自动化控制技术在水电厂中的应用研究

何才强

（云南大唐国际李仙江流域水电开发有限公司，云南 普洱 665000）

实现水电厂的自动化运行，是建立智能电网系统和提高水电站运行效率的重要措施。市场对电能需求的不断增加，对包括水电厂在内的各种电力企业运行和发展提出了更高的要求。在水电厂的发电过程中应用自动化控制技术，能够在保障发电运行安全的同时提高水轮发动机组的运行效率。对自动化控制技术在水电厂中的应用进行分析，能够为促进水电厂水力发电质量和运行效率提供一定的思路。

1 水电厂中应用的自动化控制技术简介

1.1 自动化控制技术的主要内容

自动化控制技术主要是指借助某种技术对整个生产过程进行自动控制的一种技术类型。自动化控制技术能够被应用到工业生产中，降低以往人工在工业生产中消耗的成本和容易出错的概率，让企业能够在生产运营中获得更多的经济利润[1]。将自动化控制技术应用到水电厂中，不仅能够通过设定好的程序来收集水电厂各个运行阶段的信息，尽量避免以往在应用各种设备中存在的人为误差，实现对整个水力发电过程的自动控制，也能够通过监控来及时预警水电厂发电过程中存在的异常和隐患问题，在提高水电厂运行效率的同时，也能够保障水电厂的运行安全。

1.2 自动化控制技术的主要功能

水电厂中应用的自动化控制技术，主要能够发挥调频和对运行过程的功率控制2 个方面的功能。

从调频功能的角度来说，应用自动化控制技术能够实现对电网频率的调节。电网频率是影响水电厂运行效率的一个主要因素，也关系到水电厂的运行安全[2]。在水电厂运行过程中，电网频率有规定的领域范围和标准，频率过高过低都会影响到整个水力发电的过程。应用自动化控制技术，依据水电厂所在电网的形式不同，对于电网频率的调节原理也存在一定的差异。当水电厂所在的电网是主力电网时，自动化控制技术只需要将电网频率调节到正常的标准；而当水电厂所在的电网是一个独立的部分时，则需用自动化控制技术对电网运行频率的整个区间进行调节。

从对运行过程的功率控制功能来说，应用自动化控制技术，主要能够结合水电厂在不同时间段对功率的需求状况不同，通过合理地分配电功率来减少水电厂在运行过程中的工作负荷，在提高水电厂运行效率的同时，也能够满足降低水电厂的生产运行成本、贯彻落实可持续发展理念的发电运行要求。

2 自动化控制技术在水电厂应用的具体体现

自动化控制技术是符合现阶段中国水电厂改革发展和运行要求的重要技术。在采集和分析水电厂运行中的各种机器设备数据和参数后，自动化设备可以根据这些数据的分析结果来实现对整个生产过程的有效控制，在提高生产工作准确性的同时，也能够有效降低水电厂实际运行的成本[3]。对自动化控制技术在水电厂中的应用进行分析时，主要可以从以下几个方面入手。

2.1 计算机监控系统的应用

计算机是能够发挥自动化控制技术的重要设备，以计算机为载体，利用计算机来实现对监控系统的设计和应用，让监控系统能够覆盖到水电厂的整个运行和生产过程中。语音报警系统是水电厂发电过程中应用的监控系统类型之一，在计算机系统中明确水电厂各种设备在正常运行下的参数，在对整个水电厂进行监控的过程中，将各种设备在实际运行状态下的各项参数变化与既定的参数进行对比，借助语音报警的方式，将监控过程中发现的异常情况及时以语音报警的方式告知工作人员，能够及时对一些异常情况进行调整，减少各类安全事故的发生。

网调通信子系统也是监控系统的主要类型之一，在水电厂的实际运行过程中，网调通信子系统需要与办公信息网络子系统结合起来，实现对各种监控信息的及时收集和有效整理分析[4]。除此之外，水电厂中应用的计算机监控系统还主要包括GPS（Global Positioning System）时钟系统，依据这一系统能够判断出发生安全事故的时间节点，从而对故障问题的发生原因进行更准确的分析，为各种故障的维修提供更加科学的依据。

