云南水力发电 ＹＵＮＮＡＮ ＷＡＴＥＲ ｐＤＷＥＲ 第２６卷 第２期 中、小型水电站综合自动化系统设计 何文生 （云南省文山州水利电力勘察设计院，云南文山６６３０００） 摘要：针对中、小型水电站的运行特点、技术标准和用户需求，提出一种采用计算机系统集成制造的设计思想，充分利用各种传 感器、ＰＬＣ、微机保护、通信网络、数据库等，将水电站所有的二次设备经过功能组合和优化设计，对水电站实现自动监视、测量、控 制、保护和协调的控制。设计方案经法果河水电站的应用表明，系统结构合理，运行可靠，性价比高，完全能实现水电站的少人值 班或无人值班的要求。 关键词：ＰＩＥ应用；ＡＧＣ；ＷＥＢ浏览器；ＯＮ—Ｑ ；功能 中图分类号：ＴＰ２７３＋．５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００６—３９５１（２０１０｝０２—０１０６—０４ ０引言 随着中、小水电站快速发展及水电站的生产运 态、ＷＥＢ发布、ＯＮ—ＣＡＬＬ发布、数据报表等子系统。 ２）专业数据库软件。主要为ＳＣＡＤＡ系统提供 一行和管理新的要求，对水电站综合自动化技术提出 了更高的要求。同时计算机技术、信息技术及网络 技术的飞速发展，给水电站综合自动化系统无论在 结构上还是在功能上，都提供了更加广阔的发展舞 台。水电站综合自动化工作也必须适应新的形势， 有新的发展。文中就实现水电站的少人值班或无人 值班提出了一种确实可行的设计方案。 法果河电站由３台３２ ＭＷ的混流式水轮发电 机组和两条１１０ ｋＶ出线及两台升压主变压器构成。 综合自动化系统主要由机组ＬＣＵ、升压站ＬＣＵ、大坝 闸ｆ－ｊ ＬＣＵ及站控层构成，完成全站的保护、控制、信 息采集功能。站控层系统软件采用基于Ｗｉｎ２０００或 ＵＮＩＸ操作系统的网络监控软件（ＳＣＡＤＡ）、ＷＥＢ发 布、ＯＮ—ＣＡＬＬ、实时智能控制。 个高效、可靠的数据库平台。 ３）数据服务器。完成各种历史数据的存储、查 询；并为整个站控层提供服务器功能。 ４）ＷＥＢ服务器。是全站综合信息发布的服务 器。由静态、动态页面两部分组成。静态页面是一 些不变的信息如工程概况、建筑物布置图、系统构成 图、主要设备图等。动态页面由服务器中存放的数 据按照业务逻辑组织，以数据表格、图形的方式显 示，以达到实时、直观的效果发布。 ５）ＯＮ—Ｃ 通讯服务器。通过ＧＰＲＳ、ＣＤＭＡ 等网络向电站管理者、维护工程师定时或实时发送 电站运行情况或故障情况。负责与调度系统、消防 系统、水文系统进行沟通，并提供实时数据到数据服 务器来实现数据共享。 ６）操作员工作站。实现监控系统与电站值班 人员的人机交换功能。 ７）工程师站。用于对整个电站监控系统的维 护和升级工作。 １．２间隔层 ｌ综合自动化系统设计 综合自动化系统采用分层分布的系统设计模 式，主要包含站控层、间隔层、现地层。 １．１站控层 站控层主要由一台ＨＰ服务器组成数据服务 器；由５台ＨＰ工作站分别组成工程师站、ＯＮ— 间隔层主要实现各层的信息交换，为了满足整 个电站安全、稳定运行的要求及兼顾各现地层设备 间的距离问题，间隔层由６台带两路光纤接口的霍 思曼环网交换机组成，从而以环网形式连接主控层 ｃＡＩＩ．／通讯服务器、ＷＥＢ服务器和操作员工作站（２ 台）及ＳＣＡＤＡ监控系统软件、专业数据库软件等组 成。 与各现地层设备。主控层、各现地层中各设备之间 由星型以太网连接。间隔层主要由通讯管理机、通 讯网络、通讯设备来实现站控层与现地层之问的连 １）ＳＣＡＤＡ软件系统。是整个电站的核心系统。 主要包含有数据采集、人机操作、事故报警、图形组 收稿日期：２Ｏ０９—０９—１１ 作者简介：何文生（１９６５一）男，云南文山人，工程师，主要从事水电站电气设计工作。 １０８ 云南水力发电 ２０１０年第２期 升压站ＬＣＵ系统由２面１１０ ｋＶ线路保护测控 屏（每条线路一面屏），２面主变的保护测控屏（每台 面屏），１面公用屏组成，实现对变压器、出线、厂 一变等设备的保护功能。