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浅谈中小水电站基础自动化的技术改造

天津水利电力机电研究所天津.蓟县

摘要：在中小水电站辅机自动化改造过程中应注意的几个问题和建议。

关键词：中小水电站基础自动化技术改造问题和建议

20世纪90年代以前所建的中小水电站都存在着设备和管理运行方式落后、陈旧、技术水平低下，安全性能较差，事故发生率高，电能质量差，经济效益低等弊端。整体水平参差不齐，部分水电厂基本没有自动化功能，全部采用手动常规控制设备，且设备老化，可靠程度低，往往由于设备原因而导致停机影响正常供电。为改变这种现状，水利部下发关于《农村水电技术现代化指导意见》要求：“新建水电厂都要按无人值班（少人值守）进行设计和建设。二十世纪九十年代以前建设的水电厂，要按总体目标要求做出更新改造规划，在2010年前全部实现无人值班（少人值守）。对已超过使用年限，经技术改造认证仍达不到要求的发电机组，要报废重建或强行淘汰。”在水电站基础自动化的技术改造中，自动化元件是基础，辅助设备现地控制系统是实现自动控制、保护、通信的平台。

一、中小水电站面临的主要问题

(1) 对基础自动化重要性的认识不够

中小水电站一般处在比较偏远的山区，信息相对封闭，管理和技术人员观念陈旧，不能对对基础自动化重要性有足够的认识，许多先进的管理经验和经济实用的新材料、新技术、新设备在那里不能得到很好的推广应用。

(2) 技术力量薄弱

基础自动化元件和设备的运行和维护需要具有一定专业水平的技术人员。而许多电站的运行人员文化素质和专业技术水平较低，没有经过足够的专业培训，对所使用的自动化元件和设备缺乏足够的了解，由此造成使用上的一些错误，出现简单故障时，不能及时处理，从而严重影响电站的正常运行。

(3) 设备的自动化程度低

未按监控系统的自动化要求配备必须的传感器、仪表；对一些传统的手动操作设备，也没有及时配备电动及气动、液压等自动化操作机构，致使底层设备必要的信号不能送入计算机监控系统，系统下达的操作指令也不能自动执行。当机组发生异常、状态发生变化或参数超限时，难以及时报警，安全可靠性差。

(4) 运行管理方式落后

由于设备的自动化程度低，日常开停机操作和运行维护均需人工完成。更重要的是电站运行人员长期在噪音严重的机组旁值守，其身心健康必将受到严重影响。

二、基础自动化元件和设备的特点

水电站基础自动化元件和设备是为保障主机设备安全稳定发电而设置的,具有如下特点：

(1)分散性:受使用目的和使用空间位置的限制,分散布置于厂房内任何需要的地方,遍及厂房的各个位置和空间,运行巡视和监盘操作均不方便。

(2)差异性:,由于各自使用目的和功能不同,其控制对象、测控原理、控制流程、硬件配置和外围元件组成均有较大差异。不同电站因需求不同而对元件和设备的配置和功能要求也不尽相同。

(3)环境恶劣:由于使用对象（油、水、气系统）中普遍存在杂质、油污、锈蚀,而测控装置及外围元件装设位置多处在阴暗潮湿的地方, 强磁、强电环境场合。

(4)系统性:基础自动化元件和设备涉及许多方面,包括:液位、压力、压差、流量、温度的测量;电机、阀门的控制; 与监控系统的通讯。

三、基础自动化技术改造的目标

水电站基础自动化的技术改造,包括自动化元件的改造和辅机设备自动化控制装置的改造。

2.1自动化元件的改造

水电厂自动化元件担负着水利水电机组、全厂及其辅助设备运行的状态监视和测量，发出报警信号和按规定要求执行自动操作，是计算机监控系统、集群调度系统的传感部分(耳目)和执行部分(手脚)，成为

计算机监控系统中I/O设备，是水电厂自动化元件是实现水电厂无人值班（少人值守）的基础，其对整个水电厂的安全稳定运行具有至关重要的地位。对自动化元件进行改造和优化完善是关键。所有的自动化元件也必须在相应恶劣环境下满足长期运行和高可靠性要求。

