内容提要：本文简述了农村水电厂的特点,指出了目前在农村水电厂电气现代化设备应用上存在的问题,提出了科学的应用方法,特别是在低压机组自动控制方面提供了经济、可靠、实用的成套方案。

关键词：农村水电 现代化 应用

一、概述

我国是世界上最早利用水能发电的国家之一。在我国电力发展初期，水电起到了举足轻重的作用。特别是在山区，农村水电厂的建设促进了山区县域经济的发展。

随着改革开放的不断深入，人们对水能资源的利用产生了新的认识，民营资本也大量投入水电建设项目。特别是《可再生能源法》的颁布实施，水能资源作为优质的可再生能源，开始得到更加广泛的重视。

二、农村水电厂的基本特征和存在的主要问题

1、农村水电厂在电力系统中的作用

九十年代前，山区县电网装机容量很小，与国家大电网的连接也很薄弱，县电网基本是独立运行，农村水电厂在县级电网中的地位显得十分重要。由于农村水电厂在县电网中起着非常重要的作用，当系统发生故障时，农村水电厂的首要任务往往是以确保系统稳定为主。

随着我国电力建设的飞速发展，农村水电厂在县电网整体容量中所占比例已越来越小，山区县电网与国家电网之间的连接也逐渐加强，农村水电厂与整个电力系统的容量相比，已显得微不足道，电站的解列对系统的影响也很小，甚至可以忽略不计。因此，当系统发生故障时，农村水电厂首要的任务应是以确保电厂自身的安全、稳定为主。

2、缺乏专用的农村水电设备和技术标准

长期以来农村水电全行业一直沿用的都是按电力行业容量要求和技术配备标准生产的产品，不仅造成设备选型困难，并且由于现有设备在容量和体积上都偏大，使得设备布置和价格的优化成为难题，既增加了农村水电厂用户的经济负担，也给国家资源造成了极大的浪费。

在技术标准方面，农村水电的技术标准、规程、规范的编制和更新都严重滞后，已有的农村水电的技术标准、规程、规范因没有统一的宣贯渠道，很难及时的贯彻到全行业。

3、专业技术人员严重缺乏

由于农村水电厂大部分修建在偏远山区，工作条件和生活环境方面都十分艰苦，具有一定技能的职工很难在此安心工作，使得专业技术人员严重缺乏。在新产品、新技术大量应用的今天，农村水电厂对专业人员素质要求比以前大为提高，人才缺乏的直接后果是，新的设备不会使用，高科技技术不能充分发挥效益，IT产品无人维护，已经严重影响到现代化设备的正常工作和水电厂主设备的安全运行。

4、经济承受能力较弱

改革开放后，民办电站已成为农村水电厂的建设主流。由于银行贷款的支持力度不大，建设资金主要来自民营资本，经济承受能力较弱。建设资金的严重不足，直接影响到业主对设备投资成本的控制。

因此，农村水电厂现代化设备必须做到实用、可靠、经济，在保证可靠性的前提下，应尽可能的降低设备成本，达到方便运行和维护的目的。

三、现代化技术在农村水电的应用

我国农村水电行业管理部门历来十分重视对新技术、新产品的推广。经济、实用的现代化技术在我国农村水电行业的推广和应用较快，例如：20世纪70年代在水电厂推广应用分离元件的保护和自动装置；20世纪80年代全行业推广变电站、水电厂小型化设备；到20世纪90年代广泛的使用计算机监控、保护技术。而且在无人值班水电厂、无人值班变电站、水电厂优化运行调度、梯级电站优化运行、塑料轴瓦、自动清污机等其他技术领域的新技术应用也处于国内领先地位。

随着社会的不断发展，科学技术也在不断进步，使得对农村水电行业人才技术要求越来越高，水电投资主体的变化给农村水电管理提出了新的课题，而信息渠道不畅直接影响到农村水电行业对现代化技术的了解和应用。如何指导农村水电行业的职工应用和掌握现代化技术，科学的选择和使用高新技术设备，已经刻不容缓。

