電氣自動(dòng)化在水利水電工程中的應(yīng)用探討

高明強(qiáng)

（山東大禹水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引 言

隨著科技的飛速發(fā)展，電力自動(dòng)化已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，取得了良好的成效。尤其是在水利水電工程建設(shè)中，更能體現(xiàn)其優(yōu)越性，可以為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)利益。將電力自動(dòng)化技術(shù)用于水利水電項(xiàng)目，既要引入信息化技術(shù)，又要保障各系統(tǒng)之間可以實(shí)現(xiàn)集成優(yōu)化，如此才能使各種設(shè)備最大限度發(fā)揮作用，減少能源消耗，從而實(shí)現(xiàn)高度集成和高度自動(dòng)化運(yùn)行[1]。

1 水利水電工程中的電氣自動(dòng)化系統(tǒng)

電氣自動(dòng)化融合了當(dāng)前階段的網(wǎng)絡(luò)信息、電子信息以及其他一系列前沿技術(shù)形式，為生產(chǎn)作業(yè)從傳統(tǒng)模式到自動(dòng)化的過(guò)渡提供了重要的技術(shù)支持，并起到了提高效率和降低資源投入的作用。如今，在配套技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的背景下，電氣自動(dòng)化有了更高的應(yīng)用水平，并逐漸滲透到社會(huì)生產(chǎn)和日常生活。水利水電工程具有施工規(guī)模大、周期長(zhǎng)以及復(fù)雜度高等特點(diǎn)，在其內(nèi)部引入電氣自動(dòng)化技術(shù)后，可以促進(jìn)工程生產(chǎn)力的提升，以更規(guī)范、更自動(dòng)化的方式完成有關(guān)工作[2]。

隨著水利水電工程電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的逐漸運(yùn)用，將其與計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能測(cè)控設(shè)備的軟硬件相結(jié)合，建立一個(gè)完整的電力自動(dòng)化系統(tǒng)，以保證項(xiàng)目的順利進(jìn)行。電力自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)等方式與控制臺(tái)及其他相關(guān)設(shè)備連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)完整的體系，并形成一個(gè)協(xié)調(diào)的控制機(jī)制[3]。系統(tǒng)具有層次化的特點(diǎn)和很好的靈活性，能夠根據(jù)不同的功能需求適當(dāng)擴(kuò)展，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，再與先進(jìn)信息技術(shù)整合，形成一個(gè)完整的安全防護(hù)體系。該系統(tǒng)自帶人機(jī)接口，便于使用者日常操控的順利進(jìn)行[4]。

2 水利工程中應(yīng)用電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的意義

將電氣自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用到水利水電項(xiàng)目，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行情況，確保整個(gè)系統(tǒng)和相關(guān)部件正常工作。此外，在檢測(cè)到發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障等問(wèn)題時(shí)能夠立即報(bào)警，有助于工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，節(jié)約檢查時(shí)間，極大地提高了維修人員的工作效率，縮短維修周期，避免因發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障造成停電現(xiàn)象，減少人力和物力消耗。在機(jī)組選型時(shí)，應(yīng)考慮工程規(guī)模和場(chǎng)地設(shè)施特點(diǎn)[5]。

在水利水電項(xiàng)目工程中合理運(yùn)用電氣自動(dòng)化系統(tǒng)，不僅能夠改善其安全性能，而且能夠極大地提升員工的工作效率，提高企業(yè)的整體經(jīng)濟(jì)效益。電氣自動(dòng)化系統(tǒng)也能改善傳統(tǒng)的工作條件，改變?cè)瓉?lái)的控制方式，從而提高生產(chǎn)效能。電氣自動(dòng)化系統(tǒng)在水電建設(shè)項(xiàng)目中的應(yīng)用能夠?qū)﹄姀S(chǎng)的運(yùn)行情況進(jìn)行系統(tǒng)性分析，確保發(fā)生故障后能夠立即找出問(wèn)題的癥結(jié)所在，節(jié)省檢修時(shí)間。電氣自動(dòng)化的應(yīng)用既能減輕人員壓力，又能減少人力成本，提高工程質(zhì)量[6]。