2.2辅助设备自动化控制装置的改造

水电站辅机设备自动化控制装置必须是高可靠性的、具有完善功能的独立的智能系统,能够满足一切运行需要,有完善的保护功能,具有故障识别和自诊断能力。模拟量和开关量同时参与控制，并互检和热备用，提高系统运行的可靠性。遵循现地自动化为主的原则，计算机监控系统则通过开关量、模拟量的采集承担监视、后备控制的任务，计算机监控系统应能通过或跨越辅助设备控制核心间接或直接对控制对象进行操作,以便在现地控制系统出现异常又不能及时赶到现场处理时紧急远方干预,而避免故障或事故进一步扩大。只有达到这些技术要求,才能解除运行维护人员的顾虑 ,为真正实现“无人值班(少人值守)”目标创造条件。

(1)控制模式

水电站辅助设备的控制模式有集中控制和分散控制。由于辅助设备具有分散性和差异性的特点,如果采用集中控制的改造方案存在如下弊端:1、线路改造量大,时间、人力、物力消耗大;2、集中控制的面越宽、量越大,一旦控制系统故障,其影响和造成的后果也越严重,对故障的分析和处理也造成困难。只有厂级或厂站级监控系统对全厂设备进行集中控制。而分散的现地控制系统因高性能、高质量、低成本、配置灵活，可以将这种风险限制在较小范围。因此,分散控制的模式应该是辅机控制的首选方案。电站辅助设备现地控制系统一般布置在电站生产设备附近，就地对被控对象的运行工况进行实时监视和控制，是电站计算机监控系统的较底层控制部分。原始数据在此进行采集和预处理，各种控制调节命令都通过它发出和完成控制闭环，它是整个监控系统中很重要、对可靠性要求很高的控制设备。

(2)控制核心

可编程序控制器是作为水电站辅助设备控制核心的最理想对象, 其特点是在恶劣的环境中具有高可靠性和长寿命,用计算机替代继电逻缉、用程序替代硬件布线且编程方便;同时,其通讯能力和模块化配置使系统与计算机监控系统信息交换和物位量测量、跨越控制等很容易实现,且其也可以很轻松地完成对自身和系统元器件进行故障识别和诊断的任务。可以通过连接触摸屏显示动态画面、状态和设置参数。

(3)控制元器件

一般电机采用先进可靠的接触器组件实现,对于功率较大、启动频繁的电机则最好使用软启动器完成，配置软启动器，对油泵及电机平稳启动，对电机实施可靠的保护，减小起动电流，避免冲击电网，减小配电容量。配备驱潮加热系统，适应潮湿环境；配置交直流双电源系统，系统更加可靠。触摸屏实时显示工作状态，进行参数设置。

四、基础自动化的技术改造方案

要完全达到和实现上述技术改造目标的各种要求,技术改造方案的优化和配置至关重要。

4.1压油系统

自动化元件的优化和配置：一般有4个压力开关、1个压力变送器、1个液位变送器、3个液位开关、1台自动补气装置。控制方式一般以开关量控制方式为主，模拟量控制方式为辅。选用无源机械式压力开关和液位开关，在电源消失后依然能够监视和测量。液位监视和测量一般选用磁翻柱液位开关变送器。能模拟信号输出带3个磁性记忆开关。需要说明的是,许多电站的压油装置不能可靠地实现自动补气,多次改造自动补气装置也无明显改善,其原因并非只在自动补气装置本身,而在于应有一个略高于额定油压的稳定气压和可靠的油位信号,以及由油压和油位共同参与的补气控制流程。

自动控制单元以进口可编程序控制器（ PLC ）为控制核心，配置软启动器、交直流双路控制电源、触摸屏等组成自动控制单元。控制单元通过液位、压力等外围检测设备检测压油罐油压和油位，通过控制软启动器控制油泵和自动补气装置实现自动补油和自动补气，自动完成油压装置各种工况的控制和信息传递。油压意外超高时，组合阀安全保护功能可自动控制回油，保证系统功能正常、设备安全。

