水力發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化控制及應(yīng)用

曹德鑫

摘要：在水力發(fā)電廠運(yùn)行中，水輪機(jī)的狀態(tài)會(huì)直接影響發(fā)電性能，因此要高度重視水輪發(fā)電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行控制，確保故障自動(dòng)化處理，減少運(yùn)行損失。本文根據(jù)水力發(fā)電廠的實(shí)際特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)、組成、功能、通訊等方面介紹了水輪發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，并且提出有效應(yīng)用策略，推動(dòng)水力發(fā)電廠的全面發(fā)展。

關(guān)鍵詞：水力發(fā)電廠;水輪發(fā)電機(jī)組;監(jiān)控系統(tǒng);自動(dòng)化控制;應(yīng)用

氣候問題和能源危機(jī)對(duì)全人類的發(fā)展造成嚴(yán)重威脅，因此在新時(shí)期需要高度重視清潔能源的利用。水力發(fā)電具有節(jié)能環(huán)保無污染等特點(diǎn)，同時(shí)還可以調(diào)蓄旱澇災(zāi)害，維護(hù)生態(tài)平衡，對(duì)社會(huì)的發(fā)展具有十分重要的意義。水力發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組其主要工作方式是用電腦監(jiān)控系統(tǒng)作為主控方式，并有簡單的手工操作面板。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)化控制就能夠自動(dòng)啟動(dòng)-停止循環(huán)，以提高水輪發(fā)電機(jī)組可靠性。

一、水力發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化控制特點(diǎn)

自動(dòng)化控制系統(tǒng)的開發(fā)與運(yùn)行需要符合IEEE、ISO等開放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)所要求的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境、用戶界面環(huán)境、系統(tǒng)互聯(lián)環(huán)境。取消自動(dòng)調(diào)速器，采用TC水力水力操縱器、無刷式激勵(lì)器等[1]。針對(duì)水力發(fā)電廠的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用組屏方式，確保二次控制、一次設(shè)備、保護(hù)設(shè)備等一機(jī)一屏，整體上層次化結(jié)構(gòu)清晰，結(jié)構(gòu)靈活，實(shí)用性強(qiáng)、性價(jià)比高。自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有很高的擴(kuò)展性，整個(gè)系統(tǒng)可以通過x-networks連接，并能根據(jù)需要靈活地配置每個(gè)單元。通過軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，裝備相對(duì)獨(dú)立，便于維修。一臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障不影響其他設(shè)備運(yùn)行。上位機(jī)和現(xiàn)地控制器軟件具有多種防雷保護(hù)及抗干擾措施，包括綜合防故障、自診斷、自恢復(fù)、雙重閉鎖。主站點(diǎn)使用Windows多任務(wù)操作系統(tǒng)，使用中文表達(dá)的人機(jī)界面友好，可顯示測(cè)量與控制，保障資料細(xì)節(jié)。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，通道和系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，局部遙控操作。系統(tǒng)采用通訊為核心的畫面結(jié)構(gòu)，各功能單元以總線形式連接到整個(gè)系統(tǒng)。設(shè)置調(diào)試窗口。此窗可配有便攜背景電腦、GPS時(shí)鐘、通訊接口、交流及直流屏、智能儀器及微機(jī)的防誤動(dòng)作鎖定系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備的電源主要是AC220v，DC 220 v作為備用，具有交流電源與直流電源自動(dòng)切換功能。此外，整個(gè)系統(tǒng)的接地部分組成3～5 kwup組件，要求接地系統(tǒng)與整個(gè)水電站的接地裝置相連。因?yàn)橄到y(tǒng)在被監(jiān)視的電腦上被配置成手工操作和控制。配置包括：計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、大屏幕顯示（CRT）、不間斷電源（UPS）和衛(wèi)星同步裝置（GPS），主要由主站級(jí)、本地控制單元級(jí)（LCU）、通信服務(wù)器組成。該系統(tǒng)主要由單元LCU、公用設(shè)備LCU、變電所LCU組成。本機(jī)控制臺(tái)是以工控機(jī)（IPC）+可編程控器（PLC）+自動(dòng)手動(dòng)操縱裝置的形式。常見的自動(dòng)手動(dòng)操作裝置有：微型計(jì)算機(jī)操縱器、微機(jī)同步器、測(cè)溫裝置、微型計(jì)算機(jī)激勵(lì)調(diào)節(jié)器、微型測(cè)速儀。它們既能獨(dú)立工作，又能與本單位現(xiàn)場(chǎng)控制單元的管道通訊，接收指令及反饋信息。PLC主要負(fù)責(zé)單元順序操作和數(shù)據(jù)收集，IPC主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、控制操作、歷史事件記錄、報(bào)警，人機(jī)聯(lián)絡(luò)，與工廠級(jí)電腦通訊及聯(lián)絡(luò)等功能。帶有白色移動(dòng)設(shè)備。公用LCU主要完成輔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)工作，變電站LCU主要操作設(shè)備和斷路器，并對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

二、水力發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化控制應(yīng)用

（一）起動(dòng)控制

水輪發(fā)電機(jī)工作起動(dòng)十分重要，如起動(dòng)不當(dāng)設(shè)備與其它輔助設(shè)備就不能協(xié)同工作，最終導(dǎo)致正常穩(wěn)定的電網(wǎng)接線發(fā)電失敗。給水閥門只有在符合起動(dòng)條件的情況下開啟，要確定機(jī)組是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常，剎車系統(tǒng)是否有壓力，發(fā)電機(jī)的插頭電路斷路器是否關(guān)閉，伺服馬達(dá)鎖定是否拔掉之后才能啟動(dòng)。閥門狀況確認(rèn)無誤后再接通電源，開啟調(diào)速器，分析判斷發(fā)電機(jī)是否正常。在轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)的情況下，開啟失振開關(guān)，可同時(shí)啟動(dòng)加壓。在無負(fù)載時(shí)，需仔細(xì)確認(rèn)開關(guān)位置是否符合同一循環(huán)。符合要求，確認(rèn)后即可使用。在啟動(dòng)期間，每一工序之間都要設(shè)置一些延時(shí)。若流程在此時(shí)間內(nèi)不能成功完成，則會(huì)發(fā)出警告，并取消下一個(gè)過程。始終檢測(cè)到斷路器未關(guān)閉，啟動(dòng)操作被完全取消[2]。

