【摘 要】文章從我國水資源概況入手，詳細(xì)闡述水電站自動化的作用、內(nèi)容，進(jìn)一步探討水電站自動化技術(shù)的發(fā)展方向，水電站綜合監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成、特點(diǎn)和功能及其在水資源開發(fā)利用過程中，水利樞紐工程建設(shè)中的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】可編程序控制器（PLC）；智能I/0 ；綜合監(jiān)控系統(tǒng)；SOE 點(diǎn)；自動發(fā)電控制AGC；自動電壓控制AVC
我國具有得天獨(dú)厚的水能資源，理論上全國蘊(yùn)藏總量量為6.76 億kW，技術(shù)可開發(fā)量為3.78 億kW，年發(fā)電量19200億kW.h，占世界總量的13.22%，居世界首位。據(jù)統(tǒng)計，2000年我國水電裝機(jī)容量為7500 萬kW，開發(fā)率僅為19.8%。與其它發(fā)達(dá)國家相比，我國水能資源開發(fā)利用水平還很低，水電站自動化程度還很落后。如何逐漸加大開發(fā)力度，利用好豐富的水能資源，對于我國的現(xiàn)代化建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，具有十分重大的意義。
（一）水電站自動化概述
1.水電站自動化的作用
水電站自動化就是要使水電站生產(chǎn)過程的操作、控制和監(jiān)視，能夠在無人（或少人）直接參與的情況下，按預(yù)定的計劃或程序自動地進(jìn)行。水電站自動化程度是水電站現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志，同時，自動化技術(shù)又是水電站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行必不可少的技術(shù)手段。水電站自動化的作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）提高工作的可靠性：水電站實(shí)現(xiàn)自動化后，一方面可通過各種自動裝置快速、準(zhǔn)確、及時地進(jìn)行檢測、記錄和報警，既可防止不正常工作狀態(tài)發(fā)展成事故,又可使發(fā)生事故的設(shè)備免遭更嚴(yán)重的損壞，從而提高了供電的可靠性。另一方面，通過各種自動裝置來完成水電站的各項操作和控制（如開停機(jī)操作和并列），不僅可以大大減少運(yùn)行人員誤操作的可能，從而也減少了發(fā)生事故的機(jī)會；而且還可大大加快操作或控制的過程，尤其在發(fā)生事故的緊急情況下，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行和對用戶的正常供電，具有非常重大的意義。
（2）提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性：水電站實(shí)現(xiàn)自動化后，可根據(jù)系統(tǒng)分配給電站的負(fù)荷和電站的具體條件，合理地進(jìn)行調(diào)度，保持高水頭運(yùn)行，同時合理選擇開機(jī)臺數(shù)，使機(jī)組在高效率區(qū)運(yùn)行，以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。如何實(shí)現(xiàn)各電站合理最優(yōu)調(diào)度，避免不必要的棄水，充分利用好水力資源，對于梯級電站來說尤為重要。此外，水電站通常是水力資源綜合利用的一部分，要兼顧電力系統(tǒng)、航運(yùn)、灌溉、防洪等多項要求，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件復(fù)雜，單憑人工控制很難實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)自動化以后，將有助于電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。特別是對于具有調(diào)節(jié)能力的水電站，應(yīng)用電子計算機(jī)不但可對水庫來水進(jìn)行預(yù)報計算，還可綜合水位、流量、系統(tǒng)負(fù)荷和各機(jī)組參數(shù)等參量，按經(jīng)濟(jì)運(yùn)行程序進(jìn)行自動控制，大大提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。
（3）保證電能質(zhì)量：我們知道，電壓和頻率作為衡量電能質(zhì)量好壞兩項基本指標(biāo)。電壓正常偏移不超過額定值的±5%，頻率正常偏移不超過額定值的±0.2～0.5 HZ。電壓或頻率的的穩(wěn)定主要取決于電力系統(tǒng)中無功功率和有功功率的平衡。因此要維持系統(tǒng)電壓和頻率在規(guī)定范圍內(nèi)，就必須迅速而又準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)有關(guān)發(fā)電機(jī)組發(fā)出的有功和無功功率。特別是在發(fā)生事故的情況下，快速的調(diào)節(jié)或控制對迅速恢復(fù)電能質(zhì)量具有決定性的意義，而這個過程，單純靠手動操作，無論在速度方面還是在精度方面都是難于實(shí)現(xiàn)的，只能借助于自動裝置來完成。可見，提高水電站的自動化水平，是保證電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的重要措施之一。
