一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

臘子口二級水電站計算機控制系統(tǒng)由一臺DPU控制機柜構(gòu)成，DPU由相互冗余的雙CPU組成，同時控制三臺水輪發(fā)電機組的調(diào)速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、發(fā)電機保護、溫度監(jiān)測、調(diào)速器油壓控制、交流電量監(jiān)測、同期控制，控制升壓站中的主變壓器、高壓斷路器、交流電量采集、變壓器和線路保護，同時監(jiān)測隔離刀、地刀工作狀態(tài)及所有的公用系統(tǒng)。

通訊系統(tǒng)由雙以太網(wǎng)、雙集線器組成。

DPU控制機柜、操作員站、工程師站、集線器由兩種不同性質(zhì)不同來源的電源供給，一路為交流220V、另一路為直流220V，確?？刂葡到y(tǒng)在失去廠用電時仍能正?？煽康墓ぷ?。

若控制系統(tǒng)發(fā)生任一路電源故障、網(wǎng)絡(luò)故障、集線器故障、CPU故障、操作員站或工程師站故障，系統(tǒng)都能及時發(fā)出報警并有備份系統(tǒng)替代工作，且故障系統(tǒng)切換到備份(只有CPU故障時將冗余切換至工作位，其它均為并列運行)幾乎是無時間差的，不影響電站的正常運行。

DCS控制系統(tǒng)人機接口有二臺操作員站，其中一臺操作員站兼工程師站和歷史站。

DCS控制系統(tǒng)能監(jiān)控到電站的幾乎所有信息，甚至同期的投電、停電、復(fù)位、單向無壓確認、雙向無壓確認、啟動、選擇同期點均在操作員站上進行。

所有的監(jiān)控信息，都是以“硬”接線的方式接入DCS的I/O卡，沒有采用水電設(shè)計傳統(tǒng)的部分信息以通訊方式匯入控制系統(tǒng)。“硬”接線的優(yōu)點是可靠、維護簡單、對維護人員的要求相對不高。信息以通訊方式接入控制系統(tǒng)在查找故障時需要筆記本電腦和一定知識能力的技術(shù)人員，這對偏僻的中小水電站是比較困難的。

1.2 簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減少操作要求

1.2.1 省去了水電站普遍采用的“現(xiàn)地控制”柜上的“觸摸屏”。這是因為DCS完整的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不會出現(xiàn)“上”“下”游信息中斷或因為“上”“下”游真的發(fā)生信息中斷而失控現(xiàn)象，所以無需“后備”的“觸摸屏”，簡化了控制系統(tǒng)并減少了對運行人員的操作要求。

1.2.2 DCS系統(tǒng)的EM卡(交流電量0～5A、0～100V采集卡)成功的在臘子口二級水電站DCS系統(tǒng)得到應(yīng)用，正確顯示出發(fā)電機、變壓器、線路的電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)，節(jié)約了48臺交流電量轉(zhuǎn)換成4～20mA的變送器和最少一個安裝屏共約10萬元設(shè)備購置費，并使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變的簡單、可靠性得到提高。

1.2.3 廠用直流220V直供DCS(DCS的第二路工作電源)和工程師站，省去了UPS電源。

1.2.4 整個電站共有五個同期點;即三個發(fā)電機出口斷路器、二臺主變壓器高壓側(cè)斷路器共用一套自動同期裝置和備用一套手動同期裝置，節(jié)省了設(shè)備費用，簡化了同期控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

全廠需要運行人員在CRT畫面以外操作的只有手動隔離刀、地刀，備用手動同期，保護屏上的個別壓板等。對人員培訓(xùn)、運行人員的技術(shù)層面要求相對小了。培訓(xùn)首先集中在操作員站畫面上的內(nèi)容，這對偏遠地區(qū)運行人員快速達到正常值班要求非常重要。

