摘要：目前水電控制系統(tǒng)主要以PLC為主，國(guó)產(chǎn)DCS控制系統(tǒng)在水電廠的成功應(yīng)用，不但讓水電系統(tǒng)又多了一種自控設(shè)備的選擇，而且體現(xiàn)了DCS強(qiáng)大的軟件組態(tài)優(yōu)勢(shì)，與外圍控制設(shè)備合理銜接后，表現(xiàn)出簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、*的控制功能和非常友好的“人機(jī)”界面。
　　
　　一、概述
　　
　　甘肅省迭部縣臘子口二級(jí)水電站容量為3×1.7MW水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)水頭80米，升壓站有二臺(tái)主變壓器，6KV、35kV母線為單母不分段，電站出線電壓為35KV，由臘子口一級(jí)水電站接入本升壓站35KV母線，35KV母線經(jīng)隔離斷路器并入電網(wǎng)。
　　
　　目前水電站控制系統(tǒng)多采用（進(jìn)口）PLC可編程控制器，DCS控制系統(tǒng)很少在水電廠使用。國(guó)電智深EDPF-NT+DCS控制系統(tǒng)成功的在臘子口二級(jí)水電站應(yīng)用，是國(guó)產(chǎn)控制設(shè)備替代水電普遍在用的進(jìn)口控制設(shè)備的成功嘗試。
　　
　　使用DCS也絕非是簡(jiǎn)單的對(duì)PLC的替換或套用PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，而是根據(jù)DCS方便的組態(tài)（編程）和強(qiáng)大的控制功能，來(lái)改變部分原控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，以達(dá)到簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)省投資、更容易操作、更可靠控制、zui少的維護(hù)工作量和檢修更方便的目標(biāo)。
　　
　　1.1DCS的特點(diǎn)（與PLC組成水電控制系統(tǒng)比較）
　　
　　1.1.1控制設(shè)備和應(yīng)用軟件（包括現(xiàn)地控制、上位機(jī)、工程師站等）由同一廠家提供，整體性、穩(wěn)定性、系統(tǒng)兼容性更好，控制系統(tǒng)組態(tài)方便、運(yùn)行可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單。
　　
　　1.1.2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少。全廠的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。　　
　　控制系統(tǒng)不設(shè)服務(wù)器，不設(shè)廠級(jí)控制中心，不設(shè)現(xiàn)地控制觸摸屏，不設(shè)廠級(jí)和廠內(nèi)通訊站，操作員站不分主次。
　　
　　國(guó)電智深EDPF-NT+結(jié)構(gòu)為I/O卡件與接線端子為“一體化”結(jié)構(gòu)，接線更加簡(jiǎn)單，維護(hù)更方便；DCS控制系統(tǒng)使用的是雙CPU，國(guó)產(chǎn)DCS比采用進(jìn)口PLC雙CPU系列的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)性價(jià)比高更有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
　　
　　1.2中小水電站的特點(diǎn)
　　
　　地處偏僻，技術(shù)力量薄弱，投資小，運(yùn)行方式“以水定電”。設(shè)計(jì)階段就要充分考慮系統(tǒng)日后的“免維護(hù)”、操作簡(jiǎn)便、投資省、系統(tǒng)可靠。
　　
　　二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　
　　電站的電氣保護(hù)、系統(tǒng)同期、廠用直流、廠用電、及廠家成套的勵(lì)磁、水機(jī)調(diào)速系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)要圍繞DCS控制系統(tǒng)和中小水電站的特點(diǎn)制作。充分利用DCS信息收集、處理能力強(qiáng)、系統(tǒng)可靠、人機(jī)交流友好的特點(diǎn)，以軟件能完成的就不再設(shè)計(jì)“二次”硬接線為原則，如不設(shè)計(jì)手動(dòng)遠(yuǎn)程操作開關(guān)（只留廠家?guī)Ц邏洪_關(guān)柜手動(dòng)操作等）或后備手動(dòng)控制回路。
　　
　　2.1控制系統(tǒng)構(gòu)成
　　
　　臘子口二級(jí)水電站計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1：系統(tǒng)由一臺(tái)DPU控制機(jī)柜構(gòu)成，DPU由相互冗余的雙CPU組成，同時(shí)控制三臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)保護(hù)、溫度監(jiān)測(cè)、調(diào)速器油壓控制、交流電量監(jiān)測(cè)、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(hù)，同時(shí)監(jiān)測(cè)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(jī)柜、操作員站、工程師站、集線器由兩種不同性質(zhì)不同來(lái)源的電源供給，一路為交流220V、另一路為直流220V，確保控制系統(tǒng)在失去廠用電時(shí)仍能正常可靠的工作。