这些监控系统的应用都是以计算机为基础的，能够通过计算机的交互界面来实现对整个水电厂运行过程的控制。这种直观的交互界面不仅能够有效简化地对整个水电厂运行过程进行监控和控制的程序，也能够逐渐降低以往水电厂运行过程中的人工比例，从而有效降低水电厂在运行过程中消耗的人工成本和发生安全事故的概率。

2.2 水轮机调速系统的应用

水轮机是水电厂进行水力发电的主要设备，水轮机调速系统的应用，也是自动化控制技术在水电厂中应用的一种具体技术形式。计算机监控系统主要能够实现对整个水电厂运行过程的有效监控，而水轮机调速系统的主要是作用于水轮机的一种监控和调整系统。在水电厂的水轮机组运行过程中，水轮机调速系统能够通过检验发电调速和自动校准来保障水电机组的运行安全。基于水轮机组运行本身具有的专业性特征，水轮机调速系统的结构也更加专业、更为复杂。应用水轮机调速系统来实现对水轮机组的有效调节和控制，以让水轮机组呈现出空载扰动的状态为主要标准。在这个过程中，水轮机调速系统需要融合水轮机的开关规律作为系统运行的主要依据。

水轮机调速系统在实际的应用过程中，能够通过测试水轮机组的方式，再整合所有测试到的数据之后生成一份准确详细的实验报告。当水轮机组在运行中出现故障问题时，可以将该实验报告作为检验故障发生原因和提出维修措施的参考。

2.3 发电机励磁系统的应用

发电机也是水电厂运行中的一种主要设备，应用发电机励磁系统，能够在电厂运行的过程中为发动机提供更加稳定的电流，在保障发电机应用安全的同时，也能够为水电厂发电过程的正常运行提供保障。当前应用于水电厂的发电机励磁系统，主要包括调节器和功率单元件2 个部分，该系统在实际运行中能够借助调节器来对发电机的功率单元进行控制，让发电机运行负荷的波长能够处于较为稳定的数值状态下。该系统也能够通过对发电机的有效控制，让发电机的电压两端能够始终处于稳定的状态下。

由于水电厂应用的发电机在连接中会存在无功功率的情况，应用发电机励磁系统，能够通过有效的功率分配和调节来对发电机的运行状态进行控制。从发电机的实际运行状态来看，让发电机能够处于稳定的状态下，具体包括静态稳定和暂态稳定2 种情况。依据不同稳定状态的具体要求，发电机励磁系统的应用要求也存在一定的区别。不同型号的发电机对于实际的功率需求也存在一定的差异，应用发电机励磁系统，能够通过对发电机运行状态下的最大励磁和最小励磁的实时监督和控制，让发电机在实际运行中产生的各种数据能够始终处于稳定的标准状态下，从而有效保障发电机和整个水力发电过程的运行安全。

除了能够实现对发电机运行状态的稳定控制之外，发电机励磁系统还能够实现对发电机故障的检测。由于发电机的故障问题会对整个水电厂运行过程会产生很大的影响，应用发电机励磁系统，能够在检测到故障后的第一时间自动灭磁，从而让发电机跳闸停机，能够有效保障整个水电厂的运行安全，避免事故扩大。

2.4 电气设备的监控

对电气设备进行监控是自动化控制技术在水电厂中应用的主要功能和目的。依据水电厂实际运行中应用的设备类型和用途不同，可以将水电厂的设备分为主要辅助设备、主要电气设备及机组外的辅助设备3种类型。

主要辅助设备主要是指能够支持和保证发电机组正常运行的辅助设备，对这种设备进行监控的原理是在获得辅助设备的运行数据之后，应用计算机系统来对检测到的数据和数据库中的数据规则进行对比分析，以此来对辅助设备的运行状态进行判断。对于运行状态不稳定的辅助设备，则需要通过控制电气参数的方式，保障这些辅助设备的正常运行。

