浅谈水利设施中电气自动化的应用

杨健 郭策

（北方重工电控液压设备分公司研究所，辽宁 沈阳 110141）

目前全世界生产的电能中大约有五分之一是由水电站生产的，我国的水电站生产的电能约占总电能的22%。水电站发电不需要燃烧煤或石油，而是利用自然界水的位能，因而成本低，通常只有火电站成本的几分之一。另一个重要的优点是不产生污染。水电站的能源全部储存在水库中，水库中的水多可以多发电，水少只能少发电，在一定蓄水和来水量时，调度得好可以少用水多发电，调度不善则会多用水少发电，具有季或年调节水库的水电站要按照中、长期水库调度计划决定发电方式:具有日或周调节水库的水电站，则要根据水库来水的“收入”情况，来决定其水量“支出”的安排，确定水电站的日发电计划。对于梯级水电站，则完全由给定的日用水量计划决定电厂的日总发电量计划。在确定水电站运行方式时，必须考虑能源的“近期库存”情况，这是水电站运行方式上与火电厂和核电厂大不相同的一个特点。

1 水电站简介

水力发电是利用江河水流在高处与低处存在的位能差进行发电的。它的基本生产过程是：从河流较高处或水库内引水，利用水的压力或流速冲动水轮机旋转，把水能转变成机械能，通过水轮机的水流沿特设的输水道流到河流下游。水轮机再带动发电机旋转，把机械能变成电能，然后经升压变压器和送、配电线路将电流送到负荷中心，降压后供给工农业和居民用电。构成水能的基本条件是水流的流量和落差。流量和落差越大，水力发电机组的发电功率越大。

2 水电站自动化的内容

水电站自动化包括的内容随着水电站型式、容虽、需要实现的功能等的不同而不同。一般来说，它包括下列主要内容：

2.1 自动检测

检测电站运行设备的各项参数是整个水电站自动化的基础。要检测的屯站运行设备包括机组及其辅助设备、变电稠开关没备、电站的公用设备、水工建筑物及其操作设备等，甚至还可包括水库的水持测报系统，参数既可以是电员，也可以是非电虽，电星有电流、电压、功率、电能、频率、功率因数等，非电虽有温度、转速、波位、压力、流量、液流、机械振动、转角等。检测包括测最、检查、监视、显示和记录，记录既可以是连续的，也可以是间断(定时)的根据检测的结果可以实现下述的自动操作、自动控制和自动保护，因而它是电站安全运行的一个重要环节和基础。

2.2 自动操作

根据操作的对象又可分：

(1)机组的自动操作，要求以一个脉冲自动按照预定的顺序完成下列操作，即开机并并入系统、停机、发电转调相、发电转抽水等。这个脉冲命令既可以自巾央控制室发出 (集中控制方式)，也可以自机旁盘发出(就地控制方式)，这种自动操作有时称作顺序控制，这种操作的对象包括机组及其附属设备。

(2)电纳公用设备的自动操作，这包括乐缩空气系统、排水系统、苗电她的充电、广用供电系统等。

(3)水工建筑物设备的自动操作，这包括溢洪闸门的操作、引水式水电站首部机组取水口闸门的操作：一阵阀门的操作等。

(4)全厂性操作，如报警信号系统、远动通讯系统、开关站设备的操作等。

2.3 自动控制

上述各项操作从自动控制原理的观点来看是属于开环控制性质的，电站还有许多控制属于闭环性质的，调速器属于机组转速的闭环控制系统，励磁调节节器届属于机组电压的闭环控制系统，改变调速器的整定值可以控制机组的有功出力，同样，改变励磁调节器的整定值可以控制机组的无功出力，这两个调节器是机组也是电站的最基本的自动控制装置.还可以设置成组调节设备，以便把全厂机组作为一台机组来调整，使之既可接受来自上一级自动装置的命令，也可以接受电站值班入员给定的命令，这样就出现了有功功率成组调节装置和自动调频装置，以及无功功率成组调节装置。

2.4 自动保护

这里涉及的自动保护动作一般有如下三个等级

(1)动作于报警，对于不立即危害机组的不正常运行情况，加发电机定于温度超限、推力轴承或导轴承温度升高、油槽油面过高或过低、机组冷却水源中断等，保护就自动发出警告或同时投入备用，使运行人员严密监视情况发展，并采取措施，消除产生不正常情况的根源，或者转移负荷使故障机组退出运行。

（2）动作于跳闸停机，当机组发生推力轴承、导轴承温度过高或压油装置油压过低等不允许继续运行的事故情况时，保护就自动跳开断路器并停机。

(3)动作于快速关闭进水闸门(或阀)，有些事故如事故停机时遥上导水叶剪断销剪断，机组过速且调速器失灵，或压力铜管爆破等，自动保护除跳开断路器并停机外，还要关闭机组的进水闸门(或阀)或动作事故配压阀。

3 设备选型及自动化设计

随着水电站自动化水平的提高，水轮发电机组所需自动化元件愈来愈多，其作用就愈重要。但由于目前主机配套的自动化元件的性能不够稳定、灵敏度差、精度低等因素以及自动化设计上的不足使水电站的自动控制的安全受到不同程度的影响，这就需要对设备进行选型和自动化设计。

3.1 PLC在轴流桨式水轮机调速器中的应用

轴流转浆式水轮机被广泛使用于中低水头电站。由于它的水轮机叶片随水不同可与导叶协联动作而使用水轮机的动行水头范围增大。这样可为电厂创造更多经济效益。水轮发电机组制造厂家为其制造的水轮机提供了一组不同水头下导叶开度与浆叶转角的协联曲线，调整器制造厂按此曲线设置了调速器内导叶与浆叶的协联关系。但是由于实际电站运行时，水轮机水头的变化及上下游水位的变化，与厂家提供参数相差甚运，故按协联曲线运行时机组运行性能差不能达到最佳状态。因此对于此类机组的调整器须采用可改变程序的PLC可编程控制器的调速器。在机组试运转过程中和今后的运行中可先针对不同水头及上、下游水位及手动协联导叶、浆叶，取得最佳协联曲线而后修改原协联曲线输入PLC而使机组处实际最佳状态。

3.2 PLC在调节水库式电站调速器中的应用

水库式电站的运行水头变化范围大：此类电站的调速器和起动开度一般按水轮机设计水头设计，但当电站水头降低，水轮机处于低水头下运行时，电液调整器往往不能使机组达到额定转速(自动状态)为使调整器的起动开度增大，往往需更换芯片或在开度指示仪中串接电阻而使调节器输出值与开度指示产生差值开机组。当电站水头更小于设计水头时，为使机组开机不致过速，而又必须换回芯片或撤除串接电阻，若采用PLC可编程控制器，则可根据电站水头高低，修改其程序来改变起动开度即可。

结束语

目前我国小水电站普遍存在产能低、自动化程度低的现象，严重制约了小水电站的效益发挥。由于水电站生产过程的特点，在实现水电站自动化的时候，不仅要实现机组一级的自动化，还要实现电厂一级的自动化.水电站实现机组和全厂两级自动化，就是人们通常说的“水电站综合自动化”。有鉴于此我国水电站电气自动化要发展，只能依靠加强企业的技术开发能力，“产、学、研”相结合，自力更生，实现国内企业之间的协作，不断提高技术研发能力和市场竞争力。

[1]刘忠源.水电站自动化.1998.

[2]崔明.变电站与水电站综合自动化.中国水利水电出版社，2005.

[3]许建安.水电站自动化.技术.2005.