摘要：目前水電控制系統主要以PLC為主，國產DCS控制系統在水電廠的成功應用，不但讓水電系統又多了一種自控設備的選擇，而且體現了DCS強大的軟件組態優勢，與外圍控制設備合理銜接后，表現出簡單的系統結構、*的控制功能和非常友好的“人機”界面。
　　
　　一、概述
　　
　　甘肅省迭部縣臘子口二級水電站容量為3×1.7MW水輪發電機組，設計水頭80米，升壓站有二臺主變壓器，6KV、35kV母線為單母不分段，電站出線電壓為35KV，由臘子口一級水電站接入本升壓站35KV母線，35KV母線經隔離斷路器并入電網。
　　
　　目前水電站控制系統多采用（進口）PLC可編程控制器，DCS控制系統很少在水電廠使用。國電智深EDPF-NT+DCS控制系統成功的在臘子口二級水電站應用，是國產控制設備替代水電普遍在用的進口控制設備的成功嘗試。
　　
　　使用DCS也絕非是簡單的對PLC的替換或套用PLC系統的設計模式，而是根據DCS方便的組態（編程）和強大的控制功能，來改變部分原控制系統的設計思路，以達到簡化控制系統結構、節省投資、更容易操作、更可靠控制、zui少的維護工作量和檢修更方便的目標。
　　
　　1.1DCS的特點（與PLC組成水電控制系統比較）
　　
　　1.1.1控制設備和應用軟件（包括現地控制、上位機、工程師站等）由同一廠家提供，整體性、穩定性、系統兼容性更好，控制系統組態方便、運行可靠，維護簡單。
　　
　　1.1.2控制系統結構簡單，設備投資少。全廠的計算機控制系統結構見圖1。　　
　　控制系統不設服務器，不設廠級控制中心，不設現地控制觸摸屏，不設廠級和廠內通訊站，操作員站不分主次。
　　
　　國電智深EDPF-NT+結構為I/O卡件與接線端子為“一體化”結構，接線更加簡單，維護更方便；DCS控制系統使用的是雙CPU，國產DCS比采用進口PLC雙CPU系列的計算機控制系統性價比高更有競爭優勢。
　　
　　1.2中小水電站的特點
　　
　　地處偏僻，技術力量薄弱，投資小，運行方式“以水定電”。設計階段就要充分考慮系統日后的“免維護”、操作簡便、投資省、系統可靠。
　　
　　二、系統結構設計
　　
　　電站的電氣保護、系統同期、廠用直流、廠用電、及廠家成套的勵磁、水機調速系統等的設計要圍繞DCS控制系統和中小水電站的特點制作。充分利用DCS信息收集、處理能力強、系統可靠、人機交流友好的特點，以軟件能完成的就不再設計“二次”硬接線為原則，如不設計手動遠程操作開關（只留廠家帶高壓開關柜手動操作等）或后備手動控制回路。
　　
　　2.1控制系統構成
　　
　　臘子口二級水電站計算機控制系統結構見圖1：系統由一臺DPU控制機柜構成，DPU由相互冗余的雙CPU組成，同時控制三臺水輪發電機組的調速系統、勵磁系統、發電機保護、溫度監測、調速器油壓控制、交流電量監測、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，同時監測隔離刀、地刀工作狀態及所有的公用系統。
　　
　　通訊系統由雙以太網、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在失去廠用電時仍能正?？煽康墓ぷ?。
　　
　　若控制系統發生任一路電源故障、網絡故障、集線器故障、CPU故障、操作員站或工程師站故障，系統都能及時發出報警并有備份系統替代工作，且故障系統切換到備份（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控制系統能監控到電站的幾乎所有信息，甚至同期的投電、停電、復位、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，沒有采用水電設計傳統的部分信息以通訊方式匯入控制系統。“硬”接線的優點是可靠、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在查找故障時需要筆記本電腦和一定知識能力的技術人員，這對偏僻的中小水電站是比較困難的。
　　
　　2.2簡化系統結構、減少操作要求
　　