在保护系统与监控系统复用 光纤通讯通道的同时，并将所有保护信号的硬接点 接入监控系统的机组可编程综合测控装置的ＳＯＥ 插件进行采集。实现其它公用设备如直流电源、电 度表等设备的协议转换。 １）保护系统。①每条１１０ ｋＶ线路配置１套ｌ１Ｏ ｋＶ线路光纤纵差保护装置。②每台主变配置１台 主变主保护装置。③每台主变配置２台主变后备保 护装置（高、低压两侧各１台）。组成线路、主变等设 备的保护。在实现保护功能的同时为监控系统提供 ＳＯＥ信号采集的接口。 ２）监控单元：①每条１１０ ｋＶ线路配置１１０ ｋＶ 线路监控装置。②每台主变配置２台变压器测控装 置（高、低压两侧各ｌ台）。完成各回路的电流、电 压、频率、有功、无功、断路器位置、隔离刀闸位置等 电气参数的采集，实现对断路器、隔离刀闸的控制。 ３）同期系统。配置ｌ套多点准同期控制系统 完成主变开关及出线开关等断路器两侧的电压、频 率、相位角的采集。实现出线断路器、主变开关断路 器等同期点的准同期合闸功能。 ４）公用可编程综合测控装置。由可编程综合 测控装置采集主变温度；实现电动隔离刀闸的信号 采集和分合操作。将升压站保护系统输出的ＳＯＥ 信号通过ＳＯＥ插件采集处理后上传至主控层。 １．３．３闸门ＬＣＵ系统 由一台Ｑｕａｎｔｕｍ ＰＬＣ采集大坝闸门开度、大坝 水位。实现大坝水位的传输、报警及闸门的控制功 能。 ２主要功能的实现 ２．１厂用电ＢＺＴ功能系统 使用一台可编程综合测控装置并在外部加装六 组电压变换器（４０ｏ Ｖ／５ Ｖ）来实现电压采集，从而实 现厂用电三段母线和母联间的备用电源自动投入 ＢＺＴ和来电自动恢复功能需求。厂用电主接线图见 图２。 厂用变电源功能要求：正常情况下由１ ＣＢ、２ ＣＢ 独立带Ｉ段、Ⅱ段母线负荷，１ ＣＢ同时带Ⅲ段母线 负荷。首先实现１ ＣＢ和２ ＣＢ之间的Ｂｚｒ功能，当ｌ ＣＢ和２ ＣＢ都没有电时，投入３ ＣＢ带全厂负荷。当 在３ ＣＢ带全厂负荷时，如１ ＣＢ先带电后延时切断３ 图２厂用电主接线图 ｃＢ电源投入１ＣＢ带全厂负荷；如２ ｃＢ先带电后延 时切断３ ＣＢ电源投入２ ＣＢ带全厂负荷；当１ ＣＢ在 带全厂负荷时，２ ＣＢ来电时延时切断９ ＺＫＫ后投入 ２ ＺＫＫ；当２ ＣＢ在带全厂负荷时，１ ＣＢ来电时延时切 断９ ＺＫＫ后投入１ ＺＫＫ，再切断８ ＺＫＫ投入６ ＺＫＫ。 所有的开关带有失压自动分闸功能。当ＢＺＴ或自 恢复动作后，仍未采集到相应电压，监控系统报警提 示，以便人工操作和检查。当系统进行ＢＺＴ或自恢 复动作时，监控系统自动将画面切换到厂用电系统 画面，以便操作人员进行监视。 ２．２自动发电控制ＡＣ，Ｃ系统 针对法果河水电站无调节库容的径流电站，就 是要最大限度地利用上游来水量，以不弃水或少弃 水为原则，尽可能地保证电厂在较高水头下运行；在 调度统一调度下，按给定的发电负荷曲线或实时给 定的电站总有功和机组出力，完成计划性或随机性 的发电任务。由于中、小型水电站在电网中的实际 情况，因此不再考虑调频任务。本方案有两种控制 方式：一种是恒水位发电，由ＡＧＣ子系统软件根据 发电机的出力和水耗的关系，以及上游的来水量计 算出电站应发电的总有功，自动发电控制ＡＧＥ通过 综合给定的有功负荷值、动力特性曲线、要求的系统 频率范围值、水情等因素控制机组出力，以实现经济 运行。另一种是按照给定发电的每台机组的负荷计 划曲线和给定值由ＡＧＣ子系统软件下发到相应的 水机控制ＰＬＣ。 第一种控制方式，负荷分配原则是按等微增率 法则进行分配，使耗水率最小。发电设备在单位时 间内输出的功率与消耗的能量的关系称为耗量特 性，水耗量特性曲线图如图３。 对应于曲线上某一输出功率的微增率就是该点 的曲线斜率：ｂ＝ｄｗ／ｄｐ，式中：ｄｗ为输入耗量微增 量；ｄｐ为输出功率微增量。 全厂总的耗水量的目标函数可写成Ｗ∑＝ 何文生中、小型水电站综合自动化系统设计 Ｗｊ（Ｐ ）＋ （Ｐ。）