4.2排水系统

自动化元件的优化和配置:由于集水井水质清洁条件差,有较多杂质、油污、腐蚀性化学成份,淤积现象也时有发生,这些情况对液位测量的准确性均会产生影响,而这将直接降低排水控制系统运行的安全可靠性,甚至可能造成水淹厂房的恶性事故。因此必须采用适宜恶劣环境且有高可靠性的液深变送器和不同测量原

理的液位开关共同完成测量任务。同时,软件上应将两路信号经自检和互检作有效性判别后再作为集水井水位控制的依据。目前大多采用投入式液位变送器和电缆浮球液位开关。为了防止水泵空转引起的设备损害，采用流量开关反映水泵的出水监视、深井泵的润滑水监控、离心泵的灌水控制等,其监控元器件的配置均应具备良好的适应性和可靠性。

自动控制单元以可编程序控制器（ PLC ）为控制核心，配置接触器或软启动器、交直流双路控制电源、触摸屏等组成自动控制单元。控制单元通过液位、流量等外围检测设备检测集水井水位和管内流体状态。通过控制接触器或软启动器控制水泵启动和停止，自动完成集水井各种工况的控制和信息传递。由于水泵电机启动不频繁,工作周期相对较长,其控制保护可采用先进可靠的接触器组件实现,对于功率较大的电机则最好使用软启动器完成。

4.3供水系统

(1)全自动滤水器主要用于水电厂技术供水系统自动过滤排污，是技术供水系统的必备装置。全自动滤水器应具有自动过滤、清污、排污功能，其自动清污、排污功能是在线完成的，不影响正常的技术供水。在罐体上开设置滤筒检修孔，方便检修。全自动滤水器由执行机构及自动控制机构组成。执行机构主要由电动减速机、滤水器壳体及壳体内的滤网组件、反冲洗机构、排污机构、排污电动阀等组成。自动控制机构主要由控制箱、差压测量系统组成；实现定时、定差压和手动切换功能设置，并输出运行、故障、冲洗、差压报警、差压过高报警等信号。具有通讯接口。

(2)一体化全自动技术供水系统是将全自动滤水器、手/电动球阀、减压阀、安全阀和电气控制箱等集成在一起的技术供水设备。是专门针对中小型水电厂设计生产的技术供水设备，满足无人值班（少人值守）水电厂的需要。该系统不但省去了现场安装、配管、密封等；并且出口压力可可调，供水压力平稳，安全。

(3)全自动密闭水循环冷却系统由补水箱、自动控制循环水泵系统、尾水冷却器和电气控制箱等设备组成。是专门针对中小型水电厂技术供水系统设计生产的技术供水设备，满足无人值班（少人值守）水电厂的需要。水电厂在运行过程中，冷却水通过运行的机组后，带走机组的热量，进入布置在尾水中的尾水冷却器，利用尾水冷却器外部流动的河水进行热交换作用，将循环水冷却，使水温降低到满足机组对冷却水水温的要求；然后由循环水泵再送到机组使用，冷却水通过运行的机组后，又回到尾水冷却器。这样不断的循环，机组的热量通过尾水水流与尾水冷却器进行热交换作用带走。在补水箱内装有液位开关，当系统内部由于管道及水池滴漏和蒸发，箱内液位过低时，会发出报警信号，上位机收到信号，自动打开补水阀门，进行补水，保证系统正常运行。同时补水箱上还装有液位计，可以在现场直观的看到内部水位变化。系统设计水流畅通，安装检修方便，管路上安装自动排气阀。系统使用清洁水，建议采用生活水。

(4)全自动四通换向阀是一种四通球阀结构阀门，由电动执行机构和四通球阀及控制箱组成，电动执行机构带动球阀阀芯转动，通过球阀阀芯内部双流道的旋转实现水电厂发电机和变压器冷却用水的正、反向技术供水，防止单向供水引起冷却器堵塞使发电机冷却效率降低而影响机组正常运行。配置可编程控制单元，实现定时、定差压和手动切换功能设置，并输出运行、故障、切换动作、差压报警等信号。具有通讯接口，满足智能化要求

