小水电自动控制器智能化研究

摘要：针对现有小水电自动控制水平低，二次回路接线复杂等问题，对其开、停机流程进行功能分析，并对自动发电控制、继电保护、同期并网、运行数据采集等功能进行集成化研究，提出了一套小水电自动控制器开发方案，可满足小水电智能化、集成化的要求。经工程验证，该控制器能满足无人值守需求，并提高发电效率，有较好的推广应用价值。

关键词：小水电;自动控制;智能化;集成化

0    引言

我国小水电资源极其丰富，但大多分布在边远山区，大部分地区的水电站仍需要靠操作人员人工运行。随着小水电技术发展，部分小水电站开始进行自动化改造[1]，但改造水平普遍偏低，不能适应电网保护、安全自动装置的配合要求。水电屏柜里的过流保护装置、过电压保护装置、同期装置、仪表等都是单独配置，小水电自动化控制器集成化水平低。文献[2]分析了小水电实现自动控制的技术措施，通过二次系统技术与继电器的配合实现发电机保护等方面的功能和发电机运行的支持。文献[3]介绍了集测控、自动准同期、交流量采集与测速、发电机励磁、水轮机调速、微机继电保护、公用与辅助设备控制等功能于一体，以智能化的系统软件为核心的小水电综合自动化装置。因此，对小水电自动控制器智能化、集成化进行研究，能进一步提高小水电站自动化运行的可靠性和稳定性。

1    小水电自动控制器功能设计

小水电自动控制器的自动控制功能，简化了手动操作流程，提高了控制精确度，可根据水位变化自动开停机或者通过指令快速开停机。自动开机通过开启调速器逐步加水出力增加频率，满足频率条件后启动励磁将电压调整至目标值，起励成功后继续加调速器出力，当频率、电压达到同期并网允许范围时，启动并网。具体开机流程逻辑如图1所示。小水电自动控制器能根据频率与电压的数值判断控制调速器的加减出力，从而完成自动并网发电的操作。若判断到异常情况，则结束开机流程。

关机功能通过自动控制器对设定水位的判断或者人工指令操作。自动控制器发送指令控制调速器分段关水，减少发电机输出，待满足条件时断开并网开关。离网成功后继续调节调速器关水至关闭，然后发出指令使励磁系统进行灭磁。

小水电自动控制器还具备励磁、调速、功率控制、保护、监控等一体化功能。典型应用保护功能配置如图2所示。

2    小水电自动控制器集成化设计

现阶段，我国小水电自动化改造使用的控制器集成化水平较低，单个水电控制屏柜往往需要配置多个设备以满足自动化发电需求。通过对小水电控制器的集成化设计，小水电自动控制器与小水电一次设备逻辑图如图3所示。通过逻辑处理单元对采集数据进行分析判断，与各小水电一次设备（水轮发电机、调速器、励磁系统等）配合，实现智能解列、自动并网、电压控制、调频、自动开停机等功能，满足无人/少人值守条件且高度集成化。

（1）自动同期功能：当装置自动开机时，首先判断机端电压、频率是否允许并网，当允许并网后，根据发电机机端电压及系统侧电压，判别是否符合同期要求，符合同期要求则立即合闸并网。检同期方式：在等待允许同期的时间内，自动控制器进行同期条件的判断，若满足同期条件，则允许合闸。

（2）遥测功能：对水电机组设备运行状态进行监测、控制。其中，遥测量包括发电机机端电压UA、UB、UC、UAB、UBC、UCA，机端电流Ia、Ib、Ic，电网电压Ux，传输功率、功率因数P、Q、cos φ及发电机机端频率F，电网频率Fx共14个遥测模拟量。所有模拟量实时计算，电流、电压精度达到0.2级，其余精度达到0.5级。

（3）状态采集：自動控制装置通过交流插件引入交流模拟量，包括保护和测量共用的母线电压（Ua、Ub、Uc）、同期电压（Ux）保护和测量共用的三相电流（Ia、Ib、Ic）。外部交流信号输入经电压、电流变换器隔离变换和低通滤波后至A/D转换器，由CPU控制定时采样获得等间隔采样序列，并采用离散傅里叶变换等算法进行数字信号处理。

自动控制装置通过电源的开入插件、操作回路等引入开入量，包括遥信开入、硬压板、位置状态等。外部开入信号经光电隔离变换和硬件滤波，将强电的通断信号转换为数字量的“0” “1”电平，由CPU进行定时采样和防抖处理。当开入量发生改变时，装置进行记录并打上时间，形成事件记录。

优化后的屏柜与传统屏柜的对比如图4所示。普遍小水电站自动化改造的屏柜（左），同期装置、励磁装置、保护装置、自动控制器、仪表均单独分布，通过各个配件间的配合实现小水电自动化控制及保护功能[4]。小水电自动控制器所配置的屏柜（右），小水电自动控制器集成了采集网电、机电的相关数值，同期功能、保护功能、自动发电功能等一体化平台。这些功能构成了一个逻辑缜密的系统，用以控制机组的并网、状态的检测和机组输出功率的计算，并且在机组出现异常可以及时反馈等。

3    结语

本文对小水电自动控制器优化进行了研究。通过对小水电自动控制器实施自动发电控制、继电保护、同期并网等功能的集成化改造，使小水电站配置更加简洁，简化了组装时复杂的接线，降低了配件运维的成本。目前该控制器已成功开发，并在广东省韶关市山区的数个小水电站正常投运。智能化小水电自动控制器在功能设计上满足了水电站自动投运的需求，达到了无人值守的条件，提高了电网运行的安全稳定性和供电可靠性。

[参考文献]

[1] 赵建仓.小水电综合自动化系统的研究[D].广州：华南理工大学，2004.

[2] 陈惠中.农村小水电实现自动控制的技术措施[J].发电设备，2002（6）：7-10.

[3] 小水电综合自动化系统[J].中国农村水利水电，2019（7）：196.

[4] 李玉龙.小型水电站一体化控制装置研究与应用[D].长沙：湖南大学，2012.

收稿日期：2020-08-10

作者简介：刘配配（1986—），女，河南许昌人，工程师，主要从事继电保护工作。