水電站電氣自動(dòng)化應(yīng)用研究

張惠蛟

摘 要：該文在水電站電氣自動(dòng)化對(duì)現(xiàn)代水電站運(yùn)營(yíng)的重要作用進(jìn)行論述的基礎(chǔ)上，分析了水電站自動(dòng)化應(yīng)用的主要范疇，并結(jié)合水電站的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，探討了水電站中電氣自動(dòng)化的具體應(yīng)用，為電氣自動(dòng)化水電站的運(yùn)行維護(hù)提供參考。

關(guān)鍵詞：水電站 電氣自動(dòng)化 運(yùn)行

中圖分類號(hào)：TM62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）12（c）-0095-01

隨著電力電子技術(shù)以及微電子技術(shù)的快速發(fā)展，電氣自動(dòng)化技術(shù)在水電站的生產(chǎn)運(yùn)用過程中得到了廣泛的應(yīng)用，在水電站的節(jié)能生產(chǎn)過程中發(fā)揮著更加重要的作用。通過水電站的自動(dòng)化，能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用與水電站的生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組及其輔助設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障問題時(shí)能夠在事前發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并自動(dòng)進(jìn)行應(yīng)急處理，提高水電站的運(yùn)行可靠性、安全性。在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用過程中，要根據(jù)電站的具體類型以及主要的機(jī)電設(shè)備，選擇合適的自動(dòng)化系統(tǒng)。

1 水電站電氣自動(dòng)化對(duì)現(xiàn)代水電站運(yùn)營(yíng)的重要作用

1.1 提高水電站運(yùn)行可靠性

水電站運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)水電站發(fā)電功能的重要指標(biāo)。在對(duì)水電站進(jìn)行電氣自動(dòng)化改造之后，以對(duì)水電站的各個(gè)主要設(shè)備及部分進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確的監(jiān)控，并做好電站的運(yùn)行記錄，形成完整的監(jiān)控日志。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，可以及時(shí)的排除故障，避免出現(xiàn)安全事故。通過這種方式，能夠避免發(fā)電機(jī)組因?yàn)樘幱诜枪ぷ鳡顟B(tài)而長(zhǎng)時(shí)間不能得到解除所釀成的安全事故，提高了水電站運(yùn)行、發(fā)電的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，利用自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)水電站的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制和操作，有效的避免了人為失誤因素造成的事故。

1.2 保證水電站供電的穩(wěn)定性

電能的電壓與工頻是對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，而工頻主要受電網(wǎng)系統(tǒng)中有功功率的平衡狀態(tài)影響；電壓則主要取決于電網(wǎng)系統(tǒng)中的無功功率。因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)中電網(wǎng)的無功功率與有功功率是隨時(shí)變化的，利用自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)兩者的實(shí)時(shí)數(shù)值進(jìn)行監(jiān)控，并做好對(duì)應(yīng)的控制和調(diào)節(jié)工作，可使發(fā)電機(jī)組的工頻、電壓維持在相對(duì)穩(wěn)定的范圍中，最終保證水電站供電的穩(wěn)定性。

1.3 提高水電站的生產(chǎn)效率

通過水電站的電氣自動(dòng)化，能夠?qū)?yīng)減少生產(chǎn)員工的工作量，減輕了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，甚至可以實(shí)現(xiàn)無人值守，從而最大程度的提高水電站的生產(chǎn)效率，達(dá)到節(jié)約資源的目的。

2 水電站自動(dòng)化應(yīng)用的主要范疇

2.1 運(yùn)行電氣設(shè)備的自動(dòng)化檢測(cè)

通過對(duì)水電站的自動(dòng)化運(yùn)行設(shè)備各主要參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，完成水電站日常運(yùn)行與維護(hù)工作。其中的主要內(nèi)容包括水輪發(fā)電機(jī)組及其主要輔助設(shè)備、水電站公共生產(chǎn)設(shè)施、水工建筑及操縱設(shè)備、變電開關(guān)設(shè)備等。同時(shí)，還必須對(duì)部分非電參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，例如水輪機(jī)的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)速、機(jī)組溫度、水量、壓力和波位等參數(shù)。電信號(hào)則主要包括電壓、電流、頻率、功率和功率因數(shù)等。自動(dòng)化系統(tǒng)采取連續(xù)與定時(shí)記錄的方式將檢測(cè)結(jié)果記錄下來，便于運(yùn)行維護(hù)作為參考。

2.2 實(shí)現(xiàn)水電站的自動(dòng)化操作

根據(jù)控制對(duì)象的不同，自動(dòng)化系統(tǒng)能夠完成不同的操作，主要包括：（1）遠(yuǎn)動(dòng)操作系統(tǒng)、故障告警系統(tǒng)、開關(guān)站設(shè)備操作等；（2）水工建筑設(shè)備的自動(dòng)化操作，主要是指機(jī)組取水口閘門、泄洪閘等；（3）電站公用生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化操作，例如排水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)等；（4）使用脈沖自動(dòng)操作按照預(yù)先設(shè)定的規(guī)定進(jìn)行及其設(shè)備的操作，例如發(fā)電轉(zhuǎn)調(diào)相、停機(jī)、發(fā)電轉(zhuǎn)抽水等操作。