　　
　　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(shí)發(fā)出報(bào)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(shí)將冗余切換至工作位，其它均為并列運(yùn)行）幾乎是無(wú)時(shí)間差的，不影響電站的正常運(yùn)行。
　　
　　DCS控制系統(tǒng)人機(jī)接口有二臺(tái)操作員站，其中一臺(tái)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(wú)壓確認(rèn)、雙向無(wú)壓確認(rèn)、啟動(dòng)、選擇同期點(diǎn)均在操作員站上進(jìn)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(jì)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(diǎn)是可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單、對(duì)維護(hù)人員的要求相對(duì)不高。信息以通訊方式接入控制系統(tǒng)在查找故障時(shí)需要筆記本電腦和一定知識(shí)能力的技術(shù)人員，這對(duì)偏僻的中小水電站是比較困難的。
　　
　　2.2簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減少操作要求
　　
　　2.2.1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?yàn)镈CS完整的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不會(huì)出現(xiàn)“上”“下”游信息中斷或因?yàn)?ldquo;上”“下”游真的發(fā)生信息中斷而失控現(xiàn)象，所以無(wú)需“后備”的“觸摸屏”，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)并減少了對(duì)運(yùn)行人員的操作要求。
　　
　　2.2.2EDPF-NT+系統(tǒng)的EM卡（交流電量0～、0～100V采集卡）成功的在臘子口二級(jí)水電站DCS系統(tǒng)得到應(yīng)用，正確顯示出發(fā)電機(jī)、變壓器、線路的電壓、電流、有功、無(wú)功、功率因數(shù)，節(jié)約了48臺(tái)交流電量轉(zhuǎn)換成4～20mA的變送器和zui少一個(gè)安裝屏共約10萬(wàn)元設(shè)備購(gòu)置費(fèi)，并使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變的簡(jiǎn)單、可靠性得到提高。
　　
　　2.2.3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。
　　
　　2.2.4整個(gè)電站共有五個(gè)同期點(diǎn)；即三個(gè)發(fā)電機(jī)出口斷路器、二臺(tái)主變壓器高壓側(cè)斷路器共用一套自動(dòng)同期裝置和備用一套手動(dòng)同期裝置，節(jié)省了設(shè)備費(fèi)用，簡(jiǎn)化了同期控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
　　
　　全廠需要運(yùn)行人員在CRT畫面以外操作的只有手動(dòng)隔離刀、地刀，備用手動(dòng)同期，保護(hù)屏上的個(gè)別壓板等。對(duì)人員培訓(xùn)、運(yùn)行人員的技術(shù)層面要求相對(duì)小了。培訓(xùn)首先集中在操作員站畫面上的內(nèi)容，這對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)行人員快速達(dá)到正常值班要求非常重要。
　　
　　2.3其它考慮
　　
　　設(shè)計(jì)階段就考慮系統(tǒng)日后的“免維護(hù)”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(diǎn)；無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械磨損，但系統(tǒng)出故障查找難度大，需要有工作經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)技術(shù)人員處理，這對(duì)小水電站是很困難的。根據(jù)電氣、電子設(shè)備的特點(diǎn)，要減少檢修、維護(hù)工作量要把握好以下幾點(diǎn)：
　　
　　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(biāo)價(jià)合理，設(shè)備成套和設(shè)備安裝方理性的對(duì)待，有可靠的監(jiān)督。