（二）停機(jī)控制

相當(dāng)于系統(tǒng)起動(dòng)，停機(jī)等于系統(tǒng)結(jié)束運(yùn)行。當(dāng)設(shè)備的負(fù)荷釋放時(shí)，電路中的斷路器會(huì)首先啟動(dòng)，此時(shí)設(shè)備會(huì)自動(dòng)斷開與系統(tǒng)的連接。PLC檢測(cè)到相應(yīng)的跳閘信號(hào)后，失勵(lì)磁極自動(dòng)跳閘調(diào)速器減速，發(fā)電機(jī)立刻啟動(dòng)。調(diào)速時(shí)，水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)口蝶閥關(guān)閉。剎車方式分為機(jī)械剎車和機(jī)械剎車兩種，雖然比較簡單，但制動(dòng)器在剎車過程中磨損很大，很難更換。將合適的激勵(lì)流注入合適的轉(zhuǎn)子，通過電磁阻力矩實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，這種方法相對(duì)于機(jī)械制動(dòng)效率較高，但是系統(tǒng)布線較為復(fù)雜，使用PLC實(shí)現(xiàn)簡單。在停機(jī)時(shí)，一般采用電氣制動(dòng)方式制動(dòng)，并輔以PLC技術(shù)應(yīng)用。

（三）應(yīng)急停車控制

在實(shí)際運(yùn)行中必然出現(xiàn)故障，這種情況下，必須在一定的時(shí)間內(nèi)停止和中斷運(yùn)行。與此同時(shí)，為了最大限度地減少事故造成的傷害，必須加快關(guān)閉動(dòng)作速度。針對(duì)這種需求，PLC技術(shù)可在一定程度上簡化停機(jī)步驟，并沒有減少電池負(fù)載。該方案采用相應(yīng)的開關(guān)跳閘，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)急關(guān)斷，具有較好的應(yīng)用功能。

（四）機(jī)組溫度監(jiān)測(cè)

水力發(fā)電機(jī)配有與各單元相對(duì)應(yīng)的溫度監(jiān)測(cè)裝置。它主要由控制單元LCU組成監(jiān)控設(shè)備溫度。當(dāng)溫度在正常溫度稍微高一點(diǎn)時(shí)，PLC立刻報(bào)警。如溫度超過正常溫度，PLC會(huì)迅速啟動(dòng)緊急停機(jī)步驟，避免故障發(fā)生。單位損壞。修復(fù)損害。

（五）機(jī)組功率調(diào)節(jié)

運(yùn)行人員通過操作員工作站，完成對(duì)發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)。通過AGC組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)頻率、母線電壓、有功、計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)定，也可對(duì)單臺(tái)機(jī)組的水頭要求、功率要求、開停機(jī)要求等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以滿足經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配、機(jī)組最優(yōu)組合等要求。根據(jù)發(fā)電機(jī)組的狀況和約束條件，確定開機(jī)臺(tái)數(shù)、各個(gè)機(jī)組間負(fù)荷分配，執(zhí)行閉環(huán)或開環(huán)操作。

（六）數(shù)據(jù)采集和處理

由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、通訊服務(wù)器完成。通過對(duì)電廠的功率、電壓、頻率、電量、非電量、設(shè)備狀態(tài)以及通道狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠現(xiàn)地設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)視、調(diào)控和管理。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性、合理性檢查，對(duì)不可用數(shù)據(jù)給出無效標(biāo)志。

（七）報(bào)表系統(tǒng)

采用電子表格方式組織、顯示報(bào)表，支持運(yùn)行日志、月、年統(tǒng)計(jì)以及各種特殊統(tǒng)計(jì)表格，支持各種公式計(jì)算，便于數(shù)據(jù)二次處理，支持報(bào)表數(shù)據(jù)離線查詢。

（八）事件順序記錄、事故、故障報(bào)警及記錄

監(jiān)控系統(tǒng)可記錄各個(gè)重要事件的動(dòng)作、事件發(fā)生時(shí)間（年、月、日、時(shí)、分、秒、毫秒）、事件名稱、事件性質(zhì)、并根據(jù)運(yùn)行要求產(chǎn)生報(bào)警和記錄;

結(jié)束語：

在對(duì)電力的需求日益增加的情況下，水輪發(fā)電機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)將是大勢(shì)所趨。當(dāng)前，中國在水電發(fā)電機(jī)使用方面還有許多不足之處。對(duì)此，要實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組的研制，必須對(duì)PLC技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，并將其與水輪發(fā)電機(jī)組充分結(jié)合。自控功能。從安全保障的角度來看減少了大量人力資源投入，但效率很高。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳威，董勤.景洪電廠機(jī)組有功功率異常波動(dòng)的分析及處理[J].云南水力發(fā)電，2019，35（02）：100-102.

[2]李霄，亓劼，李俊松，葛耀，劉佳佳.一次大型水輪發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)動(dòng)作的分析與保護(hù)配置探索——以構(gòu)皮灘發(fā)電廠為例[J].大眾用電，2021，36（05）：81-82+63.