“完全无人值班”水电站可行性研究报告

中小型水电站“完全无人值班”运行模式可行性研究报告长沙华能自控集团2023年目录一、“完全无人值班”水电站的意义 PAGEREFToc245550405\h1二、国内外研究现状与发展趋势 PAGEREFToc245550406\h3三、项目实施主要内容、技术关键、预期目标 PAGEREFToc245550407\h33.1本项目实施的主要技术内容 PAGEREFToc245550408\h33.2无人值班水电站项目选点的参考意见 PAGEREFToc245550409\h11一、“完全无人值班”水电站的意义目前，我国大部分水电站已采用计算机综合自动化系统，使整个行业自动化水平大大提高，然而，到目前为止，我国数万座小水电站仍然处于有人值班状态，即使近几年投入运行的新电站，虽然实现了计算机监控与保护，但并没有完全实现无人值班，跟常规电站相比，只是值班人员有所减少，仅能称“少人值守”。“完全无人值班”是指水电站站内没有人值班，机组开、停、调相等工况转换操作、有功、无功功率调整以及运行监视等工作，由设置在县城或其他远方调度控制中心完成，在水电站现场最多只留有保安值守人员负责现场治安看守和特殊事件处理。实现水电站完全无人值班后，可以达到下面的效果。1.1、提高农村小型水电站运行的可靠性农村小型水电站大多存在运行维护人员专业水平不理想的现实情况，造成水电站运行可靠性较低，设备隐患不能及时发现，误操作较多，电站利用率下降，水电站实现自动化及完全无人值班后，一方面可通过各种自动装置快速、准确、及时地进行检测、记录和报警，既可防止不正常工作状态发展成事故,又可使发生事故的设备免遭更严重的损坏，从而提高了供电的可靠性。另一方面，通过各种自动装置来完成水电站的各项操作和控制（如开停机操作和并列），不仅可以大大减少运行人员误操作的可能，从而也减少了发生事故的机会；而且还可大大加快操作或控制的过程，尤其在发生事故的紧急情况下，保证系统的安全运行和对用户的正常供电，具有非常重大的意义。1.2、提高农村小型水电站运行的经济性水电站实现自动化后，可根据系统分配给电站的负荷和电站的具体条件，合理地进行调度，保持高水头运行，同时合理选择开机台数，使机组在高效率区运行，以获得较好的经济效益。如何实现各电站合理最优调度，避免不必要的弃水，充分利用好水力资源，对于梯级电站来说尤为重要。1.3、提高效率、节省投资农村小型水电站大多地处人口较少，交通不便的地方,完全无人值班水电站可降低运行和维护人员的劳动强度，提高效率，有效减小运行值班人员数量，降低水电站人员开支费用。完全可以省去建设职工的办公楼和生活楼，节省大量的基建费用。1.4、保证电能质量电力产品中电压和频率作为衡量电能质量好坏两项基本指标。电压正常偏移不超过额定值的±5%，频率正常偏移不超过额定值的±0.2～0.5Hz。电压或频率的的稳定主要取决于电力系统中无功功率和有功功率的平衡。因此要维持系统电压和频率在规定范围内，就必须迅速而又准确地调节有关发电机组发出的有功和无功功率。特别是在发生事故的情况下，快速的调节或控制对迅速恢复电能质量具有决定性的意义，而这个过程，单纯靠手动操作，无论在速度方面还是在精度方面都是难于实现的，只能借助于自动装置来完成。农村小水电站经常脱网运行，这种情况下，提高电能质量，保证用发电设备及农村用电设备安全，尤为重要。1.5、完全无人值班水电站实现的现实性随着电力自动化生产企业水平的提高，水电站自动化设备的完全国产化和本地化,降低了完全无人值班水电站实现的成本，使农村水电站实现完全无人值班有了坚定的物质基础和较优的性价比。二、国内外研究现状与发展趋势随着计算机技术在各个领域的高速发展，分层分布计算机监控系统在水电站推广应用，逐步取代了传统的常规控制、人工操作为主的控制模式，大大提高水电站的自动化程度，为实现水电站“完全无人值班”奠定了良好的基础。