淺談水電站電氣自動(dòng)化應(yīng)用問題
岑旭青
摘要：電氣自動(dòng)化程度是水電站現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一，同時(shí)自動(dòng)化技術(shù)也是水電站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行必不可少的技術(shù)手段。本文主要介紹了水電站自動(dòng)化的目的和內(nèi)容以及電氣自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，說明了電氣自動(dòng)化技術(shù)在水利工程中的重要性。
關(guān)鍵詞：水電站 電氣自動(dòng)化 應(yīng)用
近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，水電站自動(dòng)化技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，各種新型自動(dòng)裝置不斷被采用，使水電站的自動(dòng)化水平得到了很大的提高。水電站自動(dòng)化具有提高工作的可靠性、提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、保證電能質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件等作用。
一、水電站自動(dòng)化的目的和內(nèi)容
水電站自動(dòng)化，就是使水電站生產(chǎn)過程的操作、控制和監(jiān)視，能夠在無人（或少人）直接參與的情況下，按預(yù)定的計(jì)劃或程序自動(dòng)地進(jìn)行。水電站簡(jiǎn)單的生產(chǎn)過程為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化提供了方便的條件。
1、水電站自動(dòng)化的目的
水電站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的目的在于提高工作的可靠性和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；保證電能質(zhì)量（電壓和頻率符合要求）；提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件和減少運(yùn)行人員等。
（1）提高工作的可靠性。水電站的運(yùn)行，首先要滿足安全發(fā)供電的要求。水電站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化后，通過各種自動(dòng)裝置能夠快速、準(zhǔn)確和及時(shí)地進(jìn)行檢測(cè)、記錄和報(bào)警，既可防止不正常工作狀態(tài)發(fā)展成為事故，又可使發(fā)生事故的設(shè)備免遭更嚴(yán)重的損壞，從而提高了供電的可靠性。另一方面，用各種自動(dòng)裝置來完成水電站的各項(xiàng)操作和控制，可以大大減少運(yùn)行人員誤操作的可能，從而減少了發(fā)生事故的機(jī)會(huì)。
（2）保證電能質(zhì)量。電能質(zhì)量用電壓和頻率兩項(xiàng)基本指標(biāo)衡量，電力系統(tǒng)的電壓，主要取決于系統(tǒng)中無功功率的平衡；而頻率則主要取決于系統(tǒng)中的有功功率的平衡。系統(tǒng)的負(fù)荷是隨時(shí)在變化的，只能依靠自動(dòng)裝置才能迅速又準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)有關(guān)發(fā)電機(jī)組成發(fā)出的有功和無功功率，維持電壓和頻率在規(guī)定的范圍內(nèi)。
（3）提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。所謂經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，就是使水輪發(fā)電機(jī)組經(jīng)常運(yùn)行在最佳工況下。對(duì)于多機(jī)組的電站而言，還要根據(jù)系統(tǒng)分配給電站的負(fù)荷和電站的具體條件，選擇最佳的運(yùn)行機(jī)組數(shù)，以便用較少的水生產(chǎn)較多的電能。水電站是水力資源綜合利用的一部分，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件較為復(fù)雜，只有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，利用自動(dòng)裝置才能有助于水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。
（4）提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。實(shí)現(xiàn)水電站自動(dòng)化，減少了運(yùn)行人員直接參與操作、控制、監(jiān)視、檢查設(shè)備和記錄等工作量，改善了勞動(dòng)條件，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了運(yùn)行管理水平；同時(shí)可減少運(yùn)行人員，實(shí)現(xiàn)少人甚至無人值班，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低運(yùn)行費(fèi)用和電能成本。
2、水電站自動(dòng)化的內(nèi)容
水電站自動(dòng)化的內(nèi)容，與水電站的規(guī)模及其在電力系統(tǒng)中的地位和重要性、水電站的型式和運(yùn)行方式、電氣主接線和主要機(jī)電設(shè)備的型式和布置方式等有關(guān)。水電站自動(dòng)化包括以下內(nèi)容：
（1）自動(dòng)控制水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)開停機(jī)和并列、發(fā)電轉(zhuǎn)調(diào)相和調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)電等的自動(dòng)化；
（2）自動(dòng)維持水輪發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；
（3）完成對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備運(yùn)行工況的監(jiān)視和對(duì)輔助設(shè)備的自動(dòng)控制；
（4）完成對(duì)主要電氣設(shè)備的控制、監(jiān)視和保護(hù)；
（5）完成對(duì)水工建筑物運(yùn)行工況的控制和監(jiān)視。
水電站自動(dòng)化是通過各種自動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)的，這些自動(dòng)裝置可分為基礎(chǔ)自動(dòng)裝置和綜合自動(dòng)裝置兩類，這些自動(dòng)裝置負(fù)責(zé)整個(gè)電站的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)以及監(jiān)測(cè)和警報(bào)等，并通過基礎(chǔ)自動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)。
二、設(shè)備選型及自動(dòng)化設(shè)計(jì)
　　隨著水電站自動(dòng)化水平的提高,水輪發(fā)電機(jī)組所需自動(dòng)化元件愈來愈多,其作用就愈重要。但由于目前主機(jī)配套的自動(dòng)化元件的性能不夠穩(wěn)定、靈敏度差、精度低等因素以及自動(dòng)化設(shè)計(jì)上的不足使水電站的自動(dòng)控制的安全受到不同程度的影響,這就需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行選型和自動(dòng)化設(shè)計(jì)。