　　2.2.1省去了水電站普遍采用的“現地控制”柜上的“觸摸屏”。這是因為DCS完整的控制系統結構，不會出現“上”“下”游信息中斷或因為“上”“下”游真的發生信息中斷而失控現象，所以無需“后備”的“觸摸屏”，簡化了控制系統并減少了對運行人員的操作要求。
　　
　　2.2.2EDPF-NT+系統的EM卡（交流電量0～、0～100V采集卡）成功的在臘子口二級水電站DCS系統得到應用，正確顯示出發電機、變壓器、線路的電壓、電流、有功、無功、功率因數，節約了48臺交流電量轉換成4～20mA的變送器和zui少一個安裝屏共約10萬元設備購置費，并使系統結構變的簡單、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整個電站共有五個同期點；即三個發電機出口斷路器、二臺主變壓器高壓側斷路器共用一套自動同期裝置和備用一套手動同期裝置，節省了設備費用，簡化了同期控制系統結構。
　　
　　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、運行人員的技術層面要求相對小了。培訓首先集中在操作員站畫面上的內容，這對偏遠地區運行人員快速達到正常值班要求非常重要。
　　
　　2.3其它考慮
　　
　　設計階段就考慮系統日后的“免維護”和少檢修，減少設備故障，提高其利用率。
　　
　　控制設備的特點；無轉動機械磨損，但系統出故障查找難度大，需要有工作經驗的專業技術人員處理，這對小水電站是很困難的。根據電氣、電子設備的特點，要減少檢修、維護工作量要把握好以下幾點：
　　
　　a.設備的質量過關
　　
　　b.安裝的質量過關
　　
　　c.與其配套的設備匹配、合適
　　
　　d.正確、合理地使用
　　
　　設備質量和安裝質量是可控的，只要中標價合理，設備成套和設備安裝方理性的對待，有可靠的監督。
　　
　　需要設計者熟悉所有相關設備的性能，仔細核對相關設備接口和匹配性，做到有機銜接。
　　
　　將規程規定、設備操作要求等以軟件方式固定在DCS內，杜絕發生危害設備安全或損壞設備的誤操作。如非同期合閘、帶地刀合負荷開關等。
　　
　　臘子口電站的設計充分考慮到“免維護”和少檢修的要求，運行幾個月來未發生控制系統誤控、保護系統誤動、操作人員誤操作和保護控制系統故障影響機組正常運行的情況。
　　
　　三、系統軟化（組態）設計
　　
　　用DCS控制“軟件”替代部分“硬接線”功能、替代部分操作規程和操作經驗、替代部分人工操作、幫助電站提高管理水平。
　　
　　3.1操作簡單
　　
　　操作簡單是對電站各系統、設備之間的關聯、運行規程的要求等方面的理解和控制設備與控制軟件、人機界面有機銜接后的結果。
　　
　　3.1.1將部分主要操作規程的要求由軟件固定在DCS內，運行人員在CRT畫面上有“操作指導”、有“邏輯閉鎖”，只能按照CRT畫面的事先制定的“操作指導”順序操作，不會發生誤操作，見圖2，#1主變壓器高壓側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、二分鐘之內就可完成。這種將操作規程要求輸入至DCS內的做法很有實際意義：提高了效率（可節省十倍以上的時間）、又大大降低了對運行人員的技術要求（降低對運行人員的技術要求也很有意義，因為小水電招聘有經驗的技術人員很困難），規避了誤操作的可能。
　　
　　只保留高壓開關柜和升壓站的手動隔離刀、地刀操作票制度。
　　
　　3.1.2“一鍵并網”操作；就是運行人員只需在CRT畫面上按“啟動”和二次“確認”鍵，機組由零轉速到并網程控全自動完成，大大提高了機組并網的速度和成功率。
　　
　　3.2“黑啟動”
　　
　　“黑啟動”的含意是：與水電站聯接的電網出現故障，大面積停電，水電站因為甩負荷或處理“不當”，水輪發電機組已停機，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，同時在電網調度要求上網時，為電網提供“備用電源”。
　　
　　中、小水電站特別是小水電處在電網的末端，發生電網停電的機率比較高，并且小水電的系統備用電源也不可靠，因此設計有“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，二是買入電網電價太高，三是電網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.調速器尚存有工作油壓
