周宏伟+余建军

摘 要：70～90年代修建的小型水电站监控保护系统需要更新换代，恰逢国家“十二.五”、“十三.五”规划对小水电站增效扩容改造的政策出台，使得大量的农村小水电需要进行微机监控保护系统改造。在“十二.五”期间四川已有很多小型水电站完成了增效扩容改造，微机监控保护系统是增效扩容改造项目的重点，文中不对计算机监控保护系统的全部内容做描述，主要根据近几年在小水电站监控保护系统改造中的经验，并结合生产实际介绍小型水电站微机监控改造中设计、订货、施工等方面的经验教训作介绍，并讨论如何搞好小型水电站微机监控改造，供同行们分享，以利“十三.五”改造中走少的弯路，达到更好的能效指标。

关键词：小型水电站；常规监控；微机监控改造

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.097

1 概述

我国上世纪七十、八十年代大力开发小型水电站，很多地区、县的小型水电站撑起了该地区供电的一片天，加快了当地的经济建设，对促进地区经济发展发挥了巨大作用。然而限于当时的科技发展水平这一大批小型水电站的监控保护基本上都是采用常规监控模式。随着科学技术的发展，特别是计算机监控技术在电力行业应用的普及，使原来在大中型电站使用的计算机监控技术逐步向小型水电站推广；随着水电站计算机监控技术逐渐成熟，产品逐步走向系列化、标准化，产品价格进一步降低；加之常规监控保护设备逐步老化、失灵，需陆续进行技术改造，實现水电站计算机综合自动化。在“十二.五”、“十三.五”国家对小水电站增效扩容改造的政策中，也明确规定需将监控系统改造为微机监控。

2 常规监控保护的小型水电站的系统设置

常规监控保护的小型水电站一般配置有：电液型调速器；分离式电路的励磁调节装置；机组及全厂公用设备采用电磁式逻辑顺序自动控制加手动控制；电磁式的继电保护；分离式的磁电系、电磁系、整流系测量表计；手动或者半自动准同期装置；直流系统也配磁电式的充电装置。

常规监控保护的缺点是反应速度慢，灵敏度低，结构形式复杂，二次部分采用的元件多，接线复杂，运行、维护、检修困难，故障率高，可靠性低。一般小型水电站电气二次部分运行维护困难，尤其是有关保护、调速器、励磁装置、同期系统、机组自动控制系统出现问题均感到非常棘手。

3 小型水电站微机监控系统

小型水电站微机监控系统一般采用全开放分层分布式以太网总线型结构。在电站内部设站控层和现地层两层，如果电站需要向调度或流域中心上传信息，还需预留通信接口，设置上级调度层。在站控层配置的硬件设备主要有：系统服务器和操作员工作站（统称上位机）、通信工作站、网络交换机、GPS卫星对时系统、UPS电源和若干人机联系装置；厂长和总工工作站现一般配为移动式，更有利于管理；站控层设备通过网络交换机与现地控制单元联系；现地控制单元又通过通讯管理单元与各智能设备（保护、调速器微机调节器、励磁装置微机调节器、智能仪表、自动化元件）相连，构成一个局域网。

3.1 现地控制单元—LCU

现地控制单元一般采用可编程控制器（PLC或PCC）作为核心元件。以发电机组、主变、线路、厂用电、机组辅助及公用设备、坝区闸门设备为监控保护对象配置现地控制单元，分别称为机组LCU、升压站LCU、全厂公用LCU、坝区LCU。

目前微机监控装置生产厂家众多，技术水平比前几年有很大提高。各厂家产品外形、细部功能、输入输出接口不尽相同，但基本功能大致相当。

3.1.1 微机保护简介

微机保护装置常以单片机或数字信号处理器DSP为核心元件。根据《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB/T14285-2006）规定，对主要的被保护设备需配置主保护和后备保护两套装置，对一般被保护设备配含主保护和后备保护的一套装置。各保护装置可以组屏安装在中控室或机旁，也可以根据实际情况分散安装在高压开关柜的二次室。

保护装置的内部基本结构为：

三块电路板及面板：

输入板：电压、电流输入及模/数（A/D）转换

主板：各种存储器、处理器CPU、时钟电路等

输出板：输出及显示电路。

面板：含显示器、人机对话键盘、按键。

保护装置的软件：厂家已经直接开发并预装于保护单元中。

3.1.2 监控简介

目前国内有两大类产品，一是将保护、监控、同期、调速、励磁装置集成到一套微机装置中（简称“五合一”），此方式简单易行造价低，适用于微型水电站（单机500kW以下）。另一种方式是保护与监控装置独立，监控采用PLC，保护装置采用单片机或数字信号处理器DSP，通过保护出口硬接点与PLC相连，通过通信接口与通信管理机或网络交换机相连，此方法造价较前方法高，但可靠性高，适用小型水电站。