国内实现完全无人值班的单机容量为5万千瓦中小型水电站还没有，因此，本项目应是填补国内空白项目。在发达国家，经过多年的研究和发展，对水电厂的控制和管理取得了很多成果，水电厂大多实行无人值班的运行方式，职工生活在城市里，只有少数电站有很少的人员在现场进行维护管理，如法国、日本、美国、加拿大等。机组开、停、工况转换、运行监视等工作都由上级调度通过监控系统及自动装置来完成。目前，国内实施的鼓励水电开发政策，梯级或区域水电将会越来越多。单座电站一般都会采用计算机监控系统，但区域内或流域内水电厂群不具备集中控制功能，各电站都配有大量运行人员，因此区域内水电厂群实现无人值班集中控制是一种必然趋势。完全无人值班控制系统的开发成功，将代表我国小水电发展的方向，具有典范作用和广泛的推广应用价值。三、项目实施主要内容、技术关键、预期目标3.1本项目实施的主要技术内容3.1.1、水电站“完全无人值班”的1、梯级水电站全部实现“完全无人值班”，将调度监控中心设置在远离水电站的城镇。2、单座水电站实现“完全无人值班”，将监控中心设置在远距离的县城。3、400V小小水电站实现“完全无人值班”，没有远距离的监控中心，利用GPRS网用实现水电站的自动控制。3.1.2、完全无人值班水电站的计算机系统的要求◆完全无人值班水电站应以“安全运行、可靠控制”为第一重要原则，因此，在关键部分均采用双重冗余设计；◆计算机监控系统采用分层分布开放式结构，满足于业主要求的安全可靠、经济实用、技术先进、功能齐全和便于扩充等基本原则。◆可编程控制器PLC采用双CPU、双电源、双通讯模块的配置；◆远程通讯通道采用双网结构（或环行网络结构），为可靠起见，应架设两根单模光缆，不采用一根光缆中用不同光纤的结构；条件允许的地方，也可采用无线扩频技术组成远程通讯通道。◆系统设计采用最新的计算机硬件、软件及网络技术，按全计算机监控、微机保护进行总体设计及系统配置，计算机监控、保护系统能够满足自动控制和安全自动化要求，保证电站运行管理达到真正的“完全无人值班”；◆系统设计符合计算机技术发展的特点，采用模块化、结构化设计，便于硬件设备的扩充及系统规模的扩展；◆监控系统与励磁、调速器、电子式电度表、直流系统等站内智能设备的通讯亦采用双重配置。◆计算机监控系统应有自我诊断和容错技术。3.1.3、计算机监控系统计算机监控系统是水电站自动化的核心。完善、可靠的计算机监控系统能有效地完成对机组和主设备的各项操作和控制，提高电站的运行管理水平。计算机监控系统采用的是冗余设计的双网配置，也就是将上位机和下位机采用双以太网系统和双现场总线网配置。运行中他们能自动切换，保证机组安全可靠运行。计算机监控系统示意图如下：上图中各LCU屏的PLC表示为2台，实际是采用单台具有双CPU、双以太网口、双电源的PLC（下同）。3.1.4、可靠的远程通讯通道通讯通道建议采用单模光纤，根据不同的情况有下面几种通讯通道的结构：A.单座完全无人值班水电站的双通讯通道：B.完全无人值班梯级水电站双通道网络：C.完全无人值班梯级水电站环行网络图：D.无线扩频的通讯网络无线扩频技术它具有很强的抗干扰能力，可进行多址通信，安全保密强，抗多径干扰。它使用国际自由频道，不用申请无线电频道使用权。目前，多采用2.8G和5.8G的通讯频率。无线扩频不用架设通讯电缆或光纤，它的有效传输距离为50公里，但不宜在多山地区使用（高山地区使用应架设中继站），并要注意防雷措施。采用无线扩频网络组成水电站无人值班E.400V小小型水电站的GPRS网络通道许多400V小小型水电站为降低成本，不必架设通讯网络，可以利用移动电信的GPRS技术，对水电站进行控制。也就是用进行监测与控制。此时，对水机的控制设备要求较高。