经济实用的小水电自动化技术

一、小水电自动化的特殊要求
小水电自动化，是改善电站运行条件，提高电站综合经济效益的重要措施。但在中国这样一个人口众多、劳动力丰富、经济基础薄弱的发展中国家，小水电搞自动化要比发达国家难得多。它要更多的考虑价格因素、适应运行人员的知识水平、经济效益等。这就要求小水电自动化技术要简单、可靠、实用。
这里简单有两方面的含义：
１．设备简单。中国小水电自动化的发展经历了早期的继电器常规自动控制系统、中期的晶体管集成电路控制系统及目前的计算机数字控制系统三个阶段。由于继电器和晶体管集成电路控制系统都存在着元器件多、结构复杂、可靠性低、灵活性差的问题，相继被淘汰。在计算机数字控制系统应用于大中型水电站的时候，小水电自动化也随之得到发展。但是由于早期计算机芯片价格比较高，再加上设计理念基本上是仿照大水电的模式，使得整个控制系统既复杂价格又高，在小水电打不开市场。近几年，由于计算机芯片的大幅度降价，更主要的是小水电自动化理念跳出了大水电的框框，有了自己的特色，设备不断简化，价格也大大降低，小水电自动化得到大力发展和推广应用。
２．操作维护简单。由于小水电位于偏僻的农村，电站运行人员大多数是当地的农民，知识水平比较低。如果自动化系统操作维护复杂，就很难为他们所接受。上世纪８０年代初，小水电自动化刚刚起步，我们走访过一些试点电站，发现虽然安装了计算机控制系统，但运行人员仍在原控制台监控，微机闲置，仅在为参观人员表演时投入运行。询问原因，是电站熟悉微机的运行人员不多，担心误操作出事故，而且出了问题自己没法解决，要千里之外请专家来排除。可见，小水电自动化如果操作维护复杂，运行人员不敢用，它最后只能成为一种供人参观的摆设。对于小水电，运行人员希望使用的是一种“傻瓜”型高可靠性自动控制保护系统，就象一部傻瓜型照相机，只需简单培训就能完全掌握。
关于小水电自动化设备的可靠性，除了控制装置本身要求有较高的可靠性外，这里特别要强调的是电站自动化元件的可靠性。上世纪８０年代，中国小水电自动化普遍存在一个令人头疼的问题，就是“头脑发达，四肢不灵”。自动化元件的误动和拒动，影响了整个自动化系统的可靠性。九十年代，电站自动化元件大多数是依赖进口或合资企业的产品，价格比较高。但近几年，国产自动化元件技术水平提高非常快，而且价格也比较低，为小水电自动化发展提供了保障。
除了简单和可靠之外，实用也是非常重要的。这里实用也有两方面的含义：
１．功能实用。小水电自动化不能搞花架子，要强调以实用为原则。过去，有的小水电站为了满足领导参观，测量参数不管有用没用，都往上采集，似乎采集量越多，显示画面越花招，系统就越先进。有的电站盲目学大水电，系统配置很高，比如一个装机容量１０００ｋＷ的电站除了上位机，还设置了前置机、工程师工作站等，结果自动化投资很高，收到的效益甚微。因为小水电不比大中型水电，它在系统中地位不十分重要，系统对它的可靠性和稳定性要求也相对较低，因此自动化功能和配置可以简化，只要满足运行要求即可。事实上，对一些容量只有几百千瓦的农村小水电站，在欧美国家也有采用“开机手动，停机自动”的自动化模式，平时无人值班，值班人员住在山下城镇，开机时骑摩托车来，开完机就走。事故自动停机，向值班员住处或传呼机发信号，再过来处理。根据小水电不同容量或等级，采用不同的自动化模式，一切从实用化出发，这也是近几年小水电自动化得到发展的原因之一。
