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中小型完全无人值班水电站自动化系统在赵家垭水电站的应用
卢任文
（湖南华自科技有限公司 湖南长沙 410205）
【摘要】我国中小型水电站已实现了“少人值班”的综合自动化系统，还没有实现“完全无人值班”的运行模式，经水利部试点，在湖南省慈利县赵家垭水电站初步实现了水电站“完全无人值班”的运行模式，水电站值班放在50kM 外的慈利县。对该系统进行了详细介绍，在肯定系统优势的同时也提出存在的问题，系统的规范和完善还需不断改进。该系统已于2011年5月16日通过水利部国际合作与科技司的鉴定。图8幅。
【关键词】中小型水电站 完全无人值班自动化系统 应用
一、前言
我国是水利资源丰富的大国，目前有中小型水电站4万5千余座。近十来年，大部分水电站都实现了“综合自动化系统”，将我国水电站的自动化水平大大地提高了一步，这些中小型水电站都是按照“少人值班”的模式运行的，没有一个中小型的水电站是按“完全无人值班”的模式运行。
随着计算机监控技术、网络通讯技术和水电站各种配套设备性能不断进步，质量不断提高，人们的观念和管理水平不断的进步，为水电站“完全无人值班”的实现提供了良好的条件。为了适应电力工业发展的需要，提高设备安全运行和自动化水平，改变我国电厂管理用人多、效率低的落后局面，赶上世界先进水平，中小型水电站实现“完全无人值班”是改革的必由之路 。为此，2009年水利部提出中小型水电站“完全无人值班”的试点工作。初步试点单位为湖南省慈利县赵家垭二级水电站。由我公司承担项目的研发、设计、生产、调试、现场运行等工作。
二、自动化系统概况
赵家垭抽引水储能水电站是一个梯级电站（参看图1），
始建于上世纪七十年代末，位于湖南省慈利县西南部海拔600
多米的高山上，距县城约50多公里，此地常年阴雨绵绵，环
境条件极为艰苦。作为“完全无人值班”试点的是赵家垭二级
水电站，该站共装设3台1600 kW 混流式水轮发电机组，发
电机出口额定电压为 6.3kV ，1台35∕6.3kV 主变，容量
6300kV A ，电站用1回35kV 出线并入电网。
完全无人值班水电站应以“安全运行、可靠控制”为第
一重要原则，因此，在关
键部分均采用双重冗余设
计，尤其是通讯通道，采
用了双网双通讯接口的设
计。
赵家垭二级水电站于
2010年6月上旬经技术改造，将值班监控中心设置在50公里外的
慈利县，通过光纤通讯，对水电站进行远程控制，并按“完全无人
值班运行模式”试运行成功。
图2 远程监控屏 图1 赵家垭抽引水储能水电站
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水电站的自动控制系统采用高性能双嵌入式工业计算机、双工业以太网交换机，双机双网冗余系统，同时还支持现场的本地监控。水电站上位机监控系统按组屏方式结构，如图2所示。
水电站的励磁系统采用双微机励磁调节器的结构，两套微机励磁调节器采用互为热备用的方式运行。调速器则采用数字阀控制的微机调速器，调速器用16Mpa 的高油压，采用充16MPa 的高压氮气作缓冲，不用经常补气，水电站可省去两台高压空气泵。
直流电源采用N ＋1高频充电模块设计，保证了直流电源的可靠性。保护装置则采用DSP 芯片作CPU ，工作频率为150MHz ，由于是32位的芯片，故速度快、精度高。由于水电站规模小，没有考虑采用双保护装置的方案。
机组自动控制LCU 屏是控制可靠的关键，我们采用了双CPU 、双以太网通讯模块、双电源的PLC ，保证了在任何时候PLC 控制工作和通讯的可靠性。
为了保证发电机有功功率和无功功率调节的可靠，采用了双反馈系统，一套用电量采集单元作电量的反馈，另一套用电量变送器作热备用。 水电站还配备了工业视频系统，采用具有以太网通讯口的数字化摄像头，可以将水电站现场图像远传至远方控制中心，运行人员通过视频画面来监视电站现场设备运行情况，更好地了解设备运行状况。
远程监控中心也采用双星形以太网结构，采用2台高性能主机作操作员工作站、1台视频工作站、22英寸液晶显示器、GPS 、全彩打印机及高性能UPS 电源等，主机也是双机冗余备份。
整个网络系统的原理图如图1所示。
远程控制中心设在距电站50公里以外的县水务局十楼，通过光纤通讯实现远程控制水电站的所有工作，包括自动开机、自动停机、自动负荷调整、
数据采集与记录。对油、气、水等辅助设备也完
全实现了远程自动控制。
远程中心配有GPS 对时系统和On-Call 短信
报警系统，在出现事故的情况下短信报警系统能
自动的及时通知相关负责人，有效的提高了整体
工作效率。整个系统设计以冗余为主，保证了电
站的各设备能安全可靠的运行。赵家垭完全无人
值班水电站自动化系统原理图可参看图3，其远程
监控中心则参看图4。
图3 赵家垭完全无人值班水电站自动化系统原理图
图4 远程监控中心
