赵东声 高忠臣 桂勇华 袁惠群 张福兴

摘 要：以水力发电为代表的清洁能源替代化石能源是未来人们能源供给格局的大势所趋。本文在分析水电站基本运行架构及电站监控系统特点的基础上，重点介绍了中小型水力电站在终端系统监控、机组调优控制、消防系统预警、故障诊断处理、电气“五防”保护、系统优化调度、机组后备保护、数据信息采集处理等方面升级改造的重点建设内容，为相关管理部门决策提供参考价值。

关键词：中小型水电站;监控预警;升级改造;调度优化

1 绪论

近年来，随着化石能源使用数量的不断增加，化石能源的自身储量和环境污染面临的压力越来越大。受此影响，传统火力发电新增容量和在所有发电容量中的占比逐年下降。国家开始重视与发展中小型水电站，尤其在一些对环境保护要求较高的区域，对清洁能源的开发力度更大。我国水利资源丰富但区域性特点明显，主要分布在长江流域等。除了加大新电站建立，国家和企业开出台了有关电站升级改造的相关政策，以此促使现有水电站的升级改造与提质增效。

水电站的升级改造不但能够促进能源的使用效率，而且有助于提高电能的生产质量，并能够节约大量的人力、物力等资源。随着计算机技术在水电站领域的深度利用，电站的升级改造及系统应用已经成为学术界、产业界普遍关心的重点问题。为此，本文结合中小型水电站的实际需求，从电站基本运行架构、电站升级改造内容、电站系统应用效果三个方面进行分析讨论，为相关管理人员提高决策和服务质量提供参考。

2 电站基本运行架构

相比于传统火力发电和大型清洁能源发电单元，中小型水电站具有自身特点：（1）中小型水电站具有完善的监控保护系统、消防预警系统、电气“五防”系统、优化调度系统等，并能够实现不同系统的联调与管理，但是系统的规模相对较小、运行难度相对较大;（2）系统受到外界环境变化及自身运况的影响，致使机组启停频繁、老化速度加快，需要技术更新及设施改造的费用相对较高;（3）对专业技术及人员的要求相对较高，以及对系统整体自动化运行和设备设施的可靠性要求相对苛刻。因此，需要具备完善的系统运行架构，以保证系统的安全、稳定、长效运行。

参考文献[1]可知，中小型水电站监控系统由底向上分为设备设施及信息采集层、厂站信息管控层以及调度集中管控层，并且每台机组构成一个独立的现地控制单元（LCU），如图2所示。其中，设备设施及信息采集层包括水电站各类运行设备设施（比如水轮机、励磁调节器、调速器、开关柜等），这些设备通过物理、逻辑互联发挥特定的功能，保证系统的安全稳定运行。同时，信息采集系统将这些设备设施的相关信息进行汇集、整理，输送到制定的单元。厂站信息管控层主要负责设备设施的就地管理与优化运行，能够在厂站范围内实现对单个机组或机组群的状态监视、优化管控等。调度集中管控层实现随整个中小型水电站所有机组的优化运行，并根据上级调度指令实现对辖区范围内系统的调优。

3 电站升级扩建内容

中小型电站增效扩容改造运行概况，发电机出口电压为63kV，设两段6.3kV母线并以隔离开关分段方式连接。2台2300kW机组、1台1100kW机组与1台8000kVA变压器相连于I段母线，另外1台2300kW机组配1台3150kVA变压器连接于II段母线，组成机变组单元接线。两台主变高压侧共同连接于66kV母线，构成单母线接线方式。电站以2回66kV出线“Π”接在松城线。同时，计算机监控系统采用全分布开放式的全厂集中监控方案，设有负责完成全厂集中监控任务的电厂级集中控制系统及负责完成机组、升压站、公用设备监控任务的现地控制系统。现地控制系统以可编程控制器或智能模块为基础构成，现地控制系统的设备靠近被控对象布置。电厂控制系统与现地控制系统之间的通信联系采用星型交换式100Mbps以太网的方式。

改造后的中小型水电站具备更加完善的系统管控功能，能够实现终端系统监控、机组调优控制、消防系统预警、故障诊断处理、电气“五防”保护、系统优化调度、机组后备保护、数据信息采集处理等，具体分别介绍如下：