1.3 其它考慮

設(shè)計階段就考慮系統(tǒng)日后的“免維護”和少檢修，減少設(shè)備故障，提高其利用率。

控制設(shè)備的特點;無轉(zhuǎn)動機械磨損，但系統(tǒng)出故障查找難度大，需要有工作經(jīng)驗的專業(yè)技術(shù)人員處理，這對小水電站是很困難的。根據(jù)電氣、電子設(shè)備的特點，要減少檢修、維護工作量要把握好以下幾點：

a. 設(shè)備的質(zhì)量過關(guān)

b. 安裝的質(zhì)量過關(guān)

c. 與其配套的設(shè)備匹配、合適

d. 正確、合理地使用

設(shè)備質(zhì)量和安裝質(zhì)量是可控的，只要中標價合理，設(shè)備成套和設(shè)備安裝方理性的對待，有可靠的監(jiān)督。

需要設(shè)計者熟悉所有相關(guān)設(shè)備的性能，仔細核對相關(guān)設(shè)備接口和匹配性，做到有機銜接。

將規(guī)程規(guī)定、設(shè)備操作要求等以軟件方式固定在DCS內(nèi)，杜絕發(fā)生危害設(shè)備安全或損壞設(shè)備的誤操作。如非同期合閘、帶地刀合負荷開關(guān)等。

臘子口電站的設(shè)計充分考慮到“免維護”和少檢修的要求，運行幾個月來未發(fā)生控制系統(tǒng)誤控、保護系統(tǒng)誤動、操作人員誤操作和保護控制系統(tǒng)故障影響機組正常運行的情況。

二、系統(tǒng)軟化(組態(tài))設(shè)計

用DCS控制“軟件”替代部分“硬接線”功能、替代部分操作規(guī)程和操作經(jīng)驗、替代部分人工操作、幫助電站提高管理水平。

2.1 操作簡單

操作簡單是對電站各系統(tǒng)、設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)、運行規(guī)程的要求等方面的理解和控制設(shè)備與控制軟件、人機界面有機銜接后的結(jié)果。

2.1.1將部分主要操作規(guī)程的要求由軟件固定在DCS內(nèi)，運行人員在CRT畫面上有“操作指導(dǎo)”、有“邏輯閉鎖”，只能按照CRT畫面的事先制定的“操作指導(dǎo)”順序操作，不會發(fā)生誤操作，見圖2，#1主變壓器高壓側(cè)斷路器操作窗口與合閘條件。免去了很多電站采用的“五防閉鎖”和部分“操作票”制度。

如升壓站要改變二臺主變壓器的運行方式，(升壓站內(nèi)的地刀、隔離刀已處在合適的位置)運行人員在CRT畫面一、二分鐘之內(nèi)就可完成。這種將操作規(guī)程要求輸入至DCS內(nèi)的做法很有實際意義：提高了效率(可節(jié)省十倍以上的時間)、又大大降低了對運行人員的技術(shù)要求(降低對運行人員的技術(shù)要求也很有意義，因為小水電招聘有經(jīng)驗的技術(shù)人員很困難)，規(guī)避了誤操作的可能。

只保留高壓開關(guān)柜和升壓站的手動隔離刀、地刀操作票制度。

2.1.2 “一鍵并網(wǎng)”操作;就是運行人員只需在CRT畫面上按“啟動”和二次“確認”鍵，機組由零轉(zhuǎn)速到并網(wǎng)程控全自動完成，大大提高了機組并網(wǎng)的速度和成功率。

2.2 “黑啟動”

“黑啟動”的含意是：與水電站聯(lián)接的電網(wǎng)出現(xiàn)故障，大面積停電，水電站因為甩負荷或處理“不當”，水輪發(fā)電機組已停機，電站失去廠用電的情況下，需要機組能夠啟動并帶上自己的廠用電，同時在電網(wǎng)調(diào)度要求上網(wǎng)時，為電網(wǎng)提供“備用電源”。

中、小水電站特別是小水電處在電網(wǎng)的末端，發(fā)生電網(wǎng)停電的機率比較高，并且小水電的系統(tǒng)備用電源也不可靠，因此設(shè)計有“黑啟動”的控制方式非常必要。

臘子口電站的備用電源與電網(wǎng)已甩開，一是因為“黑啟動”控制方案做的比較成熟，二是買入電網(wǎng)電價太高，三是電網(wǎng)提供的備用電源在事故時也不可靠，沒有了備用電源的支持，所以“黑啟動”對電站自己顯得尤為重要。

