小型水电站综合自动化系统设计研究

何 鎏

（江西省赣州市水利电力勘测设计研究院，江西 赣州 341000）

随着小型水电站运行管理要求的不断提高，自动化监控逐渐成为小型水电站面临的主要问题。研究综合自动化系统是转变水电站运行管理模式的关键。因此，探讨小型水电站综合自动化系统具有一定必要性。

1 小型水电站概况

章惠渠水电站位于章水干流赣州市南康区境内河段，坝址位于西华乡桥口村，枢纽建筑物主要由大坝、电站、进水闸及灌溉配套渠系等组成，是一座可以实现发电、灌溉等综合应用的水利工程。

2 设计要求

根据小型水电站的特点，在设计小型水电站综合自动化系统时，应注意加强对以下几方面问题的重视：

第一，设备选择标准。优先选择性价比高、易于维护、智能化水平高的设备。利用高性能的自动化装置，为水电站的运行提供可靠支持[1]。

第二，符合用电规律特征[2]。小型水电站多采用独立供电模式，导致水电站运行期间的负荷变化、电压变化幅度相对较大。

3 系统设计

3.1 系统架构

为确保小型水电站综合自动化系统功能的正常发挥，可采用分布监控模式布设综合自动化系统的架构。具体内容包括：

第一，电站层。该部分的功能是利用监控计算机设备与上级调度实现实时通讯，及时传输与水电站运行监控有关的信息。

第二，机组控制层。水电站水轮发电机运行期间，现地控制单元LCU可通过动态采集发电机的运行参数，实现对该设备的自动监控。

3.2 LCU配置

考虑到该水电站对自动化监控工作的要求，本研究按照如下模式开展LCU的设备配置：

第一，可编程控制器配置。PLC设备的优势在于：控制功能良好，可为多类不同设备的运行监控提供支持。此外，该型号PLC的体积较小，安装较为便捷。

第二，测点布设。为确保有效进行水电站发电机组运行信息和大坝水情信息的动态采集，做好系统的测点布设工作。小型水电站综合自动化系统的主要测点（端口）布设状况如表1所示。

第三，发电机组运行参数感应（采集）装置。该装置可为PLC提供5种不同的转速信号（140%Ne、115 %Ne、100 %Ne、75 %Ne以及30 %Ne），以满足机组对转速的需求。为实现对水电站发电机组的自动监控及管理，可在LCU中布设TDS-X162R1智能测温设备。启用该设备后，可利用内置热电阻传感器信号装置针对机组、增速器等相关设备的温度参数（＜16路）进行自动巡回检测，并由单片机PIC针对所采集温度参数进行自动处理。正常情况下，该设备可持续显示监测设备的温度参数（显示途径：数码管）。而当监测设备的温度参数超出报警温度阈值时，该设备可自动发出警报，提示水电站工作人员及时排除故障。

表1 综合自动化系统的主要测点布设状况

3.3 发电机组调节系统控制

调节系统运行期间，其转动部分按照如下方程进行规律运动：

在上述运动方程中，J表示发电机组转动部分的惯性矩参数；Ma代表机组的转矩参数；Mb代表机组的负荷阻力矩参数。

根据上述运动规律，可判断水电站发电机组频率维持恒定的条件为：，在该状态下，Ma与Mb的数值刚好相等；而未达到上述条件时，机组转速参数容易出现变化，并引发转速偏差问题，进而增加机组运行控制工作的复杂性。

水轮机机组转矩的调节可根据水轮机转矩计算方法实现，其计算方法如下：

在该公式中，ρ表示水的密度，为恒定参数，即1 g/m3；Q表示水电站中通过水轮机机组的流量参数；Hn表示水轮机的净水头参数；w表示水轮机机组的运行效率。

为保障控制效果，本研究引入模糊PID控制技术，实现对机组调节系统的动态自动化控制。根据模糊PID控制要求及机组调节系统的运行特征，可将PID传递函数表达式确定为：

在该表达式中，KI、KDs以及Kps均为PID控制器的参数。

参照水电站水轮机的控制要求（控制模型特征），依据模糊PID技术建立控制模型为：

3.4 预警处理

自动化系统运行期间，可通过对机组运行状况、水位及余量等参数进行采集与分析，保障水电站的正常运行。其中，机组监控方面的预警处理流程为：当综合自动化系统监测到机组过速达到阈值（140 %Ne）水平时，立即发出机组紧急事故停机指令，提示水电站工作人员及时进行处理。

而在水电站水位、雨量等参数的监测方面，当综合自动化系统发现水位计、雨量计等采集装置提供的参数超过阈值范围时，可在显示相关参数的基础上，通过预警系统发出警报，提示水电站工作人员进行干预、管理。

4 结论

为确保小型水电站自动化监控、管理模式的全面实现，可结合小型水电站的运行特征、监控管理要求，合理开展综合自动化系统的设计。注意结合该系统的应用成效，不断优化系统构成及功能设计，进一步降低水电站工作人员的负担，提高水电站运行安全性。