摘 要：小型液位變送器建設(shè)工期短、開發(fā)容易、能源清潔可再生、經(jīng)濟(jì)效果顯著，得到大力發(fā)展，然而一批小型液位變送器已經(jīng)接近運(yùn)行壽命，急需改造。通過對(duì)農(nóng)村小型液位變送器實(shí)際情況分析，提出小型液位變送器中存在的問題，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，提出改造方案，比較不同現(xiàn)地控制單元的優(yōu)缺點(diǎn)。
水電是一種重要的能源，因其清潔性和可再生性，得到大力發(fā)展。隨著制造裝備技術(shù)水平的提高，水電技術(shù)得到飛速的提高，經(jīng)過多年的發(fā)展，水電技術(shù)已經(jīng)十分成熟。相對(duì)于發(fā)達(dá)guojia，我國(guó)的水電開發(fā)比例仍然較低。為了解決能源短缺與生態(tài)環(huán)保問題，液位變送器開發(fā)在我國(guó)經(jīng)歷了一個(gè)高速發(fā)展的階段，在經(jīng)過 20 多年的不斷興建，已建成大量的大大小小各種型式的液位變送器。在這些已建成的液位變送器中，有著數(shù)量龐大的裝機(jī)容量在 50 000 kW 以下的小型液位變送器。隨著小型液位變送器的進(jìn)一步開發(fā)，小型液位變送器的數(shù)量、裝機(jī)容量、年發(fā)電量仍在增加。這些小型液位變送器分布較為分散，主要位于交通不太便利的偏遠(yuǎn)山區(qū)，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)村電網(wǎng)的主力軍，是電網(wǎng)主網(wǎng)的有力補(bǔ)充，解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)供電難題，為促進(jìn)當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。
1 小型液位變送器存在的問題
在眾多建成的農(nóng)村小型液位變送器中，存在著一大批總裝機(jī)容量從幾百千瓦到兩三千千瓦的小型液位變送器。這些小型液位變送器大多數(shù)建成于 20 世紀(jì)八九十年代，已經(jīng)運(yùn)行 20 多年，機(jī)組設(shè)備接近使用壽命，亟待改造。這種類型小型液位變送器很多依據(jù)地形情況修建，電站規(guī)模較小，引水系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，設(shè)備數(shù)量較少，接線較為簡(jiǎn)單，整體具有以下幾點(diǎn)共性：①出線電壓低。總裝機(jī)容量小，出線電壓為 10 kV等級(jí)，送出線路不長(zhǎng)，T 接于附近的 10 kV 農(nóng)村電網(wǎng)，不敷設(shè)單好的送電線路。②單機(jī)容量小。為了充分的利用引水量，提高利用小時(shí)，充分利用水能，均設(shè)置有幾臺(tái)機(jī)組，在總裝機(jī)容量較小的情況下，單機(jī)容量必然會(huì)小，一般不超過單機(jī) 1 000 kW。③機(jī)組額定電壓低。機(jī)組單機(jī)容量小，為了降低成本，采用低壓機(jī)組，機(jī)組額定電壓采用 400 V。小規(guī)模的小型液位變送器在經(jīng)過多年的運(yùn)行，已經(jīng)在運(yùn)行過程中凸顯眾多問題，而且問題越來越嚴(yán)重，影響正常生產(chǎn)，甚至難以滿足現(xiàn)場(chǎng)安全運(yùn)行的要求。綜合目前的情況，主要存在下列幾個(gè)問題：①運(yùn)行人員不足。經(jīng)濟(jì)發(fā)展的浪潮下，小型液位變送器已經(jīng)難覓年輕人的身影，留下的一些運(yùn)行人員已經(jīng)瀕臨退休，運(yùn)行人員面臨青黃不接的狀況。②機(jī)組老化嚴(yán)重。小規(guī)模的小型液位變送器建造年代久遠(yuǎn)，設(shè)備大多數(shù)運(yùn)行了 20 a 左右。大多數(shù)機(jī)電設(shè)備制造于 20 世紀(jì)，機(jī)組老化嚴(yán)重、效率低下、影響電站發(fā)電效益，且存在眾多的安全隱患。③自動(dòng)化水平低。眾多的小型液位變送器還停留在手動(dòng)操作的水平，手動(dòng)開機(jī)、停機(jī)，手動(dòng)投切勵(lì)磁，手動(dòng)剎車等等，機(jī)組的起停、發(fā)電處于手工操作階段，自動(dòng)化水平極其低下，電能質(zhì)量不高。④繼電保護(hù)水平低。大量的小型機(jī)組還在使用繼電器組成的繼電保護(hù)，這種類型的繼電保護(hù)接線復(fù)雜、故障率高、維修工作量大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上時(shí)代的發(fā)展。