四、农村水电厂计算机监控系统

1、农村水电厂控制、保护的发展过程

农村水电厂控制、保护系统经历了常规电磁式设备；分离元件设备；CMOS四合一集控台设备；计算机控制、保护系统设备。除了电磁式常规控制、保护设备有专门为小型水电厂设计的方案外,其他大部分是由大、中型电站控制、保护系统移植的，故而适应性一直不好。在农村水电厂计算机监控系统的上位机（主站级）控制方式上,还明显的保留有大、中型水电厂监控系统的痕迹。在网络结构上则受变电站综合自动化影响较大。

2、水电厂计算机监控系统的概念

水电厂综合自动化这一名词来源于电力变电站综合自动化。随着人们对计算机监控系统认识的逐步加深，综合自动化的提法已无法严格的定义和解释变电站、水电厂自动化，目前在正规的文件和文章上已不采用。如：DL/T 578-95的定义为：水电厂计算机监控系统基本技术条件；《国家电力公司农网自动化及通信系统建设技术指导意见（试行）》的定义为：变电站自动化系统； 国家新出版的教材也都采用变电站自动化和水电厂计算机监控系统。

3、关于水电厂计算机监控、保护系统

监控和保护本属二个完全不同的专业。在学科上保护应为继电保护及安全自动装置，在教学属电力系统及其自动化专业，不属水电厂自动化设备的范畴。在我们所使用的水电厂计算机监控、保护系统设备中，微机继电保护及安全自动装置本身就是完全独立于水电厂监控系统，它们的采集、运行、执行都是相对独立的。

水电厂计算机监控、保护系统实际是两套设备：一套是水电厂计算机监控系统，另一套是继电保护及安全自动装置，它们通过通信相互连接。作为两个相对独立的产品，水电厂监控系统属水电厂专用设备，继电保护及安全自动装置属电力通用设备。

4、农村水电厂计算机监控系统的组成

农村水电厂计算机监控系统大多数由主站级和现地控制单元（现地级）组成，它们之间依靠不同的通信介质及相关网络设备加以联接。主站级大多由一台或多台计算机组成，辅以打印机、不间断电源（UPS）、调制解调器（MODEM）、卫星同步对时装置（GPS），其主要功能就是替代人工值班。现地级则由PLC或集中采集装置、常规仪表、常规控制开关、同期装置、温巡、转速信号装置、剪断销信号装置等组成；在信息量较大的水电厂还装有一体化计算机或带触摸屏的数字处理单元。

5、农村水电厂计算机监控系统的功能划分

主站级计算机的主要功能是完成对全厂主要设备的监视、控制、调节、运行记录，兼有与上级调度、闸门监控系统、大坝监测系统、视频监控、火灾报警系统、水情测报系统、水库调度及船闸控制等的通信。

现地级的主要功能是完成对水轮发电机组的自动控制、监视和调节。规范要求当主站级或网络无法正常工作的情况下，现地级仍然能独立完成对水轮发电机组的自动控制、监视和调节。这些操作可以是自动的也可以是手动的。

6、水电厂计算机监控系统通信

通信主要分为内部通信和外部通信。内部通信主要是主站级工作站、服务器及现地级LCU、调速器、励磁装置、继电保护及安全自动装置、水力机械保护、事故录波等相互之间的通信。外部通信主要有水电厂微机计算机监控系统与上级调度、闸门监控系统、大坝监测系统、视频监控、火灾报警系统、水情测报系统、水库调度及船闸控制等的通信。

水电厂计算机监控系统的通信主干网络使用最广泛的是10Mbps或 100Mbps的以太网（Ethernet），监控系统与调速器、励磁装置、继电保护及安全自动装置、直流等的通信多采用串行通信（RS485、RS232、RS422）、总线（如CAN总线）通信等。监控系统常用的接口方式：串行接口、网络接口（RJ45或光纤）、总线。