“黑啟動”的條件：

a.有水能
b.調(diào)速器尚存有工作油壓

c.電氣繼電保護系統(tǒng)工作正常

d.控制系統(tǒng)工作正常

e.冷卻水(技術(shù)供水)工作正常

一般正常并網(wǎng)的是首先閉合升壓站聯(lián)接電網(wǎng)處的斷路器，然后依此閉合主變高壓側(cè)、低壓側(cè)、發(fā)電機的斷路器;而“黑啟動”是先閉合發(fā)電機出口的斷路器，然后依此閉合主變低壓測、高壓測、升壓站出口的斷路器直到與電網(wǎng)聯(lián)接，即與正常并網(wǎng)是“逆向”操作。所以DCS控制系統(tǒng)組態(tài)(編程)制作就需考慮“雙向”操作又相互不影響的邏輯控制。

臘子口二級水電站具備“黑啟動”要求;

a.在電網(wǎng)故障機組甩負荷時，只要不超速，控制系統(tǒng)不聯(lián)關(guān)進水閥，即有運行水能條件。

要求機組在電網(wǎng)故障(備用電源也失去)甩負荷時不發(fā)生超速，因為超速機組保護系統(tǒng)將自動關(guān)閉進水閥，在失去廠用電后已無法電動開啟進水閥，手動開啟有可能喪失最佳開機時機或調(diào)速系統(tǒng)殘余油壓達不到開機要求。臘子口二級水電站水輪機調(diào)速系統(tǒng)沒有設(shè)計類似火力發(fā)電廠汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的OPC控制功能，也可能因為采用PLC做復(fù)雜的控制系統(tǒng)比較困難，調(diào)速器內(nèi)只有一套PID調(diào)節(jié)器同時控制轉(zhuǎn)速和兼顧發(fā)電機有功。因此在機組甩負荷時，調(diào)速器有時很難控制機組轉(zhuǎn)速不超過額定轉(zhuǎn)速140%(后改為145%)，至使機組超速保護動作而關(guān)閉進水閥(甚至超速保護動作機組轉(zhuǎn)速曾超過額定轉(zhuǎn)速160%，因為進水閥完全關(guān)閉需要約40秒)。水輪機調(diào)速系統(tǒng)利用了水輪機組有一定的超速能力，控制作用相對不足。為彌補水輪機調(diào)速系統(tǒng)控制功能的缺陷，在DCS軟件內(nèi)增加了類似火電OPC的控制功能，輔助控制水輪機的調(diào)速系統(tǒng)后，機組在任何情況下甩負荷轉(zhuǎn)速都控制在額定轉(zhuǎn)速110～120%范圍內(nèi)，極大的提高了機組的安全性，并在機組甩負荷后確保了廠用電。

b.在電網(wǎng)故障后的短時間內(nèi)，調(diào)速器尚存有工作油壓

c.電氣繼電保護系統(tǒng)工作電源為廠用直流，具備開機條件

d.控制系統(tǒng)備用工作電源、有一臺操作員站為廠用直流，具備開機條件

e.冷卻水(技術(shù)供水)為“自流式”，具備開機條件

f.DCS組態(tài)出滿足“黑啟動”條件的控制邏輯

2.3 前池水位監(jiān)視

小水電的運行方式是“以水定電”，不參與流域內(nèi)的水調(diào)，不參與電網(wǎng)負荷調(diào)整，最大化的利用好天然來水，就是將壩前水位控制在最佳位置;既不溢流浪費，又不降低水位勢能而少發(fā)電，因此監(jiān)視壩前或前池水位事關(guān)電站的經(jīng)濟效益。

用DCS豐富的軟件功能，我們制做了一套監(jiān)視水位的程序(組態(tài))。當水位高于上限定值或低于下限定值時，自動啟動計時器計時并發(fā)出報警，電站管理者對運行人員每班或每月越限累計時間超出和未超出規(guī)定的范圍進行考核，并執(zhí)行處罰或獎利，增加了水電站經(jīng)濟管理的手段(將前池水位控制在±80mm以內(nèi)，水位上限距溢流高程只有20mm)，提高其經(jīng)濟效益。