水利設(shè)施中電氣自動化的應(yīng)用分析

李海亮

摘 要：隨著科技的高速發(fā)展，我國的水利設(shè)施電力自動化得到進(jìn)一步發(fā)展。許多水電站都相繼引進(jìn)了電氣自動化設(shè)備或開始進(jìn)行了前期的準(zhǔn)備工作，水利設(shè)施中電氣自動化是一種包含了多門學(xué)科和前沿技術(shù)的綜合技術(shù)，水利設(shè)施中電氣自動化應(yīng)用是我國電力工業(yè)自動化建設(shè)的重要進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：水利設(shè)施；電氣自動化；應(yīng)用

中圖分類號：TU855 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

與火電廠進(jìn)行對比水電站不需要消耗煤礦一類的資源，也不像火電廠那樣燃燒煤礦之后產(chǎn)生各種污染。由于沒有資源的消耗發(fā)電成本只有火力發(fā)電的幾分之一。水電站發(fā)電量一般取決于水庫水位決定，水庫水量充足則發(fā)電量增多，反之則減少，其中水電站的調(diào)度水平也決定了發(fā)電量的多少，通過合理調(diào)度可以用更少的水發(fā)更多的電。水電站的發(fā)電方式由水庫近期水資源庫存情況決定，對于具有調(diào)節(jié)水庫的水電站根據(jù)水庫水的進(jìn)出量來決定，根據(jù)水庫“收入”決定“支出”。對于梯級水電站其每日發(fā)電計劃是由每日水量供給決定的。所以水電站與火電廠、核電廠具有完全不同的發(fā)電方式。

1.我國當(dāng)前電氣自動化的特點

電氣自動化在我國出現(xiàn)時間較早，于20世紀(jì)50年代便已出現(xiàn)并開始發(fā)展，經(jīng)過國家對技術(shù)的不斷發(fā)展和投入，電氣自動化已經(jīng)是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。在當(dāng)前形勢下具有兩大優(yōu)點：第一，便捷性。通過推動電氣自動化技術(shù)可以有效地降低工作成本，節(jié)約人力支出，其便于管理的特點能有效提高工作效率，使電氣自動化擁有廣大的發(fā)展前景。第二，廣泛性。由于電氣自動化的便捷性特點，在生產(chǎn)過程中簡化生產(chǎn)步驟，操作簡單方便，生產(chǎn)質(zhì)量能夠得到保證，因此擁有廣泛的發(fā)展前景，在各行各業(yè)中均能得到應(yīng)用。

2.水電站自動化的內(nèi)容

水電站自動化提供的功能和內(nèi)容根據(jù)水電站具體情況，需要的功能各有不同，但是以下幾點內(nèi)容是水電站自動化必然擁有的：

2.1 自動檢測

水電站自動化的前提是對水電站中設(shè)備進(jìn)行實時參數(shù)檢測。水電站的運行機(jī)組及輔助設(shè)備、公用設(shè)備、變電稠開關(guān)、水工建筑物及其附屬操作設(shè)備，最好還包括水持測報系統(tǒng)。對這些設(shè)備檢測獲得的參數(shù)主要分為電和非電兩類，其中電流、電壓、功率、電能等參數(shù)是電，非電則有溫度、流量等。檢測手段也多種多樣有檢查、檢測、記錄等方式。其中記錄的檢測方式連續(xù)，間斷皆可、自動檢測功能是電氣自動化其他功能運行的前提和基礎(chǔ)，通過自動檢測可以實時對水電站的整體情況有一個全面的了解，是水電站能夠安全運行的保障。

2.2 自動操作

在自動檢測的基礎(chǔ)上，水電站可以進(jìn)行自動操作，能夠自動操作的設(shè)備有以下幾種：

（1）機(jī)組的自動操作（也叫作順序控制）。機(jī)組的自動操作是指機(jī)組及其附屬設(shè)備通過脈沖命令進(jìn)行機(jī)組的自動操作。脈沖命令的發(fā)出受兩種方式控制：一是通過中央控制室發(fā)出命令稱作集中控制，二是通過機(jī)旁盤發(fā)出稱作就地控制。脈沖命令通過以下順序完成自動操作：開機(jī)進(jìn)入系統(tǒng)、關(guān)機(jī)、發(fā)電轉(zhuǎn)調(diào)相、發(fā)電轉(zhuǎn)抽水等一系列順序，最終完成對機(jī)組的自動操作。

（2）電廠公用設(shè)備的自動操作。電廠的公用設(shè)備通常有空氣壓縮系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等。

（3）水工建筑物設(shè)備的自動操作。這包括溢洪閘門的操作、引水式水電站首部機(jī)組取水口閘門的操作：一陣閥門的操作等。

（4）全廠性操作。如報警信號系統(tǒng)、遠(yuǎn)動通信系統(tǒng)、開關(guān)站設(shè)備的操作等。

2.3 自動控制

自動控制從性質(zhì)劃分為兩種，分別是開環(huán)控制和閉環(huán)控制，上文水電站的自動操作在性質(zhì)上屬于開環(huán)控制。電站的閉環(huán)控制有以下兩種：用于控制機(jī)組轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)設(shè)備，用于控制機(jī)組電壓的勵磁調(diào)節(jié)器都屬于閉環(huán)控制。變換機(jī)組調(diào)速器整定值能控制機(jī)組有功出力，與之相似的是變換勵磁調(diào)節(jié)器的整定值可以控制機(jī)組無功出力。這兩項調(diào)節(jié)器是基礎(chǔ)的自動控制裝置。為了方便操作可以將調(diào)節(jié)設(shè)備成組設(shè)置，將全站機(jī)組聯(lián)動在一起作為一臺機(jī)組調(diào)整，這就使機(jī)組能夠同時收到值班人員和上級自動裝置雙方的命令。通過以上方式能劃分出3種自動控制裝置分別為有功功率成組調(diào)節(jié)裝置和自動調(diào)頻裝置，以及無功功率成組調(diào)節(jié)裝置。

