基于電氣自動化在水電站中的應用研究

林鏡湖

[摘要]文章首先介紹水電站采用電氣自動化的目的，詳細分析電氣自動化在水電站中的應用，探討PLC在軸流槳式水輪機調速器中的應用。

[關鍵詞]水電站；電氣自動化；PLC；調速器

引言

隨著水電站自動化水平的提高，水輪發電機組所需自動化元件愈來愈多，其作用就愈重要，這又主要體現在水電站的自動化方面。水電站運營水平和現代化水平的高低主要取決于其內部電氣自動化的實現程度。而電氣自動化是指生產過程中的控制、操作及監視等重要步驟可以在無人（或少人）情況下按預設程序完成?？梢?，電氣自動化能在不降低安全保證的情況下提升水電站運行的工作效率及經濟性，是水電領域的研究重點。

1.水電站采用電氣自動化的目的

電氣自動化以計算機為基礎。綜合了數字控制、可編程邏輯控制等先進技術，是水力發電智能化發展的必由模式。在現階段，廣泛推行電氣自動化，能達到以下目的。

（1）確保電能質量。隨著時代的發展，公眾對電力的需求不僅表現在數量上，更體現在質量上。表示電能質量好壞的指標主要是頻率和電壓，前者由系統的有功功率平衡決定，后者由系統的無功功率平衡決定。顯然，僅僅依靠人工的手動操作很難使隨時變化的發電電荷滿足人們對電能質量的要求，而采用自動裝置則可以及時又準確地調節系統的有功及無功出力，達到保持頻率和電壓穩定的目的。

（2）提升水電工作的安全性。采用電氣自動化后，所有的生產設備能夠準確、快速啟動，實現數據分析和事故判斷的實時輔助，這樣一方面能防止事故出現時故障面擴大（通過自動裝置控制相關開關并報警），另一方面也使水電生產不中斷（通過自動啟用備用設備等）。另外，將自控裝置引入各關鍵流程，可顯著降低因人工誤操做風險。

（3）實現發電機組運行經濟性。眾所周知，水輪機組滿負荷工作是一種理想狀態，而實際由于水流量、機組故障等各方面因素使得這一狀態較難實現。在利用自控裝置后，系統能在結合當前水利條件的情況下，計算出最佳運行組數，即使最少的水產生出最多的電能。

（4）提高水電站運行效率。采用電氣自動化，無疑可大大減少運行人員數量，并降低實際操作人員的勞動強度和工作量。

2.水電站中電氣自動化的應用場合

水電站的類型、級別、電氣主接線、機組規格及安置方式等因素會影響到電氣自動化的具體應用。但總體來說，以下幾個層面是共有的。

2.1水輪發電機組的自動控制

應用過程：機組監控設備將監測數據傳送至控制室計算機，計算機啟動預先設定的運行程序并判斷機組運行狀況，然后再依照相關邏輯規則發出控制（或調整）指令。應用內容：（1）實現機組開、關，調相轉發電，發電轉調相等項目的智能化控制。（2）實時計算最佳運行機組數并自動控制，在機組間智能分配負荷（包括自主調節有功和無功），從而維系水輪發電機的低成本運行。（3）當機組出現意外或者外部系統發生事故而導致頻率降低。預設程序通過啟動備用機組來維持系統穩定反之，汛期來臨頻率過高時，預設程序會關閉一些機組。

2.2主要輔助設備運行狀態的監控

在水電站中，圍繞發電機組有一些主要的輔助設備，這些設備的運行工況同樣影響著電站的穩定生產。電氣自動化在這里有了廣泛的應用。

應用過程：通過“監測設備——控制設備——控制節點”的方式，將輔助設備運行數據發送至計算機，計算機通過數據庫和預設規則比對，判斷輔助設備的健康狀態并相應控制設備的電氣參數。

應用內容：（1）檢測定子和轉子回路是否正常；（2）檢測定子繞組的鐵芯溫度是否正常；（3）檢查機組潤滑度及變速系統、制冷系統等是否正常；（4）以上無論哪部分出現問題，電氣自動化系統都會迅速啟動應急程序和保護措施，同時將故障信息上傳警報。