采用人工操控的方式不但技術(shù)落后，而且會(huì)造成水資源的大量消耗，影響發(fā)電質(zhì)量。電氣自動(dòng)化系統(tǒng)能有效解決以上問(wèn)題，防止能源浪費(fèi)，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)和設(shè)備的自動(dòng)控制，使項(xiàng)目在無(wú)須值班的條件下順利運(yùn)轉(zhuǎn)，減少了生產(chǎn)費(fèi)用。利用電氣自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)即時(shí)信息對(duì)設(shè)備負(fù)載情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)發(fā)電廠(chǎng)的工作狀態(tài)做出反饋。當(dāng)發(fā)電廠(chǎng)出現(xiàn)問(wèn)題后，系統(tǒng)可以針對(duì)問(wèn)題情況快速反饋，一旦發(fā)生重大問(wèn)題，就智能開(kāi)啟后備機(jī)組，以保證工作的順利完成。

3 電氣自動(dòng)化在水利水電工程中的主要作用

3.1 監(jiān)測(cè)水利水電工程的運(yùn)行狀況

利用電氣自動(dòng)化技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)水利水電項(xiàng)目的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，一旦出現(xiàn)故障或安全問(wèn)題，就會(huì)立刻啟動(dòng)報(bào)警，并對(duì)故障類(lèi)型、故障范圍以及故障產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行維護(hù)。電氣自動(dòng)化技術(shù)具有很高的時(shí)效性，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行檢修，從而避免了機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)，減少了不必要的經(jīng)濟(jì)損失，為整個(gè)水利水電工程項(xiàng)目的安全運(yùn)行提供保障。

3.2 提質(zhì)增效

建立和運(yùn)作自動(dòng)監(jiān)控運(yùn)行體系，提高整個(gè)項(xiàng)目的穩(wěn)定性，使各種設(shè)備能夠在較好的工作環(huán)境下有效工作，同時(shí)也能使員工享有更好的工作條件，通過(guò)各種生產(chǎn)因素相互配合，為水利水電項(xiàng)目帶來(lái)較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。將電氣自動(dòng)化系統(tǒng)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，可以對(duì)整個(gè)水利水電建設(shè)過(guò)程進(jìn)行全面監(jiān)控，準(zhǔn)確評(píng)估工程的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)已有的信息對(duì)可能的情況做出快速預(yù)測(cè)，以便在源頭上解決問(wèn)題。電氣自動(dòng)化具有優(yōu)越的工作特性，不但減少了對(duì)人力資源的使用，還能避免人力作業(yè)工作效率較低等問(wèn)題。

4 電氣自動(dòng)化在水利水電工程的具體應(yīng)用

4.1 發(fā)電設(shè)施和配電設(shè)施的自動(dòng)控制

發(fā)電設(shè)施和配電設(shè)施是水利水電項(xiàng)目中的關(guān)鍵設(shè)備，將電力自動(dòng)化技術(shù)引入發(fā)電系統(tǒng)能夠顯著提升設(shè)施自動(dòng)化水平。通過(guò)智能化轉(zhuǎn)調(diào)相、自動(dòng)關(guān)停機(jī)以及智能操作等手段，對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行有效控制，以機(jī)器操作代替人工危險(xiǎn)操作，實(shí)現(xiàn)全天候嚴(yán)密監(jiān)測(cè)，促進(jìn)管理工作更加便捷高效，降低人力管理成本。與此同時(shí)，自動(dòng)化裝置能及時(shí)發(fā)現(xiàn)外界不安全因素，對(duì)企業(yè)安全管理和風(fēng)險(xiǎn)控制起著決定性作用。汛期時(shí)，后備機(jī)組能夠?qū)α髁?、降水量、水位等主要參?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常情況后及時(shí)報(bào)警并自動(dòng)停電，避免對(duì)設(shè)備的破壞，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組及閘門(mén)的自動(dòng)保護(hù)，減少經(jīng)濟(jì)損失。

