水電站電氣工程自動(dòng)化技術(shù)及運(yùn)用分析

郭悠揚(yáng)

（遂川縣發(fā)電公司，江西 吉安 343900）

前言

自動(dòng)化技術(shù)呈現(xiàn)實(shí)時(shí)性、節(jié)能性特征。為進(jìn)一步推動(dòng)水力發(fā)電項(xiàng)目的優(yōu)質(zhì)建設(shè)，理應(yīng)充分應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)，繼而達(dá)到提質(zhì)增效目的。

1 水電站電氣工程自動(dòng)化技術(shù)要點(diǎn)

1.1 PLC 技術(shù)

適用于水電站電氣工程應(yīng)用場(chǎng)景的自動(dòng)化技術(shù)較為多樣，包含PLC 技術(shù)（可編程控制器）。此項(xiàng)技術(shù)涵蓋編程器、接口以及主機(jī)等多項(xiàng)部分，且PLC 技術(shù)應(yīng)用流程，見圖1。該技術(shù)在應(yīng)用期間，應(yīng)當(dāng)先行了解PLC 系統(tǒng)預(yù)留余量，通常在I/O 點(diǎn)數(shù)確定過程中，應(yīng)當(dāng)至少設(shè)置10%的預(yù)留點(diǎn)數(shù)余量，而后分析水電站電氣工程PLC 負(fù)載輸出電流類型以及輸出渠道，從晶閘管或晶體管等不同輸出渠道中進(jìn)行選擇，每一項(xiàng)選擇都會(huì)影響PLC 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。此外，PLC 技術(shù)的應(yīng)用還要選取適合的COM點(diǎn)，由于COM點(diǎn)帶有的輸出點(diǎn)數(shù)量不同，且適用范圍不一致，故此應(yīng)當(dāng)根據(jù)電流規(guī)模予以判定。若水電站電氣工程屬于大電流，應(yīng)以帶有1 個(gè)或2 個(gè)輸出點(diǎn)的COM點(diǎn)產(chǎn)品為主，若為小電流，則主張選用帶有4 個(gè)或8 個(gè)輸出點(diǎn)的COM點(diǎn)。同時(shí)，PLC 技術(shù)需要選用與之匹配的PLC 編程器。常用編程器多包含手持式、圖形編程以及兼容軟件式產(chǎn)品。第一種多在小容量PLC 系統(tǒng)中比較適合。第二種則具有易于操作的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于水電站電氣人員而言，能在短時(shí)間內(nèi)快速熟練掌握編程器使用技巧，但對(duì)應(yīng)的成本偏高。最后一種屬于高效編程器。然而，也要在選用此種編程器時(shí)考慮消耗的成本是否符合水電站電氣工程建設(shè)條件。PLC 技術(shù)中的電源部分，多以DC24 V 或AC240 V 為主，要想強(qiáng)化電源的抗干擾性，需要提前裝設(shè)1：1 隔離變壓器。而且在大電流電氣設(shè)備上應(yīng)用PLC 技術(shù)時(shí)，務(wù)必注重晶體管的有效保護(hù)，并提前計(jì)算出模擬量范圍與脈沖量，以此提升PLC 技術(shù)的適應(yīng)性。

PLC 系統(tǒng)中模擬單元分辨率為1，且標(biāo)準(zhǔn)電量為0 V，分辨率為32 767，標(biāo)準(zhǔn)電量為10 V，且PLC 系統(tǒng)檢測(cè)溫度范圍為0 ℃到100 ℃。在計(jì)算模擬量階段，應(yīng)當(dāng)參照電壓或電流參數(shù)進(jìn)行確定。比如在-10 V 到10 V 范圍內(nèi)，分辨率6 000 的PLC 系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換值在F448 到0BB8Hex 以內(nèi)，而0 V～10 V 電壓值對(duì)應(yīng)相同分辨率的轉(zhuǎn)換值為0Hex 到1770Hex，且電壓自動(dòng)控制電路圖可見圖2。其中在觸發(fā)控制端指引下，能夠?qū)B接的管形氙燈進(jìn)行連通，擺脫傳統(tǒng)人工閉合開關(guān)的束縛。0 mA～20 mA 電流參數(shù)下轉(zhuǎn)換值與0 V～10 V 電壓范圍內(nèi)相同，具體應(yīng)當(dāng)根據(jù)分辨率的差異性計(jì)算模擬物理量。關(guān)于脈沖量的計(jì)算，可以結(jié)合水電站步進(jìn)電機(jī)予以分析。其中在控制電機(jī)角度時(shí)，可以利用下述公式求取角度動(dòng)作脈沖數(shù)（a）。

式中：a一圈與b 分別表示的是一圈總脈沖數(shù)與設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

以距離作為PLC 控制主體，應(yīng)當(dāng)按照公式（2）求取設(shè)定距離脈沖數(shù)（c）。

式中：d 與d滾輪代表的是設(shè)定距離與滾輪直徑。

經(jīng)上述計(jì)算結(jié)果能夠知曉脈沖量范圍，而后展現(xiàn)PLC 技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。

