摘 要：小型液位變送器建設工期短、開(kāi)發(fā)容易、能源清潔可再生、經(jīng)濟效果顯著(zhù)，得到大力發(fā)展，然而一批小型液位變送器已經(jīng)接近運行壽命，急需改造。通過(guò)對農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(wèn)題，結合實(shí)際工程經(jīng)驗，提出改造方案，比較不同現地控制單元的優(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(zhù)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(guò)多年的發(fā)展，水電技術(shù)已經(jīng)十分成熟。相對于發(fā)達guojia，我國的水電開(kāi)發(fā)比例仍然較低。為了解決能源短缺與生態(tài)環(huán)保問(wèn)題，液位變送器開(kāi)發(fā)在我國經(jīng)歷了一個(gè)高速發(fā)展的階段，在經(jīng)過(guò) 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(zhù)數量龐大的裝機容量在 50 000 kW 以下的小型液位變送器。隨著(zhù)小型液位變送器的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，小型液位變送器的數量、裝機容量、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山區，是當地農村電網(wǎng)的主力軍，是電網(wǎng)主網(wǎng)的有力補充，解決了偏遠地區供電難題，為促進(jìn)當地就業(yè)、經(jīng)濟發(fā)展做出巨大的貢獻。

1 小型液位變送器存在的問(wèn)題

在眾多建成的農村小型液位變送器中，存在著(zhù)一大批總裝機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建成于 20 世紀八九十年代，已經(jīng)運行 20 多年，機組設備接近使用壽命，亟待改造。這種類(lèi)型小型液位變送器很多依據地形情況修建，電站規模較小，引水系統比較簡(jiǎn)單，設備數量較少，接線(xiàn)較為簡(jiǎn)單，整體具有以下幾點(diǎn)共性：①出線(xiàn)電壓低�？傃b機容量小，出線(xiàn)電壓為 10 kV等級，送出線(xiàn)路不長(cháng)，T 接于附近的 10 kV 農村電網(wǎng)，不敷設單好的送電線(xiàn)路。②單機容量小。為了充分的利用引水量，提高利用小時(shí)，充分利用水能，均設置有幾臺機組，在總裝機容量較小的情況下，單機容量必然會(huì )小，一般不超過(guò)單機 1 000 kW。③機組額定電壓低。機組單機容量小，為了降低成本，采用低壓機組，機組額定電壓采用 400 V。小規模的小型液位變送器在經(jīng)過(guò)多年的運行，已經(jīng)在運行過(guò)程中凸顯眾多問(wèn)題，而且問(wèn)題越來(lái)越嚴重，影響正常生產(chǎn)，甚至難以滿(mǎn)足現場(chǎng)安全運行的要求。綜合目前的情況，主要存在下列幾個(gè)問(wèn)題：①運行人員不足。經(jīng)濟發(fā)展的浪潮下，小型液位變送器已經(jīng)難覓年輕人的身影，留下的一些運行人員已經(jīng)瀕臨退休，運行人員面臨青黃不接的狀況。②機組老化嚴重。小規模的小型液位變送器建造年代久遠，設備大多數運行了 20 a 左右。大多數機電設備制造于 20 世紀，機組老化嚴重、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(kāi)機、停機，手動(dòng)投切勵磁，手動(dòng)剎車(chē)等等，機組的起停、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繼電保護水平低。大量的小型機組還在使用繼電器組成的繼電保護，這種類(lèi)型的繼電保護接線(xiàn)復雜、故障率高、維修工作量大，遠遠跟不上時(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上，小型液位變送器的自動(dòng)化水平獲得長(cháng)足的進(jìn)步，基本上已經(jīng)可以實(shí)現“無(wú)人值班、少人值守”的運行模式。新建的液位變送器已經(jīng)實(shí)現計算機監控系統，完全實(shí)現自動(dòng)化，降低運行成本，提高水能利用效率，處于自動(dòng)化低谷區的農村小型液位變送器急需自動(dòng)系統改造升級，自動(dòng)化缺少的設備需要增設，自動(dòng)化水平低的需要升級。當前小型液位變送器的自動(dòng)化系統基本上采用分層分布式結構的系統，主要分為集控層、網(wǎng)絡(luò )層與現地控制單元 3 層。