2 解決方案
在大電網(wǎng)智能化的大背景，液位變送器自動(dòng)化水平逐步發(fā)展完善，尤其是大中型液位變送器的自動(dòng)化水平已經(jīng)很高，小型液位變送器的自動(dòng)化水平與大中型液位變送器相比，差距較為明顯。在液位變送器自動(dòng)化總體水平提高的基礎(chǔ)上，小型液位變送器的自動(dòng)化水平獲得長(zhǎng)足的進(jìn)步，基本上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)“無人值班、少人值守”的運(yùn)行模式。新建的液位變送器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，降低運(yùn)行成本，提高水能利用效率，處于自動(dòng)化低谷區(qū)的農(nóng)村小型液位變送器急需自動(dòng)系統(tǒng)改造升級(jí)，自動(dòng)化缺少的設(shè)備需要增設(shè)，自動(dòng)化水平低的需要升級(jí)。當(dāng)前小型液位變送器的自動(dòng)化系統(tǒng)基本上采用分層分布式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，主要分為集控層、網(wǎng)絡(luò)層與現(xiàn)地控制單元 3 層。
2.1 集控層
集控層由工作站構(gòu)成，工作站裝設(shè)監(jiān)控軟件和通訊服務(wù)軟件，軟件遵循“開放”系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，采用模塊化編程，靈活組態(tài)、適用性強(qiáng)，可根據(jù)不同類型和規(guī)模的液位變送器的需求進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，滿足液位變送器在不同時(shí)期的需求。監(jiān)控軟件主要完成電站控制、電站監(jiān)視、事故與故障處理、數(shù)據(jù)管理等功能。①電站控制：機(jī)組自動(dòng)開停機(jī)、機(jī)組控制模式切換、機(jī)組自動(dòng)發(fā)電、機(jī)組有功無功調(diào)節(jié)、調(diào)度與遙控。②電站監(jiān)視：全站實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、全站運(yùn)行參數(shù)監(jiān)視、控制操作過程監(jiān)視、系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視。③事故與故障處理：事故與故障報(bào)警、遙測(cè)越線與遙信變位報(bào)警記錄、事故與故障記錄。④數(shù)據(jù)管理：運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)庫生成、歷史運(yùn)行參數(shù)查詢。
通訊服務(wù)軟件主要是完成與上級(jí)調(diào)度的通訊任務(wù)，可根據(jù)實(shí)際情況與電站的規(guī)模，與其他電站組成集中監(jiān)控。
2.2 網(wǎng)絡(luò)層
網(wǎng)絡(luò)層是整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，應(yīng)具有高安全可靠性、較強(qiáng)的數(shù)據(jù)吞吐能力，合理的帶寬及通訊的開放性、集成性、易用性和可維護(hù)性，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信與信息交換。網(wǎng)絡(luò)通訊主要采用 RS - 232/RS 485 和以太網(wǎng)雙網(wǎng)冗余通訊，相比較以前的 RS - 232/RS 485 單通道通訊，可靠性得到提高。
2.3 現(xiàn)地控制單元