3.2 可编程PLC控制器

一般选择国际知名品牌或国内具有研发能力的几个大公司产品，要根据控制对象的要求统计DI、DO、AI的点数并考虑20%的裕量选择PLC的容量，要求PLC的DI/DO回路都自带光隔，电源模块、通信模块为基本配置，并考察PLC的MTBF（平均故障间隔时间）、MTTR（平均故障修复时间）、EMC（电磁相容性）、EMI（电磁干扰）、各种实时响应性指标。将PLC及配套的触摸屏、开出继电器以及其它的智能设备集中组屏为机组LCU屏，安装于机旁；集中组屏为公用LCU屏，安装于中控室；集中组屏为坝区LCU屏，安装于坝区值班室，通过光纤与站控层相连。

可编程控制器PLC的编程一般由微机监控生产厂家根据电厂的控制对象、控制要求、外围设备等情况完成，将程序输入可编程控制器PLC中。对机组LCU负责对主机实施监控，同时机组的辅助设备如主阀（前池快速闸门）、顶盖排水控制、调速器油压控制、发电机冷却风机控制纳入机组控制范围由机组PLC统一进行；公用LCU负责对全站公用设备：技术供水系统、集水井排水系统、空压机系统及升压站设备进行监控（也可升压站设备单独配置LCU）；坝区LCU负责对坝区水位监测、坝区各闸门的监控。

3.3 几个主要系统改造

3.3.1 励磁装置系统改造

改造方案有二：可选用整套新的可控硅静止励磁装置加微机型调节器；也可对原可控硅静止励磁装置的控制部分进行微机改造。

微机励磁调节器可采用单片机或数字信号处理器DSP，也有选用PLC作为调节器的，具体工程实施中可根据项目规模和投资的要求，在满足技术要求的前提下选型。

近年来在励磁系统开发了几项新技术：

功率元件更新：二极管+绝缘栅型场效应晶体管（IGBT）技术取代可控硅（SCR）。大功率的场效应管的应用，使发电机励磁系统除具有可控硅管整流的优点外，IGBT将整流功能和控制功能分开，IGBT励磁装置控制部分只对一只IGBT管子进行控制，不需同步电路、不需脉冲分配电路等使得电路大大简化，元件大大减少，可靠性大大增加。

热管散热技术：即在可控硅或IGBT的散热器上设置能够自循环的冷却管，减少了由于轴流风机运行带来的粉尘；在该系统内也考虑设置冷却风机，正常运行时可不开风机。

灭磁方式：当采用可控硅全控桥时，正常停机采用逆变灭磁加氧化锌非线性电阻灭磁，不跳灭磁开关，加快了灭磁速度，延长灭磁开关的使用寿命；事故停机时采用非线性电阻灭磁，其灭磁速度比线性电阻快。

励磁变压器选择为环氧树脂浇筑的干式变压器，取代油浸变压器。

建议在编写励磁系统的招标文件时均需考虑以上新技术的应用。

3.3.2 调速器系统的改造

改造方案有二：可选用全新的高油压可编程微机型调速器；也可对原机械液压或者电气液压型调速器控制部分进行微机控制改造（经费较省）。

近年开发有16MPa高油压PCC可编程计算机控制的微机型调速器，可取消原常规油压机械液压调速器补气操作，从而取消相应高压空气系统；還可将调速器接力器布置于机墩调速环处，提高传动效率；还可将调速器电气部分（电柜）与液压部分（机柜）分开布置，将机柜布置于水机层减少管道长度，减少压力传递沿程损失，提高传动效率；调速器机座不再承受大的扭矩，可减少调速器安装布置对厂房电机层结构强度要求。将电柜布置与机旁励磁屏等并列布置方便操作，减少厂房机组布置时调速器占位尺寸。

3.3.3 操作电源系统改造

淘汰原直流系统设备，选用微机型直流电源系统。

微机型直流系统由以下部分组成：交流进线及进线防雷模块，智能充电模块（每个独立模块均可单独承担充电和带直流负荷），监控保护模块，蓄电池组、合闸馈电回路，控制及信号馈电回路。

