中小型水电站自动控制系统设计

中小型水电站自动控制系统设计

作者：冯犇

来源：《电子技术与软件工程》2018年第05期

摘要自动控制系统能提高水电站运行管理的自动化水平以及改善系统维护人员的工作条件和环境，使水电站有人值班变成“无人值班”。本文就水电站的特点和水电站控制的目的过渡到自动控制系统的设计思路，为以后水电站自动控制系统研究提供参考经验。

【关键词】中小型水电站自动控制系统特点目的设计思路

水电站的主要动力来源是水轮机组，不仅结构简单，所需辅助设备也不多，容易实现少人管理和自动化。另外，水轮机组开停便捷迅速，调整方便。水轮机组从静止状态过渡到满负荷运行一般只需要1-2分钟，能灵活调频、调相和调峰，发生事故时还能备用。水电站的耗电量仅占同期发电量的百分之一，既降低了控制系统的发电成本、耗煤量，又提高了系统运行的经济性。

1 水电站特点

随着我国社会经济的发展，水力发电的程度也越来越高，因为水利发电既无环境污染，对洪水的防治也有一定作用。水电站在运行的时候不消耗任何燃料，所以不会产生粉尘、废渣等有害物体，因此对环境无任何污染。水力发电受径流影响较大，而径流在年际间或年内经常出现变化较大的现象，尽管多数水电站能借助水库的调节能力减小这种现象的影响程度，但是无法完全平衡径流的变化。水电站在丰水期发电量大，但是在枯水期由于缺乏水力而达不到相应的发电量，正是这种自然条件的制约，形成了水电站发电量变化大的特点。

2 水电站控制目的

2.1 提高水电站设备运行的安全性和可靠性

水电站设备在运行的时候经常会出现不正常或事故的现象，如果运行人员在处理事故的时候误操作，很有可能使事故产生其他危害。如果在水电站运行中加入自动控制装置，则可有效避免事故的发生。当设备运行不正常的时候，自动控制系统就会发出警报，以引起设备运行人员的注意：当水电站设备发生故障的时候，自动控制系统能及时停机，避免事故扩大化，为水电站设备运行的安全性和可靠性提供保障。

2.2 减少劳动人员，降低水电站运行成本

水电站自动控系统几乎取代了设备操作人员对水电站设备的调节控制，使得设备运行人员对设备操作的工作量大大减少，真正让水电站从有人值班变为少人值班或无人值班，实现自动

控制系统的作用。由于操作人员的减少，水电站的很多基础设施都会相应减少，在操作人员减少的同时，水电站的发电成本和运行费用也有所降低。

3 中小型水电站自动控制系统设计思路

早期水电站计算机控制系统因为技术和价格的影响而以集中式为主，水轮发电机组的监测、辅助设备的监测，线路监测等都仅由一套计算机来完成。由于计算机性能的限制，集中式水电站控制系统还无法代替传统的自动控制系统，例如：辅助设备的控制、机组的停开机控制等都是由传统的自动控制系统来完成。而集中式计算机控制系统主要监测的也仅仅是线路电流、机组、电压功率等参数，由于需要完成的项目太多，导致计算机控制的速度、实时性比较差。此外，因为只有一台计算机，如果出现硬件或软件故障，所有的自动控制系统都将崩溃，可靠性比较低。

随着计算机技术的迅猛发展，计算机应用已经非常普及，相对的，价格也比较低。特别是小型可编程控制器PLC的发展，真正实现了小型水电站从传统的控制方法转变为计算机控制系统。为了保证水电站的稳定性、可靠性以及经济比较，在设计的时候通常采用分层分布式结构。

所谓分层分布结构即分为上下两层，上一层为上位机，主要由工控机来担当，所用软件为国内较为常见的组态王6.0或者是6.5；而下一层是当地控制单元，下位机一般选择小型可编程序控制器SIMATIC S7-200的PLC来担当，这主要是因为现阶段的PLC对中小型水电站的改造技术完全适应，下一层软件采用的是SIMATIC STEP7-Micro/Win32。此外，系统的主机为水轮发电机组，还辅以其他监测设备。整体结构图如图1所示。

从图1中可以看出，当地控制单元与上位机之间的通讯主要由SIMATIC S7-200内部集成的PPI借口来完成，该软件完全遵守西门子S7-200PLC专用的PPI通讯协议，其物理特征为RS485，连接材料采用的是一般性两芯屏蔽双绞电缆，连接后通讯的波特率最高可达

187.5kbit/s，不过平常状态下波特率为9.6kbit/s。PPI通讯联网的接口与S7-200系列CPU上集成的编程口是同一个。PPI通讯协议在该系统的应用使得通讯变得异常简单，只需使用NEYW 和NETR两条语句就可传递数据信息，不需要再配置额外的软件或模块。PPI通讯是一种令牌式的传递网，在不加入中继器的时候，最多能容纳31个S7-200系列PLC，以OP/TP或TD200（插MPI卡）的上位机为站点，由站点和PLC共同构成适应中小型水电站自动控制系统要求的PPI网络。

在整体的结构中，现场的采集量分为电气量和非电气量两种，这两种采集量都是中小型水电站所必须具备的监测量。同时，在结构中一般选择中小型水电站，水轮发电机组为两台，其中一台的主变压器以供电系统形式作为控制系统的监测对象。

4 结束语

该自动控制系统在黔南州罗甸县石门坎水电站已运行五年多，系统各方面运行也良好，为其他水电站自动控制系统运行提供宝贵的实践经验。

参考文献

[1]何玉雄.综述水电站自动控制系统的设计[J].大科技，2012（02）：167-168.

[2]周荣富.中小型水电站自动控制系统设计[J].机械与电子，2010（s1）：182-184.

作者单位

贵州省黔南州水利水电勘测设计院贵州省都匀市 558000