自動化控制技術在水電廠中的應用研究

何才強

（云南大唐國際李仙江流域水電開發(fā)有限公司，云南 普洱 665000）

實現(xiàn)水電廠的自動化運行，是建立智能電網(wǎng)系統(tǒng)和提高水電站運行效率的重要措施。市場對電能需求的不斷增加，對包括水電廠在內的各種電力企業(yè)運行和發(fā)展提出了更高的要求。在水電廠的發(fā)電過程中應用自動化控制技術，能夠在保障發(fā)電運行安全的同時提高水輪發(fā)動機組的運行效率。對自動化控制技術在水電廠中的應用進行分析，能夠為促進水電廠水力發(fā)電質量和運行效率提供一定的思路。

1 水電廠中應用的自動化控制技術簡介

1.1 自動化控制技術的主要內容

自動化控制技術主要是指借助某種技術對整個生產(chǎn)過程進行自動控制的一種技術類型。自動化控制技術能夠被應用到工業(yè)生產(chǎn)中，降低以往人工在工業(yè)生產(chǎn)中消耗的成本和容易出錯的概率，讓企業(yè)能夠在生產(chǎn)運營中獲得更多的經(jīng)濟利潤[1]。將自動化控制技術應用到水電廠中，不僅能夠通過設定好的程序來收集水電廠各個運行階段的信息，盡量避免以往在應用各種設備中存在的人為誤差，實現(xiàn)對整個水力發(fā)電過程的自動控制，也能夠通過監(jiān)控來及時預警水電廠發(fā)電過程中存在的異常和隱患問題，在提高水電廠運行效率的同時，也能夠保障水電廠的運行安全。

1.2 自動化控制技術的主要功能

水電廠中應用的自動化控制技術，主要能夠發(fā)揮調頻和對運行過程的功率控制2 個方面的功能。

從調頻功能的角度來說，應用自動化控制技術能夠實現(xiàn)對電網(wǎng)頻率的調節(jié)。電網(wǎng)頻率是影響水電廠運行效率的一個主要因素，也關系到水電廠的運行安全[2]。在水電廠運行過程中，電網(wǎng)頻率有規(guī)定的領域范圍和標準，頻率過高過低都會影響到整個水力發(fā)電的過程。應用自動化控制技術，依據(jù)水電廠所在電網(wǎng)的形式不同，對于電網(wǎng)頻率的調節(jié)原理也存在一定的差異。當水電廠所在的電網(wǎng)是主力電網(wǎng)時，自動化控制技術只需要將電網(wǎng)頻率調節(jié)到正常的標準；而當水電廠所在的電網(wǎng)是一個獨立的部分時，則需用自動化控制技術對電網(wǎng)運行頻率的整個區(qū)間進行調節(jié)。

從對運行過程的功率控制功能來說，應用自動化控制技術，主要能夠結合水電廠在不同時間段對功率的需求狀況不同，通過合理地分配電功率來減少水電廠在運行過程中的工作負荷，在提高水電廠運行效率的同時，也能夠滿足降低水電廠的生產(chǎn)運行成本、貫徹落實可持續(xù)發(fā)展理念的發(fā)電運行要求。

2 自動化控制技術在水電廠應用的具體體現(xiàn)

自動化控制技術是符合現(xiàn)階段中國水電廠改革發(fā)展和運行要求的重要技術。在采集和分析水電廠運行中的各種機器設備數(shù)據(jù)和參數(shù)后，自動化設備可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)的分析結果來實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程的有效控制，在提高生產(chǎn)工作準確性的同時，也能夠有效降低水電廠實際運行的成本[3]。對自動化控制技術在水電廠中的應用進行分析時，主要可以從以下幾個方面入手。

2.1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)的應用

計算機是能夠發(fā)揮自動化控制技術的重要設備，以計算機為載體，利用計算機來實現(xiàn)對監(jiān)控系統(tǒng)的設計和應用，讓監(jiān)控系統(tǒng)能夠覆蓋到水電廠的整個運行和生產(chǎn)過程中。語音報警系統(tǒng)是水電廠發(fā)電過程中應用的監(jiān)控系統(tǒng)類型之一，在計算機系統(tǒng)中明確水電廠各種設備在正常運行下的參數(shù)，在對整個水電廠進行監(jiān)控的過程中，將各種設備在實際運行狀態(tài)下的各項參數(shù)變化與既定的參數(shù)進行對比，借助語音報警的方式，將監(jiān)控過程中發(fā)現(xiàn)的異常情況及時以語音報警的方式告知工作人員，能夠及時對一些異常情況進行調整，減少各類安全事故的發(fā)生。

網(wǎng)調通信子系統(tǒng)也是監(jiān)控系統(tǒng)的主要類型之一，在水電廠的實際運行過程中，網(wǎng)調通信子系統(tǒng)需要與辦公信息網(wǎng)絡子系統(tǒng)結合起來，實現(xiàn)對各種監(jiān)控信息的及時收集和有效整理分析[4]。除此之外，水電廠中應用的計算機監(jiān)控系統(tǒng)還主要包括GPS（Global Positioning System）時鐘系統(tǒng)，依據(jù)這一系統(tǒng)能夠判斷出發(fā)生安全事故的時間節(jié)點，從而對故障問題的發(fā)生原因進行更準確的分析，為各種故障的維修提供更加科學的依據(jù)。

