水电站增效扩容中自动化系统改造的实际应用

赵艳波

摘 要：社会的发展与科学技术的进步，自动化在各行各业得到广泛推广。原水电站随着时间的推移，已经无法满足现代化水电站的运行需要。基于此，本文从分析水电站改造现状，详细论述水电站增效扩容中自动化系统改造的实际应用。

關键词：水电站;增效扩容;自动化系统;实际应用

随着电站运行年限的增长，水电站出现不同程度的老化。其中水电站因为时间过长，严重影响机组运行效率。水电站的机电设备和金属结构的折旧率较高，产生的故障也比较频繁。科学技术的进步，促使水电站进行增效扩容自动化改造，可以提高机组的安全运行效率。通过增效扩容自动化改造后，机组装机容量增大，变压器扩大接线的方式，具有更大的容量和电网相连接。

一、水电站系统改造现状

（一）机组运行效率下降，存在安全隐患。

电站机组运行时间较长，部分设备老化现象严重，并且整体机组运行性能严重下降，导致水电站故障频频发生。与此同时，发电机的线棒随着时间的增长老化程度较为严重，进而影响电阻机组的正常运行，造成机组运行效率低下，已经无法达到当时设计的额定出力。

（二）机组配套设备过于陈旧，影响自动化效果。

在进行水电站建设之初，采用的水轮机调速器为较低的配置。在机组正常运行过程中，出现严重的反应迟钝，精度不准确。同时因为液压元件出现卡阻，严重造成机组漏油，耗油量较大。这种落后的技术，严重制约了自动化技术的发展。例如，某发电站，采用的是KGLF31-I系统，这种过时的系统，自动化程度较低，整体运行调节反应速度过慢，并且寿命周期较短[1]。最后，容易造成水电站事故的发生。当机组超负荷运行时，其设备功率达不到额定范围值，机组辅助设备老化失效现象较为严重，需要依靠手动进行控制操作。

（三）电气设备运行效率低下

水电站中机组的安全运行至关重要，其中水轮机、调速系统、发电机、变压器是水电站的关键电气设备。因为长时间的超负荷运作，导致电气设备运行效率低下。水电站因为长时间没有更换水轮机，导致主轴密封出现漏水严重现象，轴承出现瓦温较高的现象，进而造成机组效率较低出现安全隐患。科学技术的发展提高了调速器的整体性能，传统技术的调速器已经无法满足自动化系统的需要，在进行机组开停机和负荷调节时无法跟上参数变化。传统的调速器反馈周期较长，其可靠性能较差，设备故障频频发生。发电机长期使用造成绝缘水平下降，运行效率低下绝缘效果降低，发电机的长期超负荷运行，增加发电机的维护工作，造成水电站整体运行费用上涨。近年来科学技术的进步带动各个领域的更新换代，其中对于变压器，国家相关部门规定高耗能的变压器必须要更新为低耗能变压器。

（四）水电站监控失效严重

原水电站一般采用布线监控的方式，涉及的二次回路线路较为繁琐。原来的自动控制功能因为元件损坏严重，市场上没有可以进行匹配更换的部件，进而导致自动控制基础是失效的状态。电磁继电保护也出现位置不准确的现象，严重影响主设备的安全。

二、水电站增效扩容中自动化系统改造与实施

（一）水电站主设备改造实施

水电站在进行增效扩容自动化改造之前需要对大坝进行除险加固操作，保证水库坝高和水库设计水位没有发生变化。最后确定水轮机改造中运行参数没有变化。经过市场反馈调查，选择型号为HLIF3635D-WJ-73型号的转轮更换原来的转轮[2]。新的转轮使用的是不锈钢的材料制作。水转轮在进行制作中，采用的是模具数控机床加工定型，需要保留原水轮机大轴不用更换，新转轮需要匹配原来销钉的位置。经过水轮机的一系列的改造，能够提高水轮机的运行效率，新的水轮机能够保证效率不低于90%，同时水轮运行出力能够达到700多kW，在原有基础上增加较为明显，促使水轮机增效。水轮机涉及封水面的位置采取铺焊加工工艺，达到水电站验收标准。除了水轮机需要进行必要更换，为了保证水电站自动化系统的可靠性，还要对一些主设备进行更换。如图1

（二）水电站调速控制系统改造实施

随着年限的延长，调速器控制系统使用年限较长，造成调速器的自动化程度逐渐变低。调速控制系统已经出现开启关闭时不适应电网的调度，其超负荷运行无法满足水电站的自动控制使用。与此同时，为保证增效扩容后的运行安全，还需要为每台机组配备一台型号为GYWT-600微机型调速器[3]。此调速器又为电气柜、机械柜，同时也是油压装置，能够保证机组的稳定运行。能够实现自动开停机，有效进行增减负荷。还能实现主动采集运行参数，出现故障自动换成手动工作状态，自动发出报警。