3.1.5、冗余设计的PLC控制技术1、完全无人值班水电站控制应可靠，核心的设备是可编程控制器PLC，要选择冗余设计的PLC产品，这些产品一般都是双CPU、双电源、双以太网通讯口设计；2、小小型水电站可用普通的非冗余设计的PLC既可。两路电源接线互相自动投切3.1.6、厂用电系统与直流电源系统的设计两路电源接线互相自动投切1、厂用电源系统应完善可靠，有必要的备用。应该有二台厂用电变压器。2、应有完善可靠的备用电源自动投入装置，双电源应互为备用，保证电源消失及设备故障时自动投入备用电源。3、厂用电应该有电量数据及状态信号输入上位机系统。4、直流电源系统是水电站安全生产的保证，一般中大型水电站应配置双系统的直流电源，互为备用，自动投切。N＋1设计的直流电源由于目前的高频开关式直流电源的充电模块都采用了N＋1的冗余设计，容量较小的水电站也可只采用一套直流电源系统。但应考虑增加直流出线回路的“微机绝缘监测仪”和“电池状态巡检仪”。N＋1设计的直流电源3.1.7、保护装置的双重配置1、单机容量在10000kW以上的机组，各种保护装置应考虑采用双重配置；2、采用双跳闸线圈断路器的地方，应采用双重保护装置；3、单机容量在10000kW以下的机组，由于变压器、发电机均是配置了差动保护、后备保护、失磁保护等多套保护装置，可以不再配置双重保护，但连接电网的出口断路器，建议采用双重保护配置。双重配置的保护单元双重配置的保护单元3.1.8、微机准同期装置的双重配置1、每个同期点应单独配置微机自动准同期装置，不采用多个同期点共用一台微机准同期装置的设计；2、中大型机组可以考虑每个同期点采用2台微机同期装置；3、仍需配置手动同期装置，用于试机调试或手动同期并网之用。双通道微机励磁系统3.1.9、微机励磁系统双通道微机励磁系统（1）采用双通道微机励磁系统；（2）励磁系统应能稳定运行，性能满足标准规定的要求，年强迫退出比应不大于0.1％；

（3）静止励磁的可控硅功率柜及其风扇故障需要有自动控制功能（例如：风压监测、风机缺相运行等），有限制无功功率和系统故障自动停机功能；

（4）灭磁系统运行正常；（5）采用环氧浇注变压器或干式变压器。（6）与上位机的通讯功能良好。16Mpa的微机调速器3.1.1016Mpa的微机调速器（1）应采用微机调速器，调速器应能稳定运行，性能满足标准规定的要求，年平均无故障时间达8670小时以上。

（2）调速器故障时应有自动停机功能。

（3）压油装置应可靠工作。如补气频繁的应有自动补气装置。尽量采用16MPa以上油压的调速器；

（4）漏油装置应有足够的容量和工作可靠。（5）与上位机的通讯功能应良好。3.1.11、工业视频监视系统水电站完全无人值班时，为安全可靠，应配置工业视频监视系统，并将图像压缩转换成数字信号，传送到调度中心。更好的方案是工业视频系统与自动消防系统能联动控制，当某处发生火灾时，能将附近的摄像头对准火灾处。3.1.12、计算机自动巡检系统计算机自动巡检系统具备巡检管理、缺陷管理，检修管理和维护管理四大功能。计算机自动巡检系统包括工作计算机和手持计算机两部分，工作计算机与电站MIS系统连接。电气和水工巡检人员巡检时，必须按照规定的路线、设备进行，利用手持机与设备上的计算机条形码进行对话，当发现设备缺陷在现场直接输入手持机，巡检完毕后，将手持机与工作计算机连接后，巡检信息进入工作计算机并自动形成表格和缺陷纪录。应定出管理制度，定期对设备进行巡检。3.1.13、计算机在线检测系统－－PSTA系统中大型机组应该配置PSTA计算机在线监测系统。监测对象是机组的振动、摆动、压力及压力脉动、涡壳差压、定转子之间气隙和机组有功、无功等工况参数。