電氣自動化技術(shù)在水電站中的應(yīng)用分析

彭康

摘要：水電清潔、環(huán)保，是實(shí)現(xiàn)碳減排、碳中和目標(biāo)的一種重要能源形式，自動化技術(shù)的應(yīng)用為水電站發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，使水電利用更加高效，因此本文對電氣自動化技術(shù)在水電站中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：電氣自動化;水電站;應(yīng)用

水電站發(fā)電受到電網(wǎng)負(fù)荷、水能變化等多種因素的影響和制約，完善控制系統(tǒng)可以保障發(fā)電的穩(wěn)定性和可靠性，電氣自動化技術(shù)的應(yīng)用將工作人員從繁重的監(jiān)控、調(diào)節(jié)工作中解放出來，不僅減輕了技術(shù)人員的工作量，而且調(diào)控更精細(xì)，發(fā)電更穩(wěn)定，電能質(zhì)量更優(yōu)[1]。而且自動化技術(shù)的應(yīng)用提高了水電站運(yùn)行效率，降低了運(yùn)行成本，從而改善水電站發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益[2]。故此，本文對水電站電氣工程自動化技術(shù)的應(yīng)用作了分析。

1水電站自動化系統(tǒng)概述

1.1水電站自動化系統(tǒng)組成及功能

一般來說，水電站自動化系統(tǒng)應(yīng)包括監(jiān)控系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、直流系統(tǒng)等。監(jiān)控系統(tǒng)常采用兩層控制方式，電站級控制層對全站自動化設(shè)備實(shí)施監(jiān)控，現(xiàn)地級控制層對水電站主要設(shè)備如水輪發(fā)電機(jī)組、主斷路器等進(jìn)行控制。勵磁系統(tǒng)由勵磁調(diào)節(jié)器及勵磁功率調(diào)節(jié)單元兩部分組成，用于控制發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場，以保證電能質(zhì)量。保護(hù)系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路進(jìn)行保護(hù)，采用微機(jī)控制的保護(hù)裝置能在出現(xiàn)電氣故障時迅速、可靠、準(zhǔn)確地做出反應(yīng)。水電站主要設(shè)備的操作電源采用直流電源，直流系統(tǒng)用來保障直流操作電源的穩(wěn)定。

1.2計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

在水電站主控室配置操作員工作站，在發(fā)電機(jī)、公用設(shè)備等位置設(shè)置LCU控制屏。工作站與LCU控制屏之間通過以太網(wǎng)連接，借助TCP/IP之類的通信協(xié)議進(jìn)行通信和交換數(shù)據(jù)。遇到突發(fā)故障，監(jiān)控系統(tǒng)必須立即處理，將故障控制在最小范圍內(nèi)。由于現(xiàn)場對事故控制有優(yōu)先權(quán)，LCU控制權(quán)限高于操作員工作站。

1.3勵磁系統(tǒng)

勵磁方式有多種，以自并勵方式為例，系統(tǒng)由自動勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁功率單元及相關(guān)保護(hù)模塊組成，核心設(shè)備是勵磁調(diào)節(jié)器，采用PID調(diào)節(jié)模塊及數(shù)據(jù)交換、通信模塊等控制包括勵磁變壓器、可控硅整流橋等設(shè)備。

1.4微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)

水電站設(shè)備保護(hù)十分復(fù)雜，以發(fā)電機(jī)保護(hù)為例，常見保護(hù)類別有縱聯(lián)差動保護(hù)、失磁保護(hù)、復(fù)合電壓啟動過流保護(hù)、負(fù)序過流保護(hù)、過電壓保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、定子接地保護(hù)、轉(zhuǎn)子回路一點(diǎn)接地保護(hù)、差動回路斷線保護(hù)等，這些保護(hù)遵循不同的保護(hù)原理，如果采用機(jī)電保護(hù)，其反應(yīng)速度、精準(zhǔn)性都比較差，而微機(jī)保護(hù)通過微處理器計(jì)算分析和控制，效果則好得多。

1.5直流系統(tǒng)

小型水電站一般將蓄電池作為直流操作電源，蓄電池輸出電壓要進(jìn)行監(jiān)控，并在達(dá)到充電條件時要及時充電。充電裝置將三相交流電經(jīng)整流、濾波后輸出合格的直流電，為了使用安全還要監(jiān)測絕緣性和防雷擊性能。直流系統(tǒng)由蓄電池、充電模塊、監(jiān)控模塊、絕緣監(jiān)測裝置、防雷裝置等多個單元組成，并由計(jì)算機(jī)監(jiān)控處理。

2電氣自動化技術(shù)在水電站的應(yīng)用及效果

2.1計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是收集現(xiàn)地控制單元LCU的數(shù)據(jù)，再將操作命令傳送到LCU，使發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行和控制實(shí)現(xiàn)自動化。監(jiān)控主機(jī)（操作員工作站）任務(wù)繁重，需具備可靠的運(yùn)算速度和處理多項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)的能力，一般采用2臺高性能計(jì)算機(jī)，配備大容量硬盤、顯示器、UPS電源及多種通信接口。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用傳輸可靠、抗干擾能力強(qiáng)的光纜或雙絞線，以及路由器、交換機(jī)等設(shè)備。LCU包括機(jī)組控制LCU和公用LCU。機(jī)組LCU設(shè)在發(fā)電機(jī)層，用于采集發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)，監(jiān)測控制發(fā)電機(jī)開停機(jī)、并網(wǎng)發(fā)電、勵磁調(diào)節(jié)、負(fù)荷調(diào)整及設(shè)備保護(hù)。公用LCU用于監(jiān)控水閘、泵站等設(shè)備。上述各種功能是通過監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)的，其軟件結(jié)構(gòu)底層為驅(qū)動層，之上為數(shù)據(jù)層和圖層顯示層。LCU層面的應(yīng)用軟件采用設(shè)備廠家提供的編程軟件，根據(jù)水電站生產(chǎn)工藝和控制要求編程和配置參數(shù)。

