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关于小型液位变送器的自动化改造的技术解析
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关于小型液位变送器的自动化改造的技术解析

时间:2019-10-19 14:51:37
摘 要:小型液位变送器建设工期短、开发容易、能源清洁可再生、经济效果显著,得到大力发展,然而一批小型液位变送器已经接近运行寿命,急需改造。通过对农村小型液位变送器实际情况分析,提出小型液位变送器中存在的问题,结合实际工程经验,提出改造方案,比较不同现地控制单元的优缺点。
水电是一种重要的能源,因其清洁性和可再生性,得到大力发展。随着制造装备技术水平的提高,水电技术得到飞速的提高,经过多年的发展,水电技术已经十分成熟。相对于发达国家,我国的水电开发比例仍然较低。为了解决能源短缺与生态环保问题,液位变送器开发在我国经历了一个高速发展的阶段,在经过 20 多年的不断兴建,已建成大量的大大小小各种型式的液位变送器。在这些已建成的液位变送器中,有着数量庞大的装机容量在 50 000 kW 以下的小型液位变送器。随着小型液位变送器的进一步开发,小型液位变送器的数量、装机容量、年发电量仍在增加。这些小型液位变送器分布较为分散,主要位于交通不太便利的偏远山区,是当地农村电网的主力军,是电网主网的有力补充,解决了偏远地区供电难题,为促进当地就业、经济发展做出巨大的贡献。
1 小型液位变送器存在的问题
在众多建成的农村小型液位变送器中,存在着一大批总装机容量从几百千瓦到两三千千瓦的小型液位变送器。这些小型液位变送器大多数建成于 20 世纪八九十年代,已经运行 20 多年,机组设备接近使用寿命,亟待改造。这种类型小型液位变送器很多依据地形情况修建,电站规模较小,引水系统比较简单,设备数量较少,接线较为简单,整体具有以下几点共性:①出线电压低。总装机容量小,出线电压为 10 kV等级,送出线路不长,T 接于附近的 10 kV 农村电网,不敷设单好的送电线路。②单机容量小。为了充分的利用引水量,提高利用小时,充分利用水能,均设置有几台机组,在总装机容量较小的情况下,单机容量必然会小,一般不超过单机 1 000 kW。③机组额定电压低。机组单机容量小,为了降低成本,采用低压机组,机组额定电压采用 400 V。小规模的小型液位变送器在经过多年的运行,已经在运行过程中凸显众多问题,而且问题越来越严重,影响正常生产,甚至难以满足现场安全运行的要求。综合目前的情况,主要存在下列几个问题:①运行人员不足。经济发展的浪潮下,小型液位变送器已经难觅年轻人的身影,留下的一些运行人员已经濒临退休,运行人员面临青黄不接的状况。②机组老化严重。小规模的小型液位变送器建造年代久远,设备大多数运行了 20 a 左右。大多数机电设备制造于 20 世纪,机组老化严重、效率低下、影响电站发电效益,且存在众多的安全隐患。③自动化水平低。众多的小型液位变送器还停留在手动操作的水平,手动开机、停机,手动投切励磁,手动刹车等等,机组的起停、发电处于手工操作阶段,自动化水平极其低下,电能质量不高。④继电保护水平低。大量的小型机组还在使用继电器组成的继电保护,这种类型的继电保护接线复杂、故障率高、维修工作量大,远远跟不上时代的发展。
2 解决方案
在大电网智能化的大背景,液位变送器自动化水平逐步发展完善,尤其是大中型液位变送器的自动化水平已经很高,小型液位变送器的自动化水平与大中型液位变送器相比,差距较为明显。在液位变送器自动化总体水平提高的基础上,小型液位变送器的自动化水平获得长足的进步,基本上已经可以实现“无人值班、少人值守”的运行模式。新建的液位变送器已经实现计算机监控系统,完全实现自动化,降低运行成本,提高水能利用效率,处于自动化低谷区的农村小型液位变送器急需自动系统改造升级,自动化缺少的设备需要增设,自动化水平低的需要升级。当前小型液位变送器的自动化系统基本上采用分层分布式结构的系统,主要分为集控层、网络层与现地控制单元 3 层。
