电气自动化技术在水电站中的应用分析

彭康

摘要：水电清洁、环保，是实现碳减排、碳中和目标的一种重要能源形式，自动化技术的应用为水电站发展奠定了坚实基础，使水电利用更加高效，因此本文对电气自动化技术在水电站中的应用进行了分析。

关键词：电气自动化;水电站;应用

水电站发电受到电网负荷、水能变化等多种因素的影响和制约，完善控制系统可以保障发电的稳定性和可靠性，电气自动化技术的应用将工作人员从繁重的监控、调节工作中解放出来，不仅减轻了技术人员的工作量，而且调控更精细，发电更稳定，电能质量更优[1]。而且自动化技术的应用提高了水电站运行效率，降低了运行成本，从而改善水电站发电的经济效益[2]。故此，本文对水电站电气工程自动化技术的应用作了分析。

1水电站自动化系统概述

1.1水电站自动化系统组成及功能

一般来说，水电站自动化系统应包括监控系统、励磁系统、保护系统、直流系统等。监控系统常采用两层控制方式，电站级控制层对全站自动化设备实施监控，现地级控制层对水电站主要设备如水轮发电机组、主断路器等进行控制。励磁系统由励磁调节器及励磁功率调节单元两部分组成，用于控制发电机内部磁场，以保证电能质量。保护系统对发电机、变压器、输电线路进行保护，采用微机控制的保护装置能在出现电气故障时迅速、可靠、准确地做出反应。水电站主要设备的操作电源采用直流电源，直流系统用来保障直流操作电源的稳定。

1.2计算机监控系统

在水电站主控室配置操作员工作站，在发电机、公用设备等位置设置LCU控制屏。工作站与LCU控制屏之间通过以太网连接，借助TCP/IP之类的通信协议进行通信和交换数据。遇到突发故障，监控系统必须立即处理，将故障控制在最小范围内。由于现场对事故控制有优先权，LCU控制权限高于操作员工作站。

1.3励磁系统

励磁方式有多种，以自并励方式为例，系统由自动励磁调节器、励磁功率单元及相关保护模块组成，核心设备是励磁调节器，采用PID调节模块及数据交换、通信模块等控制包括励磁变压器、可控硅整流桥等设备。

1.4微机保护系统

水电站设备保護十分复杂，以发电机保护为例，常见保护类别有纵联差动保护、失磁保护、复合电压启动过流保护、负序过流保护、过电压保护、过负荷保护、定子接地保护、转子回路一点接地保护、差动回路断线保护等，这些保护遵循不同的保护原理，如果采用机电保护，其反应速度、精准性都比较差，而微机保护通过微处理器计算分析和控制，效果则好得多。

1.5直流系统

小型水电站一般将蓄电池作为直流操作电源，蓄电池输出电压要进行监控，并在达到充电条件时要及时充电。充电装置将三相交流电经整流、滤波后输出合格的直流电，为了使用安全还要监测绝缘性和防雷击性能。直流系统由蓄电池、充电模块、监控模块、绝缘监测装置、防雷装置等多个单元组成，并由计算机监控处理。

2电气自动化技术在水电站的应用及效果

2.1计算机监控系统的应用

水电站计算机监控系统的主要功能是收集现地控制单元LCU的数据，再将操作命令传送到LCU，使发电机组的运行和控制实现自动化。监控主机（操作员工作站）任务繁重，需具备可靠的运算速度和处理多项复杂任务的能力，一般采用2台高性能计算机，配备大容量硬盘、显示器、UPS电源及多种通信接口。网络设备采用传输可靠、抗干扰能力强的光缆或双绞线，以及路由器、交换机等设备。LCU包括机组控制LCU和公用LCU。机组LCU设在发电机层，用于采集发电机数据，监测控制发电机开停机、并网发电、励磁调节、负荷调整及设备保护。公用LCU用于监控水闸、泵站等设备。上述各种功能是通过监控系统的组态软件实现的，其软件结构底层为驱动层，之上为数据层和图层显示层。LCU层面的应用软件采用设备厂家提供的编程软件，根据水电站生产工艺和控制要求编程和配置参数。

