摘 要：小型液位變送器建設工期短、開發容易、能源清潔可再生、經濟效果顯著，得到大力發展，然而一批小型液位變送器已經接近運行壽命，急需改造。通過對農村小型液位變送器實際情況分析，提出小型液位變送器中存在的問題，結合實際工程經驗，提出改造方案，比較不同現地控制單元的優缺點。
水電是一種重要的能源，因其清潔性和可再生性，得到大力發展。隨著制造裝備技術水平的提高，水電技術得到飛速的提高，經過多年的發展，水電技術已經十分成熟。相對于發達guojia，我國的水電開發比例仍然較低。為了解決能源短缺與生態環保問題，液位變送器開發在我國經歷了一個高速發展的階段，在經過 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，有著數量龐大的裝機容量在 50 000 kW 以下的小型液位變送器。隨著小型液位變送器的進一步開發，小型液位變送器的數量、裝機容量、年發電量仍在增加。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，是當地農村電網的主力軍，是電網主網的有力補充，解決了偏遠地區供電難題，為促進當地就業、經濟發展做出巨大的貢獻。
1 小型液位變送器存在的問題
在眾多建成的農村小型液位變送器中，存在著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，已經運行 20 多年，機組設備接近使用壽命，亟待改造。這種類型小型液位變送器很多依據地形情況修建，電站規模較小，引水系統比較簡單，設備數量較少，接線較為簡單，整體具有以下幾點共性：①出線電壓低。總裝機容量小，出線電壓為 10 kV等級，送出線路不長，T 接于附近的 10 kV 農村電網，不敷設單好的送電線路。②單機容量小。為了充分的利用引水量，提高利用小時，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，單機容量必然會小，一般不超過單機 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過多年的運行，已經在運行過程中凸顯眾多問題，而且問題越來越嚴重，影響正常生產，甚至難以滿足現場安全運行的要求。綜合目前的情況，主要存在下列幾個問題：①運行人員不足。經濟發展的浪潮下，小型液位變送器已經難覓年輕人的身影，留下的一些運行人員已經瀕臨退休，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、影響電站發電效益，且存在眾多的安全隱患。③自動化水平低。眾多的小型液位變送器還停留在手動操作的水平，手動開機、停機，手動投切勵磁，手動剎車等等，機組的起停、發電處于手工操作階段，自動化水平極其低下，電能質量不高。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，這種類型的繼電保護接線復雜、故障率高、維修工作量大，遠遠跟不上時代的發展。
2 解決方案
在大電網智能化的大背景，液位變送器自動化水平逐步發展完善，尤其是大中型液位變送器的自動化水平已經很高，小型液位變送器的自動化水平與大中型液位變送器相比，差距較為明顯。在液位變送器自動化總體水平提高的基礎上，小型液位變送器的自動化水平獲得長足的進步，基本上已經可以實現“無人值班、少人值守”的運行模式。新建的液位變送器已經實現計算機監控系統，完全實現自動化，降低運行成本，提高水能利用效率，處于自動化低谷區的農村小型液位變送器急需自動系統改造升級，自動化缺少的設備需要增設，自動化水平低的需要升級。當前小型液位變送器的自動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、網絡層與現地控制單元 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軟件，軟件遵循“開放”系統設計原則，采用模塊化編程，靈活組態、適用性強，可根據不同類型和規模的液位變送器的需求進行針對性設計，滿足液位變送器在不同時期的需求。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：機組自動開停機、機組控制模式切換、機組自動發電、機組有功無功調節、調度與遙控。②電站監視：全站實時運行狀態監視、全站運行參數監視、控制操作過程監視、系統設備運行狀態監視。③事故與故障處理：事故與故障報警、遙測越線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。
通訊服務軟件主要是完成與上級調度的通訊任務，可根據實際情況與電站的規模，與其他電站組成集中監控。
2.2 網絡層
網絡層是整個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放性、集成性、易用性和可維護性，保證系統的實時通信與信息交換。網絡通訊主要采用 RS - 232/RS 485 和以太網雙網冗余通訊，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、其他配電設備的實時測量、控制、調節以及數據采集、處理、上傳至集控層。現地控制單元具有#高權限的優先級別，當網絡層或者集控層出現故障，失去與集控層聯絡時，仍然可以好立完成對設備的監控，通過現地 / 遠地功能切換能實現現地手動操作，集控層與網絡層維護檢修時不影響電站的發電運行。目前自動化設備廠家較多，各大廠家均有自己特點的產品，造成現地控制單元設備種類較多，可以選擇的產品比較廣泛，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，配置繼電保護元件、一定數量的開關量輸入繼電器、開關量輸出繼電器、模擬量輸入變送器、人機顯示等設備，利用控制線路將各個功能連接在一起組成一個控制單元。人為增加中間轉換環節，造成設備數量與費用增加，線路增多的同時使接線復雜性增大，無形中提高故障率。與此同時，由于農村小型液位變送器功能要求較為簡單，數據采集的點數較少，采用的 PLC 一般為小型 PLC，數據處理能力較差，故障發生時容易發生延時發出命令的情況，有可能造成故障的進一步擴大。一般情況下，PLC 不單好設置屏柜，直接布置于發電機控制柜內，且發電機控制柜大多數就近布置于水輪發電機組附近，使 PLC 容易受到電磁干擾和環境影響。整體來說該類設備優點是設備的通用性強、易于擴展；缺點是抗干擾性能差、環境適應能力較差，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，每一個具有好立功能的部件做成一個模塊插件，通過裝置的主板插槽將各個功能組合成一個整體。主要模塊插件包括電源、DSP 處理器、勵磁、交流采樣、直流采樣、開關量輸入、開關量輸入、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，接線復雜性大大降低，降低人為的故障率。主要優點有抗干擾性能好、環境適應能力強、數據處理能力強、插件配置更換簡易、可靠性高，與具有同等功能的 PLC 相比較造價便宜；缺點是受制于主板插槽的數量限制，可擴展性能差。
3 結 語
農村小型液位變送器的改造是一項急需進行的工程，通過對小型液位變送器的自動化改造，在提高液位變送器發電效率的同時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，不能采用同一個自動化模式，但是自動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點，應優先考慮。
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