2.1 集控层
集控层由工作站构成,工作站装设监控软件和通讯服务软件,软件遵循“开放”系统设计原则,采用模块化编程,灵活组态、适用性强,可根据不同类型和规模的液位变送器的需求进行针对性设计,满足液位变送器在不同时期的需求。监控软件主要完成电站控制、电站监视、事故与故障处理、数据管理等功能。①电站控制:机组自动开停机、机组控制模式切换、机组自动发电、机组有功无功调节、调度与遥控。②电站监视:全站实时运行状态监视、全站运行参数监视、控制操作过程监视、系统设备运行状态监视。③事故与故障处理:事故与故障报警、遥测越线与遥信变位报警记录、事故与故障记录。④数据管理:运行参数数据库生成、历史运行参数查询。
通讯服务软件主要是完成与上级调度的通讯任务,可根据实际情况与电站的规模,与其他电站组成集中监控。
2.2 网络层
网络层是整个系统可靠运行的基础,应具有高安全可靠性、较强的数据吞吐能力,合理的带宽及通讯的开放性、集成性、易用性和可维护性,保证系统的实时通信与信息交换。网络通讯主要采用 RS - 232/RS 485 和以太网双网冗余通讯,相比较以前的 RS - 232/RS 485 单通道通讯,可靠性得到提高。
2.3 现地控制单元
现地控制单元是自动化控制的基础,完成对机组、机组辅助设备、其他配电设备的实时测量、控制、调节以及数据采集、处理、上传至集控层。现地控制单元具有非常高权限的优先级别,当网络层或者集控层出现故障,失去与集控层联络时,仍然可以好立完成对设备的监控,通过现地 / 远地功能切换能实现现地手动操作,集控层与网络层维护检修时不影响电站的发电运行。目前自动化设备厂家较多,各大厂家均有自己特点的产品,造成现地控制单元设备种类较多,可以选择的产品比较广泛,总体可分为 2 类,一类为基于 PLC的控制单元,另一类为高度集成的一体化控制单元。①基于PLC 的控制单元:采用普及率较高的 PLC,以 PLC 为基础,配置继电保护元件、一定数量的开关量输入继电器、开关量输出继电器、模拟量输入变送器、人机显示等设备,利用控制线路将各个功能连接在一起组成一个控制单元。人为增加中间转换环节,造成设备数量与费用增加,线路增多的同时使接线复杂性增大,无形中提高故障率。与此同时,由于农村小型液位变送器功能要求较为简单,数据采集的点数较少,采用的 PLC 一般为小型 PLC,数据处理能力较差,故障发生时容易发生延时发出命令的情况,有可能造成故障的进一步扩大。一般情况下,PLC 不单好设置屏柜,直接布置于发电机控制柜内,且发电机控制柜大多数就近布置于水轮发电机组附近,使 PLC 容易受到电磁干扰和环境影响。整体来说该类设备优点是设备的通用性强、易于扩展;缺点是抗干扰性能差、环境适应能力较差,故障率较高,整体可靠性差。②一体化集成控制单元:以嵌入式 DSP 处理器为核心,采用模块化设计,每一个具有好立功能的部件做成一个模块插件,通过装置的主板插槽将各个功能组合成一个整体。主要模块插件包括电源、DSP 处理器、励磁、交流采样、直流采样、开关量输入、开关量输入、模拟量输入、通讯、人机显示等模块。一体化集成控制单元集成度高,集中了控制、保护、调节、监视、采样、通讯等各种功能,减少大量的辅助元件,接线复杂性大大降低,降低人为的故障率。主要优点有抗干扰性能好、环境适应能力强、数据处理能力强、插件配置更换简易、可靠性高,与具有同等功能的 PLC 相比较造价便宜;缺点是受制于主板插槽的数量限制,可扩展性能差。
3 结 语
农村小型液位变送器的改造是一项急需进行的工程,通过对小型液位变送器的自动化改造,在提高液位变送器发电效率的同时有效提高电站的运行管理水平,减少运行人员数量,解决人员短缺的问题。尽管每一座液位变送器有其自身的要求,不能采用同一个自动化模式,但是自动化改造系统架构大致相同,不同的是现地控制单元的选择。对比 2 种不同的现地控制单元,在造价水平相当的情况下,一体化集成控制单元具有较为突出的优点,应优先考虑。
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