1.2 計(jì)算機(jī)技術(shù)

水電站電氣工程還可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)。以往在電氣控制過程中，多依靠人工力量。而計(jì)算機(jī)技術(shù)的運(yùn)用，可以針對(duì)自動(dòng)化程序進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。無論是測(cè)控裝置還是機(jī)電保護(hù)裝置，都能依托計(jì)算機(jī)技術(shù)優(yōu)化性能[1]。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集與調(diào)試、數(shù)據(jù)分析等多項(xiàng)功能，在水電站自動(dòng)化控制過程中可以根據(jù)對(duì)電氣模擬量的綜合分析，參照歷史數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前水電站電氣控制系統(tǒng)是否存在異常運(yùn)作跡象, 繪制模擬曲線，如圖3 所示，借助專家分析結(jié)果確定水電站運(yùn)行穩(wěn)定性。而且還要計(jì)算水電站出力，便于在自動(dòng)化調(diào)節(jié)出力過程中，維持水電站運(yùn)行安全。水電站出力（N）可以利用下列公式求值。

η、Q、H、A 分別指代水電站綜合機(jī)械效率、水輪機(jī)發(fā)電流量、凈水頭、出力系數(shù)。計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠依靠水電站出力范圍設(shè)定出力調(diào)節(jié)頻率，保證水電站水能供應(yīng)量與發(fā)電量保持協(xié)調(diào)關(guān)系。在不考慮水電站裝機(jī)容量的前提下，可以將Q 看成是水電站水庫下泄流量，以此在計(jì)算機(jī)技術(shù)導(dǎo)向下，推動(dòng)水電站的自動(dòng)化發(fā)展。另外，計(jì)算機(jī)技術(shù)具體應(yīng)用環(huán)節(jié)，還可以針對(duì)電氣設(shè)備實(shí)施無功補(bǔ)償，自動(dòng)化給出無功補(bǔ)償能量計(jì)算值（U（t）），依據(jù)公式（4）自動(dòng)化取值。若計(jì)算機(jī)技術(shù)干預(yù)下取值結(jié)果小于1，表明水電站無功補(bǔ)償能量消耗值不大，可以通過對(duì)無功補(bǔ)償能量的自動(dòng)化下調(diào)，強(qiáng)化水電站電氣工程節(jié)能效果。

式中:Mp表示電氣量比例系數(shù);m(p)為電能輸入偏差;T表示調(diào)度時(shí)間。經(jīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)即可自動(dòng)化實(shí)施無功補(bǔ)償，減少對(duì)人工的依賴[2]。

1.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)

經(jīng)由實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)建立的專家系統(tǒng)（見圖4），本身設(shè)有兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，且建立備用關(guān)系，而且還涵蓋操作員工作站與語音報(bào)警裝置、GPS 時(shí)鐘系統(tǒng)，可以隨時(shí)記錄監(jiān)控時(shí)間，指引有關(guān)人員根據(jù)時(shí)間點(diǎn)預(yù)估設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。而且還要定期自動(dòng)打印實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，將其上傳至水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)，便于水情測(cè)報(bào)員結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，分析當(dāng)前是否需要進(jìn)行調(diào)度。在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行期間，需在計(jì)算機(jī)、打印機(jī)以及電氣設(shè)備之間建立連接關(guān)系，經(jīng)過TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)完成實(shí)時(shí)通訊，繼而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的高效利用[3]。

2 水電站電氣工程自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用方向

2.1 應(yīng)用于渦輪螺旋槳調(diào)速

水電站電氣工程運(yùn)用自動(dòng)化技術(shù)，其中最為關(guān)鍵的方向即為渦輪螺旋槳調(diào)速中應(yīng)用PLC 技術(shù)。通過水位的自動(dòng)化控制，提高水能利用率。關(guān)于PLC 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，主要是在該技術(shù)輔助下，對(duì)水位與水輪機(jī)水頭展開協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，進(jìn)而促使渦輪螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)角度以及轉(zhuǎn)動(dòng)頻率都能適合當(dāng)前發(fā)電機(jī)組運(yùn)行需求。 此外，PLC 技術(shù)還能細(xì)致的展現(xiàn)水位變化規(guī)律，經(jīng)過調(diào)整渦輪螺旋槳，優(yōu)化水力發(fā)電狀態(tài)，避免渦輪螺旋槳因異常運(yùn)行，干擾發(fā)電進(jìn)度。PLC 技術(shù)可以直接參與到渦輪螺旋槳熱力循環(huán)中，其發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的單位推進(jìn)功（Lp）能夠根據(jù)循環(huán)功傳遞效率（η ）與螺旋槳驅(qū)動(dòng)功率輸出（Lne）t進(jìn)行計(jì)算，即LP=ηLnet，從中知曉隨著有效功的增加，其單位推進(jìn)功也會(huì)隨之增加，進(jìn)而由PLC 技術(shù)控制螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)效率。