4.2 設(shè)備的統(tǒng)一調(diào)控與設(shè)計(jì)優(yōu)化

電力設(shè)備在水利水電項(xiàng)目中所占比例較高，采用電氣自動(dòng)化技術(shù)可以有效進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和完善。水利水電項(xiàng)目中，設(shè)備的選擇和管道的布局非常煩瑣，尤其是在設(shè)備與配電網(wǎng)的交界點(diǎn)上很可能會(huì)發(fā)生器件性能不可靠、設(shè)備不協(xié)調(diào)、水閘和電器設(shè)備不符等問(wèn)題，利用自動(dòng)化技術(shù)可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行最優(yōu)選擇，并對(duì)故障進(jìn)行仿真，通過(guò)不斷調(diào)整使整個(gè)系統(tǒng)的工作更加平穩(wěn)。水利水電工程施工過(guò)程中主要涉及水泵、油泵、配電設(shè)備、閘機(jī)、變壓器以及輸電線(xiàn)路，采用電力自動(dòng)化技術(shù)能夠針對(duì)各類(lèi)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行控制、切換等綜合作業(yè)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)過(guò)程的自動(dòng)化，避免人為作業(yè)帶來(lái)的不方便、煩瑣以及錯(cuò)誤作業(yè)等問(wèn)題，提高資源配置的有效性和合理性。根據(jù)機(jī)組的工況，科學(xué)合理地調(diào)整機(jī)組的狀態(tài)，使新的機(jī)組處于最佳狀態(tài)，并將多余的部分關(guān)掉，從而實(shí)現(xiàn)資源的合理分配。

4.3 線(xiàn)路優(yōu)化

將電氣自動(dòng)化技術(shù)引進(jìn)變電樞紐，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)制閘、室內(nèi)變電所的調(diào)節(jié)。在電力干線(xiàn)的設(shè)計(jì)上，可將長(zhǎng)距離同步電機(jī)、變壓組相以及單回路整合為一條可調(diào)整的傳輸線(xiàn)，并在一定距離內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)途運(yùn)輸時(shí)安裝隔離變壓器，為電力資源的高效傳輸提供支撐。

4.4 設(shè)備選擇

選擇10 kV 輸電線(xiàn)路作為總線(xiàn)，采用電感方式進(jìn)行電力系統(tǒng)的非同步傳動(dòng)，采用串聯(lián)電抗器和真空接觸器進(jìn)行電力補(bǔ)償。根據(jù)電網(wǎng)具體條件進(jìn)行選型，選用合適的絕緣開(kāi)關(guān)和線(xiàn)路，采用母線(xiàn)和子線(xiàn)的方式進(jìn)行供電，從而實(shí)現(xiàn)配電和變壓的再分布。選用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）自動(dòng)編程供電裝置進(jìn)行內(nèi)部電力的傳輸，通過(guò)調(diào)整電線(xiàn)的分布實(shí)現(xiàn)整體的電流配置，從而實(shí)現(xiàn)低壓和高壓之間的相應(yīng)傳輸。

在水利水電工程中對(duì)接地線(xiàn)和過(guò)流保護(hù)2 方面進(jìn)行研究，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的安全保護(hù)。水電項(xiàng)目中，通過(guò)一體化的設(shè)計(jì)和經(jīng)營(yíng)方法實(shí)現(xiàn)應(yīng)急照明和事故照明，還可以增加主機(jī)保護(hù)、高負(fù)荷保護(hù)、單相接地保護(hù)以及電流速斷保護(hù)等電力保護(hù)。采用計(jì)算機(jī)對(duì)上位機(jī)、下位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)多個(gè)資源進(jìn)行集成與配置，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