（4）提高勞動生產(chǎn)率、改善勞動條件：水電站大多地處偏僻山區(qū)，遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，職工長期生活在較差的環(huán)境之中。水電站實(shí)現(xiàn)自動化后，很多工作都是由各種自動裝置按一定的程序自動完成，用計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)來代替人工操作及定時巡回檢查、記錄等繁雜勞動，大大改善運(yùn)行人員的工作和生活環(huán)境，減輕了勞動強(qiáng)度，提高了運(yùn)行管理水平。同時還可減少運(yùn)行人員，實(shí)現(xiàn)無人值班（或少人值守），提高勞動生產(chǎn)率，降低運(yùn)行費(fèi)用和電能成本。
2.水電站自動化的內(nèi)容
水電站自動化的內(nèi)容，與水電站的規(guī)模及其在電力系統(tǒng)中的地位和重要性、水電站的型式和運(yùn)行方式、電氣主接線和主要機(jī)電設(shè)備的型式和布置方式等有關(guān)?？偟膩碚f，水電站自動化包括以下幾個方面：
（1）完成對水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行方式的自動控制：一方面，實(shí)現(xiàn)開停機(jī)和并列、發(fā)電轉(zhuǎn)調(diào)相和調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)電等的自動化，使得上述各項操作按設(shè)定的程序自動完成；另一方面，自動維持水輪發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，根據(jù)系統(tǒng)要求和電站的具體條件自動選擇最佳運(yùn)行機(jī)組數(shù)，在機(jī)組間實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)分配，根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷變化自動調(diào)節(jié)機(jī)組的有功和無功功率等。此外，在工作機(jī)組發(fā)生事故或電力系統(tǒng)頻率降低時，可自動起動并投入備用機(jī)組；系統(tǒng)頻率過高時，則可自動切除部分機(jī)組。
（2）完成對水輪發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備運(yùn)行工況的監(jiān)視：如對發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子回路各電量的監(jiān)視，對發(fā)動機(jī)定子繞組和鐵芯以及各部軸承溫度的監(jiān)視，對機(jī)組潤滑和冷卻系統(tǒng)工作的監(jiān)視，對機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)工作的監(jiān)視等。出現(xiàn)不正常工作狀態(tài)或發(fā)生事故時，迅速而自動地采取相應(yīng)的保護(hù)措施，如發(fā)出信號或緊急停機(jī)。
（3）完成對輔助設(shè)備的自動控制：包括對各種油泵、水泵和空壓機(jī)等的控制，并發(fā)生事故時自動地投入備用的輔助設(shè)備。
（4）完成對主要電氣設(shè)備（如變壓器、母線及輸電線路等）的控制、監(jiān)視和保護(hù)。
（5）完成對水工建筑物運(yùn)行工況的控制和監(jiān)視：如閘門工作狀態(tài)的控制和監(jiān)視，攔污柵是否堵塞的監(jiān)視，上下游水位的測量監(jiān)視，引水壓力管的保護(hù)（指引水式電站）等。
（二）水電站自動化技術(shù)的發(fā)展
隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，電子計算機(jī)在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，一種模塊化的基于現(xiàn)場總線的水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)，逐步取代了傳統(tǒng)的以常規(guī)控制、人工操作為主的控制模式，大大提高水電站的自動化程度，實(shí)現(xiàn)水電站“無人值班，少人值守”。
1.系統(tǒng)構(gòu)成：采用了計算機(jī)、可編程序控制器（PLC）或智能I/0、微機(jī)繼電保護(hù)裝置和專用智能測控裝置，通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線將主控機(jī)與各個現(xiàn)地控制站、智能裝置等有機(jī)連接在一起，構(gòu)成了按功能分工協(xié)作的分層分布式綜合監(jiān)控系統(tǒng)。
2.系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：（1）開放式體系結(jié)構(gòu)，層次分明，具有良好的擴(kuò)展性。（2）分層分布式系統(tǒng)，可以根據(jù)監(jiān)控對象、功能進(jìn)行配置，具有很好的分散性、開放性和靈活性。（3）采用冗余配置，具有很高的可靠性。（4）用中文Windows 操作系統(tǒng)和智能通信等先進(jìn)技術(shù)，便于系統(tǒng)升級。（5）靈活的組態(tài)界面，人機(jī)接口能力強(qiáng)，界面友善，易于掌握，方便設(shè)計、調(diào)試和現(xiàn)場運(yùn)行。