２．优化运行。主要是指电站在实现自动化的同时，要考虑优化运行，提高经济效益。要以提高经济效益为中心推进自动化。随着计算机技术的发展，小水电自动化一般都采用微电脑或ＰＬＣ来实现，因此增加优化运行的功能比较容易实现，也不增加多少费用，但对一个电站来说，有了优化运行，就可以给电站带来直接经济效益，意义是非常大的。如为提高经济效益采用按水位运行的方法，机组间负荷最优分配方法，机组最优组合方法，水库的长、中、短期最优调度计算方法，洪水预报和利用季节性电能的方法等等。为了推动小水电站自动化发展，在优化运行方面作一些工作，不失为一种很有效的手段和措施。
二、一种小水电自动化的成功模式
亚太地区小水电研究培训中心（简称ＨＲＣ）是我国政府和联合国开发计划署（ＵＮＤＰ）及联合国工业发展组织（ＵＮＩＤＯ）合作，于１９８１年１１月在杭州成立的国际区域性组织，中心的主要目的是致力于小水电国际合作，包括信息交流、技术培训、科研与技术开发、技术咨询及工程项目和设备供应的技术服务等，以促进发展中国家的小水电建设。在小水电自动化与无人值班技术的研究方面，中心一方面根据中国小水电的特点进行研制和开发，另一方面在联合国ＵＮＤＰ等机构和中国水利部的支持下，引进和学习发达国家先进和成熟的技术，并开展广泛的合作。中心在无人值班自动控制保护系统研究方面取得了可喜的成绩，研制的产品已在国内广泛推广，为发展中国家小水电自动化建设积累了经验。
中心于１９９６年申请了水利部“９４８”项目，引进加拿大Ｐｏｗｅｒｂａｓｅ无人值班控制系统，项目于２００１年完成，通过水利部组织验收。在引进成功的基础上，中心继续与Ｐｏｗｅｒｂａｓｅ公司合作，组织国产化和技术推广，目前该技术已在国内十多座电站推广运用，取得了良好的效益。Ｐｏｗｅｒｂａｓｅ无人值班控制系统采用分层分布结构，分为上位机和现地控制单元ＬＣＵ二个层次。上位机主要完成全厂运行自动化及其管理，历史数据存档、归档、检索、报表生成，运行操作记录，故障报警，各种画面显示，与县调自动化系统联网等功能。当地控制单元包括机组自动控制、保护、测量单元和主变、线路及电站辅助系统控制、保护单元。
机组控制单元由可选的各个模块组成，每个模块包括一个高速的微处理机和容错安全回路，每台机组的控制模块都固定在一个标准的控制柜内，一个显示模块固定在控制柜面板上并与柜内的每个模块通信，提供操作、保护和测量参数数据显示。模块之间通信采用ＯＰＴＯＣＯＭ总线和ＭＯＤＢＵＳ规约。对于低压机组也可以将控制模块与一次主开关组装在一起。
水轮机／发电机控制模块：通过控制导叶，水流进入水轮机使之转动，驱动一台异步或同步发电机。通过装在发电机主轴上的测速表／速度传感器测量发电机转速和电压频率。液压控制系统控制水轮机转速，在与电网同期并网时断路器合闸，机组投入运行。
在双调系统中，模块存储了一个三维ＣＡＭ协联关系表，可根据净水头和导叶开度自动调整浆叶于相应开度。
可将机组运行方式设定在手动控制或自动方式。自动方式包括按水位运行，电站可安装三个水位测量传感器ＷＬＳ，测量前池水位、拦污栅后水位和尾水位，机组可按水位完成自动开机、停机、同期并网和负荷调节。
发电机测量保护模块：实时反映输入信号的故障状态。当某些参数超过运行人员选择的设定值，高速发出信号或跳闸。模块还提供发电机电气测量和温度测量。
现地操作显示模块：安装在控制柜的面板上，它接收所有模块实时的信息。通过一个简单的菜单和模块对应的号码，实时显示数据并实现对机组的控制功能。
调速器液压控制柜ＨＰＵ：液压控制柜采用工作于脉冲状态的交流电磁阀，直接推动接力器，完成机组开停机和负荷调整。