3.1.14、ON－Call系统（及时呼唤系统）On-Call系统是近年来人们逐渐发展起来的技术，它与计算机监控系统相结合，利用无线寻呼技术（电信发短信）、将生产运行信息（主要是事故报警信息）远传到相关人员的上，给水电站的“完全无人值班”、安全生产，提供了有力的保证。3.1.15、自动消防系统它有报警系统和火灾联动系统两部分组成，在中控室与计算机室采用的是气体灭火装置，其它可安装了烟感式、缆式报警装置和水消防装置。当发生火灾时火灾联动系统迅速关闭火灾现场的风道。在报警的同时并启动灭火系统灭火。水消防系统的雨淋阀和电动阀特别应采用优质产品，以免引起误动和拒动，造成重大损失。3.1.16、水电站大坝安全检测系统大中型水电站对水库大坝应有计算机大坝安全检测系统，大坝安全检测系统对大坝的表面变形、内部变形、裂缝及岸坡位移,渗流等进行检测监测：同时也对大坝的渗流压力、渗流量及浸润线、孔隙水压力、土压力、扬压力、混凝土应力等进行检测,系统可接入各种大坝安全监测传感器，系统具有信息接收、处理、存贮、计算分析等完整的大坝安全监测系统。大坝计算机安全检测系统示意图如下。3.1.17、水电站的自动化元件水电站的基础自动化元件是指各种类型的电量、非电量传感器、反映设备状态的行程开关、辅助接点、执行命令的电磁阀、伺服电机、各种开关操作机构和独立的调节装置、自动装置等。各种传感器应优先采用4～20ma输出的信号。应采用目前市场上最先进的自动化元件，以保证运行的可靠性。否则，将引起许多的麻烦！3.2无人值班水电站项目选点的参考意见目前，国内中小型水电站尚没有完全无人值班水电站成功运行的先例，因此没有成熟的经验，为此，如何选点建设水电站，完成无人值班水电站的建设，提出一些建议，供领导参考。水电站离调度中心不宜太远，目前建议在20～50公里左右为好；远程通讯通道根据情况，可以采用双通道光缆；在地势较为平坦的地区，也可采用无线扩频技术；最好一条流域上有几个水电站，统一考虑改造为无人值班水电站，分期分批逐步实施，将来能体现出技术先进性，并有更好的经济效益；水电站有较熟练的运行人员和维护工程师，人员素质较高；领导对改造成无人值班水电站有巨大的热情和积极性；对完全无人值班水电站的运行与管理，应积极地总结出良好的管理制度；最好能自筹足够的资金。

一、工程概况忠县白石镇两河片区供水工程建设规模1000m3/d规模水厂一座，水源为红旗水库，经辽阴岩净水厂常规工艺处理后，用配水管道向用户供水。该项目位于白石镇华山村，主要项目有反应沉淀池、重力式无阀滤池、清水池、加氯加药房、管理用房、减压池、配水管、围墙、进场道路及厂区道路、PE100（160、140、125、110、90、75、63、50、40、32）管道约40公里等。主要解决白石镇白花村、关金村、华山村、望岩村、中坪村5个村5617人的饮水安全问题。1、建设四方建设单位：忠县水务服务中心设计单位：重庆布泽水利电力勘测设计有限公司监理单位：北京市中冠水利工程监理有限公司重庆分公司施工单位：四川山江建工集团有限公司二、工期工期：合同工期为：20**年**月**日到20**年**月**日。实际工期20**年**月**日到20**年**月**日。在建设单位的正确部署下，组织措施落实到位，以各行政村为单元，切实做好政策处理，组织平行流水施工，使得各项工作开展顺利，按时完成了本工程的施工任务。三、主要施工方法一、PE100管施工施工准备（1）施工技术人员认真熟悉图纸，领会设计意图，对图纸中发现的问题及时与业主、监理及设计人员联系。熟悉PE100管的一般性能，掌握必须的操作要点。（2）在各项预制加工项目开始前，根据设计施工图编制材料计划，将需要的材料、设备等按规格、型号准备好，运至现场。（3）材料设备要求：管材和管件的内外壁应光滑平整，无气泡、裂纹、脱皮和明显的痕纹、凹陷，色泽应基本一致。管材的端面应垂直于管材的轴线。管件应完整、无缺损、无变形。