＋…＋ （ ）＝最小值 （１） 中央控制室的集中报警控制器报警。集中报警控制 水耗（ ） 有功（Ｐ） 图３水耗量特性曲线圈 其所要满足的约束条件为有功功率保持平衡，即： Ｐ１＋Ｐ２＋…＋Ｐ ＝Ｐ （２） 式中：Ｐｉ为第ｉ台机所发有功；Ｐ为全厂所带有功。 根据拉格朗日乘数法可解得： ｄＷｌ／ｄＰｌ＝ｄ ／ｄＰ２＝…ｄ ／ｄＰｎ＝ｂ （３） 这一等式可解释为：当全厂有功功率一定时，为使总 耗水量最小，各机组间应按相等的耗量微增率来分 配负荷。由ＰＬＣ根据所接收到的监控系统分配负 荷，进行发电控制。由ＰＬＣ完成ＰＩＤ调节控制来实 现。 ２．３ ＯＮ—ＣＡＬＬ系统 通过数据服务器将电站系统信息传输到ＯＮ— ＣＡＬＬ子系统软件。然后在ＯＮ—ｃＡＬＬ系统软件中 加入需进行信息接收的手机号码、接收地址及发布 功能选项设置。ＯＮ—ＣＡＬＬ通过ＧＰＲＳ、ＣＤＭＡ等电 信传输网络及专用频段网络向接收者定时或实时发 布电站运行情况（发电量、事故信息等）。使得电站 管理者、维护人员能及时掌握电站运行情况。 ２．４ ＷＥＢ浏览功能系统 对于中、小型电站，由于从投资和安全性来综合 考虑，我们在该站实施时，将ＷＥＢ服务器与监控系 统隔离开来。ＷＥＢ服务器独立与外部公用网连接， 在ＷＥＢ服务器上加装防火墙软件以防止病毒感染； 同时Ｗ－ＥＢ服务器通过ＲＳ４８５通讯与监控系统的服 务器连接，将监控系统所采集的所有信息传输到 ＷＥＢ服务器。这样既保证了ＷＥＢ服务器的数据发 布的及时性、准确性，也提高了在小投资的情况下监 控系统的可靠性。 ２．５消防监控系统 实现对水电站主要场所进行２４ ｈ不间断的火 情监测。并自动控制消防设备的启动。消防系统通 过设置在主、副厂房、主变区、各主要机电设备的重 要部位、油库、主要建筑设施等场所的探测器进行火 情探测。当检测到有火情时，通过系统总线，自动向 器在接收到报警后，经过信息处理，在报警控制器上 以数码显示方式显示出火灾的部位，并通过串行通 信接口，传输到消防系统主机上，自动显示出火灾的 部位编号及该层的平面布置图，提示出火灾的处理 措施，同时根据火情发生的部位，经确认及延时后， 自动或手动对该部位及相关部位的防火排烟设备、 灭火设备进行相应的控制，实施灭火等措施。所有 的火情信息由消防系统主机经信息处理后送至计算 机监控系统。该系统与计算机监控系统采用ＲＳ４８５ 通信方式实现通信。 ３结束语 本设计方案主要有以下几个特点： １）采用总体结构按分层分布式设计，将现场监 控、水电站内各种管理、ＳＣＡＤＡ、ＷＥＢ发布、ＯＮ— Ｑ 及ＭＩＳ进行功能集成，实现了电站管理的综合 化、信息化及智能化。 ２）采用基于Ｃ／Ｓ的分布式数据库、开放ＴＣＰ／ＩＰ 网络协议及先进的光纤环网设备，实现了开放性的 网络连接。 ３）采用了多种智能技术实现了水电站的有功 功率自动控制、机组励磁控制、机组调速控制；实现 了线路、发电机和主变压器的故障诊断与分析。 ４）采用了现场总线及Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络技术完成对 现场各智能设备的无缝连接，从而实现对水电站各 项功能的集中和优化。 ５）利用了ＡＧＣ控制系统和图象监控系统的功 能，并采用电站与远方的信息传输和交换系统，从而 实现水电站少人值班或无人值班。 法果河水电站２００７年１２月投人运行，应用表 明该系统结构合理，运行可靠，性价比高，完全能实 现水电站的少人值班或无人值班。 参考文献： ［１］徐晨光．水电站经济运行理论及算法实现［Ｍ］．郑州：黄河水 利出版社，２００６． ［２］杨金山．ＷＥＢ浏览技术在电网实时系统中的应用［Ｊ］．引进与 咨询．２ｏｏ６（８）． ［３］电力工程电气设计手册［Ｍ］．北京：中国电力出版社，１９９０． ［４］武永刚，孙扬声，王定一，等．水电厂计算机监视与控制［Ｍ］．北 京：中国电力出版社，２００１． ［５］方辉钦，现代水电厂计算机监控技术与试验［Ｍ］．北京：中国电 力出版社，２ＯＯ４．