监控系统的通信载体有双绞线及双绞屏蔽电缆、同轴电缆、光纤、无线传输等。

7、水电厂计算机监控系统的基本配置

水电厂计算机监控系统一般只包括主站级计算机及其相关设备和现地级LCU。它的设备范围为计算机及其相关设备，网络设备，LCU。

主站级计算机的配置依赖于市场的流行趋势和用户的资金投入。客观地说，对于农村水电厂计算机监控系统，市场流行的工业控制机或品牌机按标准配置都可满足需要。

水电厂机组的顺控主要由现地级LCU的PLC来完成，PLC配置档次的高低主要取决于设计院的选型，LCU屏里的其它装置都是配套设备。目前，在农村水电厂计算机监控系统中广泛采用的PLC有：施耐德的Quantum系列；GE的9030、VersaMax；AB的SLC-500、MicroLojix1200和1500;欧姆龙的CPM1A、CPM2A等。只要选择适合的点数，以上任一种产品都能满足运行要求。主站级计算机、网络设备、PLC是决定监控系统价格的主要设备。

8、农村水电厂计算机监控系统的结构

水电厂计算机监控系统结构的描述里，讲述最多的是分层分布式结构。实际上大家讲述的监控系统结构只是计算机系统网络结构形式。水电厂计算机监控系统的结构应该按智能装置的相对物理位置划分较为合理。不管是集中式还是分层分布式结构，都可以满足农村水电厂的运行需求，只是分层分布式结构比集中式在造价上要贵很多。

9、农村水电厂自动化与计算机监控系统

20世纪20年代在美国、瑞士等国家的水电厂就已采用自动化控制模式。40年代，国外水电厂运行采用在中控室和机旁两级值班；到50年代后期，就已开始实现无人值班。所以说，水电厂自动化控制不是现在才有的，也并非一定要采用计算机监控系统才能实现。只要设计合理，常规设备一样可以达到自动化控制的目的。

水电厂计算机监控是水电厂自动化的重要组成部分，计算机监控功能的发挥取决于水电厂相关自动化设备的配置是否完善。

10、常规监控与计算机监控系统的区别

常规监控系统是以人为核心进行信息处理的，不可避免的可能出现失误，因而其准确率和可靠性不高；常规测量和测量仪表的取值误差较大，既有测量的误差，还有观察的误差；信号装置不能准确的告知和记录事故发生的时间和顺序。而计算机监控系统则具有自动数据采集处理、 运行监视（状态变化、故障报警等）、 事件顺序记录SOE、事故追忆、远动、安全操作闭锁、自诊断、自恢复、实时控制和调节（AGC、AVC）等功能。

五、数字式保护继电器

自20世纪60年代中期，英国、澳大利亚和美国的一些学者提出利用计算机构成继电保护装置以来，到20世纪90年代，数字保护已成为继电保护的主流。

我国的数字保护的研究始于20世纪70年代末，华北电力学院于1984年研制出第一套以单片微处理器为基础的数字保护并投入试运行。到90年代中期，我国自行生产的的计算机继电保护装置，已基本能满足各级电压的电力设备对继电保护的要求，其正确动作率也已达到97.26%，与常规继电保护的正确动作率相近。

目前我国生产的数字保护大都采用16位CPU，最近几年一些大厂相继推出了32位的DSP产品，虽然在性能上有所提高，但也增加了设备成本，而这些成本是要由用户来承担的。

六、开关柜选型及KYN型开关柜

近几年，在农村水电厂设备选型上奢华之风日盛，造成极大的浪费。在户内高压配电装置设计和选型方面，我们在选择开关柜时强调的主要应是柜内的断路器、隔离开关、操作机构、TA、TV和相关辅助设备的技术性能和指标。在设备型号上，不管是KYN18、KYN28、 XGN还是GG-1A（改型）,它们的主要差异在于柜体结构设计上的不同和防护等级上的区别。而在选择同样的内部设备配置的情况下,开关柜价格相差近一倍。在电气设计上不管选用那种柜型，其设计工作量并不会增加，可是最近几年，在农村水电厂高压开关柜选型时，大量选用价格昂贵的KYN系列产品，而不去选择价廉物美的产品。

KYN开关柜的全称为：铠装型移开式户内交流金属封闭开关设备，现在习惯称之为中置柜。KYN开关柜具有体积小、互换性好、防护等级高的优点，能够减少停电时间,提高供电可靠性,因此在变电站中大量被采用。但由于其价格昂贵、维护复杂,对农村水电厂的适用性不是太好,在过去农村水电厂设计中很少选择使用。

