基于電氣自動(dòng)化在水電站中的應(yīng)用研究

林鏡湖

[摘要]文章首先介紹水電站采用電氣自動(dòng)化的目的，詳細(xì)分析電氣自動(dòng)化在水電站中的應(yīng)用，探討PLC在軸流槳式水輪機(jī)調(diào)速器中的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]水電站；電氣自動(dòng)化；PLC；調(diào)速器

引言

隨著水電站自動(dòng)化水平的提高，水輪發(fā)電機(jī)組所需自動(dòng)化元件愈來愈多，其作用就愈重要，這又主要體現(xiàn)在水電站的自動(dòng)化方面。水電站運(yùn)營水平和現(xiàn)代化水平的高低主要取決于其內(nèi)部電氣自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)程度。而電氣自動(dòng)化是指生產(chǎn)過程中的控制、操作及監(jiān)視等重要步驟可以在無人（或少人）情況下按預(yù)設(shè)程序完成?？梢姡姎庾詣?dòng)化能在不降低安全保證的情況下提升水電站運(yùn)行的工作效率及經(jīng)濟(jì)性，是水電領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

1.水電站采用電氣自動(dòng)化的目的

電氣自動(dòng)化以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)。綜合了數(shù)字控制、可編程邏輯控制等先進(jìn)技術(shù)，是水力發(fā)電智能化發(fā)展的必由模式。在現(xiàn)階段，廣泛推行電氣自動(dòng)化，能達(dá)到以下目的。

（1）確保電能質(zhì)量。隨著時(shí)代的發(fā)展，公眾對(duì)電力的需求不僅表現(xiàn)在數(shù)量上，更體現(xiàn)在質(zhì)量上。表示電能質(zhì)量好壞的指標(biāo)主要是頻率和電壓，前者由系統(tǒng)的有功功率平衡決定，后者由系統(tǒng)的無功功率平衡決定。顯然，僅僅依靠人工的手動(dòng)操作很難使隨時(shí)變化的發(fā)電電荷滿足人們對(duì)電能質(zhì)量的要求，而采用自動(dòng)裝置則可以及時(shí)又準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功及無功出力，達(dá)到保持頻率和電壓穩(wěn)定的目的。

（2）提升水電工作的安全性。采用電氣自動(dòng)化后，所有的生產(chǎn)設(shè)備能夠準(zhǔn)確、快速啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和事故判斷的實(shí)時(shí)輔助，這樣一方面能防止事故出現(xiàn)時(shí)故障面擴(kuò)大（通過自動(dòng)裝置控制相關(guān)開關(guān)并報(bào)警），另一方面也使水電生產(chǎn)不中斷（通過自動(dòng)啟用備用設(shè)備等）。另外，將自控裝置引入各關(guān)鍵流程，可顯著降低因人工誤操做風(fēng)險(xiǎn)。

（3）實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。眾所周知，水輪機(jī)組滿負(fù)荷工作是一種理想狀態(tài)，而實(shí)際由于水流量、機(jī)組故障等各方面因素使得這一狀態(tài)較難實(shí)現(xiàn)。在利用自控裝置后，系統(tǒng)能在結(jié)合當(dāng)前水利條件的情況下，計(jì)算出最佳運(yùn)行組數(shù)，即使最少的水產(chǎn)生出最多的電能。

（4）提高水電站運(yùn)行效率。采用電氣自動(dòng)化，無疑可大大減少運(yùn)行人員數(shù)量，并降低實(shí)際操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作量。

2.水電站中電氣自動(dòng)化的應(yīng)用場(chǎng)合

水電站的類型、級(jí)別、電氣主接線、機(jī)組規(guī)格及安置方式等因素會(huì)影響到電氣自動(dòng)化的具體應(yīng)用。但總體來說，以下幾個(gè)層面是共有的。