5 工程實(shí)例

5.1 工程簡(jiǎn)介

某水利樞紐工程為一座中型規(guī)模的Ⅲ級(jí)建筑，閘門(mén)有8 個(gè)孔，每個(gè)孔的直徑都是12 m。防洪設(shè)計(jì)規(guī)范為：針對(duì)20 年一遇的情況，相應(yīng)防洪水位為2.81 m，防洪設(shè)計(jì)流量393 m3/s；針對(duì)50年一遇的情況，其防洪水位為3.07 m，防洪標(biāo)準(zhǔn)為556 m3/s。

5.2 水閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)

水閘的自動(dòng)控制主要包括閘門(mén)的監(jiān)測(cè)和控制提示、中心數(shù)據(jù)處理和配電間的監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)的主要功能是對(duì)1個(gè)配電房、8個(gè)閘門(mén)以及上游的水表進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用科學(xué)、合理的網(wǎng)絡(luò)控制和自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)的即時(shí)監(jiān)控，同時(shí)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，為工程決策提供數(shù)據(jù)支持。對(duì)于收集到的數(shù)據(jù)可以由管理平臺(tái)綜合整理并上傳到網(wǎng)絡(luò)云端，也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離解析和查詢(xún)。

通過(guò)液力控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)操作，通過(guò)分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）控制中心對(duì)閘門(mén)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視?，F(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制是目前閘門(mén)智能監(jiān)測(cè)中常用的控制技術(shù)，2者都是以現(xiàn)場(chǎng)PLC 控制為起點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)較大，具備互鎖性。水閘自動(dòng)控制通過(guò)以太網(wǎng)與各服務(wù)器和相應(yīng)的控制設(shè)備進(jìn)行通信，通過(guò)對(duì)全流域的水文觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集和分析，形成準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)記錄。科學(xué)收集電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的各種參數(shù)，并與控制站的輸入/輸出（Input/Output，I/O）接口連接，保證中心控制室和應(yīng)急發(fā)電所對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

對(duì)水力控制系統(tǒng)提供的外部信息資源進(jìn)行分析，通過(guò)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地掌握閘門(mén)運(yùn)行狀態(tài)，需要每天、每月匯總對(duì)流速度、水壓、溫度等數(shù)據(jù)，集成后的數(shù)據(jù)以報(bào)告的方式呈現(xiàn)。此外，對(duì)配電室的相位和相間的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算與分析，從而判斷其運(yùn)行狀態(tài)。

5.3 閘體原型觀(guān)測(cè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)

通過(guò)水平位移、壓力等綜合研究，嚴(yán)格實(shí)施大閘閘體原型觀(guān)測(cè)工程科學(xué)方案。將64 臺(tái)GKD 型鋼弦式隙水壓力儀布設(shè)于閘門(mén)中心線(xiàn)及靠近閘門(mén)2 側(cè)的截面，將10 只TS 周邊縫位移計(jì)重點(diǎn)安裝在閘室內(nèi)的閘墩分縫位置，通過(guò)萊卡TCA-2003 全站儀進(jìn)行沉降及水平位移人工觀(guān)測(cè)。本系統(tǒng)的作用在于完成一次巡查和對(duì)全部測(cè)點(diǎn)的巡查與監(jiān)測(cè)，也可實(shí)現(xiàn)個(gè)別測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。

5.4 系統(tǒng)軟件

該電氣自動(dòng)化系統(tǒng)使用的軟件以VisvalBasic6.0為核心，其操作過(guò)程簡(jiǎn)潔、易于掌握。同時(shí)，該軟件具有簡(jiǎn)單的維修與擴(kuò)充功能，易于使用。此外，其具有較完善的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以選擇最優(yōu)的解決辦法。

6 結(jié) 論

從水利水電工程發(fā)電配電設(shè)施自動(dòng)控制、統(tǒng)一調(diào)控、線(xiàn)路優(yōu)化以及設(shè)備選型4 個(gè)方面進(jìn)行電氣自動(dòng)化應(yīng)用分析，應(yīng)用新型電氣自動(dòng)化系統(tǒng)可以全面提高水利水電工程的自動(dòng)化水平，促進(jìn)設(shè)備運(yùn)行效率提升，降低故障率，節(jié)約人力資源，減少運(yùn)行成本，更好地服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。