2.2励磁系统的自动化控制

励磁调节器是励磁系统的核心设备，一般采用PID控制，具有比例控

制、积分控制和微分控制三种作用，控制算法可用下式表示：

p Ti0ddt

（1）

式中Kp、Ti、Td分别为比例系数、积分时间常数和微分时间常数。

由于PID参数常规整定操作复杂，利用经验整定费时费力，目前采用智能算法控制，而且一种智能算法难以满足要求，需联合多种智能算法进行控制，例如联合使用粒子群（PSO）算法与模糊控制算法，使发电机输出电压稳定和机组之间无功分配稳定。控制过程用简单的语言描述即是：输入一个含有多种偏差限制的电压信号，励磁调节器按照设定的调节准则控制励磁功率单元，励磁功率单元再根据励磁调节器的控制要求，向同步发电机的转子提供相应的励磁电流，来自发电机及电力系统动的反馈信号又作为励磁控制信号，如此循环往复，励磁系统就成为闭环控制系统。由于输入信号是非线性的，控制模型也必须是非线性的。

2.3微机保护系统的应用

水电站微机保护系统是按照设定的保护逻辑，通过微机控制保护装置。例如发电机差动保护原理是两折线比例差动。当三相差动电流中出现符合制动条件的二次谐波时，即可按照闭锁条件通过软压板投退。除了二次谐波制动，还有延时断线闭锁及告警等保护功能，以满足多种条件的投退需要。采样回路有自检功能，获得一定信号后作出相应的选择。保护模块安装在设备控制装置附近，各保护单元通过现场总线联网，运行人员可以就地操作而不影响其他保护单元。保护单元内部设有主控板及多个模块，主控板上有微处理器、存储器及其他元器件、电路板，箱体采用金属结构，可屏蔽外界干扰。保护模块外部有显示屏，实时显示电量信息及保护动作信息，可通过模块外部薄膜按键直接设置保护定值，也可在主控室工作站上整定。可见，微机保护能实现比机电保护复杂得多的保护功能及目标，并且整定操作、故障查询都方便得多。

2.4直流系统的自动控制

蓄电池组作为直流电源，通常采用浮充电工作方式，系统充电由智能高频开关电源模块并联而成。输入的交流电，经过尖峰抑制EMI滤波、工频整流、PFC功率因数控制、DC/AC高频逆变、高频整流、LC滤波、EMI滤波后，即输出直流电。采用脉冲宽度调制（PWM）方式，在输入端检测交流信号，在输出端检测电压、电流。交流电经过整流桥得到脉动直流电压，再经PFC功率因数控制、DC/AC高频逆变（在PWM电路控制下）转化为高频脉冲电压，再经高频整流、LC滤波、EMI滤波，才得到稳定的直流电压。在此过程中，控制方式既有模拟控制，也有数字控制，两者结合起来实现电压、电流的双环控制，并通过计算机监控实现遥调功能。

2.5自动化技术在水电站中的应用效果

自动化技术应用于水电站能够实现“无人值班，少人值守”的运行管理目标，解决生产人员不足的难题，使偏僻、生活条件艰苦的电站现场无需运行管理人员值班。发电量增加，电能质量改善，则提高了水电站的经济效益，有利于电站可持续发展。

3结语

目前，自动化技术已在电力行业得到广泛应用，但仍有部分小水电设备、技术落后，自动化水平低，制约了这些水电站的发展和经济效益的提升，因此推广自动化技术具有良好的应用前景。本文对水电站自动化技术的功能、应用情况及效果进行了阐述，可为自动化技术在水电站的应用提供参考依据。

参考文献：

[1]马德辉.水电站电气工程自动化技术的应用分析[J].黑龙江水利科技，2021，49（4）：184-186.

[2]蔡杰琛.浅谈电气自动化技术在水电站发电中的应用与创新[J].电气技术与经济，2021（1）：36-38.