(5)变频调速恒压供水系统用变频器调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比，节能效果好。其优点是：

①起动平衡，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；

②由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命；

③可以消除起动和停机时的水锤效应；

④节电：优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行；

⑤节水：根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象；

⑥运行可靠：由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。

4.4压缩空气系统

自动化元件的优化和配置:气罐压力测控、空压机出口压力监测、气缸温度监测、冷却水流量监控。整个储供气罐、管路良好的密封性是压缩空气系统正常运行的先决条件。

压缩空气系统自动控制单元以可编程序控制器（ PLC ）为控制核心，配置软启动器、双路控制电源、触摸屏等组成自动控制单元。控制单元通过压力、温度、流量等外围检测设备检测储气罐压力、空压机及气缸的压力、气缸温度以及冷却水流量，通过软启动器启停空压机自动控制贮气罐内的气压在规定的工作压力范围内。在空压机的启、停过程中，实现卸荷启动、自动供停冷却水，自动排污控制以及备用空压机

的自动投切控制。完成空压机各种工况的控制和信息传递。

4.5测温制动控制装置

机组测温制动屏具有测温和机组刹车制动功能。测温单元可实现机组多点温度的监测，并输出4～20mA 的模拟量信号和温度报警的开关量信号。机组制动单元可完成机组的刹车制动、制动复位等功能。采用数字智能显示控制仪表实时显示温度；采用具有通讯输出功能的多路数字智能巡检仪表循环检测各监测点的温度；采用压力变送器、压力开关、进口电磁空气阀和手动阀；可实现控制回路的自动运行、电气手动及机械手动运行；完成机组的制动和复位操作。

4.6闸门自动控制装置

闸门控制系统安装在闸门启闭机室，由开度传感器、荷重传感器、限位开关等组成监测元件，以可编程序控制器（ PLC ）为控制核心，配置控制电器、逻辑保护电路、操作按钮、状态指示灯、电流电压显示表等组成。可以根据用户要求进行闸门的单控、群控。

对闸门进行行程限位保护，对闸门进行机械荷载保护是保证系统安全的重要措施。

4.7工业电视监视系统

工业电视系统是现代化管理、监视的重要手段，它的主要用途是及时而真实准确地反应被监控对象的实际信息，从而为决策提供依据。

水电站的监控人员借助于工业电视监控系统的辅助监视作用，亲眼见到了实况，就能放心地对设备进行控制操作，能大大提高设备远方操作的安全性及生产管理效率和自动化水平。并在一定程度上起到安全保卫的作用。

为影响或干扰一般水电站工业电视系统不与计算机监控系统结合，工业电视监视系统前端设备获取的信息经本系统网络传送到主控室或分控室主机。

五、结束语

水电站达到“无人值班”(少人值守)的目标，是水电站现代化管理的发展方向，是科技进步的标志，是我国电力管理部门对水电站现代化提出的要求，在电力体制改革后也是水电站自身生存和发展的需要。

水电站基础自动化的技术改造时，应先从基础自动化元件、自动装置着手，先使手脚变得灵活，再对大脑进行手术。一旦大脑改变，便形成一套完整的自动化系统。即使在近期内不能实现计算机监控，也能很好地实现小系统或常规方式的自动控制。这部分增加的投资在电站总投资中所占比例不大，但所起的作用和发挥的效益却是巨大的。水电站在考虑自动化改造时，应加强与其他水电站和科研单位间的信息交流，吸取国内外的先进经验，结合自身实际，因地制宜，力求实用，避免少走弯路，以提高水电站综合自动化系统的经济效益。同时应积极采用新技术、新工艺、新产品，为其可靠运行及其功能的正常发挥创造条件，进一步提高水电站的安全运行水平。

参考文献：

[1] 郭江王晓晨, 我国农村水电厂基础自动化的现状和展望中国水利水电科学研究院学报 2008.第3期

[2],谢云敏水轮发电机组辅助设备及自动化运行与维修中国水利水电出版社2005

[3]范华秀水力机组辅助设备水利电力出版社

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ztmq.html