2.2 應(yīng)用于橡膠壩監(jiān)控系統(tǒng)

自動(dòng)化技術(shù)可應(yīng)用于橡膠壩監(jiān)控系統(tǒng)中，在水電站建設(shè)階段，常利用橡膠壩，強(qiáng)化攔水功能。雖然橡膠壩確實(shí)能夠更高效的利用水資源，但也會(huì)誘發(fā)共振后果，造成橡膠壩在壩體、壩袋反復(fù)摩擦中引起損壞情況，加劇溢流風(fēng)險(xiǎn)。自動(dòng)化技術(shù)可對(duì)橡膠壩壩袋高度以及壩袋壓力等參數(shù)實(shí)施有效監(jiān)控，從中自動(dòng)化調(diào)整橡膠壩升降高度，改善水資源利用現(xiàn)狀。

2.3 應(yīng)用于水電站調(diào)速器

在水電站運(yùn)行期間，需要利用調(diào)速器控制水輪機(jī)水頭升降空間。在傳統(tǒng)控制技術(shù)下，常采用芯片替換法控制水輪機(jī)水頭啟動(dòng)開度，這樣反而會(huì)降低應(yīng)用效率。自動(dòng)化技術(shù)能通過編程設(shè)計(jì)對(duì)調(diào)速器參數(shù)值進(jìn)行微調(diào)。程序運(yùn)行后，其啟動(dòng)開度可以依靠調(diào)速器科學(xué)調(diào)整轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)節(jié)，不易出現(xiàn)快速啟動(dòng)問題。為了更全面的保證自動(dòng)化技術(shù)符合工況條件，還要準(zhǔn)確探明水電站水能變化特征，參照下述公式求取水電站在自動(dòng)化運(yùn)行中消耗能量

即

Z1、Z2代表的是不同斷面水面高程；v1、v2表示斷面流速平均值；γ、α 各自表示水的容重、不均勻系數(shù)；W為t 時(shí)間范圍內(nèi)過河段水體積；g 為重力加速度。通過對(duì)水能的綜合分析，判定研發(fā)的自動(dòng)化機(jī)械是否在水電站場(chǎng)景中適用。

2.4 應(yīng)用于水輪機(jī)控制系統(tǒng)

水電站電氣工程自動(dòng)化技術(shù)可應(yīng)用于水輪機(jī)控制系統(tǒng)中，切實(shí)節(jié)約人力資源，保證水資源實(shí)現(xiàn)高度利用。事實(shí)上，水輪機(jī)控制系統(tǒng)多指代油氣水的自動(dòng)化控制。參照公式（3）可以推斷出T 時(shí)段內(nèi)水電站發(fā)電量（QT）計(jì)算公式如下

N平均是指平均出力。為了確保水電站持久性展現(xiàn)水力發(fā)電價(jià)值，還要根據(jù)水電站建設(shè)規(guī)律，聯(lián)合自動(dòng)化技術(shù)，達(dá)到水利動(dòng)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。通常水電站水電容量占比率高于50%，要求水利功能設(shè)計(jì)值保證率至少為95%。低于25%水電容量的水電站，保證80%左右的水利功能設(shè)計(jì)保證率，達(dá)成油氣水資源自動(dòng)化控制要求[4]。

2.5 應(yīng)用于電氣設(shè)備檢修

水電站在以水資源作為發(fā)電能源時(shí)，應(yīng)保證變壓器等電氣設(shè)備，在自動(dòng)化技術(shù)輔助下減少故障率，憑借檢修數(shù)據(jù)評(píng)估故障風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。電氣設(shè)備常見短路故障，首先應(yīng)結(jié)合短路電流計(jì)算網(wǎng)絡(luò)阻抗（ZQ），以PLC技術(shù)與實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，對(duì)電流變化范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，判斷是否存在短路跡象。

式中:c 為電壓系數(shù);Un為標(biāo)稱電壓;IKQn是指對(duì)稱短路電流初始值。計(jì)算后可以在計(jì)算機(jī)技術(shù)參與下整理短路電流變化規(guī)律，以此判定電氣設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性，并且在電流超出標(biāo)準(zhǔn)值后啟動(dòng)預(yù)警，而后以增加限流電抗方式消除短路電流[5]。

3 結(jié)論

綜上所述，水電站電氣工程自動(dòng)化技術(shù)多包含PLC 技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)。為取得顯著的自動(dòng)化改造成果，應(yīng)在渦輪螺旋槳調(diào)速、橡膠壩監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)速器以及水輪機(jī)控制系統(tǒng)、電氣設(shè)備檢修等部分加強(qiáng)自動(dòng)化技術(shù)的合理化應(yīng)用，從而為水電站電氣設(shè)備的安全運(yùn)行創(chuàng)造有利條件，保證當(dāng)?shù)卦谒Πl(fā)電項(xiàng)目的支撐下享受到優(yōu)質(zhì)的供電服務(wù)，踐行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。