2.3 實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化控制

基于自動(dòng)化控制的基本原理，2.2節(jié)中的相關(guān)自動(dòng)化操作是采用開環(huán)控制的方式。而對(duì)于部分需要實(shí)時(shí)控制的精確設(shè)備，則需要采取閉環(huán)控制機(jī)制。例如，對(duì)水電站發(fā)電機(jī)組中的勵(lì)磁勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、調(diào)速器等進(jìn)行控制，通過閉環(huán)控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的電壓、轉(zhuǎn)速控制。同時(shí)，還可以通過修改勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的部分?jǐn)?shù)值來實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)機(jī)組的無功輸出，并通過調(diào)整調(diào)速器的實(shí)際整定值完成有功出力的修改和調(diào)節(jié)。

2.4 水電站相關(guān)設(shè)備的自動(dòng)化保護(hù)

水電站的自動(dòng)化保護(hù)措施主要包括這樣三個(gè)基本層次：（1）發(fā)出警告，例如發(fā)電機(jī)組軸承的冷卻水源中斷、軸溫超限、潤(rùn)滑油膜出現(xiàn)異常等，自動(dòng)化系統(tǒng)通過其末端的傳感器獲得這些參數(shù)的實(shí)時(shí)變化情況，提示對(duì)應(yīng)人員采取對(duì)應(yīng)的措施，從而保證設(shè)備的正常運(yùn)行；（2）自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)水閘門，當(dāng)水電站出現(xiàn)緊急情況時(shí)，自動(dòng)化系統(tǒng)在跳開斷路器的同時(shí)，還會(huì)自動(dòng)關(guān)閉發(fā)電機(jī)組的進(jìn)水閘門，從而有效的避免事故升級(jí)；（3）聯(lián)鎖跳閘停機(jī)，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)異常，例如軸溫超高、推力軸承及壓油裝置異常等，系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)斷路器啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)停機(jī)操作。

3 水電站中電氣自動(dòng)化的具體應(yīng)用

3.1 構(gòu)建完善的數(shù)字化控制系統(tǒng)

隨著數(shù)字控制技術(shù)的日益成熟，水電站開始進(jìn)行綜合自動(dòng)化技術(shù)的改造和升級(jí)，逐步構(gòu)建形成以計(jì)算機(jī)為主體的數(shù)字化控制系統(tǒng)。構(gòu)建的數(shù)字化自動(dòng)控制系統(tǒng)利用電站現(xiàn)場(chǎng)主線作為監(jiān)控的基本切入點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)、可編程控制器、微型機(jī)與繼電保護(hù)設(shè)備相互配合，并在網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下進(jìn)行水電站設(shè)備的智能監(jiān)控。利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，將水電站的各個(gè)主要控制現(xiàn)場(chǎng)與控制中心連接起來，使得水電站的整體運(yùn)行不需要人工干預(yù)，在嚴(yán)格的控制體系、開放的邏輯系統(tǒng)支持下實(shí)現(xiàn)水電站的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，該套系統(tǒng)還能夠?qū)λ娬局羞\(yùn)行的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，其良好的功能擴(kuò)展性能使得其能夠滿足水電站后續(xù)的建設(shè)發(fā)展需要。

3.2 PLC自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用

功能強(qiáng)大的可編程控制器（PLC）成為了當(dāng)前大部分自動(dòng)化控制系統(tǒng)的首選。PLC因?yàn)槟軌蛲ㄟ^編制的專用程序完成對(duì)相關(guān)運(yùn)行設(shè)備的支持和控制，根據(jù)存儲(chǔ)器中所設(shè)定的程序、運(yùn)算邏輯、定時(shí)及控制技術(shù)等指令，對(duì)水電站的生產(chǎn)過程進(jìn)行多維、直觀、動(dòng)態(tài)的操作與模擬。同時(shí)，PLC技術(shù)還能夠用于生產(chǎn)人員的高精度控制，輔助生產(chǎn)人員進(jìn)行電站的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)。當(dāng)前，PLC自動(dòng)化技術(shù)主要應(yīng)用于水電站的這樣兩個(gè)方面：

（1）對(duì)水電站調(diào)速器進(jìn)行控制，利用PLC裝置對(duì)調(diào)速器進(jìn)行控制，能夠借助PLC的功能屬性，基于水電站水頭的實(shí)際變化，采取過程控制的基本理論進(jìn)行對(duì)應(yīng)的調(diào)整和改變，從而保證水電站穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）對(duì)軸流槳式水輪機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，將PLC程序應(yīng)用于機(jī)組調(diào)速器的控制中，能夠借助其可編程功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)調(diào)整，從而保證協(xié)聯(lián)動(dòng)作曲線一直處于合理的范圍內(nèi)，使得機(jī)組的運(yùn)行與水電站水位變化處于同步變化狀態(tài)，保證發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)與水流變化一致。

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