农村水电厂决定土地建筑面积的是主厂房，10kV配电室在设计时很少受建筑面积的影响。农村水电厂选用的开关柜型号单一，也决定了农村水电厂高压配电装置对开关设备互换性的要求不高,所以80年代以前一般采用GG-1A柜, 90年代以后一般采用XGN柜，很少采用手车柜。

目前，在农村水电厂10kV高压配电装置选型中,宜优先选择XGN系列产品。设备布置十分困难的时候（一般不会发生）也可考虑采用KYN系列产品，这样可节约大量建设资金和运行维护费用，但在选用KYN开关柜时，一定要分充考虑其散热和局放问题。

七、直流系统选型

直流系统是水电厂必不可少的安全电源和操作电源，以前由于蓄电池价格昂贵，维护复杂，小型水电厂大都采用替代方式解决。随着蓄电池制造工艺的改善，成本下降，直流成套设备已大量在农村水电厂采用。我国农村水电厂以前所使用的直流充电设备大部分是采用相控电源，新建的农村水电厂都已广泛的采用了新型的高频开关电源。

90年代以来，美国、德国等西方国家在新建电站和变电站全部采用高频开关电源，其蓄电池采用免维护铅酸蓄电池，由于新的断路器弹簧储能式操作机构的广泛采用，合闸电流大幅减少。电站所选蓄电池的容量也相应减小，为采用免维护铅酸蓄电池创造了条件。

现在人们俗称的免维护蓄电池，其全称应为：阀控式密封铅酸蓄电池（VRLAB）。其优点是外形尺寸小，电池带电出厂，运行过程中气体（包括酸液）逸出很少，维护工作量相对较少。

选择高频直流电源装置时，并非技术等级越高价格越贵越好。目前高频开关电源在原理上已很成熟，只要选择具有稳定运行经验的产品就可以满足要求。

直流系统相同产品价格差异很大的主要原因是高频开关电源模块的生产成本不同，主要表现为所用材料的差异，如有进口元件和国产元件之分；还有所用模块的输出电流大小，也会在价格上产生很大差异，模块输出电流小，配的模块数就多，可靠性虽高，但成本增加。

免维护蓄电池并不是不需维护，其既然属铅酸电池，那么对铅酸蓄电池的维护要求都适用于免维护蓄电池。否则将会直接影响到电池的使用寿命，如果维护、管理不到位还会给电厂运行带来安全隐患。

八、调速器的选型

目前，除小调还有机械液压调速器在继续生产之外，大、中调一般都是以微机调速器产品为主。调速器产品的生产特点是单台小批量生产，形成一定生产规模的厂家不多，生产专业化程度也较低。由于一些设计人员不切实际地片面追求设备的高配置，在中、小型调速器设备的选型中盲目攀比大型及巨型机组调速器配置。

微机调速器的技术已十分成熟，各厂的产品在技术上差别不大。而且调速器的大多数生产厂家只生产电气柜部分，液压部分一般是外协生产。所以，用于农村水电厂的微机调速器，只有产品加工质量的差别，没有实质的技术差异。

微机调速器电控部分有工控机、PLC（PPC）和单片机三种形式。目前市场上广泛使用的是PLC型。但是资料标明：调速器中含有PLC调节器对调速器动态性能指标之一的接力器不动时间Tq和甩满负荷后的调节时间TP都偏大，而采用性能档次高的MC（微机）调节器，其Tq、TP值会小的多。

调速器的调速功与水轮机转轮直径有关，所用油压一般为63KG，称为常油压。最近几年在大、中型调速器广泛采用100KG以上的高油压，小型调速器也在逐步采用高油压。

九、励磁装置的选型

过去励磁调节器采用的是以晶体管为主的分离元件组成的半导体励磁调节器（模拟励磁调节器），现在励磁调节器则都采用以计算机为核心的微机励磁调节器（数字励磁调节器）。在数字式励磁调节器问世之前，模拟励磁调节器已基本上能满足目前电力系统的要求，其性能已十分稳定，故障率很低。缺点是半导体励磁调节器的各项功能是靠硬件来实现的，每增加一项功能就需增加一套硬件。

