摘要：本文针对农村小水电站的特点，提出了以小水电站无人值班为目标的HEA－500型综合自动化系统的设计，并具体阐述了其方案。

要害词：农村小水电站　综合自动化　设计

1　引言

HEA－500型综合自动化系统是专门为农村小水电站设计的一套以无人值班为目标的多功能系统，操作和维护都十分简单，能确保电站安全可靠运行，降低运营成本，提高电站的经济效益。

该系统的10个子系统组成现地级系统，各系统可独立运行，完成测量、保护、控制、调节等功能。根据各地区农村小水电发展的差异，该系统可选配"HG2002计算机监控系统"，此选配系统为上位机监测控制系统。

2　农村小型水电站的特点

根据对湖北、湖南两个县共24个农村小型水电站的调查，其主要特点为：

(1)在设备选择方面的特点：低成本、易安装，以实现基本功能为原则并用常规监视；

(2)人员配置方面的特点：低要求、人数少；

(3)在操作方面的特点：手动操作、个人经验判定、机械传动控制；

(4)设备和运行特点：配置简陋和运行靠经验。根据农村小水电站的上述特点，本文特提出了HEA－500系统设计。

3　HEA－500系统设计

3.1　调速控制系统

根据农村小水电站的实际情况，因采用无液压系统、无导叶反馈信号、全机械手动的特点，为降低设备自动化改造成本，预备采用步进电机或电磁调速电机进行调速控制，此调速方式与常规的电动机械调速方式不同，在控制调速过程中增加减速机和制动器功能。

3.2　可控硅励磁调节系统

针对农村小水电站的特点，采取合适的励磁方式和自动化接口关系，其主要功能有：

手动控制功能：灭磁按钮、增(减)磁开关、手(自)切换开关、风机启停控制开关、励磁投退功能；

自动化接口：开机、停机、增磁、减磁、灭磁开关分合；

保护功能：强励定值限制、低励限制、励磁TV断线检测及保护；

运行方式的选择：电压恒定运行、发电机恒励磁电流运行。

3.3　机组自动控制系统

根据农村小水电站一次设备自动化元件的配置和具有的反馈信号情况，将机组自动控制采用以下方式：

机组自动控制系统要求实现对机组的自动开机、停机、事故停机功能，同时实现对调速器、励磁装置、进水闸门等设备的控制。在自动开机程序中该系统能够对开机条件进行逻辑判定，手动/自动信号由PLC实现闭锁。

在接受开机命令后，该系统启动。首先通过核心治理单元采集读取现场的状态信息，由PLC来进行逻辑判定各个位置信息是否符合开机条件。机组处于启动开机预备状态的信息必须有：机组无事故、断路器在跳闸位置、制动装置气源压力正常但未加制动、进水闸门全开。若这些信息没有满足开机条件的要求，则要求PLC通过逻辑程序发出控制命令，由继电器驱动外部机构回路来动作。当信息满足开机条件要求则开机预备状态完成，之后由PLC控制调速器直至导叶全开，当机组转速达到35％时投入励磁装置，机组转速达到95％时自动投入自动准同期装置，机组开始并网。机组与系统并列运行后，核心治理单元自动复归开机元件以及信息状态，自动开机过程完成，在整定的时间内如未完成开机全过程，则发报警信号。

当接受停机命令后，该系统启动，由PLC按照逻辑流程依次关闭各个外部机构。首先开始卸负荷，并由PLC控制调速器调节导叶开度机构使得导叶开度关至空载时，跳开发电机断路器。然后根据转速信息装置采集的数据，到达整定值(机组转速25％～35％)的时候投入制动气阀。机组全停后，核心治理单元复归各停机元件以及信息状态。停机过程完成。

3.4　信息测量系统

信息测量系统包括两种信息：工频交流量、开关量、直流信息。该系统负责全电站的信息量的采集，主要由两台智能装置完成：一台为智能液晶测量仪；另一台为核心治理单元。核心治理单元以通信的方式接受智能液晶测量仪的实时数据。

工频交流量经TV/TA板信息变换后接入装置的输入端子，根据电站的TV/TA配置情况，需送智能液晶测量仪的常规显示，送核心治理单元的保护插件的输入端子。开关量由外部无源接点接入隔离转接板后送到各装置的输入端子，PLC通过内部通讯方式开关量插件读取的信息，然后进行逻辑判定。系统内部的保护动作信息直接由核心治理单元读取并作用于输出报警，而不通过外部回路。