　　
　　需要設(shè)計(jì)者熟悉所有相關(guān)設(shè)備的性能，仔細(xì)核對(duì)相關(guān)設(shè)備接口和匹配性，做到有機(jī)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(fù)荷開關(guān)等。
　　
　　臘子口電站的設(shè)計(jì)充分考慮到“免維護(hù)”和少檢修的要求，運(yùn)行幾個(gè)月來(lái)未發(fā)生控制系統(tǒng)誤控、保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)、操作人員誤操作和保護(hù)控制系統(tǒng)故障影響機(jī)組正常運(yùn)行的情況。
　　
　　三、系統(tǒng)軟化（組態(tài)）設(shè)計(jì)
　　
　　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(yàn)、替代部分人工操作、幫助電站提高管理水平。
　　
　　3.1操作簡(jiǎn)單
　　
　　操作簡(jiǎn)單是對(duì)電站各系統(tǒng)、設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)、運(yùn)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(jī)界面有機(jī)銜接后的結(jié)果。
　　
　　3.1.1將部分主要操作規(guī)程的要求由軟件固定在DCS內(nèi)，運(yùn)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(huì)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(tái)主變壓器的運(yùn)行方式，（升壓站內(nèi)的地刀、隔離刀已處在合適的位置）運(yùn)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(shí)際意義：提高了效率（可節(jié)省十倍以上的時(shí)間）、又大大降低了對(duì)運(yùn)行人員的技術(shù)要求（降低對(duì)運(yùn)行人員的技術(shù)要求也很有意義，因?yàn)樾∷娬衅赣薪?jīng)驗(yàn)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(dòng)隔離刀、地刀操作票制度。
　　
　　3.1.2“一鍵并網(wǎng)”操作；就是運(yùn)行人員只需在CRT畫面上按“啟動(dòng)”和二次“確認(rèn)”鍵，機(jī)組由零轉(zhuǎn)速到并網(wǎng)程控全自動(dòng)完成，大大提高了機(jī)組并網(wǎng)的速度和成功率。
　　
　　3.2“黑啟動(dòng)”
　　
　　“黑啟動(dòng)”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?yàn)樗ω?fù)荷或處理“不當(dāng)”，水輪發(fā)電機(jī)組已停機(jī)，電站失去廠用電的情況下，需要機(jī)組能夠啟動(dòng)并帶上自己的廠用電，同時(shí)在電網(wǎng)調(diào)度要求上網(wǎng)時(shí)，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(jī)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(jì)有“黑啟動(dòng)”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?yàn)?ldquo;黑啟動(dòng)”控制方案做的比較成熟，二是買入電網(wǎng)電價(jià)太高，三是電網(wǎng)提供的備用電源在事故時(shí)也不可靠，沒有了備用電源的支持，所以“黑啟動(dòng)”對(duì)電站自己顯得尤為重要。
　　
　　“黑啟動(dòng)”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(hù)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(jī)的斷路器；而“黑啟動(dòng)”是先閉合發(fā)電機(jī)出口的斷路器，然后依此閉合主變低壓測(cè)、高壓測(cè)、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(jí)水電站具備“黑啟動(dòng)”要求；
　　
　　a.在電網(wǎng)故障機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，只要不超速，控制系統(tǒng)不聯(lián)關(guān)進(jìn)水閥，即有運(yùn)行水能條件。
　　
