电气自动化技术在水电站中的应用

2014-04-16孙惠

机电信息 2014年18期

孙惠

（信息产业电子第十一设计研究院南京分院，江苏南京210008）

0 引言

近年来，科技发展日新月异，我国电气自动化技术水平迅速提高，已有不少水电站将该技术应用到实际工作中。水电站的电气自动化主要是对机组和辅助设备状态进行实时监控，针对突发情况，发出提前设定的警报提示并自动执行操作任务［1］。水电站自动化程度因电站的规模和电气设备的性能而异。

水电站电气自动化可以有效提高电站运行效率，减少人力投资，并使水电站按照设定的程序准确运行［2］。其自动化水平直接体现了电站的现代化程度，并且水电站的自动化能降低职工工作强度，提高输出电力的质量等。本文主要探讨了我国目前电气自动化技术在水电站中的主要应用情况，并指出了其存在的不足和未来的发展方向。

1 水电站电气自动化的内容

在实际应用中，水电站的自动化受众多因素影响，例如水电站级别、类型，电气设备的接线，主要辅助设备、机组的规格及安置方式等。简而言之，水电站电气自动化的内容主要包括：

1．1 监控水轮发电机组运行状态

对水轮发电机组运行状态进行监控主要包括两大方面：首先是要实现设备开关机、调相转发电及发电转调相的智能化控制，使得上述操作能在预先设计的程序下自主独立完成；其次，维持水轮发电机组的低成本自动运行，智能控制启动的机组数目，在机组间实现负荷的有效分配，按照电站实际规模和系统要求，自动调节机组的无功和有功功率等。此外，当发电机组遇到意外情况或者某些电力系统发生意外事故而导致电力系统频率降低时，预先设定的程序会自动启动备用机组；相反，在汛期到来系统频率过高时，程序会智能关闭某些机组，以此自动调节电力系统设备，使其合理、高效运行，即使没有工人在场也能对发电机组运行状态实行实时智能监控。

1．2 监控主要辅助设备运行状态

水电站的设备包括较多的辅助器件，这些器件的正常运行是保证机组正常工作的基础。因此，要检测发电机组的转子和定子电路是否安全；检测机组电机定子绕组铁芯温度是否在正常范围；监督检查发电机组润滑度以及制冷系统、变速系统等是否正常工作。不论以上哪个部分出现故障，电气自动化系统都会根据程序迅速分析事件危害，并立即响应应急程序，启动相应的保护措施，同时将故障信息以警报的形式通知工作人员，从而降低传统应急事件处理方式导致的损失。

1．3 监控和保护机组外电气设备

除了上述发电机组和主要辅助设备外，水电站还有大量的其他电气设备，如变压器、输电线路等。对这些设备进行自动化监控，对整个发电过程至关重要。电气自动化技术能在变压设备、输电线路出现故障时及时切断电源，并准确计算出故障点，通知工作人员及时处理，从而减少了因查找故障位置而花费的时间。

1．4 监控机组外辅助设备运行状态

完整的水电站除了发电机组、机组主要辅助设备及机组外电气设备外，还有非常多的机组外辅助设备，如各种空压机、水泵和油泵等。此外，水电站大坝及闸门等都对整个发电过程非常重要，故也需应用电气自动化技术检测闸门是否能正常启动；检测水位高低，水位过高或过低时自动及时报警等。

2 电气自动化技术在水电站中的具体应用

随着技术的不断发展，微电子和电气技术的应用越来越广。近年来，水电站自动化水平得到了很大的提高，水轮发电系统自动化所需的配件越来越多，其作用也越来越重要。目前，电气自动化技术在水电站中的应用主要包括2方面：

（1）数字化控制系统；

（2）可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。

为了和国际主流水电站技术接轨，水电站应用自动化技术已经势在必行。电气自动化以计算机为基础，借助可编程逻辑控制器、继电保护和以太网等技术进行信息交流、控制，最终实现智能化监控，减少人力投资。电气自动化是我国水电站发展的核心模式，能经济高效地对主要系统设备进行监护，减短故障处理时间，降低人力成本，减少人为判断产生的错误。

2．1 PLC在轴流桨式水轮机调速器中的应用

PLC中采用了一种可编程存储器，用于其内部程序存储，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字量或模拟量输入／输出控制各种类机械或生产过程。水轮发电机组采用以PLC为核心的调速器，在机组试运转和后续运行过程中，可先针对不同水头、上下游水位手动协联导叶、桨叶，得到最佳协联曲线后修改原协联曲线输入PLC，使机组处于最佳运行状态［3］。

2．2 PLC在调节水库式电站调速器中的应用

鉴于水库式电站的运行水头在较大范围内波动，为了解决这个问题，较多电站将调速器与启动开度按水轮机设计水头制定，一旦电站水头下降，水轮机则位于水头外运行，电液调速器常常很难使机组达到额定转速，为了加大启动开度，往往需更换芯片或在开度指示仪中串接电阻而使调速器输出值与开度产生差值。当电站水头远高于设计水头时，为保证机组在开机时不致超速，往往需要换回芯片或移除串接电阻。若应用PLC技术，则可根据电站水头高低设计相应程序来改变启动开度。

2．3 PLC在水电站橡胶坝监控系统中的应用

近年来，许多水资源丰富的地区都建立了较多小型水电站，橡胶坝为该类水电站的经济运行提供了强大的拦水功效，但是橡胶坝本身也存在一定的缺陷：

（1）坝顶的少量溢流可能引起谐振，使坝袋与坝体的水泥基础之间摩擦加剧，最终导致坝袋破损；

（2）泄漏、自排、热胀冷缩等情况可能会使坝袋内部和外部的压力比远远超过相关技术规范参数，或者因坝袋高度较低，使溢流增大，落差降低。

故对橡胶坝进行升降控制和状态监控尤为重要。为了提高水电站的发电效率，更有效地控制和保护橡胶坝，多地水电站根据自己的实际情况开发了基于PLC技术的小型自动监控系统。毛雪珍等人［4］发现，采用PLC后，自动化系统结构更加简单，如辅助元件减少、工作噪音降低、接线简化等，同时也使得修改控制更为容易。

3 水电站的电气自动化问题

水电站的电气自动化问题主要体现在监控系统的设计上，如监控网络的速度跟不上［5］。由于整个系统需要监控的模块逐渐增多，就对监控设备的硬件设施提出了更高的要求，为此，水电站需要铺设更多电缆，安装更多探头。更为棘手的是，一旦网络带宽满足不了要求，就很容易导致信号传输错误、推迟甚至是丢失，最终有可能给整个水电站带来巨大损失。