水电厂运行过程中的主要电气设备是指能够满足水利发电输出需求的变压器、母线、开关柜及输电线路等。对于这些电器设备的监控和保护，需要在借助PT（电压互感器）、CT（电流互感器）等设备来采集实际运行过程中的电气量后，依据获得的电气量信息，来对设备是否发生故障问题进行判断，当发生故障问题时，自动控制系统能够直接对相关的设备做出控制和操作的反应。

机组外的辅助设备主要是指水电厂运行过程中的一些水泵、空压机及油泵等设备，水工建筑物也属于机组外辅助设备的一种类型。应用自动化控制系统来实现对机组外辅助设备的监控，具体体现在以下几个方面：①对于水泵等设备的运行状态进行检测和控制，主要是依靠对水位、气压及油压等参数的检测分析来实现的，如果发生故障，需要及时投入备用设备来保障水电厂的安全运行；②对于大坝闸门等基础外的辅助设备，需要重点从检验大坝闸门的正常启动状态和拦污栅的堵塞情况来进行监控；③当自动化控制系统发现被控参数存在异常情况时，需要通过报警系统来减少故障问题对水电厂实际运行情况产生的影响。

2.5 PLC 技术的应用

PLC（Programmable Logic Controuer）技术是一种能够通过可编程控制器来实现对整个水电站运行系统进行控制的技术。当前水电站在应用PLC 技术时，主要集中在轴流桨式水轮机调速器、水库式电站调速器及继电保护和励磁装置中。PLC 技术在轴流转桨式水轮机调速器中的应用，能够依据上下游水位及水头情况的不同，通过协联桨叶和导叶的方式，自动根据协联曲线来计算桨叶及导叶的开度，能够更好地符合水电厂运行的实际情况。在将调整后的协联曲线输入到PLC 控制器之后，有效解决轴流桨式水轮机厂家提供的协联曲线与实际运行状态不符的问题。

PLC 技术在水库式电站调速器中的应用，主要是由于水库式电站的运行水头波动范围普遍比较大，当水头本身的设计与规定标准相差较大时，如果需要保障水库式电站的正常运行，则需要通过更换调速器控制芯片的方式来串接或移除开度指示仪的电阻。但由于这个过程的实际工作量比较大，因而具有一定的难度。应用PLC 技术，能够直接将水头的设计标准输入到相应的程序中，并通过计算机和自动控制系统来改变水库式电站的启动开度。

除此之外，PLC 技术还能够被应用到机电保护和励磁装置中。继电保护装置对于控制电气故障范围和保护电气设备具有重要的作用。通过前面的分析可以发现，发电机励磁系统能够通过励磁装置来实现对发电机运行状态的有效控制，将PLC 技术应用到励磁装置中，能够进一步提高电压控制的效果。以往在应用继电保护和励磁装置的过程中，主要通过对各种电器参数的实时变化情况进行监控，借助事先设定好的程序来将这些参数控制在合理的范围之内。但由于整个控制过程很容易受到变更情况的影响而呈现出较大的工作量，应用PLC 技术，能够简化控制整个水电站运行变更情况对参数造成的影响，实现对整个水电厂运行过程的有效控制。

水电厂主要以水流的动能和重力势能来进行发电，作为一种可持续再生的清洁能源，水能发电在目前中国的电力行业发展中有着广阔的发展前景。针对当前水电厂实际运行中存在的部分问题，充分发挥计算机监控系统、水轮机控制系统及发电机励磁系统等自动化控制技术原理的作用，能够为保障水电厂的安全运行提供一种更加便利的技术发展方案，也能够为水电厂水力发电技术水平的提高提供一定的经验。

3 结论

综上所述，自动化控制技术的应用，能够有效提高水电厂水力发电的运行效率。水力发电能够应用水这种可再生的清洁能源来满足发电的需求，在未来的电网运行和电力行业发展过程中，以水能来带动发电机发电，对促进整个电力行业的绿色发展具有重要的作用。充分发挥计算机监控系统、水轮机调速系统、电气设备的监控及PLC 技术等自动化控制技术的作用，能够对促进水电厂的运行和发展起到重要的作用。