現(xiàn)地控制單元是自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)，完成對(duì)機(jī)組、機(jī)組輔助設(shè)備、其他配電設(shè)備的實(shí)時(shí)測(cè)量、控制、調(diào)節(jié)以及數(shù)據(jù)采集、處理、上傳至集控層。現(xiàn)地控制單元具有#高權(quán)限的優(yōu)先級(jí)別，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層或者集控層出現(xiàn)故障，失去與集控層聯(lián)絡(luò)時(shí)，仍然可以好立完成對(duì)設(shè)備的監(jiān)控，通過現(xiàn)地 / 遠(yuǎn)地功能切換能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地手動(dòng)操作，集控層與網(wǎng)絡(luò)層維護(hù)檢修時(shí)不影響電站的發(fā)電運(yùn)行。目前自動(dòng)化設(shè)備廠家較多，各大廠家均有自己特點(diǎn)的產(chǎn)品，造成現(xiàn)地控制單元設(shè)備種類較多，可以選擇的產(chǎn)品比較廣泛，總體可分為 2 類，一類為基于 PLC的控制單元，另一類為高度集成的一體化控制單元。①基于PLC 的控制單元：采用普及率較高的 PLC，以 PLC 為基礎(chǔ)，配置繼電保護(hù)元件、一定數(shù)量的開關(guān)量輸入繼電器、開關(guān)量輸出繼電器、模擬量輸入變送器、人機(jī)顯示等設(shè)備，利用控制線路將各個(gè)功能連接在一起組成一個(gè)控制單元。人為增加中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，造成設(shè)備數(shù)量與費(fèi)用增加，線路增多的同時(shí)使接線復(fù)雜性增大，無形中提高故障率。與此同時(shí)，由于農(nóng)村小型液位變送器功能要求較為簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)采集的點(diǎn)數(shù)較少，采用的 PLC 一般為小型 PLC，數(shù)據(jù)處理能力較差，故障發(fā)生時(shí)容易發(fā)生延時(shí)發(fā)出命令的情況，有可能造成故障的進(jìn)一步擴(kuò)大。一般情況下，PLC 不單好設(shè)置屏柜，直接布置于發(fā)電機(jī)控制柜內(nèi)，且發(fā)電機(jī)控制柜大多數(shù)就近布置于水輪發(fā)電機(jī)組附近，使 PLC 容易受到電磁干擾和環(huán)境影響。整體來說該類設(shè)備優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備的通用性強(qiáng)、易于擴(kuò)展；缺點(diǎn)是抗干擾性能差、環(huán)境適應(yīng)能力較差，故障率較高，整體可靠性差。②一體化集成控制單元：以嵌入式 DSP 處理器為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)，每一個(gè)具有好立功能的部件做成一個(gè)模塊插件，通過裝置的主板插槽將各個(gè)功能組合成一個(gè)整體。主要模塊插件包括電源、DSP 處理器、勵(lì)磁、交流采樣、直流采樣、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸入、模擬量輸入、通訊、人機(jī)顯示等模塊。一體化集成控制單元集成度高，集中了控制、保護(hù)、調(diào)節(jié)、監(jiān)視、采樣、通訊等各種功能，減少大量的輔助元件，接線復(fù)雜性大大降低，降低人為的故障率。主要優(yōu)點(diǎn)有抗干擾性能好、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、插件配置更換簡(jiǎn)易、可靠性高，與具有同等功能的 PLC 相比較造價(jià)便宜；缺點(diǎn)是受制于主板插槽的數(shù)量限制，可擴(kuò)展性能差。
3 結(jié) 語
農(nóng)村小型液位變送器的改造是一項(xiàng)急需進(jìn)行的工程，通過對(duì)小型液位變送器的自動(dòng)化改造，在提高液位變送器發(fā)電效率的同時(shí)有效提高電站的運(yùn)行管理水平，減少運(yùn)行人員數(shù)量，解決人員短缺的問題。盡管每一座液位變送器有其自身的要求，不能采用同一個(gè)自動(dòng)化模式，但是自動(dòng)化改造系統(tǒng)架構(gòu)大致相同，不同的是現(xiàn)地控制單元的選擇。對(duì)比 2 種不同的現(xiàn)地控制單元，在造價(jià)水平相當(dāng)?shù)那闆r下，一體化集成控制單元具有較為突出的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)優(yōu)先考慮。
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