3.4 站控层设备

3.4.1 上位机

上位机一般采用工业控制计算机，简称工控机IPC，其优点是可靠性高，适应恶劣（高温、高湿、粉尘重、盐密大）环境的能力强，抗高处跌撞，抗电磁干扰能力强。

上位机分：服务器和工作站。两者间可各自独立工作，互为备用。

厂长（总工）终端：一般采用个人计算机（PC机）或者笔记本电脑。

不管是IPC、PC机，其技术指标（主频、内存、硬盘、网络接口等）均应选择改造当时再考虑5～10年的发展期的技术水平下的产品。

3.4.2 人机对话设施

一般用24英寸以上并分辨率合适的液晶显示器；计算机外围配键盘、鼠标、音箱、打印机等。

3.4.3 网络设备

网络设备包括网络交换机及通信介质。一般采用总线型结构设网络交换机1套，至少配置有16个10/100M RJ45以太网接口；上位机与调度中心层用光纤相连（预留）；上位机系统各控制系统和设备与网络交换机间的通信介质为不低于超5类屏蔽双绞线；厂房内各现地控制单元LCU与网络交换机用屏蔽双绞线相连。

3.4.4 GPS时钟系统

全站配置一套高精度的时钟系统，采用脉冲或B码对时，时钟系统应能与卫星的标准时间同步，并使上位机和各现地控制单元时钟、保护系统与卫星时钟同步，时钟精度满足事件顺序记录分辨率的要求。

也有微型小电站，从节省投资角度考虑，用计算机对各设备进行时钟同步，而不设置专门的时钟系统。

3.4.5 UPS电源

全站配置一台在线式UPS电源。电源应具有一定的过压和过载能力，应具有抑制浪涌电压和电磁干扰的能力；输入电源为厂用交流220V及直流220V，当厂用电消失时，自动转由电站蓄电池系统供电，供电电源转换应不影响计算机正常工作。

3.4.6 组态

组态是一种编程过程（利用组态软件进行）。通过“组态”将本厂电气主接线、厂用电接线等需要经常操作、监视、控制的部分编制成外观直接清晰、连接准确清楚、图形整洁美观的计算机动画图形。将各主要监测参数直接在各回路处显示；将各操作按钮的图标直接布置于相应主设备图形符号旁。这样运行人员就可根据显示器上图像显示，仪表显示了解设备工况，使用鼠标或者键盘点击相应操作按钮进行控制。（即人机对话）运行操作人员每人有操作密码，操作后即留下操作记录便于事后分析。此外还有众多的事件查询、跳闸记录查询、参数查询、定值修改（要相应级别授权）等功能可供随时点击调用。

3.5 通讯系统

3.5.1 全厂通讯系统

用通讯系统将上位机与上述各现地LCU、调速、励磁、各辅助系统PLC的通讯口连接起来构成全厂通讯系统。

3.5.2 通讯制式

目前有多种通讯制式：CAN、以太网、RS232、RS485。

小型水电站用以太网 和RS485通讯较多。其中站控层与现地层间用以太网，现地层和各智能设备间用串口的RS485。

3.5.3 统一通讯制式

目前微机监控装置、励磁装置、调速器及其他智能设备原则上不是同一生产厂家，需要在订货前统一通讯制式；或者要增加通讯制式转换器（通信管理机），要求高的还可能用通信工作站。

通讯系统是水电站计算机监控中一个十分重要的系统，将站控层、现地层、直接控制设备联系为一个整体，它涉及面广，影响范围大，通讯系统故障可能引起全厂瘫痪的后果。

3.5.4 通讯系统抗干扰

通讯系统的元器件、导线耐压低，正因为它涉及面宽，连线多，很容易招致外界干扰，尤其是大气过电压（雷击）干扰。通讯系统是水电站微机监控各系统最为薄弱的系统。

防止干扰主要措施：屏蔽、接地。通讯连接线用双层屏蔽双绞线效果较好。

全厂微机监控系统一点接地。在每面微机保护屏底设接地铜排，将全厂各保护屏接地铜排用大截面铜芯软线可靠连接后一点与全厂接地系统相连。接地系统接地电阻要求0.5Ω以下。

3.5.5 建议

小型水电站中对取水口、水塔、前池水位等通讯线路较长的地方也建议采用光/电转换后，用光纤来传递控制信号，避免干扰对通讯系统造成影响。

4 结束语

水电站微机监控是近几年在水电领域产生并发展起来的新技术，科技含量高，涉及面广，考虑因素复杂，有一定风险。但改造后的效果是显著的，效益是看得见的，经济指标是良好的。只要抓住用科学发展的观点去分析，去决策就可以把工作做好！

让水电站计算机监控这一新技术在老电站改造中绽放出更加绚丽的光彩！

参考文献：

[1]李付亮，周宏伟.水电站继电保护[M].黄河水利出版社.

[2]刘锡蓝.水电站自动装置[M].水利电力出版社.

[3]徐锦才.小型水电站计算机监控技术[M].河海大学出版社.

作者简介：周宏伟（1965-），女，副教授，高级工程师，主要从事电力类专业课教学、小水电站的设计、监理。