基于电气自动化在水电站中的应用研究

林镜湖

[摘要]文章首先介绍水电站采用电气自动化的目的，详细分析电气自动化在水电站中的应用，探讨PLC在轴流桨式水轮机调速器中的应用。

[关键词]水电站；电气自动化；PLC；调速器

引言

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，这又主要体现在水电站的自动化方面。水电站运营水平和现代化水平的高低主要取决于其内部电气自动化的实现程度。而电气自动化是指生产过程中的控制、操作及监视等重要步骤可以在无人（或少人）情况下按预设程序完成。可见，电气自动化能在不降低安全保证的情况下提升水电站运行的工作效率及经济性，是水电领域的研究重点。

1.水电站采用电气自动化的目的

电气自动化以计算机为基础。综合了数字控制、可编程逻辑控制等先进技术，是水力发电智能化发展的必由模式。在现阶段，广泛推行电气自动化，能达到以下目的。

（1）确保电能质量。随着时代的发展，公众对电力的需求不仅表现在数量上，更体现在质量上。表示电能质量好坏的指标主要是频率和电压，前者由系统的有功功率平衡决定，后者由系统的无功功率平衡决定。显然，仅仅依靠人工的手动操作很难使随时变化的发电电荷满足人们对电能质量的要求，而采用自动装置则可以及时又准确地调节系统的有功及无功出力，达到保持频率和电压稳定的目的。

（2）提升水电工作的安全性。采用电气自动化后，所有的生产设备能够准确、快速启动，实现数据分析和事故判断的实时辅助，这样一方面能防止事故出现时故障面扩大（通过自动装置控制相关开关并报警），另一方面也使水电生产不中断（通过自动启用备用设备等）。另外，将自控装置引入各关键流程，可显著降低因人工误操做风险。

（3）实现发电机组运行经济性。众所周知，水轮机组满负荷工作是一种理想状态，而实际由于水流量、机组故障等各方面因素使得这一状态较难实现。在利用自控装置后，系统能在结合当前水利条件的情况下，计算出最佳运行组数，即使最少的水产生出最多的电能。

（4）提高水电站运行效率。采用电气自动化，无疑可大大减少运行人员数量，并降低实际操作人员的劳动强度和工作量。

2.水电站中电气自动化的应用场合

水电站的类型、级别、电气主接线、机组规格及安置方式等因素会影响到电气自动化的具体应用。但总体来说，以下几个层面是共有的。

2.1水轮发电机组的自动控制

应用过程：机组监控设备将监测数据传送至控制室计算机，计算机启动预先设定的运行程序并判断机组运行状况，然后再依照相关逻辑规则发出控制（或调整）指令。应用内容：（1）实现机组开、关，调相转发电，发电转调相等项目的智能化控制。（2）实时计算最佳运行机组数并自动控制，在机组间智能分配负荷（包括自主调节有功和无功），从而维系水轮发电机的低成本运行。（3）当机组出现意外或者外部系统发生事故而导致频率降低。预设程序通過启动备用机组来维持系统稳定反之，汛期来临频率过高时，预设程序会关闭一些机组。

2.2主要辅助设备运行状态的监控

在水电站中，围绕发电机组有一些主要的辅助设备，这些设备的运行工况同样影响着电站的稳定生产。电气自动化在这里有了广泛的应用。

应用过程：通过“监测设备——控制设备——控制节点”的方式，将辅助设备运行数据发送至计算机，计算机通过数据库和预设规则比对，判断辅助设备的健康状态并相应控制设备的电气参数。

应用内容：（1）检测定子和转子回路是否正常；（2）检测定子绕组的铁芯温度是否正常；（3）检查机组润滑度及变速系统、制冷系统等是否正常；（4）以上无论哪部分出现问题，电气自动化系统都会迅速启动应急程序和保护措施，同时将故障信息上传警报。

2.3主要电气设备的监控和保护

水力发电的输出离不开变压器、母线、开关柜、输电线路等主要电气设备。对这些设备的监控和保护成了水电站电气自动化应用的必然内容。

应用过程：通过PT、CT等设备采集到的电气量，判断设备是否有故障，并视故障情况作出反应。

应用表现：（1）对不立即危害发电机组的异常情况（如机组冷却水源中断、机组温度超限、油槽油面异常、推力轴承或者导轴承温度升高等），只发警告以引起运行人员的注意；（2）对于超过保护整定限值的故障情况（如机组过速且调速器失灵、导水叶剪断、铜管爆破等），电气自动化系统不但跳开断路器和，还同时关闭机组进水闸门。

2.4机组外辅助设备的监控

完整的水电站拥有数量众多的水泵、空压机、油泵等机组外电气设备，以及浩大的水工建筑物。电气自动化在这一块的应用为：（1）控制水泵等设备的运行状态，故障时及时投入备用设备；（2）检测大坝闸门是否可正常启动，检测拦污栅是否堵塞，当水位过高过低时引发自动报警。

3.PLC技术应用展开

PLC即可编程控制器。在水电站电气自动化中，可应用PLC来控制几乎所有设备的生产过程。

（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人PLC而使机组处实际最佳状态。

（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。

4.电气自动化瓶颈

虽然电气自动化给水电站自动运行带来了方便，但其自身发展存在一定瓶颈，主要体现在：因电气自动化的基础是实现对设备的全面监测，因此整个自动化系统的监控模块非常之多，这样就导致通信网络较为复杂且通信速度、通信质量面临挑战。随着新技术（如光纤通信技术）的推进，相信电气自动化瓶颈能够得到解决。

5.结语

总之，水电站采用综合自动化系统后不仅提高水电站运行的经济性和工作的可靠性、保证电能质量：而且提高劳动生产率、改善劳动条件和减少运行人员，从而提高电站运行的效益。水电站综合自动化系统与水电站的生产、效益密切相关，随着国家能源结构的调整，水资源开发利用程度的加大，水电站综合自动化系统在越来越多的水利枢纽工程中得到更广泛的应用，发挥更大的作用。