　　要求機(jī)組在電網(wǎng)故障（備用電源也失去）甩負(fù)荷時(shí)不發(fā)生超速，因?yàn)槌贆C(jī)組保護(hù)系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)水閥，在失去廠用電后已無(wú)法電動(dòng)開啟進(jìn)水閥，手動(dòng)開啟有可能喪失*開機(jī)時(shí)機(jī)或調(diào)速系統(tǒng)殘余油壓達(dá)不到開機(jī)要求。臘子口二級(jí)水電站水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)沒有設(shè)計(jì)類似火力發(fā)電廠汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的OPC控制功能，也可能因?yàn)椴捎肞LC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(shí)控制轉(zhuǎn)速和兼顧發(fā)電機(jī)有功。因此在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，調(diào)速器有時(shí)很難控制機(jī)組轉(zhuǎn)速不超過額定轉(zhuǎn)速140%（后改為145%），至使機(jī)組超速保護(hù)動(dòng)作而關(guān)閉進(jìn)水閥（甚至超速保護(hù)動(dòng)作機(jī)組轉(zhuǎn)速曾超過額定轉(zhuǎn)速160%，因?yàn)檫M(jìn)水閥*關(guān)閉需要約40秒）。水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)利用了水輪機(jī)組有一定的超速能力，控制作用相對(duì)不足。為彌補(bǔ)水輪機(jī)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(jī)的調(diào)速系統(tǒng)后，機(jī)組在任何情況下甩負(fù)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(jī)組的安全性，并在機(jī)組甩負(fù)荷后確保了廠用電。
　　
　　b.在電網(wǎng)故障后的短時(shí)間內(nèi)，調(diào)速器尚存有工作油壓
　　
　　c.電氣繼電保護(hù)系統(tǒng)工作電源為廠用直流，具備開機(jī)條件
　　
　　d.控制系統(tǒng)備用工作電源、有一臺(tái)操作員站為廠用直流，具備開機(jī)條件
　　
　　e.冷卻水（技術(shù)供水）為“自流式”，具備開機(jī)條件
　　
　　f.DCS組態(tài)出滿足“黑啟動(dòng)”條件的控制邏輯
　　
　　3.3前池水位監(jiān)視
　　
　　小水電的運(yùn)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(fù)荷調(diào)整，zui大化的利用好天然來(lái)水，就是將壩前水位控制在*位置；既不溢流浪費(fèi)，又不降低水位勢(shì)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(jì)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(dāng)水位高于上限定值或低于下限定值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)并發(fā)出報(bào)警，電站管理者對(duì)運(yùn)行人員每班或每月越限累計(jì)時(shí)間超出和未超出規(guī)定的范圍進(jìn)行考核，并執(zhí)行處罰或獎(jiǎng)利，增加了水電站經(jīng)濟(jì)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(jì)效益。
　　
　　四、使用效果
　　
　　3月13日*次并網(wǎng)至今，即使在機(jī)組調(diào)試階段，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定臘子口水電站未發(fā)生棄水事件。在調(diào)試和聘用的技術(shù)人員離開后，僅靠畢業(yè)幾個(gè)月的學(xué)生操控，電站也未發(fā)過一次誤操作、誤停機(jī)。體現(xiàn)出全廠“一體”化設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)軟件做的很復(fù)雜但使用卻很簡(jiǎn)單、安全的設(shè)計(jì)理念。
　　
　　幾個(gè)月中曾發(fā)生了幾次電網(wǎng)故障，電站在全廠停電的情況，都成功的啟動(dòng)機(jī)組、帶上廠用電并入電網(wǎng)。
　　
　　幾個(gè)月來(lái)，整個(gè)控制系統(tǒng)未發(fā)生一次缺陷。
　　
　　經(jīng)過幾個(gè)月的使用證明，在正常運(yùn)行中，操作員誤操作幾乎沒有，但在非正常運(yùn)行時(shí)如發(fā)生電網(wǎng)故障甩負(fù)荷、周波高（曾zui高達(dá)到55Hz）、周波低運(yùn)行或被電網(wǎng)拖帶的電站負(fù)荷來(lái)回變化等問題時(shí)，操作工zui易誤判斷誤操作，因?yàn)檫@種工況較為復(fù)雜，很難事前在DCS做出合適的控制邏輯來(lái)，協(xié)助運(yùn)行人員或自動(dòng)處理事故，只有靠運(yùn)行人員積累經(jīng)驗(yàn)。這也是今后軟件設(shè)計(jì)需要完善的。
　　
　　五、存在的問題
　　
　　電站在訂購(gòu)設(shè)備時(shí)考慮不周，將送出高壓斷路器控制電源錯(cuò)誤的選擇為交流220V，為日后“黑啟動(dòng)”和發(fā)生全廠停電的事故后處理增加了麻煩。