　　
　　c.電氣繼電保護系統工作正常
　　
　　d.控制系統工作正常
　　
　　e.冷卻水（技術供水）工作正常
　　
　　一般正常并網的是首先閉合升壓站聯接電網處的斷路器，然后依此閉合主變高壓側、低壓側、發電機的斷路器；而“黑啟動”是先閉合發電機出口的斷路器，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聯接，即與正常并網是“逆向”操作。
　　
　　所以DCS控制系統組態（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.在電網故障機組甩負荷時，只要不超速，控制系統不聯關進水閥，即有運行水能條件。
　　
　　要求機組在電網故障（備用電源也失去）甩負荷時不發生超速，因為超速機組保護系統將自動關閉進水閥，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*開機時機或調速系統殘余油壓達不到開機要求。臘子口二級水電站水輪機調速系統沒有設計類似火力發電廠汽輪機調速系統的OPC控制功能，也可能因為采用PLC做復雜的控制系統比較困難，調速器內只有一套PID調節器同時控制轉速和兼顧發電機有功。因此在機組甩負荷時，調速器有時很難控制機組轉速不超過額定轉速140%（后改為145%），至使機組超速保護動作而關閉進水閥（甚至超速保護動作機組轉速曾超過額定轉速160%，因為進水閥*關閉需要約40秒）。水輪機調速系統利用了水輪機組有一定的超速能力，控制作用相對不足。為彌補水輪機調速系統控制功能的缺陷，在DCS軟件內增加了類似火電OPC的控制功能，輔助控制水輪機的調速系統后，機組在任何情況下甩負荷轉速都控制在額定轉速110～120%范圍內，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.在電網故障后的短時間內，調速器尚存有工作油壓
　　
　　c.電氣繼電保護系統工作電源為廠用直流，具備開機條件
　　
　　d.控制系統備用工作電源、有一臺操作員站為廠用直流，具備開機條件
　　
　　e.冷卻水（技術供水）為“自流式”，具備開機條件
　　
　　f.DCS組態出滿足“黑啟動”條件的控制邏輯
　　
　　3.3前池水位監視
　　
　　小水電的運行方式是“以水定電”，不參與流域內的水調，不參與電網負荷調整，zui大化的利用好天然來水，就是將壩前水位控制在*位置；既不溢流浪費，又不降低水位勢能而少發電，因此監視壩前或前池水位事關電站的經濟效益。
　　
　　用DCS豐富的軟件功能，我們制做了一套監視水位的程序（組態）。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定的范圍進行考核，并執行處罰或獎利，增加了水電站經濟管理的手段（將前池水位控制在±80mm以內，水位上限距溢流高程只有20mm），提高其經濟效益。
　　
　　四、使用效果
　　
　　3月13日*次并網至今，即使在機組調試階段，因為控制系統的穩定臘子口水電站未發生棄水事件。在調試和聘用的技術人員離開后，僅靠畢業幾個月的學生操控，電站也未發過一次誤操作、誤停機。體現出全廠“一體”化設計，控制系統結構簡單，系統軟件做的很復雜但使用卻很簡單、安全的設計理念。
　　
　　幾個月中曾發生了幾次電網故障，電站在全廠停電的情況，都成功的啟動機組、帶上廠用電并入電網。
　　
　　幾個月來，整個控制系統未發生一次缺陷。
　　
　　經過幾個月的使用證明，在正常運行中，操作員誤操作幾乎沒有，但在非正常運行時如發生電網故障甩負荷、周波高（曾zui高達到55Hz）、周波低運行或被電網拖帶的電站負荷來回變化等問題時，操作工zui易誤判斷誤操作，因為這種工況較為復雜，很難事前在DCS做出合適的控制邏輯來，協助運行人員或自動處理事故，只有靠運行人員積累經驗。這也是今后軟件設計需要完善的。
　　
　　五、存在的問題
　　
　　電站在訂購設備時考慮不周，將送出高壓斷路器控制電源錯誤的選擇為交流220V，為日后“黑啟動”和發生全廠停電的事故后處理增加了麻煩。