3.系統(tǒng)主要功能：（1）對電站設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)視與記錄：計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動完成電站設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、處理以及設(shè)備運(yùn)行狀況的自動監(jiān)視與記錄，包括開關(guān)量信息監(jiān)視，模擬量信息監(jiān)視，故障/事故報警、記錄與顯示，SOE 點(diǎn)記錄與顯示。（2）對電站實(shí)現(xiàn)自動控制：根據(jù)上級調(diào)度要求和電站自身的具體情況，對電站設(shè)備進(jìn)行操作或調(diào)節(jié)，包括機(jī)組的自動開停和并列以及運(yùn)行工況的自動轉(zhuǎn)換、機(jī)組有功和無功負(fù)荷的自動調(diào)節(jié)、自動發(fā)電控制AGC、自動電壓控制AVC、斷路器操作等。（3）對發(fā)電機(jī)、主變、線路等主要設(shè)備及輔助設(shè)備進(jìn)行保護(hù)與監(jiān)控。（4）實(shí)現(xiàn)電站運(yùn)行管理的自動化：實(shí)現(xiàn)運(yùn)行報表的自動生成，運(yùn)行操作的自動記錄，電站設(shè)備參數(shù)或整定值的記錄與保存，所有報表均可自動或召喚打印以及運(yùn)行人員仿真培訓(xùn)等。（5）系統(tǒng)通訊：實(shí)現(xiàn)與上級調(diào)度、水情測報系統(tǒng)、辦公自動化網(wǎng)絡(luò)等計算機(jī)系統(tǒng)之間通信，達(dá)到信息資源共享，充分發(fā)揮整個系統(tǒng)的綜合效益。
（三）水電站自動化技術(shù)的應(yīng)用
福建省漳州市詔安龍?zhí)端麡屑~工程是福建省“十五”規(guī)劃重點(diǎn)建設(shè)項目，總投資1.16 億元，由我院進(jìn)行勘測設(shè)計,電站總裝機(jī)容量1.26 萬kw，由兩臺6300kw 機(jī)組組成,水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用長沙華能自控集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的MTC-3S 型微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)。
1.系統(tǒng)構(gòu)成：由1 號工作站、2 號工作站、1＃機(jī)組LCU、2＃機(jī)組LCU、公用LCU 同期屏、機(jī)組保護(hù)期屏、主變線路保護(hù)屏、故障濾波系統(tǒng)屏和GPS（衛(wèi)星時鐘）等，通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)構(gòu)成。系統(tǒng)圖如下：
2.系統(tǒng)主要配置：見系統(tǒng)圖。
3.系統(tǒng)通訊：采用國際標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP 協(xié)議，通訊方式為競爭式，接口為RS485，接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3,傳輸介質(zhì)為網(wǎng)絡(luò)銅軸電纜/雙絞線，節(jié)點(diǎn)數(shù)大于等于255，數(shù)據(jù)傳輸速率為10/100Mbps，通訊接口及通道誤碼率小于10－6。
4.系統(tǒng)特點(diǎn)：系統(tǒng)集保護(hù)、遙控、遙測、遙信、遙調(diào)五大功能于一身，具有保護(hù)可靠、自動化程度高、并網(wǎng)快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。
該工程建成投產(chǎn)后，緩解了福建省緊張的電力供應(yīng)狀況，改善該縣城鄉(xiāng)居民人畜飲水條件，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行中完全能滿足水電站綜合自動化要求，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
（四）結(jié)束語
總之，水電站采用綜合自動化系統(tǒng)后不僅提高水電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和工作的可靠性、保證電能質(zhì)量；而且提高勞動生產(chǎn)率、改善勞動條件和減少運(yùn)行人員，從而提高電站運(yùn)行的效益，例如利用計算機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控水庫來水和中長期預(yù)報在內(nèi)的優(yōu)化運(yùn)行，曲線繪制及科學(xué)調(diào)度，多發(fā)峰電等，每年可增加發(fā)電量2%左右；同時采用計算機(jī)監(jiān)控電站各種參量及運(yùn)行工況后，及時發(fā)現(xiàn)并排除事故隱患，事故后能及時處理事故，避免事故擴(kuò)大，盡快恢復(fù)供電使系統(tǒng)事故率下降，處理事故時間減少，如此每年增加發(fā)電量1%左右；另外采用計算機(jī)監(jiān)控在減少人員的同時也減少了相應(yīng)的生活辦公設(shè)備和工資支出，因而能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益?？梢姡娬揪C合自動化系統(tǒng)與水電站的生產(chǎn)、效益密切相關(guān)，隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，水資源開發(fā)利用程度的加大，水電站綜合自動化系統(tǒng)在越來越多的水利樞紐工程中得到更廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮更大的作用。