到现场的管材、管件等自检合格后并经监理、业主验明材质，核对质保书，规格、型号等，合格后方能入库，并分别作好标识。（4）材料的保存：管件和管材不应长期置于阳光下照射，为避免管子在储运时弯曲，堆放在平整的地方且堆置高度不得超过1.5米，管件逐层堆码。搬运管材和管件时，应小心轻放，避免油污，严禁剧烈撞击，与尖锐触碰和抛、摔、拖。施工现场与材料存放处温差较大时，于安装前将管件和管材在现场放置一定时间，使其温度接近施工现场环境温度。施工条件(1)施工图纸及其他技术文件齐全,进行图纸技术交底,满足施工要求。(2)施工方案、施工技术、材料机具供应等能保证正常施工。(3)施工现场满足管道施工的条件。管道裁剪及连接1、管道的裁剪切割管材须端面垂直于管轴线，切割时使用管剪或管道切割机，必要时用锋利的钢锯，对其断面去除毛边和毛刺。管径较小（De20～De40）时用管剪比较方便，管径较大时用管道切割机或钢锯裁剪管道，在裁剪前应在裁剪的位置画好印记，确保管材端面垂直于管轴线。2、管道的连接（1）同种材质的给水聚丙烯管及管配件之间安装可采用热熔连接或电熔连接，安装应使用专用热熔或热熔工具。暗敷在地坪面内的管道不得采用丝扣或法兰连接。（2）管道一般热熔连接，以下介绍热熔连接的步骤：1）接通热熔以电源，到达工作温度指示灯亮后开始操作；2）为防止可能出现的细小裂纹和管道的损伤，在操作前，将管材两端各切下4-5厘米，以去掉受损的端口。再擦拭管材与管件的端面保证清洁、干燥、无油；试压及冲洗消毒1、试压所有的安装管网都要排空并进行压力试验。冷水管试验压力应为管道系统工作压力的1.5倍，但不得小于1.6MPa；（1）试验的准备水压试验时间应在热熔管道连接24小时后进行，在管道安装完毕之后而尚未隐封起来之前，要先向管路内通水并排出气体。如果可能的话，要把压力泵按放在系统的最低处。采用能够读出变化值为0.01MPa压力的压力表，压力表要安装在被试管网的最低点。（2）试验增大压力到规定的试验压力值。一小时之后开始试验。在这个时期虽然有压力损失，也不能增大压力。试验压力变化要小于或等于0.05MPa。在工作压力的1.15倍状态下，稳压2小时，压力降不得超过0.03MPa，同时检查各连接处不得渗漏。对试压管道应采取安全有效的固定保护措施,但接头部位必须明露。此项试验在各末端开口处用管帽封堵,所有配水器具、水表均不安装。为了能正确地辨别隐蔽管道的真实位置,隐蔽后的管道应在地面用红色油漆标识管道位置,防止在土建和其他工种施工过程中破坏管道。（3）管道通水及冲洗消毒（1）管道通水水压试验全部合格后,在供水设备具备供水条件,减压装置已调至规定的数值,各用户末端的配水器具安装完毕,室内外排水系统和设施均具备使用条件的情况下,可进行全系统通水试验。其目的在于检验供水系统的供水能力、水压是否满足设计和规范规定。（2）管道冲洗消毒给水管道系统在验收前应进行通水冲洗。冲洗水流速宜>2m/s,冲洗时应不流死角,每个配水点龙头都应打开,在系统最低点设放水口,直至冲洗出口处排水水质与进水相当为止。管道冲洗完在使用前应采用游离氯浓度为20～30mg/L的水灌满管道进行消毒,含氯水在管中应静置24h以上。管道消毒后，用饮用水冲洗，并经卫生监督管理部门取样检验，水质符合现行的国家标准《生活饮用水卫生标准》后，方可交付使用。材料的节约1、管件的合理使用由于PE管配件的价格比较昂贵，在管道安装中尽量减少管配件的使用，尤其是管径较大的干立管更应注意管件的合理使用质量控制措施在施工前,先进行包括工程特点、设计要求及本工艺规定内容的施工技术交底。增强施工人员的质量意识,调集责任心强、经验丰富的人员参与施工。设立专职质检员进行过程控制。保管好各类施工机具,特别是要保证热熔焊接机处于良好的工作状态。设置严密的质量控制体系,实行分级控制,每道工序都要进行检查,合格后方可进入下道工序。