2.1 集控層

集控層由工作站構成，工作站裝設監控軟件和通訊服務(wù)軟件，軟件遵循“開(kāi)放”系統設計原則，采用模塊化編程，靈活組態(tài)、適用性強，可根據不同類(lèi)型和規模的液位變送器的需求進(jìn)行針對性設計，滿(mǎn)足液位變送器在不同時(shí)期的需求。監控軟件主要完成電站控制、電站監視、事故與故障處理、數據管理等功能。①電站控制：機組自動(dòng)開(kāi)停機、機組控制模式切換、機組自動(dòng)發(fā)電、機組有功無(wú)功調節、調度與遙控。②電站監視：全站實(shí)時(shí)運行狀態(tài)監視、全站運行參數監視、控制操作過(guò)程監視、系統設備運行狀態(tài)監視。③事故與故障處理：事故與故障報警、遙測越線(xiàn)與遙信變位報警記錄、事故與故障記錄。④數據管理：運行參數數據庫生成、歷史運行參數查詢(xún)。

通訊服務(wù)軟件主要是完成與上級調度的通訊任務(wù)，可根據實(shí)際情況與電站的規模，與其他電站組成集中監控。

2.2 網(wǎng)絡(luò )層

網(wǎng)絡(luò )層是整個(gè)系統可靠運行的基礎，應具有高安全可靠性、較強的數據吞吐能力，合理的帶寬及通訊的開(kāi)放性、集成性、易用性和可維護性，保證系統的實(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 現地控制單元

現地控制單元是自動(dòng)化控制的基礎，完成對機組、機組輔助設備、其他配電設備的實(shí)時(shí)測量、控制、調節以及數據采集、處理、上傳至集控層�，F地控制單元具有#高權限的優(yōu)先級別，當網(wǎng)絡(luò )層或者集控層出現故障，失去與集控層聯(lián)絡(luò )時(shí)，仍然可以好立完成對設備的監控，通過(guò)現地 / 遠地功能切換能實(shí)現現地手動(dòng)操作，集控層與網(wǎng)絡(luò )層維護檢修時(shí)不影響電站的發(fā)電運行。目前自動(dòng)化設備廠(chǎng)家較多，各大廠(chǎng)家均有自己特點(diǎn)的產(chǎn)品，造成現地控制單元設備種類(lèi)較多，可以選擇的產(chǎn)品比較廣泛，總體可分為 2 類(lèi)，一類(lèi)為基于 PLC的控制單元，另一類(lèi)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，配置繼電保護元件、一定數量的開(kāi)關(guān)量輸入繼電器、開(kāi)關(guān)量輸出繼電器、模擬量輸入變送器、人機顯示等設備，利用控制線(xiàn)路將各個(gè)功能連接在一起組成一個(gè)控制單元。人為增加中間轉換環(huán)節，造成設備數量與費用增加，線(xiàn)路增多的同時(shí)使接線(xiàn)復雜性增大，無(wú)形中提高故障率。與此同時(shí)，由于農村小型液位變送器功能要求較為簡(jiǎn)單，數據采集的點(diǎn)數較少，采用的 PLC 一般為小型 PLC，數據處理能力較差，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)一步擴大。一般情況下，PLC 不單好設置屏柜，直接布置于發(fā)電機控制柜內，且發(fā)電機控制柜大多數就近布置于水輪發(fā)電機組附近，使 PLC 容易受到電磁干擾和環(huán)境影響。整體來(lái)說(shuō)該類(lèi)設備優(yōu)點(diǎn)是設備的通用性強、易于擴展；缺點(diǎn)是抗干擾性能差、環(huán)境適應能力較差，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，采用模塊化設計，每一個(gè)具有好立功能的部件做成一個(gè)模塊插件，通過(guò)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、勵磁、交流采樣、直流采樣、開(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)關(guān)量輸入、模擬量輸入、通訊、人機顯示等模塊。一體化集成控制單元集成度高，集中了控制、保護、調節、監視、采樣、通訊等各種功能，減少大量的輔助元件，接線(xiàn)復雜性大大降低，降低人為的故障率。主要優(yōu)點(diǎn)有抗干擾性能好、環(huán)境適應能力強、數據處理能力強、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量限制，可擴展性能差。

3 結 語(yǔ)

農村小型液位變送器的改造是一項急需進(jìn)行的工程，通過(guò)對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)有效提高電站的運行管理水平，減少運行人員數量，解決人員短缺的問(wèn)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)化改造系統架構大致相同，不同的是現地控制單元的選擇。對比 2 種不同的現地控制單元，在造價(jià)水平相當的情況下，一體化集成控制單元具有較為突出的優(yōu)點(diǎn)，應優(yōu)先考慮。