2.1水輪發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)控制

應(yīng)用過程：機(jī)組監(jiān)控設(shè)備將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送至控制室計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)啟動(dòng)預(yù)先設(shè)定的運(yùn)行程序并判斷機(jī)組運(yùn)行狀況，然后再依照相關(guān)邏輯規(guī)則發(fā)出控制（或調(diào)整）指令。應(yīng)用內(nèi)容：（1）實(shí)現(xiàn)機(jī)組開、關(guān)，調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)電，發(fā)電轉(zhuǎn)調(diào)相等項(xiàng)目的智能化控制。（2）實(shí)時(shí)計(jì)算最佳運(yùn)行機(jī)組數(shù)并自動(dòng)控制，在機(jī)組間智能分配負(fù)荷（包括自主調(diào)節(jié)有功和無功），從而維系水輪發(fā)電機(jī)的低成本運(yùn)行。（3）當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)意外或者外部系統(tǒng)發(fā)生事故而導(dǎo)致頻率降低。預(yù)設(shè)程序通過啟動(dòng)備用機(jī)組來維持系統(tǒng)穩(wěn)定反之，汛期來臨頻率過高時(shí)，預(yù)設(shè)程序會(huì)關(guān)閉一些機(jī)組。

2.2主要輔助設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控

在水電站中，圍繞發(fā)電機(jī)組有一些主要的輔助設(shè)備，這些設(shè)備的運(yùn)行工況同樣影響著電站的穩(wěn)定生產(chǎn)。電氣自動(dòng)化在這里有了廣泛的應(yīng)用。

應(yīng)用過程：通過“監(jiān)測(cè)設(shè)備——控制設(shè)備——控制節(jié)點(diǎn)”的方式，將輔助設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)庫和預(yù)設(shè)規(guī)則比對(duì)，判斷輔助設(shè)備的健康狀態(tài)并相應(yīng)控制設(shè)備的電氣參數(shù)。

應(yīng)用內(nèi)容：（1）檢測(cè)定子和轉(zhuǎn)子回路是否正常；（2）檢測(cè)定子繞組的鐵芯溫度是否正常；（3）檢查機(jī)組潤滑度及變速系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)等是否正常；（4）以上無論哪部分出現(xiàn)問題，電氣自動(dòng)化系統(tǒng)都會(huì)迅速啟動(dòng)應(yīng)急程序和保護(hù)措施，同時(shí)將故障信息上傳警報(bào)。

2.3主要電氣設(shè)備的監(jiān)控和保護(hù)

水力發(fā)電的輸出離不開變壓器、母線、開關(guān)柜、輸電線路等主要電氣設(shè)備。對(duì)這些設(shè)備的監(jiān)控和保護(hù)成了水電站電氣自動(dòng)化應(yīng)用的必然內(nèi)容。

應(yīng)用過程：通過PT、CT等設(shè)備采集到的電氣量，判斷設(shè)備是否有故障，并視故障情況作出反應(yīng)。

應(yīng)用表現(xiàn)：（1）對(duì)不立即危害發(fā)電機(jī)組的異常情況（如機(jī)組冷卻水源中斷、機(jī)組溫度超限、油槽油面異常、推力軸承或者導(dǎo)軸承溫度升高等），只發(fā)警告以引起運(yùn)行人員的注意；（2）對(duì)于超過保護(hù)整定限值的故障情況（如機(jī)組過速且調(diào)速器失靈、導(dǎo)水葉剪斷、銅管爆破等），電氣自動(dòng)化系統(tǒng)不但跳開斷路器和，還同時(shí)關(guān)閉機(jī)組進(jìn)水閘門。

2.4機(jī)組外輔助設(shè)備的監(jiān)控

完整的水電站擁有數(shù)量眾多的水泵、空壓機(jī)、油泵等機(jī)組外電氣設(shè)備，以及浩大的水工建筑物。電氣自動(dòng)化在這一塊的應(yīng)用為：（1）控制水泵等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，故障時(shí)及時(shí)投入備用設(shè)備；（2）檢測(cè)大壩閘門是否可正常啟動(dòng)，檢測(cè)攔污柵是否堵塞，當(dāng)水位過高過低時(shí)引發(fā)自動(dòng)報(bào)警。