1、PLC在軸流槳式水輪機(jī)調(diào)速器中的應(yīng)用軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)被廣泛使用于中低水頭電站。由于它的水輪機(jī)葉片隨水不同可與導(dǎo)葉協(xié)聯(lián)動(dòng)作而使用水輪機(jī)的動(dòng)行水頭范圍增大,這樣可為電廠創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)效益。水輪發(fā)電機(jī)組制造廠家為其制造的水輪機(jī)提供了一組不同水頭下導(dǎo)葉開度與漿葉轉(zhuǎn)角的協(xié)聯(lián)曲線,調(diào)整器制造廠按此曲線設(shè)置了調(diào)速器內(nèi)導(dǎo)葉與漿葉的協(xié)聯(lián)關(guān)系。但是由于實(shí)際電站運(yùn)行時(shí),水輪機(jī)水頭的變化及上下游水位的變化,與廠家提供參數(shù)相差甚運(yùn),故按協(xié)聯(lián)曲線運(yùn)行時(shí)機(jī)組運(yùn)行性能差不能達(dá)到最佳狀態(tài)。因此對(duì)于此類機(jī)組的調(diào)整器須采用可改變程序的PLC可編程控制器的調(diào)速器。在機(jī)組試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中和今后的運(yùn)行中可先針對(duì)不同水頭及上、下游水位及手動(dòng)協(xié)聯(lián)導(dǎo)葉、漿葉,取得最佳協(xié)聯(lián)曲線而后修改原協(xié)聯(lián)曲線輸人PLC而使機(jī)組處實(shí)際最佳狀態(tài)。
2、PLC在調(diào)節(jié)水庫(kù)式電站調(diào)速器中的應(yīng)用水庫(kù)式電站的運(yùn)行水頭變化范圍大:此類電站的調(diào)速器和起動(dòng)開度一般按水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭設(shè)計(jì),但當(dāng)電站水頭降低,水輪機(jī)處于低水頭下運(yùn)行時(shí),電液調(diào)整器往往不能使機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速(自動(dòng)狀態(tài)),為使調(diào)整器的起動(dòng)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(diào)節(jié)器輸出值與開度指示產(chǎn)生差值開機(jī)組。當(dāng)電站水頭更小于設(shè)計(jì)水頭時(shí),為使機(jī)組開機(jī)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(jù)電站水頭高低,修改其程序來改變起動(dòng)開度即可。
三、水電站電氣自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展
隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，一種模塊化的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)，逐步取代了傳統(tǒng)的以常規(guī)控制、人工操作為主的控制模式，大大提高水電站的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)水電站“無人值班，少人值守”。
1、系統(tǒng)構(gòu)成：采用了計(jì)算機(jī)、可編程序控制器（PLC）或智能I/0、微機(jī)繼電保護(hù)裝置和專用智能測(cè)控裝置，通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線將主控機(jī)與各個(gè)現(xiàn)地控制站、智能裝置等有機(jī)連接在一起，構(gòu)成了按功能分工協(xié)作的分層分布式綜合監(jiān)控系統(tǒng)。
2、系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：（1）開放式體系結(jié)構(gòu)，層次分明，具有良好的擴(kuò)展性；（2）分層分布式系統(tǒng)，可以根據(jù)監(jiān)控對(duì)象、功能進(jìn)行配置，具有很好的分散性、開放性和靈活性；（3）采用冗余配置，具有很高的可靠性；（4）用中文Windows 操作系統(tǒng)和智能通信等先進(jìn)技術(shù)，便于系統(tǒng)升級(jí)；（5）靈活的組態(tài)界面，人機(jī)接口能力強(qiáng)，界面友善，易于掌握，方便設(shè)計(jì)、調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。
3、系統(tǒng)主要功能：（1）對(duì)電站設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)視與記錄：計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)完成電站設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、處理以及設(shè)備運(yùn)行狀況的自動(dòng)監(jiān)視與記錄，包括開關(guān)量信息監(jiān)視，模擬量信息監(jiān)視，故障/事故報(bào)警、記錄與顯示，SOE 點(diǎn)記錄與顯示；（2）對(duì)電站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制：根據(jù)上級(jí)調(diào)度要求和電站自身的具體情況，對(duì)電站設(shè)備進(jìn)行操作或調(diào)節(jié)，包括機(jī)組的自動(dòng)開停和并列以及運(yùn)行工況的自動(dòng)轉(zhuǎn)換、機(jī)組有功和無功負(fù)荷的自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)發(fā)電控制AGC、自動(dòng)電壓控制AVC、斷路器操作等；（3）對(duì)發(fā)電機(jī)、主變、線路等主要設(shè)備及輔助設(shè)備進(jìn)行保護(hù)與監(jiān)控；（4）實(shí)現(xiàn)電站運(yùn)行管理的自動(dòng)化：實(shí)現(xiàn)運(yùn)行報(bào)表的自動(dòng)生成，運(yùn)行操作的自動(dòng)記錄，電站設(shè)備參數(shù)或整定值的記錄與保存，所有報(bào)表均可自動(dòng)或召喚打印以及運(yùn)行人員仿真培訓(xùn)等；（5）系統(tǒng)通訊：實(shí)現(xiàn)與上級(jí)調(diào)度、水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間通信，達(dá)到信息資源共享，充分發(fā)揮整個(gè)系統(tǒng)的綜合效益。

四、結(jié)束語(yǔ)
水電站采用綜合自動(dòng)化系統(tǒng)后不僅提高水電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和工作的可靠性、保證電能質(zhì)量；而且提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件和減少運(yùn)行人員，從而提高電站運(yùn)行的效益。水電站綜合電氣自動(dòng)化系統(tǒng)與水電站的生產(chǎn)、效益密切相關(guān)，隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，水資源開發(fā)利用程度的加大，水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在越來越多的水利樞紐工程中得到更廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮更大的作用。

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