2.3主要電氣設備的監控和保護

水力發電的輸出離不開變壓器、母線、開關柜、輸電線路等主要電氣設備。對這些設備的監控和保護成了水電站電氣自動化應用的必然內容。

應用過程：通過PT、CT等設備采集到的電氣量，判斷設備是否有故障，并視故障情況作出反應。

應用表現：（1）對不立即危害發電機組的異常情況（如機組冷卻水源中斷、機組溫度超限、油槽油面異常、推力軸承或者導軸承溫度升高等），只發警告以引起運行人員的注意；（2）對于超過保護整定限值的故障情況（如機組過速且調速器失靈、導水葉剪斷、銅管爆破等），電氣自動化系統不但跳開斷路器和，還同時關閉機組進水閘門。

2.4機組外輔助設備的監控

完整的水電站擁有數量眾多的水泵、空壓機、油泵等機組外電氣設備，以及浩大的水工建筑物。電氣自動化在這一塊的應用為：（1）控制水泵等設備的運行狀態，故障時及時投入備用設備；（2）檢測大壩閘門是否可正常啟動，檢測攔污柵是否堵塞，當水位過高過低時引發自動報警。

3.PLC技術應用展開

PLC即可編程控制器。在水電站電氣自動化中，可應用PLC來控制幾乎所有設備的生產過程。

（1）PLC在軸流槳式水輪機調速器中的應用

軸流轉漿式水輪機被廣泛使用于中低水頭電站。由于它的水輪機葉片隨水不同可與導葉協聯動作而使用水輪機的動行水頭范圍增大，這樣可為電廠創造更多經濟效益。水輪發電機組制造廠家為其制造的水輪機提供了一組不同水頭下導葉開度與漿葉轉角的協聯曲線，調整器制造廠按此曲線設置了調速器內導葉與漿葉的協聯關系。但是由于實際電站運行時，水輪機水頭的變化及上下游水位的變化，與廠家提供參數相差甚運，故按協聯曲線運行時機組運行性能差不能達到最佳狀態。因此對于此類機組的調整器須采用可改變程序的PLC可編程控制器的調速器。在機組試運轉過程中和今后的運行中可先針對不同水頭及上、下游水位及手動協聯導葉、漿葉，取得最佳協聯曲線而后修改原協聯曲線輸人PLC而使機組處實際最佳狀態。

（2）PLC在調節水庫式電站調速器中的應用

水庫式電站的運行水頭變化范圍大：此類電站的調速器和起動開度一般按水輪機設計水頭設計，但當電站水頭降低，水輪機處于低水頭下運行時，電液調整器往往不能使機組達到額定轉速（自動狀態），為使調整器的起動開度增大，往往需更換芯片或在開度指示儀中串接電阻而使調節器輸出值與開度指示產生差值開機組。當電站水頭更小于設計水頭時，為使機組開機不致過速，而又必須換回芯片或撤除串接電阻，若采用PLC可編程控制器，則可根據電站水頭高低，修改其程序來改變起動開度即可。

4.電氣自動化瓶頸

雖然電氣自動化給水電站自動運行帶來了方便，但其自身發展存在一定瓶頸，主要體現在：因電氣自動化的基礎是實現對設備的全面監測，因此整個自動化系統的監控模塊非常之多，這樣就導致通信網絡較為復雜且通信速度、通信質量面臨挑戰。隨著新技術（如光纖通信技術）的推進，相信電氣自動化瓶頸能夠得到解決。

5.結語

總之，水電站采用綜合自動化系統后不僅提高水電站運行的經濟性和工作的可靠性、保證電能質量：而且提高勞動生產率、改善勞動條件和減少運行人員，從而提高電站運行的效益。水電站綜合自動化系統與水電站的生產、效益密切相關，隨著國家能源結構的調整，水資源開發利用程度的加大，水電站綜合自動化系統在越來越多的水利樞紐工程中得到更廣泛的應用，發揮更大的作用。