電氣自動化技術在水電站中的應用

孫 惠

（信息產業電子第十一設計研究院南京分院，江蘇 南京210008）

0 引言

近年來，科技發展日新月異，我國電氣自動化技術水平迅速提高，已有不少水電站將該技術應用到實際工作中。水電站的電氣自動化主要是對機組和輔助設備狀態進行實時監控，針對突發情況，發出提前設定的警報提示并自動執行操作任務［1］。水電站自動化程度因電站的規模和電氣設備的性能而異。

水電站電氣自動化可以有效提高電站運行效率，減少人力投資，并使水電站按照設定的程序準確運行［2］。其自動化水平直接體現了電站的現代化程度，并且水電站的自動化能降低職工工作強度，提高輸出電力的質量等。本文主要探討了我國目前電氣自動化技術在水電站中的主要應用情況，并指出了其存在的不足和未來的發展方向。

1 水電站電氣自動化的內容

在實際應用中，水電站的自動化受眾多因素影響，例如水電站級別、類型，電氣設備的接線，主要輔助設備、機組的規格及安置方式等。簡而言之，水電站電氣自動化的內容主要包括：

1．1 監控水輪發電機組運行狀態

對水輪發電機組運行狀態進行監控主要包括兩大方面：首先是要實現設備開關機、調相轉發電及發電轉調相的智能化控制，使得上述操作能在預先設計的程序下自主獨立完成；其次，維持水輪發電機組的低成本自動運行，智能控制啟動的機組數目，在機組間實現負荷的有效分配，按照電站實際規模和系統要求，自動調節機組的無功和有功功率等。此外，當發電機組遇到意外情況或者某些電力系統發生意外事故而導致電力系統頻率降低時，預先設定的程序會自動啟動備用機組；相反，在汛期到來系統頻率過高時，程序會智能關閉某些機組，以此自動調節電力系統設備，使其合理、高效運行，即使沒有工人在場也能對發電機組運行狀態實行實時智能監控。

1．2 監控主要輔助設備運行狀態

水電站的設備包括較多的輔助器件，這些器件的正常運行是保證機組正常工作的基礎。因此，要檢測發電機組的轉子和定子電路是否安全；檢測機組電機定子繞組鐵芯溫度是否在正常范圍；監督檢查發電機組潤滑度以及制冷系統、變速系統等是否正常工作。不論以上哪個部分出現故障，電氣自動化系統都會根據程序迅速分析事件危害，并立即響應應急程序，啟動相應的保護措施，同時將故障信息以警報的形式通知工作人員，從而降低傳統應急事件處理方式導致的損失。

1．3 監控和保護機組外電氣設備

除了上述發電機組和主要輔助設備外，水電站還有大量的其他電氣設備，如變壓器、輸電線路等。對這些設備進行自動化監控，對整個發電過程至關重要。電氣自動化技術能在變壓設備、輸電線路出現故障時及時切斷電源，并準確計算出故障點，通知工作人員及時處理，從而減少了因查找故障位置而花費的時間。

1．4 監控機組外輔助設備運行狀態

完整的水電站除了發電機組、機組主要輔助設備及機組外電氣設備外，還有非常多的機組外輔助設備，如各種空壓機、水泵和油泵等。此外，水電站大壩及閘門等都對整個發電過程非常重要，故也需應用電氣自動化技術檢測閘門是否能正常啟動；檢測水位高低，水位過高或過低時自動及時報警等。

2 電氣自動化技術在水電站中的具體應用

隨著技術的不斷發展，微電子和電氣技術的應用越來越廣。近年來，水電站自動化水平得到了很大的提高，水輪發電系統自動化所需的配件越來越多，其作用也越來越重要。目前，電氣自動化技術在水電站中的應用主要包括2方面：

（1）數字化控制系統；

（2）可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。

為了和國際主流水電站技術接軌，水電站應用自動化技術已經勢在必行。電氣自動化以計算機為基礎，借助可編程邏輯控制器、繼電保護和以太網等技術進行信息交流、控制，最終實現智能化監控，減少人力投資。電氣自動化是我國水電站發展的核心模式，能經濟高效地對主要系統設備進行監護，減短故障處理時間，降低人力成本，減少人為判斷產生的錯誤。

