關(guān)于電氣自動(dòng)化在水電站中的應(yīng)用①

馬振強(qiáng)

摘 要：水電站的有效運(yùn)轉(zhuǎn)離不開(kāi)電氣自動(dòng)化技術(shù)的支撐。該文首先概括了電氣自動(dòng)化對(duì)水電站日常生產(chǎn)的作用，接著詳述電氣自動(dòng)化在水電站中的各種應(yīng)用場(chǎng)合，特別是PLC技術(shù)的應(yīng)用情況，最后對(duì)電氣自動(dòng)化的發(fā)展瓶頸作了適當(dāng)前瞻，以期為提升水電站自動(dòng)化水平而拋磚引玉。

關(guān)鍵詞：電氣自動(dòng)化 水電站 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（b）-0039-01

水電站運(yùn)營(yíng)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(guò)程中的控制、操作及監(jiān)視等重要步驟可以在無(wú)人（或少人）情況下按預(yù)設(shè)程序完成?？梢?jiàn)，電氣自動(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。

⑴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(wú)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(wú)功出力，達(dá)到保持頻率和電壓穩(wěn)定的目的。

⑵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(guò)自動(dòng)裝置控制相關(guān)開(kāi)關(guān)并報(bào)警），另一方面也使水電生產(chǎn)不中斷（通過(guò)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)。

⑶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。

⑷提高水電站運(yùn)行效率。采用電氣自動(dòng)化，無(wú)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(lái)說(shuō)，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(guò)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：⑴實(shí)現(xiàn)機(jī)組開(kāi)、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。⑵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(wú)功），從而維系水輪發(fā)電機(jī)的低成本運(yùn)行。⑶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(guò)啟動(dòng)備用機(jī)組來(lái)維持系統(tǒng)穩(wěn)定；反之，汛期來(lái)臨頻率過(guò)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(guò)程：通過(guò)“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(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)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：⑴檢測(cè)定子和轉(zhuǎn)子回路是否正常；⑵檢測(cè)定子繞組的鐵芯溫度是否正常；⑶檢查機(jī)組潤(rùn)滑度及變速系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)等是否正常；⑷以上無(wú)論哪部分出現(xiàn)問(wèn)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(kāi)變壓器、母線、開(kāi)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(guò)程：通過(guò)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)：⑴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；⑵對(duì)于超過(guò)保護(hù)整定限值的故障情況（如機(jī)組過(guò)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(kāi)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：⑴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；⑵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(guò)高過(guò)低時(shí)引發(fā)自動(dòng)報(bào)警。

3 PLC技術(shù)應(yīng)用展開(kāi)

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(lái)控制幾乎所有設(shè)備的生產(chǎn)過(guò)程。

⑴在軸流槳式水輪機(jī)調(diào)速器中的應(yīng)用。

軸流漿式水輪機(jī)廠家一般會(huì)提供所謂“協(xié)聯(lián)曲線”（即描述不同水頭下漿葉轉(zhuǎn)角與導(dǎo)葉開(kāi)度的關(guān)系的曲線），以指導(dǎo)電站生產(chǎn)。但實(shí)際運(yùn)行時(shí)，上下游水位及水輪機(jī)水頭處于不斷變化之中，某些情況下會(huì)遠(yuǎn)離廠家參數(shù)，因此按協(xié)聯(lián)曲線運(yùn)行不一定能達(dá)到最佳狀態(tài)。采用PLC技術(shù)后，可先針對(duì)不同上、下游水位及水頭情況，手動(dòng)協(xié)聯(lián)漿葉和導(dǎo)葉，在獲得最佳協(xié)聯(lián)曲線后修改原廠家曲線并輸人至PLC控制器，從而使機(jī)組能時(shí)時(shí)處在最佳狀態(tài)。

⑵在水庫(kù)式電站調(diào)速器中的應(yīng)用。

水庫(kù)式電站的運(yùn)行水頭波動(dòng)范圍較大，其調(diào)速器與啟動(dòng)開(kāi)度一般按水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭確定。但當(dāng)水頭降低或水頭遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，為保證機(jī)組額定轉(zhuǎn)速，往往需要更換調(diào)速器控制芯片，改變開(kāi)度指示儀電阻（串接或移除），工作量較大。在采用PLC技術(shù)后，則可依據(jù)水頭高低設(shè)計(jì)出相應(yīng)程序，依照程序來(lái)自動(dòng)改變啟動(dòng)開(kāi)度。

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(lái)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(yǔ)

水電站實(shí)施電氣自動(dòng)化，一方面可提高工作效率、減少人力投入，另一方面也能保證上網(wǎng)電能的質(zhì)量，是新時(shí)期水電發(fā)展的必然趨勢(shì)。雖然電氣自動(dòng)化在應(yīng)用中存在一定的技術(shù)瓶頸，但隨著智能電網(wǎng)技術(shù)、信息化技術(shù)的日新月異，所有問(wèn)題將得到有效解決。

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