微机励磁调节器的种类很多，有工控机的、单片机的，还有PLC的。不管哪一种对于农村水电厂都能满足要求，现在在农村水电厂使用较多的是PLC励磁调节器，采用PLC主要是看中了PLC本身的高可靠性，可以减少将来设备生产厂家的现场维护工作，在很多参数和性能上PLC励磁调节器不如工控机和单片机励磁调节器，但农村水电厂交通不便，电网对其指标要求也不高，选择PLC励磁调节器还是合适的。

十、数字式自动准同期装置

水电厂目前采用的数字式自动准同期设备有高、中、低三种档次产品，它们之间的主要差异是功能上的，但价格却相差好几万，高档产品最低价也要两万多元一台。而实际上在农村水电厂采用中、低档产品就足以满足并网发电的要求，有的产品仅需几千元就可以购买到。

十一、农村水电厂监控设备的生命周期

受IT行业产品更新换代快的影响，农村水电厂监控设备和智能装置的使用寿命都有一定生命周期，一种是物理上的使用寿命，即设备老化不能再使用；另一种是道义上的使用寿命，即再使用已不合算或是买不到配件，或是维修成本太高。道义上的使用寿命比物理上的使用寿命要短很多。

据资料统计，国外水电厂监控设备道义上的使用寿命大约为十到十五年，国内水电厂监控设备道义上的使用寿命大约为五到八年，如果采用的是专用高挡的IT设备，其道义上的使用寿命会更短，如果采用的是通用的普通IT设备则会长一些。

十二、低压机组控制、调节设备

2003年，水利部颁布了《农村水电技术现代化指导意见》（水电[2003]170号文），要求农村水电行业在2015年前全面实现现代化，要通过科技创新，管理创新，使农村水电市场竞争力明显提高。要实现水利部水电[2003]170号文提出的发展总体目标，很重要的一环就是要解决如何实现低压机组水电站现代化。

由于低压机组水电站自动控制设备的利润率很低，自动化设备生产厂家大都不愿意对其投入研发力量，多少年来都是由主机设备生产厂家配套，直到现在，低压机组水电站自动控制设备还是以常规控制为主。虽然近几年自动化控制设备生产厂家做了一些微机低压机组控制设备产品，但也只是将高压机组的微机监控设备稍加简化后用于低压机组，造成监控设备价格始终居高不下，影响了用户的使用热情。

针对我国低压机组水电站普遍存在技术装备落后、自动化程度低，运行人员的劳动强度大、事故频繁、生产效率低下，电能质量极不稳定的特点。国内已有少数自动化厂家推出了几款专门针对低压机组的微机自动控制设备。除此之外，加拿大Powerbase的产品在我国低压机组水电站运用中也有良好的表现。

国内的低压机组微机自动控制设备都是按减少低压机组水电站控制设备配置的设计思路进行设计，尽量使设备的结构模块化、一体化，以达到在减少投资的前提下实现高度自动化目的。

武汉华工电气在总结国内低压机组控制设备使用现状的基础上研发的第三代CSCS-900系列产品，除了具有将控制、测量、保护设备与一次设备同组一屏，在配置上按一机一屏设计的基本特征外，整套设备是按系统成套配置设计。系统成套内容包括一次、二次设备和专门为低压机组开发的调速器以及机组自动刹车等设备，可以实现对低压机组的完整操作,具有高集成、低成本、易操作、易维护及互换性好等特点。由于配备了专用调速器，不但实现了自动快速并网、事故自动关机等功能，还能按给定的功率值自动调整出力，并可按设定值自动刹车，真正解决了低压机组的运行安全问题。

CSCS-900系列产品设备的研发中充分考虑我国低压机组水电站基础设备条件差，厂用电不可靠，电站运行人员素质普遍偏低，对高技术设备不易掌握等特点。利用微电子和现代通信技术，解决了常规控制设备可靠性不高、调节性能差、同期困难、自动化程度低的不足，使电站不但能并网运行，还可在脱离大电网的孤网环境下安全、正常运转，从而使低压机组水电站实现无人值班成为可能 （工控在线 www.online-ipc.com）