水电站电气工程自动化技术运用探究

赵红磊　苏建平　凌浩洁

摘要：随着科学技术的不断发展，电气工程自动化技术已经在各行各业得到非常广泛的应用，而在水电站中，电气工程自动化技术更是得到了推广。本文将从水电站电气工程自动化技术的分析、要点、运用方向等方面入手，深入探究水电站电气工程自动化技术的运用，以供参考。

关键词：水电站；电气工程；自动化技术

DOI：10.12433/zgkjtz.20232131

为了促进水电站电气工程自动化技术的应用，需要不断提高对电气自动化技术的重视，不断引进先进的技术和设备，为水电站电气工程自动化技术的发展提供动力支持。

水电站电气工程自动化技术利用计算机、通讯、控制和信息处理等技术手段，通过监控系统实现水电站重要设备的监测、保护和控制，实现自动化运行。该技术可以降低人为操作因素对电气设备造成的影响，并且增加设备在线运行时间，缩短检修时间，提高设备运行效率，大大减少了水电站事故发生的可能性。

一、水电站电气工程自动化技术要点

（一）PLC技术

PLC技术可以对各种工业生产设备进行智能化控制，同时具有运行稳定、高精度、灵活性强等特点。在水电站电气工程自动化应用中，PLC技术广泛应用于水轮机、发电机等供电设备的控制。通过编写各种控制程序，PLC系统可以实现对水电站各个设备的自动化控制和调节。

（二）计算机技术

计算机技术是实现水电站电气系统远程监控和智能化管理的关键技术。通过建立计算机网络、实现远程访问和控制，可以对水电站各个设备的状态信息实时监测和分析，帮助工作人员及时发现和解决问题。同时，计算机技术还可以对水电站设备进行故障诊断、预警等，并生成报告和数据分析，为进一步优化管理提供数据支持。

（三）实时监控技术

实时监控技术是重要的自动化技术应用领域。通过大量的数据分析和处理，对水电站运行过程中的各种参数进行实时监测和分析，帮助维护人员了解设备运行状态并及时采取相应的修复方法，以降低设备维修成本。此外，实时监控技术还可以依据设备运行数据统计分析出设备最少维护时间，从而提高系统效率。

二、水电站电气工程自动化技术运用方向

（一）涡轮螺旋桨调速

涡轮螺旋桨调速是指通过控制涡轮螺旋桨的旋转速度控制发电机输出功率，实现水电站发电效率提高。采用PLC等先进的自动化技术后，操作人员可以在中心控制室对涡轮螺旋桨的状态进行实时监测，如调节转轮和控制止推等措施，以评估优化过程和设定反馈系统。根据电站网优化算法、流量及压头信息等数据自动控制涡轮螺旋桨的调速和关闭，从而达到最佳效果。

案例分析：某水电站使用的涡轮螺旋桨调速系统存在缺陷，导致调度时间长、效率低下，影响水力发电的效率和稳定性。为此，引入了电气工程自动化技术对其优化升级，并整理升级前后数据，数据对照如表1所示。

通过对比前后的数据，可以初步看出实施该技术后的效果。调度时间显著减少：由原先的3个小时左右降至约30分钟；发电效率得到了极大的提高：由原先的50%左右提高至80%以上；保障发电稳定性：相较于过去频繁出现的振荡现象，现在系统运行更加平稳可靠。

1.调度时间

在水力发电过程中，涡轮螺旋桨的转速需要不断地进行调整。对于传统的手动调节方法，调度过程通常需要耗费大量的人力和时间。而通过电气工程自动化技术对涡轮螺旋桨转速自动控制，则不需要人工干预，能够在短时间内实现较为准确的调速。

2.发电效率

发电效率是衡量水力发电系统效果的重要指标，也是开发利用水力资源的经济关键之一。在该水电站中，优化后的转速控制能够更加准确地适应水流的变化，最大限度地提高发电效率。与此同时，电气工程自动化技术还能更加精确地计算发电功率，进一步提升整体发电效率。

3.发电稳定性

水力发电系统的稳定性对于保障电网供电具有重要意义。受制于水流情况的波动，原先的涡轮螺旋桨调速系统在运行过程中会面临一定的不稳定因素，甚至造成振荡现象。通过电气工程自动化技术优化改造，更加精准判断并调整涡轮螺旋桨转速，减少风险，提高运行稳定性。

（二）橡胶坝监控系统

橡胶坝是当前一种常用的大型水利工程，其具有结构特殊性，容易受到泄洪和闸门开闭等因素影响。然而，其中涵盖很多参数变化，如果采用传统的人工监测方式，则很难作出科学准确的判断。此时，采用电气工程自动化技术能够完善监控体系，及时反馈并解决各类问题。通过传感器监听橡胶坝的状态，自动计算变形量、渗漏流量等数据，并分析处理。一旦有异常情况出现，自动化监控系统能立即作出响应，提出预警和防范措施。

案例分析：某水电站的橡胶坝监控系统在使用传统人工检查的方式时存在一些问题，包括人为疏忽导致设备故障风险大、数据分析不够准确等。因此，该水电站采用电气工程自动化技术对橡胶坝监控系统进行改造升级，对比改造前后的数据与结果如表2所示。