一、沟槽开挖（1）沟槽开挖前工作开槽前要认真调查了解地上地下障碍物，以便开槽时采取妥善加固保护措施，根据业主方提供的地下管线资料和我公司的现场调查，统计出现况地下管线情况，采取有效措施加以保护。（2）沟槽开挖形式根据设计图中设计管道的规格及埋置深度以及规范要求来确定沟槽开挖的形式。（3）开挖方法a.土方开挖采用机械开挖，槽底预留20cm由人工清底。开挖过程中严禁超挖，以防扰动地基。对于有地下障碍物的地段由人工开挖，严禁破坏。b.沟槽开挖尽量按先深后浅顺序进行，以利排水。c.挖槽土方处置，按现场暂存、场外暂存、外弃相结合的原则进行。开槽土方凡适宜回填的土选择妥善位置进行堆放，但不得覆盖测量等标注，均暂存于现场用于沟槽回填。回填土施工前制定合理土方调配计划，作好土方平衡少土方外运及现场土方调运。d.开槽后及时约请各有关人员验槽，槽底合格后方可进行下道工序。如遇槽底土基不符合设计要求，及时与设计、监理单位及地勘部门联系，共同研究基底处理措施，方可进行下道工序。二、下管在沟槽检底后，经核对管节、管件位置无误后立即下管。下管时注意承口方向保持与管道安装方向一致，同时在各接口处掏挖工作坑，工作坑大小为方便管道撞口安装为宜。七、检查第一节管与第二节管安装要准确，管子承口朝来水方向。安完第一节管后，用钢丝绳和手板葫芦将它锁住，以防止脱口。安装后，检查插口推入承口的位置是否符合要求，用探尺插入承插口间隙中检查胶圈位置是否正确，并检查胶圈是否撞匀。八、安装注意事项（1）管子需要截短时，插口端加工成坡口形状，割管必须用球墨铸铁管专用切割机，严禁采用气焊。（2）上胶圈之前注意，不能把润滑剂刷在承口内表面，不然会导致接口失败。十、沟槽回填（1）水压试验前，除接口处管道回填至管顶50cm以上（2）管道两侧回填高差不超过20cm。（3）回填分层进行。管道两侧和管顶以上50cm用木夯夯实，每层虚铺厚度不大于20cm；管顶以上50cm至地面用蛙式打夯机夯实，每层虚铺厚度20-25cm；应做到夯夯相连，一夯压半夯。（4）分段回填时，相邻两段接茬呈阶梯形。（5）回填土不得有石块、房渣土等不能夯实的土质。十一、水压试验（1）进行水压实验应统一指挥，明确分工，对后背、支墩、接口、排气阀等都应规定专人负责检查，并明确规定发现问题时的联络信号。（2）管道接口完成后，用短管甲、短管乙及盲板将试压管段两端及三通处封闭，试压管段除接口外填土至管顶以上50cm并夯实。做好后背及闸门、三通等管件加固。由低点进水，高点排气，注满水后浸泡24小时后，在试验压力下10min降压不大于0.05Mpa时，为合格。（3）水压实验应逐步升压，.每次升压以0.2Mpa为宜，每次升压以后，稳压检查没有问题时再继续升压。（4）水压实验时，后背、支撑、管端等附近不得站人，检查应在停止升压时进行。五、工程质量（一）质量目标及保证体系本标工程施工质量目标是“合格”等级，在监理工程师和本公司的监督下开展工作。项目经理为质量总负责，全面负责施工质量的控制，施工员、质检员、施工班组长、测量员按质量体系程序文件要求，各自做好本职工作。（二）质量保证措施1、遵循“信誉至上、质量第一”的宗旨。严格按设计和施工图纸标准精心组织施工，并接受业主和监理工程师对施工质量的检查与监督。2、加强对职工、民工的质量意识教育，牢固树立“质量第一”的观念，发扬创优传统，做好技术措施交底工作，层层落实质量管理岗位责任制。3、推行全面质量管理，强化质量保证体系，工地内设置质检组和试验组，实行专职质量管理，对工程的每个部位、每个工序都实行严格控制。4、层层落实工程质量责任制，每道工序都严格实行“三检制”，使“初检、复检、终检”责任落实到人：“初检”由施工班长负责，“复检”由项目质量员负责，“终检”由公司质安科人员负责。坚持工前有交底，工中有检查，工后有验收的一条