2.2勵磁系統(tǒng)的自動化控制

勵磁調(diào)節(jié)器是勵磁系統(tǒng)的核心設(shè)備，一般采用PID控制，具有比例控

制、積分控制和微分控制三種作用，控制算法可用下式表示：

p Ti0ddt

（1）

式中Kp、Ti、Td分別為比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。

由于PID參數(shù)常規(guī)整定操作復(fù)雜，利用經(jīng)驗(yàn)整定費(fèi)時費(fèi)力，目前采用智能算法控制，而且一種智能算法難以滿足要求，需聯(lián)合多種智能算法進(jìn)行控制，例如聯(lián)合使用粒子群（PSO）算法與模糊控制算法，使發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定和機(jī)組之間無功分配穩(wěn)定?？刂七^程用簡單的語言描述即是：輸入一個含有多種偏差限制的電壓信號，勵磁調(diào)節(jié)器按照設(shè)定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵磁功率單元，勵磁功率單元再根據(jù)勵磁調(diào)節(jié)器的控制要求，向同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子提供相應(yīng)的勵磁電流，來自發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)動的反饋信號又作為勵磁控制信號，如此循環(huán)往復(fù)，勵磁系統(tǒng)就成為閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于輸入信號是非線性的，控制模型也必須是非線性的。

2.3微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用

水電站微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)是按照設(shè)定的保護(hù)邏輯，通過微機(jī)控制保護(hù)裝置。例如發(fā)電機(jī)差動保護(hù)原理是兩折線比例差動。當(dāng)三相差動電流中出現(xiàn)符合制動條件的二次諧波時，即可按照閉鎖條件通過軟壓板投退。除了二次諧波制動，還有延時斷線閉鎖及告警等保護(hù)功能，以滿足多種條件的投退需要。采樣回路有自檢功能，獲得一定信號后作出相應(yīng)的選擇。保護(hù)模塊安裝在設(shè)備控制裝置附近，各保護(hù)單元通過現(xiàn)場總線聯(lián)網(wǎng)，運(yùn)行人員可以就地操作而不影響其他保護(hù)單元。保護(hù)單元內(nèi)部設(shè)有主控板及多個模塊，主控板上有微處理器、存儲器及其他元器件、電路板，箱體采用金屬結(jié)構(gòu)，可屏蔽外界干擾。保護(hù)模塊外部有顯示屏，實(shí)時顯示電量信息及保護(hù)動作信息，可通過模塊外部薄膜按鍵直接設(shè)置保護(hù)定值，也可在主控室工作站上整定?？梢?，微機(jī)保護(hù)能實(shí)現(xiàn)比機(jī)電保護(hù)復(fù)雜得多的保護(hù)功能及目標(biāo)，并且整定操作、故障查詢都方便得多。

2.4直流系統(tǒng)的自動控制

蓄電池組作為直流電源，通常采用浮充電工作方式，系統(tǒng)充電由智能高頻開關(guān)電源模塊并聯(lián)而成。輸入的交流電，經(jīng)過尖峰抑制EMI濾波、工頻整流、PFC功率因數(shù)控制、DC/AC高頻逆變、高頻整流、LC濾波、EMI濾波后，即輸出直流電。采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式，在輸入端檢測交流信號，在輸出端檢測電壓、電流。交流電經(jīng)過整流橋得到脈動直流電壓，再經(jīng)PFC功率因數(shù)控制、DC/AC高頻逆變（在PWM電路控制下）轉(zhuǎn)化為高頻脈沖電壓，再經(jīng)高頻整流、LC濾波、EMI濾波，才得到穩(wěn)定的直流電壓。在此過程中，控制方式既有模擬控制，也有數(shù)字控制，兩者結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)電壓、電流的雙環(huán)控制，并通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)遙調(diào)功能。

2.5自動化技術(shù)在水電站中的應(yīng)用效果

自動化技術(shù)應(yīng)用于水電站能夠?qū)崿F(xiàn)“無人值班，少人值守”的運(yùn)行管理目標(biāo)，解決生產(chǎn)人員不足的難題，使偏僻、生活條件艱苦的電站現(xiàn)場無需運(yùn)行管理人員值班。發(fā)電量增加，電能質(zhì)量改善，則提高了水電站的經(jīng)濟(jì)效益，有利于電站可持續(xù)發(fā)展。

3結(jié)語

目前，自動化技術(shù)已在電力行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，但仍有部分小水電設(shè)備、技術(shù)落后，自動化水平低，制約了這些水電站的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益的提升，因此推廣自動化技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。本文對水電站自動化技術(shù)的功能、應(yīng)用情況及效果進(jìn)行了闡述，可為自動化技術(shù)在水電站的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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