2．1 PLC在軸流槳式水輪機調速器中的應用

PLC中采用了一種可編程存儲器，用于其內部程序存儲，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字量或模擬量輸入／輸出控制各種類機械或生產過程。水輪發電機組采用以PLC為核心的調速器，在機組試運轉和后續運行過程中，可先針對不同水頭、上下游水位手動協聯導葉、槳葉，得到最佳協聯曲線后修改原協聯曲線輸入PLC，使機組處于最佳運行狀態［3］。

2．2 PLC在調節水庫式電站調速器中的應用

鑒于水庫式電站的運行水頭在較大范圍內波動，為了解決這個問題，較多電站將調速器與啟動開度按水輪機設計水頭制定，一旦電站水頭下降，水輪機則位于水頭外運行，電液調速器常常很難使機組達到額定轉速，為了加大啟動開度，往往需更換芯片或在開度指示儀中串接電阻而使調速器輸出值與開度產生差值。當電站水頭遠高于設計水頭時，為保證機組在開機時不致超速，往往需要換回芯片或移除串接電阻。若應用PLC技術，則可根據電站水頭高低設計相應程序來改變啟動開度。

2．3 PLC在水電站橡膠壩監控系統中的應用

近年來，許多水資源豐富的地區都建立了較多小型水電站，橡膠壩為該類水電站的經濟運行提供了強大的攔水功效，但是橡膠壩本身也存在一定的缺陷：

（1）壩頂的少量溢流可能引起諧振，使壩袋與壩體的水泥基礎之間摩擦加劇，最終導致壩袋破損；

（2）泄漏、自排、熱脹冷縮等情況可能會使壩袋內部和外部的壓力比遠遠超過相關技術規范參數，或者因壩袋高度較低，使溢流增大，落差降低。

故對橡膠壩進行升降控制和狀態監控尤為重要。為了提高水電站的發電效率，更有效地控制和保護橡膠壩，多地水電站根據自己的實際情況開發了基于PLC技術的小型自動監控系統。毛雪珍等人［4］發現，采用PLC后，自動化系統結構更加簡單，如輔助元件減少、工作噪音降低、接線簡化等，同時也使得修改控制更為容易。

3 水電站的電氣自動化問題

水電站的電氣自動化問題主要體現在監控系統的設計上，如監控網絡的速度跟不上［5］。由于整個系統需要監控的模塊逐漸增多，就對監控設備的硬件設施提出了更高的要求，為此，水電站需要鋪設更多電纜，安裝更多探頭。更為棘手的是，一旦網絡帶寬滿足不了要求，就很容易導致信號傳輸錯誤、推遲甚至是丟失，最終有可能給整個水電站帶來巨大損失。

4 未來發展趨勢

盡管我國水電站規模差異明顯，但是電氣自動化系統的應用無疑提高了水電站整體運行效益。為了順應國際發展趨勢和潮流，水電站電氣自動化技術必將逐漸向分布式、開放化和信息化方向快速發展。

5 結語

水電站實現電氣自動化后，不僅可以減少人力成本，保證供電質量，同時還能夠提高工作人員的工作效率，改善工作條件。但是電氣自動化技術在水電站的應用中還存在一些缺陷，相信隨著科技的發展，這些問題終將迎刃而解，使得水電站電氣自動化向著分布式、開放化和信息化的方向發展。

［1］林秀敏．水電站電氣自動化應用問題的研究［J］．河南科技，2013（8）

［2］魏鵬．供配電系統中的電氣自動化應用［J］．科技致富向導，2013（21）

［3］廖常初，姜杰，黃選發，等．水輪發電機組的PLC仿人智能控制［J］．電氣自動化，2003（3）

［4］毛雪珍，顏文俊．PLC在水電站橡膠壩監控系統中的應用［J］．自動化儀表，2005（5）

［5］陳勉．綜述水電站自動監控系統［J］．城市建設理論研究，2012（36）