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三、经济效益和社会效益
赵家垭水电站实现完全无人值班以后，取得了重大的经济效益和社会效益。
1）降低了运行和维护人员的劳动强度，提高了效率，有效减少运行值班人员数量，降低水电站人员开支费用。
2）保证了水电站运行的可靠性。电站实现自动化及完全无人值班后，一方面可通过各种自动装置
快速、准确、及时地进行控制、检测、记录和报警，
既可防止不正常工作状态发展成事故，又可使发生事
故的设备免遭更严重的损坏，提高了供电的可靠性。
另一方面，通过各种自动装置来完成水电站的各项操
作和自动控制，如开停机操作、同期并网和负荷的调
节，不仅可以大大减少运行人员误操作的可能，从而
也减少了发生事故的机会，而且还可大大加快操作或
控制的过程，尤其在发生事故的紧急情况下，保证系
统的安全运行和对用户的正常供电，具有非常重大的
意义。
3）提高了水电站运行的经济性。电站实现自动化
后，我们可根据系统分配给电站的负荷和电站的具体
条件，合理地进行调度，保持高水头运行，同时合理
选择开机台数，使机组在高效率区运行，以获得较好
的经济效益。如何实现各级电站合理最优调度，避免
不必要的弃水，充分利用好水力资源，对于梯级电站
来说尤为重要。
4）保证了电能的质量。要维持系统电压和频率在
规定范围内，就必须迅速而又准确地调节有关发电机组发出的有功和无功功率。特别是在发生事故的情况下，快速的调节或控制对迅速恢复电能质量具有决定性的意义，而这个过程，以往我们单纯靠手动操作，无论在速度方面还是在精度方面都是难于实现的。（参看图5～图8）。
四、目前存在的问题
1）由于是老站改造，目前还存在一些问题。一是由于电站建设年代已久，主机设备也有老化，三台水轮机组的导叶漏水量较大，至使停机时需关闭进水闸阀，机组转速才能下降到正常停机时所需转速，目前已对导叶进行维修。
2）电站进水闸阀采用交流电动机控制，在失去交流
电源的情况下不能正常启、闭闸阀，
对机组安全运行不利。
打算采用直流电动机启闭进水闸阀的方案。
3）电站到远方控制中心的光纤暂时是租用移动公司
的，其带宽不够，至使在远控中心不能同时传输多画面电
站视频图像。以上问题正在积极筹措资金，逐步进行处理。
五、关于完全无人值班水电站几个问题的探讨
1、中小型水电站的完全无人值班水电站远程监控系
统取得了初步的成功，但还需要有更多的水电站进行试
验，以取得好的经验；
2、由于只是刚开始试验，还没有更多的经验，应该
图5 改造前的机组控制屏 图6 改造后的机组控制屏
4 根据不同水电站容量大小、不同类型的水电站设计不同的自动控制系统，以取得最佳的性价比，并且选择典型站作进一步试点；
3、对自动控制功能要进一步优化，摸索对通信通道的实际要求，提高通信的可靠性；
4、为了达到完全无人值班水电站“安全运行、可靠控制”的目的，不能只着眼于二次自动控制系统，一次设备的优良品质和可靠运行更是实现“水电站完全无人值班”的前提。但是，水电站在“完全
无人值班”的运行模式下，对一次设备应
该提什么要求，目前完全没有定论，更没
有相关的标准或要求，为此，应该对一次
设备的要求应有具体的制度和规范；
5、水电站自动化元件也是实现完全
无人值班的关键，应该采用品质好、性能
符合要求的产品，否则会引起很多麻烦。
6、水电站实现完全无人值班后，应
该建立完全无人值班水电站管理制度，例
如：设备的定时巡检制度、紧急事故的处
理制度、设备的维护制度、人员的应知应
会的要求等等，需要在今后的实践中制定
和完善；
7、如何防止水电站的水淹，是与水
电站的设计、自动控制系统的设计有关。
自动控制系统应如何满足在发生水淹时，自动完成保护水电站的各种操作，还没有什么经验；
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、水电站实现完全无人值班后，对管理干部、技术人员和运行人员会提出更高的要求，如何对各
类人员进行培训，也需不断的摸索和探讨。
9、在各种类型水电站进行“完全无人值班”试验
的基础上，需要制定“中小型完全无人值班水电站自
动化系统设计规范”，作为今后开展工作的指导文件。
六、结束语
中小型水电站实现“完全无人值班”的运行模式只
是刚开始试验，还没有完全成熟的经验，因此，真正
要实现中小型水电站的“完全无人值班”，任重道远。
2011年5月，水利部国际合作与科技司对本成果
进行了鉴定。鉴定委员有水利部农机局、南京水利水
文科学研究所、中国水利水电科学研究所、湖南省水
利水电勘测设计研究总院、中国电力科学研究院等领
导与专家。鉴定委员会认为 ：该成果填补了小型水电
站无人值班运行模式技术研究的空白，达到国内领先
水平。
本文章已刊登在“小水电”期刊2011年第1期（总157期），在华自通讯发表时，作了少许的更改。
作者简介 ：卢任文（1937－），男，教授级高级工程师，主要从事电力系统变电站、水电站、泵站等自动化系统的技术研制工作。 图6 改造前的调速器
图7 改造后的微机调速器