（三）水电站监控系统改造

水电站自动化系统操控，需要准确监控各个机组的运行情况，实时掌握各个机组的运行参数。当系统数据和设置参数不一致时，会发出报警提示。监控系统会定时生成报表，主要内容为各机组的运行状况。

1.水电站监控系统主要构成

水电站主要网络布置分为两层，其中上层为电站层，直接控制各个机组的运行，又称控制层。通过电站层能够直观了解各个机组的运行状况，为计算机直接提供各个机组的运行数据。下层又称机组控制层，其中包括LCU控制。监控管理计算机控制各个单元的LCU，各个机组图2计算机监控系统图

的操控、信号指示以及测量操作都是经过LCU每个小单元实现。而上级和下级操控层的联系主要通过PLC实现传递，PLC能够将各个运行参数传递给上位机，进而传递给LCU实现机组的控制。图2 为计算机监控系统图。

2.水电站基础层系统改造设计

计算机监控系统基础层主要为LCU的结构和功能，其中主要分为PLC、现场传感器等。水电站在进行基础层单元配套时，一般将LCU分为五部分进行控制。其中4套用于控制水电站机组运行，起到监控的作用。其系统能够自主进行数据处理，根据指令进行自动化操作。经过一系列自动化系统操作，最终将数据呈递到上级控制层。最后一套公用LCU进行控制其他水电站的设备，实现自动控制操作。

3.水电站电站层系统改造设计

整个水电站的自动化控制为电站层，主要起到监控和保护的作用。其中监控的效果是及时对数据進行收集处理，具有中央控制的重要作用。另一个保护作用是针对水电站的特殊情况对系统自动进行保护操作。比如，变压器超负荷工作保护。

4.水电站控制系统的改造实施

水电站控制系统的改造中需要了解原水电站元件的设计使用情况，针对原来的设计基础进行改造实施。比如，原来水电站使用的为电磁式继电器控制发电运行。随着时间的改变，造成屏柜和继电器发生老化。这样造成自动化水平严重降低。科学技术促使二次保护控制元件已经不适应水电站的发展需要，也不适应现代化企业的管理。本次水电站的增效扩容自动化改造中，需要采取最新的控制方案。比如，上面提到的计算机控制系统，是现代水电站改造中常用的监控系统，这种自动化系统能够达到无人值班操控的效果。

在进行现场计算机监控系统操作过程中，触摸屏应该采用高性能的PLC。系统控制中，主控制级实现全站远方控制和操作，能够显示各个机组及设备的信号指示。同时计算机主控制系统还能够实现数据处理和打印功能，实现全水电站的监控功能。水电站通过自动化运作，最终实现集中控制各个水机组。

在进行水电站增效扩容自动化改造中，需要在监控装置上安装液晶显示器，方便技术人员操作和跟踪各个电站运行参数情况[4]。监控系统实现自动化操作，能够及时发现和记录机组的异常工况，便于技术人员进行分析。

5.水电站其他机组设备改造

为了实现水电站增效扩容的最佳效果，需要进行继电保护和二次接线改造实施。此次水电站系统自动化改造，主要采用安全自动装置。在选取微机型装置时，需要选择高性能的CPU。这种装置具有高效能的数据处理能力，具有运行速度较快、测量精度较高等特点。

原水电站的电源技术已经出现老化等现象，并且拿到现在使用，技术过于落后，已经无法适应改造后设备的正常运转。为了保证整个计算机监控系统的正常高速运行，需要重新进行直流系统的配置。各行各业技术的不断进步，设备的不断更新换代，选择高配置的直流系统，满足计算机监控系统的运行。比如，直流系统配置一套100AH/220V的微机自控高频开关直流系统，蓄电池选择铅酸蓄电池。水电站高频运行的部分采取智能型的蓄电池。进而实现数据能够及时处理，不用担心因为直流系统出现故障而导致数据丢失。

三、总结

随着时间的推移，原有水电站出现老化严重，一些元件无法正常运行等现象。在进行水电站自动化改造中，为了保证各个电站系统相互协调，能够更好衔接运作，需要对原水电站一些机组设备进行了解。一旦元件和机组出现排斥现象，会导致自动化改造设计失败。水电站自动化改造工程能够淘汰落后的技术和设备，实现水电站系统自动化运转，提高水电站的整体安全性能。

参考文献：

[1]许珍玲.小水电站机组综合自动化系统改造[J].山东工业技术，2016（9）：292.

[2]周涛， 陈韶光， 胡华丽. 老旧小水电站增效扩容的自动化改造——以所略一级水电站为例[J]. 装备制造技术， 2017（3）：93-96.

[3]蔡青长. 监控系统在水电站增效扩容改造中的应用[J]. 河南水利与南水北调， 2016（08）：38-39.

[4]李涛. 基于节能性要求的水电站增效扩容改造方法[J]. 黑龙江水利科技， 2019， 47（04）：64-66.