這些監(jiān)控系統(tǒng)的應用都是以計算機為基礎的，能夠通過計算機的交互界面來實現(xiàn)對整個水電廠運行過程的控制。這種直觀的交互界面不僅能夠有效簡化地對整個水電廠運行過程進行監(jiān)控和控制的程序，也能夠逐漸降低以往水電廠運行過程中的人工比例，從而有效降低水電廠在運行過程中消耗的人工成本和發(fā)生安全事故的概率。

2.2 水輪機調速系統(tǒng)的應用

水輪機是水電廠進行水力發(fā)電的主要設備，水輪機調速系統(tǒng)的應用，也是自動化控制技術在水電廠中應用的一種具體技術形式。計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要能夠實現(xiàn)對整個水電廠運行過程的有效監(jiān)控，而水輪機調速系統(tǒng)的主要是作用于水輪機的一種監(jiān)控和調整系統(tǒng)。在水電廠的水輪機組運行過程中，水輪機調速系統(tǒng)能夠通過檢驗發(fā)電調速和自動校準來保障水電機組的運行安全?；谒啓C組運行本身具有的專業(yè)性特征，水輪機調速系統(tǒng)的結構也更加專業(yè)、更為復雜。應用水輪機調速系統(tǒng)來實現(xiàn)對水輪機組的有效調節(jié)和控制，以讓水輪機組呈現(xiàn)出空載擾動的狀態(tài)為主要標準。在這個過程中，水輪機調速系統(tǒng)需要融合水輪機的開關規(guī)律作為系統(tǒng)運行的主要依據(jù)。

水輪機調速系統(tǒng)在實際的應用過程中，能夠通過測試水輪機組的方式，再整合所有測試到的數(shù)據(jù)之后生成一份準確詳細的實驗報告。當水輪機組在運行中出現(xiàn)故障問題時，可以將該實驗報告作為檢驗故障發(fā)生原因和提出維修措施的參考。

2.3 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的應用

發(fā)電機也是水電廠運行中的一種主要設備，應用發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，能夠在電廠運行的過程中為發(fā)動機提供更加穩(wěn)定的電流，在保障發(fā)電機應用安全的同時，也能夠為水電廠發(fā)電過程的正常運行提供保障。當前應用于水電廠的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，主要包括調節(jié)器和功率單元件2 個部分，該系統(tǒng)在實際運行中能夠借助調節(jié)器來對發(fā)電機的功率單元進行控制，讓發(fā)電機運行負荷的波長能夠處于較為穩(wěn)定的數(shù)值狀態(tài)下。該系統(tǒng)也能夠通過對發(fā)電機的有效控制，讓發(fā)電機的電壓兩端能夠始終處于穩(wěn)定的狀態(tài)下。

由于水電廠應用的發(fā)電機在連接中會存在無功功率的情況，應用發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，能夠通過有效的功率分配和調節(jié)來對發(fā)電機的運行狀態(tài)進行控制。從發(fā)電機的實際運行狀態(tài)來看，讓發(fā)電機能夠處于穩(wěn)定的狀態(tài)下，具體包括靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定2 種情況。依據(jù)不同穩(wěn)定狀態(tài)的具體要求，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的應用要求也存在一定的區(qū)別。不同型號的發(fā)電機對于實際的功率需求也存在一定的差異，應用發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，能夠通過對發(fā)電機運行狀態(tài)下的最大勵磁和最小勵磁的實時監(jiān)督和控制，讓發(fā)電機在實際運行中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)能夠始終處于穩(wěn)定的標準狀態(tài)下，從而有效保障發(fā)電機和整個水力發(fā)電過程的運行安全。

除了能夠實現(xiàn)對發(fā)電機運行狀態(tài)的穩(wěn)定控制之外，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)還能夠實現(xiàn)對發(fā)電機故障的檢測。由于發(fā)電機的故障問題會對整個水電廠運行過程會產(chǎn)生很大的影響，應用發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，能夠在檢測到故障后的第一時間自動滅磁，從而讓發(fā)電機跳閘停機，能夠有效保障整個水電廠的運行安全，避免事故擴大。

2.4 電氣設備的監(jiān)控

對電氣設備進行監(jiān)控是自動化控制技術在水電廠中應用的主要功能和目的。依據(jù)水電廠實際運行中應用的設備類型和用途不同，可以將水電廠的設備分為主要輔助設備、主要電氣設備及機組外的輔助設備3種類型。

主要輔助設備主要是指能夠支持和保證發(fā)電機組正常運行的輔助設備，對這種設備進行監(jiān)控的原理是在獲得輔助設備的運行數(shù)據(jù)之后，應用計算機系統(tǒng)來對檢測到的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)規(guī)則進行對比分析，以此來對輔助設備的運行狀態(tài)進行判斷。對于運行狀態(tài)不穩(wěn)定的輔助設備，則需要通過控制電氣參數(shù)的方式，保障這些輔助設備的正常運行。

