林省长白县朝鲜族自治县境内，是中、朝界河鸭绿江支流八道沟河梯级水电站。宝泉山三级水电站始建于20世纪70年代末，厂房内安装三台卧式水轮发电机组，单机容量分别为2×3000kW、1×6000kW。采用一组扩大单元接线和一组发电机－变压器组接线，升压至66kV母线后经4km架空线路联接至临－老线，将本电站出力送向系统。本电站主要承担发电、灌溉和防汛任务。

由于电站建设时间较早，原有的常规控制系统自动化水平低下，主要设备操作靠手动执行，运行管理和设备维护工作量大，其自动化水平距国家和行业标准的要求相差甚远。因此，为了提高电站的自动化水平，必须对水电站的主要设备和控制系统进行技术改造，使之能够根据电站所处的地理位置和对周边地区工农业生产的影响，合理有效地利用库区有限的水资源，创造更大的社会和经济效益。

通过对宝泉山三级水电站自动化系统改造，实现电站智能化和可视化，提高电站综合自动化水平，解决长期以来自动化水平低、可靠性差、运行及维护工作量大等诸多问题。通过技术改造，中控室的运行人员利用上位机功能键盘和鼠标器即可实现大部分操作控制，并通过上位机画面实时监视所有设备的运行参数和状态，保障了设备的安全稳定运行，大大提高了运行人员的工作效率。

2　控制系统改造设计

电站计算机监控系统结构多采用分层分布式系统结构，与水电站控制相应的层次可分为厂级监控层、现地控制层、辅助设备控制层等。厂级监控层进行设备操作、生产过程监视、历史记录统计、优化运行等；现地控制层进行数据采集、现地操作、设备保护等；辅助设备控制层实现测量、手动、闭环控制等。分层控制方式，加速了控制过程的实现，减轻了控制中心的负担。即使某部分因故停止工作，其他部分仍能独立正常工作，提高了系统的可靠性。

2.1　计算机监控系统总体配置

宝泉山三级水电站控制系统改造，取消了常规控制装置，采用全计算机监控方式，按少人值班方式进行设计。系统由主控级和现地单元控制级（LCU）构成。全站设一台上位机，每台机组设一套现地控制单元（1-3LCU），公用设备设一套现地控制单元4LCU。机组现地控制单元具有现地显示功能，并能通过以太网与上位机进行通信，网络通信协议采用TCP/IP协议。上位机除完成电站主要设备监视、控制和调节功能外，还负责整个系统的数据处理、显示、记录、报警、打印报表等功能。同时经串口与PLC、智能仪表、温度巡检等装置连接进行数据采集。

计算机监控系统监控软件选用国产中文组态软件组态王（Kingview）。组态王使用方便、灵活，具有多任务、多线程的特点，运行于Windows98/NT/2000平台，支持多媒体，语音报警，视频输出等。运行人员经过短时间培训即可掌握变电站应用软件的开发和修改工作。

全厂计算机监控系统配置如图1所示。




图1　全厂计算机监控系统配置图

2.2　机组现地控制单元（1－3LCU）

机组现地控制单元包括：机组现地监控计算机、机组自动控制PLC、机组电气测量多功能表、机组温度巡检仪等。机组现地监控计算机通过以太网与电站上位机相连，机组自动控制PLC、机组温度测量装置通过串口采用RS232方式Modbus协议与现地监控计算机相连，机组电气测量多功能表通过串口采用RS485方式Modbus协议与现地监控计算机相连。

机组自动控制取消常规控制屏，采用FP2型PLC完成机组控制功能。PLC在工业环境下，运行可靠，易于运行维护人员掌握，安装调试方便。机组自动控制PLC实现的功能包括：机组自动开停机控制、蝶阀的自动控制、机组机械保护、机组压油装置及蝶阀压油装置的自动控制等功能。

机组电气测量取消常规测量表计，采用CD-194E型多功能仪表。该表可测量并显示20 多个电气参数，如：三相电压、电流、有功功率、无功功率、电能、功率因数及频率等。多功能表具有串行接口，与现地控制单元通信，可使上位机和机组PLC获得表记测量的全部数据。

机组温度巡检仪采用智能型温度巡检仪，可巡回检测48点温度量，并通过串口与现地监控计算机连接。

2.3　公用设备控制单元4LCU

由于全厂公用、厂用设备较少，自动控制比较简单，原有设备基本能维持运行，因此暂不对渗漏排水系统、高低压空压机等设备进行技术改造。公用设备控制PLC主要完成公用设备故障信号的采集及报警等功能。

2.4　变电站综合自动化系统

变电站综合自动化系统采用RCS-9000系列产品，实现变电站的保护、测量及控制等功能，该系统通过串口与电站上位机连接。

3　计算机监控系统的主要功能

（1）数据采集与处理功能。自动采集全厂运行设备的各种参数，其中，电气模拟量包括：机组、变压器和线路的有功功率、无功功率、电流、电压、频率、功率因数等；非电气模拟量包括：压力、液位、流量和温度等；开关量包括：断路器位置、隔离开关位置、继电保护动作信号以及机组开/停机所需的各种开关量等。对模拟量信号进行标度变换、越限报警和记录等分析和处理；

（2）对全厂设备进行实时监控。实现水轮发电机组的启、停操作控制及各种运行工况的转换、机组辅机的投切和自动运行监控等。实时监控变电站设备，包括断路器、隔离开关、接地刀的合、分闸操作等；

（3）具有编辑、计算、分析、制表和打印功能；

（4）历史数据存储的功能。存储记录全厂运行状态，并将处理的数据存入数据库；

（5）对电站安全运行自动监视。当参数越限，威胁电站或设备安全运行时，能自动处理并报警，及时通知运行人员采取措施进行处理；

（6）进行运行管理和指导。当电站进行各种重要操作或发生事故、故障时，能进行事件操作记录、事故追忆和事件顺序记录，提出事故原因分析意见和事故处理建议；

（7）编辑和打印操作票。

4　结论

宝泉山三级站的自动化改造于2004年2月结束，经过春汛期间的运行，设备运行安全、可靠，取得了较为满意的效果，为中小型水电站的改造提供了一个可借鉴的实例。

随着计算机网络通信、工业控制等新技术的迅速发展，水电厂自动化系统的改造与设计，不仅要完成对单个电厂的计算机监控，还将进一步实现对梯级、流域、甚至跨越流域的水电厂群的自动经济运行和安全监控。