温度量等直流信息的测量要求有外部测量元件的配合，成本较高，因此作为备选方案。

3.5　手动操作系统

手动操作系统作为自动控制系统的辅助控制方式，在自动控制失效或者无法完成自动控制需要人工干预时启动。该系统能够完成如下所有功能：手动同期过程、手动合/跳断路器、手动调整转速以及励磁、手动完成闸门控制、手动制动刹车以及手动开停机。

3.6　同期并网控制系统

同期并网系统有：分散同期、集中同期两种可选模式。分散同期和集中同期均有自动同期、手动同期两种方式，由同期屏上的同期切换开关完成同期方式的转换。采用分散同期方式，每台机组各有一套自动同期和手动同期装置，互相独立；采用集中同期方式，机组共用一套自动同期和手动同期装置，由屏上的同期投入开关实现同期闭锁功能。一般采用分散同期方式，以自动同期为主，手动同期为备用。

3.7　低压断路器控制系统

低压断路器控制系统由以下几个部分组成：断路器、隔离开关、断路器控制机构、断路器保护电路，主要用于控制发电机出口断路器。

3.8　微机保护系统

根据农村小型水电站的设备配置情况，由于受到TV/TA、断路器的配置不足，该微机保护系统功能主要完成对水电站重要设备发电机的保护和变压器的瓦斯保护，具体保护配置如下：发电机的过流延时保护，过(失)压保护、变压器瓦斯保护。

3.9　核心治理单元

核心治理单元主要完成测量、保护、可编程控制、故障报警、自诊断、通信功能。核心治理单元包括以下插件：

中心处理插件：收集各采集插件的数据，包括开入量、模拟量(交流、直流)等，并作出处理，包括开入量取反、模拟量运算，如统计全站出力、实时报警等，并将结果送显示屏幕显示。具有简单逻辑编程功能，可根据编辑好的逻辑程序自动运行，完成机组的自动开、停和同期闭锁、辅机单元的自动控制等功能，扫描周期在10ms内。背部装设通讯用的RS232、422(485)接口、以太网接口。

显示及操作部分：显示各插件传送的数据，实时报警，包括开入量变位、模拟量越限、保护动作等。通过操作按键可切换监视画面、查询和修改保护定值，查询SOE记录、保护动作记录等，并可进行打印。

PLC模拟量开入量采集插件：采集电量、模拟量、温度量；采集开入量，配一块开入转接板。

电量统计功能：电量采集方式包括积分电量计算方式与电能表通讯方式。积分电量计算方式主要针对无电表的电站，电量统计由其它电站完成，预留与集中抄表系统的接口。

PLC控制输出插件：接收中心处理插件、上位机的控制命令，包含8路控制。控制出口为空节点。

保护插件：开关量输入由外部空节点引入，由DB9接口引入。面板装设运行、通信、装置故障、保护动作指示灯、复归按钮，保护动作信号由复归按钮复归。

外部通讯插件：用于与上位机通讯、调度通讯等外部通讯。通过服务器治理单元得到数据。调度通讯内置CDT、polling两种协议。背部装设RS232、422/485接口，面板装设运行、通信等指示灯。

3.10计量(远程抄表)系统

采用INTERNET通讯技术和嵌入式系统，开发一套远程分布式数据采集与治理系统，包括上位机系统和下位机系统；数据采集终端定时采集下挂电表的资料，包括：总有功、峰有功等。采集数据内容根据用户不同要求，进行扩充。考虑到小水电站地处山区，环境恶劣，不具备利用光纤和无线等通讯条件，所以只能利用电话这一基本的通讯方式，综合运用基于INTERNET的通讯技术、嵌入式系统、工业控制技术和大型数据库系统，保障系统可靠性、灵活性和高效性。

4　结论

HEA－500型综合自动化系统是专门为农村小水电站设计的一套以无人值班为目标的多功能系统，其设计是经过作者在湖南、湖北的20多个小水电站实地调查后得出小水电站的特点，针对这些特点而设计的一套综合自动化系统，操作和维护都十分简单，确保电站安全可靠运行，降低运行成本，提高电站的经济效益。