2.4 自動保護(hù)

這里涉及的自動保護(hù)動作一般有如下3個等級：

（1）警報動作。對于機(jī)組的一些異常運行又不會立刻產(chǎn)生危害的情況，例如：加發(fā)電機(jī)定于溫度超限、推力軸承或?qū)лS承溫度升高、油槽油面過高或過低、機(jī)組冷卻水源中斷等，自動保護(hù)系統(tǒng)會對工作人員發(fā)出警報并投入備用運行機(jī)組。使工作人員發(fā)現(xiàn)情況后，有足夠的時間采取應(yīng)對措施，解決異常問題或?qū)⒐收蠙C(jī)組退出運行系統(tǒng)。

（2）停機(jī)跳閘動作。當(dāng)發(fā)生較為嚴(yán)重且繼續(xù)運行會發(fā)生危險的情況時，例如機(jī)組中壓油裝置油壓異常，軸承異常高溫等情況發(fā)生后，自我保護(hù)系統(tǒng)會跳閘停機(jī)。

（3）快速關(guān)閉進(jìn)水閥門動作。當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重事故例如機(jī)組速度異常且調(diào)速器無效，壓力銅管發(fā)生爆破，停機(jī)時遙上導(dǎo)水葉剪斷銷剪斷等狀況一旦發(fā)生，在自動保護(hù)系統(tǒng)跳閘停機(jī)后，還要關(guān)閉進(jìn)水閥門。

3.設(shè)備選型及自動化設(shè)計

隨著科技的發(fā)展，自動化元件在機(jī)組中的作用更加重要，數(shù)量更加龐大，但是由于設(shè)計上，生產(chǎn)上的一些原因主機(jī)自帶的自動化元件精度差，靈敏度低，容易出現(xiàn)故障使電氣自動化系統(tǒng)中出現(xiàn)安全漏洞，不利于水電站設(shè)施安全，因此需要對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)實際情況選擇更加合適的元件和設(shè)計方案。

3.1 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)能夠適應(yīng)不同水頭和流量的變化，并與導(dǎo)葉的轉(zhuǎn)動保持協(xié)聯(lián)關(guān)系，水電站在這套設(shè)備運營使用中發(fā)現(xiàn)廠家提供的參數(shù)與實際工作中設(shè)備水頭和上下游水位的數(shù)據(jù)相距甚遠(yuǎn)，因此廠家提供的參數(shù)起不到參考作用，設(shè)備實際運行中的效果差強(qiáng)人意，對于此類問題，解決方法可以使用PLC可編程控制器的調(diào)速器。將機(jī)組中的調(diào)速器替換為PLC可編程控制器的調(diào)速器，替換之后在設(shè)備運行中再出現(xiàn)此類問題可根據(jù)不同的水文數(shù)據(jù)，手動調(diào)節(jié)協(xié)聯(lián)導(dǎo)葉、漿葉，取得實際運行中的最佳協(xié)聯(lián)曲線參數(shù)，修改原本錯誤數(shù)據(jù)，將正確數(shù)據(jù)輸入PLC使設(shè)備發(fā)揮出最佳工作效率。

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

水庫式水電站具有運行水頭波動范圍大的特點，其調(diào)速器和起動開度設(shè)置是按照水輪機(jī)水頭設(shè)計進(jìn)行設(shè)置的。這就導(dǎo)致當(dāng)電站水頭低于設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)水頭時，自動運行模式下機(jī)組轉(zhuǎn)速不足，想要增加調(diào)整器起動開度需要進(jìn)行更換芯片或在開度指示儀中串聯(lián)電阻等一系列復(fù)雜操作，當(dāng)設(shè)計水頭又高于電站水頭時又要撤銷之前的操作，增加了操作步驟，提高了工作成本，降低了工作效率，但PLC可編程控制器能夠根據(jù)水頭高低，實時修改起動開度。提高了工作效率，降低了工作難度。

結(jié)語

當(dāng)前我國水電站電氣自動化普及程度較低，尤其是規(guī)模較小的水電站，規(guī)模小，產(chǎn)能低，自動化程度低制約了水電站的進(jìn)一步發(fā)展，由于水電站獨有的特點決定水電站自動化不單要實現(xiàn)機(jī)組自動化，還要將全站設(shè)備兩級自動化即水電站綜合自動化。因此要推動我國水電站自動化技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展既要加大對自動化技術(shù)的推廣也要依靠企業(yè)自主要發(fā)能力實現(xiàn)“產(chǎn)學(xué)研一體”提高企業(yè)的市場競爭力。

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