通过对比改造前后的数据，在橡胶坝稳定性、应力均衡性、裂纹检测和预警等方面都有较大值得提升。具体数值如下：

1.橡胶坝稳定性：改造前每年橡胶坝发生滑动移位与损坏的次数平均为11次，改造后每年平均仅有3次；

2.应力均衡性：改造前坝体均衡度平均为87.5%，改造后平均值提升至95%；

3.裂纹检测：改造前裂纹检测仅完成15%的有效覆盖率，改造后有效覆盖率提升至80%以上；

4.预警：改造后，下游据点对橡胶坝安全状态的实时监控，在事件发生前早期预警，极大减少了安全事故发生。

数据分析表明，通过实现橡胶坝稳定性和平衡性的大幅提高和裂纹检测、预警等先进功能增加，该水电站产生的损失和维护成本较往年相当，但大幅度减少了人为疏忽所导致的费用浪费，同时实现了设备使用寿命大幅提升，一定程度上提高了该水电站的经济效益。从长远来看，这种技术的投入对于提高橡胶坝的可靠性和故障率极为有利。

（三）水电站调速器

水电站调速器是使水轮机产生适合的负荷而进行励磁调节的地方，其主要功能在于对整个水电站进行发电功率的自动调节。采用电气工程自动化技术，可以改进系统的稳定性、精度以及数据处理的能力，提升水电站发电效率。其实现的核心理念就是利用自动化系统先进的数学建模方法及最优控制策略，实现平衡发电、节能省料和降低水轮机在全功率运转下的损失等多种目标。

案例分析：某水电站的调速器使用传统机械式调速器进行发电机转速控制，但是由于传统机械式调速器的响应速度较慢、精度不高、容易受到环境因素的影响等一系列问题，导致发电效率欠佳的情况。为此，该水电站采用现代化自动化技术将调速器升级为电气工程自动化调速器，运行一段时间后进行数据比对分析。

在升级调速器后，水电站开始实时监测和记录涡轮机的旋转速度和负荷，并通过电气信号控制液压系统的运行来实现电气自动化调速器的调节功能，调整范围和精度均大幅提升。下面是原始数据（2015年）和自动化后的数据（2020年）的比对如表3所示。

从数据中可以看出，在引入自动化技术后，涡轮机的平均转速以及发电量都有了显著提升。在同样的水头条件下，单位时间内的发电量提高约3%，水利灵活性提高，发电效率进一步得到改善。值得注意的是，电气工程自动化技术调速器的精度和稳定性较高，因此能更为准确地控制液压系统，避免了突发情况导致的过载和不稳定问题，从而保证生产安全，并延长设备的使用寿命。

（四）水轮机控制系统

水轮机控制系统负责确定所需输出功率，并且根据控制策略执行命令。同时，它还需要进行维护和监测，此处采用电气工程自动化技术协调流量与压头压力的关系，增强系统的效率和可靠性。操作人员通过搜索找到必要的电气线路、设备、并快速定位故障原因。当系统出现故障或者不正常工作时，自动化监控系统能够自动检测，及时报告给中心控制室的人员处理，确保水轮机安全、高效地工作。

案例分析：选取某小型水电站的顶轴式水轮机进行数据采集和监控，数据包括水轮机转速、流量、水头、出力等参数，并利用电气工程自动化技术实现远程实时监控和控制。

1.智能涡轮螺旋桨调速系统

根据不同负载情况自动调节螺旋桨叶片的角度，达到最佳功率输出效果。通过与水量、水头等传感器的联动，实现水轮机的智能调节控制。

2.远程非接触式蓄势坝水位检测系统

通过水位传感器获取蓄势坝水位信息，与控制系统相连接实现自动调节。同时，利用强电干扰抑制技术，避免因环境影响引起的误差。

3.监测系统和故障预警程序

通过数据采集终端获取水轮机的运行状态和各项参数，结合对比分析以往运行数据，判断设备的正常运行和异常情况，发现故障并提供警报。

表4为实际采集的水轮机运行数据，包括进口流量、净水头、出力、转速等。

通过对上述数据对比分析，可以发现水轮机在不同负载情况下，各项参数的变化规律。例如，在进口流量一定的情况下，随着水头增加，出力也相应增加；当水头达到一定值时，出力的增长趋势逐渐趋缓甚至停滞。另外，基于收集的历史数据建立机器学习模型，预测设备可能存在的故障情况，并提前预警，避免发生重大安全事故。

（五）电气设备检修

在水电站中，使用自动化技术可以提高劳动力利用率及设备质量，减少操作者人为因素带来的误差，从而降低生产成本并增强安全保障。典型的方案就是应用远程监控技术和自行诊断技术，如采用SCADA系统或其他关键指标检测仪器等，实时对电气设备进行数据记录、分析和预测，并自动解决小型故障，一旦遇到出现大型故障，系统会即时向中心控制室发出通知，由维护专员处理。

案例分析：某水电站的发电机组在过去的维护保养中，经常需要进行大规模的检修。由于电气设备规模庞大，而传统的人工检修方式无法对该设备快速准确的诊断和维护，导致检修周期长、效率低、风险高。在这种情况下，采用了电气工程自动化技术方案，具体措施如下：

1.使用传感器网络监测电气设备状态，包括电压、电流、功率因数等参数。

2.利用图像处理技术，对设备表面进行实时监测，同时结合红外线和超声波检测技术对设备进行孔隙内部缺陷检测。

3.通过数据处理和分析算法，对检测到的信息分类和评估，生成健康状态报告，同时制定维护和修复计划。

使用该项技术措施前后的效果比较数据如表5所示。

通过使用电气工程自动化技术方案，大幅减少了检修时间、提高了设备的运行稳定性，同时增加了检修的效率和安全性。

三、结语

综上所述，水电站电气工程自动化技术是一项极具应用价值的现代化技术，得到越来越广泛的应用。随着该技术的进一步优化和成熟，它将为水电站管理、智慧能源等领域的工作开展等带来便利，提高工作效率，促进水电站的长远发展。

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作者简介：赵红磊（1981），男，河北省石家庄市人，硕士，高级工程师，一级注册建造师，研究方向为电力调度、电力市场化交易、智慧电厂、综合能源服务及高压智能电网。