水電廠運行過程中的主要電氣設備是指能夠滿足水利發(fā)電輸出需求的變壓器、母線、開關柜及輸電線路等。對于這些電器設備的監(jiān)控和保護，需要在借助PT（電壓互感器）、CT（電流互感器）等設備來采集實際運行過程中的電氣量后，依據(jù)獲得的電氣量信息，來對設備是否發(fā)生故障問題進行判斷，當發(fā)生故障問題時，自動控制系統(tǒng)能夠直接對相關的設備做出控制和操作的反應。

機組外的輔助設備主要是指水電廠運行過程中的一些水泵、空壓機及油泵等設備，水工建筑物也屬于機組外輔助設備的一種類型。應用自動化控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對機組外輔助設備的監(jiān)控，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：①對于水泵等設備的運行狀態(tài)進行檢測和控制，主要是依靠對水位、氣壓及油壓等參數(shù)的檢測分析來實現(xiàn)的，如果發(fā)生故障，需要及時投入備用設備來保障水電廠的安全運行；②對于大壩閘門等基礎外的輔助設備，需要重點從檢驗大壩閘門的正常啟動狀態(tài)和攔污柵的堵塞情況來進行監(jiān)控；③當自動化控制系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)被控參數(shù)存在異常情況時，需要通過報警系統(tǒng)來減少故障問題對水電廠實際運行情況產(chǎn)生的影響。

2.5 PLC 技術的應用

PLC（Programmable Logic Controuer）技術是一種能夠通過可編程控制器來實現(xiàn)對整個水電站運行系統(tǒng)進行控制的技術。當前水電站在應用PLC 技術時，主要集中在軸流槳式水輪機調速器、水庫式電站調速器及繼電保護和勵磁裝置中。PLC 技術在軸流轉槳式水輪機調速器中的應用，能夠依據(jù)上下游水位及水頭情況的不同，通過協(xié)聯(lián)槳葉和導葉的方式，自動根據(jù)協(xié)聯(lián)曲線來計算槳葉及導葉的開度，能夠更好地符合水電廠運行的實際情況。在將調整后的協(xié)聯(lián)曲線輸入到PLC 控制器之后，有效解決軸流槳式水輪機廠家提供的協(xié)聯(lián)曲線與實際運行狀態(tài)不符的問題。

PLC 技術在水庫式電站調速器中的應用，主要是由于水庫式電站的運行水頭波動范圍普遍比較大，當水頭本身的設計與規(guī)定標準相差較大時，如果需要保障水庫式電站的正常運行，則需要通過更換調速器控制芯片的方式來串接或移除開度指示儀的電阻。但由于這個過程的實際工作量比較大，因而具有一定的難度。應用PLC 技術，能夠直接將水頭的設計標準輸入到相應的程序中，并通過計算機和自動控制系統(tǒng)來改變水庫式電站的啟動開度。

除此之外，PLC 技術還能夠被應用到機電保護和勵磁裝置中。繼電保護裝置對于控制電氣故障范圍和保護電氣設備具有重要的作用。通過前面的分析可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)能夠通過勵磁裝置來實現(xiàn)對發(fā)電機運行狀態(tài)的有效控制，將PLC 技術應用到勵磁裝置中，能夠進一步提高電壓控制的效果。以往在應用繼電保護和勵磁裝置的過程中，主要通過對各種電器參數(shù)的實時變化情況進行監(jiān)控，借助事先設定好的程序來將這些參數(shù)控制在合理的范圍之內。但由于整個控制過程很容易受到變更情況的影響而呈現(xiàn)出較大的工作量，應用PLC 技術，能夠簡化控制整個水電站運行變更情況對參數(shù)造成的影響，實現(xiàn)對整個水電廠運行過程的有效控制。

水電廠主要以水流的動能和重力勢能來進行發(fā)電，作為一種可持續(xù)再生的清潔能源，水能發(fā)電在目前中國的電力行業(yè)發(fā)展中有著廣闊的發(fā)展前景。針對當前水電廠實際運行中存在的部分問題，充分發(fā)揮計算機監(jiān)控系統(tǒng)、水輪機控制系統(tǒng)及發(fā)電機勵磁系統(tǒng)等自動化控制技術原理的作用，能夠為保障水電廠的安全運行提供一種更加便利的技術發(fā)展方案，也能夠為水電廠水力發(fā)電技術水平的提高提供一定的經(jīng)驗。

3 結論

綜上所述，自動化控制技術的應用，能夠有效提高水電廠水力發(fā)電的運行效率。水力發(fā)電能夠應用水這種可再生的清潔能源來滿足發(fā)電的需求，在未來的電網(wǎng)運行和電力行業(yè)發(fā)展過程中，以水能來帶動發(fā)電機發(fā)電，對促進整個電力行業(yè)的綠色發(fā)展具有重要的作用。充分發(fā)揮計算機監(jiān)控系統(tǒng)、水輪機調速系統(tǒng)、電氣設備的監(jiān)控及PLC 技術等自動化控制技術的作用，能夠對促進水電廠的運行和發(fā)展起到重要的作用。