3.PLC技術(shù)應(yīng)用展開

PLC即可編程控制器。在水電站電氣自動(dòng)化中，可應(yīng)用PLC來控制幾乎所有設(shè)備的生產(chǎn)過程。

（1）PLC在軸流槳式水輪機(jī)調(diào)速器中的應(yīng)用

軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)被廣泛使用于中低水頭電站。由于它的水輪機(jī)葉片隨水不同可與導(dǎo)葉協(xié)聯(lián)動(dòng)作而使用水輪機(jī)的動(dòng)行水頭范圍增大，這樣可為電廠創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)效益。水輪發(fā)電機(jī)組制造廠家為其制造的水輪機(jī)提供了一組不同水頭下導(dǎo)葉開度與漿葉轉(zhuǎn)角的協(xié)聯(lián)曲線，調(diào)整器制造廠按此曲線設(shè)置了調(diào)速器內(nèi)導(dǎo)葉與漿葉的協(xié)聯(lián)關(guān)系。但是由于實(shí)際電站運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)水頭的變化及上下游水位的變化，與廠家提供參數(shù)相差甚運(yùn)，故按協(xié)聯(lián)曲線運(yùn)行時(shí)機(jī)組運(yùn)行性能差不能達(dá)到最佳狀態(tài)。因此對(duì)于此類機(jī)組的調(diào)整器須采用可改變程序的PLC可編程控制器的調(diào)速器。在機(jī)組試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中和今后的運(yùn)行中可先針對(duì)不同水頭及上、下游水位及手動(dòng)協(xié)聯(lián)導(dǎo)葉、漿葉，取得最佳協(xié)聯(lián)曲線而后修改原協(xié)聯(lián)曲線輸人PLC而使機(jī)組處實(shí)際最佳狀態(tài)。

（2）PLC在調(diào)節(jié)水庫式電站調(diào)速器中的應(yīng)用

水庫式電站的運(yùn)行水頭變化范圍大：此類電站的調(diào)速器和起動(dòng)開度一般按水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭設(shè)計(jì)，但當(dāng)電站水頭降低，水輪機(jī)處于低水頭下運(yùn)行時(shí)，電液調(diào)整器往往不能使機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速（自動(dòng)狀態(tài)），為使調(diào)整器的起動(dòng)開度增大，往往需更換芯片或在開度指示儀中串接電阻而使調(diào)節(jié)器輸出值與開度指示產(chǎn)生差值開機(jī)組。當(dāng)電站水頭更小于設(shè)計(jì)水頭時(shí)，為使機(jī)組開機(jī)不致過速，而又必須換回芯片或撤除串接電阻，若采用PLC可編程控制器，則可根據(jù)電站水頭高低，修改其程序來改變起動(dòng)開度即可。

4.電氣自動(dòng)化瓶頸

雖然電氣自動(dòng)化給水電站自動(dòng)運(yùn)行帶來了方便，但其自身發(fā)展存在一定瓶頸，主要體現(xiàn)在：因電氣自動(dòng)化的基礎(chǔ)是實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的全面監(jiān)測(cè)，因此整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)控模塊非常之多，這樣就導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜且通信速度、通信質(zhì)量面臨挑戰(zhàn)。隨著新技術(shù)（如光纖通信技術(shù)）的推進(jìn)，相信電氣自動(dòng)化瓶頸能夠得到解決。

5.結(jié)語

總之，水電站采用綜合自動(dòng)化系統(tǒng)后不僅提高水電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和工作的可靠性、保證電能質(zhì)量：而且提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件和減少運(yùn)行人員，從而提高電站運(yùn)行的效益。水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)與水電站的生產(chǎn)、效益密切相關(guān)，隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，水資源開發(fā)利用程度的加大，水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在越來越多的水利樞紐工程中得到更廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮更大的作用。