（1）終端系统监控及信息采集：能够实现对所有厂站设备的运行、状态等实现全时监控，这些设备设施包括升压站的线路、断路器、隔离开关、母线电压互感器、主变压器、厂房渗漏排水系统、消防供水系统、空气压缩系统、全厂通风空调设备、400V厂用配电装置等设备。同时，交流电气量的采集使用交流采样装置，装置能承受交流2000V电压1min而不发生击穿、飞弧等现象，在外界电场、磁干扰下输出值变化不超过基本误差绝对值。

（2）消防系统预警及故障诊断处理：能够对厂站内整个消防系统进行监控，实现对系统内任何事故的提前预警，并通过响应的声、光等传输到调度人员，确保整个厂站系统的安全稳定运行。同时，消防预警系统采用控制中心报警系统形式，主要由集中式火灾自动报警联动控制器主机和通讯主机组成。消防控制中心设置在中央控制室，火灾自动报警联动控制器主机和通讯主机采用二总线制。此外，调度人员对上传的警报信息进行分析处理，结合处理结果对各类故障进行妥善处理。比如，照明和其它非消防电源强切控制分手动和自动方式，当发生火灾时，由报警主机通过相应的输入/输出模块，输出控制信号至相应的配电盘切断上述电源，在手动方式下，由消防控制中心手动切断相应部位的空调风机和非消防电源，同时事故照明与疏散指示自动投入使用。

（3）电气“五防”保护：改造升级后的厂站具备功能健全、安全可靠的电气“五防”功能，实现带载状态下禁止隔离开关进行开闭操作，操作设备和指令要求设备不匹配时禁止操作，处于接地状态的情况下禁止闭合接地刀闸，对变配电室等孔洞进行封堵、加装提示语和标识牌等，防止误入带电间隔。同时，微机五防系统主机通过RS232/485串口或网络与监控后台机通讯，实时接收相关遥信量及遥测值，当断路器或电动刀闸的位置与监控后台机的位置信息不符合时，系统报警并实时自动对位。五防系统应可对监控后台机的遥控操作实施强制闭锁，监控后台机的遥控操作命令必须经过微机五防系统防误主机判定不违反五防逻辑方可执行，对错误的操作命令自动切断并反馈信号给监控系统。此外，对连接不良或波特率设置不正确时，系统以语音的形式提示与监控系统连接失败。用户能很好的判断五防与监控系统或RTU的连接情况，并进行针对型的检测。

（4）机组、系统优化调度：包括对全厂设备的监控、自动电压控制（AVC）、事故分析处理、趋势分析处理、经济运行、运行培训仿真等，同时对断路器、隔离开关、接地开关的操作应具备“五防”闭锁。完成全厂的运行自动化及其管理，包括AGC，AVC，历史数据存档、归类、检索和管理;完成设备运行的实时监视与控制，来自现地控制单元LCU的实时信息直接在上显示刷新，以及事故、故障语音报警等，并负责与当地调度中心等通信。同时，机组优化调度系统不但能够实现对设备设施及信息采集层、厂站信息管控层以及调度集中管控层各层的优化调度，而且能够有效处理层与层之间的信息传输，不但能够实现下层信息及时上传到对应的调度单元，而且能够将上级生成的调度指令下达到对应的设施执行相关操作。

（5）运行日志及系统可视化：升级改造后的系统能够对关键数据信息、重要操作生成运行日志以及与日志对应的报告，保存后能够供后续人员进行各类分析及故障溯源。比如，状态运行分析时能够利用日志及可视化功能实现故障检测、阈值调整、判断是否越限等;状态趋势分析能够利用报表中统计的最大值、最小值、平均值等显示关键设备设施运行的现况及未来的发展变化趋势，辅助相关工作人员分析設备状态量随相关状态的变化规律。总之，运行日志及系统可视化提供了人机交互的接口，可以帮助运行人员由粗到细、由大及小逐级选择希望得到的信息。

4 结语

系统升级改造是中小型水电站不断完善自身功能、持续提质增效的重要保障。本文以中小型水电站为研究对象，对中小型水电站系统特点、设备设施及信息采集层、厂站信息管控层、调度集中管控层进行系统分析和介绍，据此提出中小型水电站在终端系统监控及信息采集、消防系统预警及故障诊断处理、电气“五防”保护、系统优化调度、运行日志及系统可视化等方面的建设内容，不仅能够为电站机组的安全、稳定运行提供重要支撑作用，而且为未来机组调度的优化决策提供重要的技术依据。

参考文献：

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