PLC在水電站調速器和勵磁裝置上的應用分析

劉 宇

（國家能源大渡河枕頭壩發電有限公司，四川 樂山 614700）

0 引 言

水電站中，多種設備組合成的動力機組經過運作能將水能轉化為電能，并為電力行業輸送電力。其中，調速器和勵磁裝置是發電機組的重要組成部分。隨著電網對電能質量要求的不斷提升，現有的發電設備已無法滿足電網的實際需求，嚴重影響了生產效率。PLC作為編程控制器可以通過數字運算操作設備系統，改善設備性能，簡化設備的生產過程，提升水電站設備的工作效率。

1 PLC概述

1.1 發展過程

PLC是以電器元件為基礎控制系統的電子編程控制器，主要依靠計算機，結合微處理器與計算機技術來實現電子系統運算和操控的目的。通過邏輯運算和程序控制等操作控制系統，提升設備的性能和工作效率。

1.2 結 構

PLC是一種適用于工業行業的控制器，主要有箱體式和模塊式兩種。其中，箱體式是將電源和系統等集中在箱體內，模塊式是將PLC功能分成多個模塊，固定于底板機架，通過開關實現信息傳輸，經由PLC內部邏輯運算，將變量輸出，從而實現系統的控制。由于PLC可以與水電站控制系統連接，能夠拓展設備性能，提高生產效率，因此在水電站中得到廣泛的應用。

2 PLC在水電站調速器上的應用

PLC本身具有較高的可靠性，編程方便。隨著計算機技術的不斷發展，PLC的功能不斷改進。在工業生產中，為了有效處理設備信號，會使用PLC對設備進行編程操控。通過廠家配套的A/D和D/A轉換模塊對水電站進行模擬量信號處理，這里指的是基于PLC有效控制設備的溫度和流量，提升設備的靈敏度。

PID調節是常見的閉環調節方式，通過專用的子程序對系統進行調節。調速器是恒頻率的設備，利用PLC和PID可以調節電流的頻率，保證電流頻率的穩定性。

2.1 PID調節原理

如圖1所示，設備中的閉環系統可以通過原理框圖表述。

圖1 閉環控制系統原理框圖

計算機是根據采樣時產生的偏差值控制系統。通過多次的采樣周期和時間參數獲取到實際的采樣偏差值，通過PID的控制算法可以獲取有效的采樣值，數據計算過程非常快捷，操作也簡單，方便對程序進行編寫。

2.2 PLC型調速器系統原理

PLC型調速器的運行系統如圖2所示。基于PLC功能眾多，使得其也以PLC集成模式構成，從U1～U5采用從上至下的模式，另一部分為16位的CPU和處理器。通過定位控制調節其他模塊，帶動主配壓閥，處理器負責輸出，經過邏輯處理提升設備電子系統的運行效率。在模擬量信號時，經由基本單元U1讀取，經過控制器對其進行計算后將結果發送到定位模塊中，定位模塊再將方向信號與脈沖信號發送到驅動模塊，驅動模塊根據接收的信號發出相對應的電流對電子設備進行有效控制。經過電源與信號處理模塊處理電源，實現基本單元的供電，將機組的電網和頻率信號進行有效隔離和降壓后再傳送回基本單元的端口。此外，使用計數法對其頻率進行測量，將調整好的信號送至轉換模塊[1-3]。

圖2 PLC可編程控制器

2.3 控制程序

PLC型調速器的控制程序由各種功能模塊與主程序和子程序組合而成，其中子程序包含開機和發電等多個小程序。對設備進行控制時基于設定值進行計算，通過獲取采樣結果計算出調節參數，送入環節控制程序，對系統進行有效操控。PID控制器的參數是基于控制電氣設備系統的核心，根據計算過程確定控制比例和積分大小等。PID控制器對于參數整定大致分為兩類，一類是根據理論進行計算，依據的是電氣系統中的數學模型，經過公式對其計算獲得有效的控制參數，但是該種方式計算出來的數據需要根據實際情況來看，并不是直接就能套用的數據，需要根據不同設備對其進行調整。另一種是工程整定，更加依賴于實踐，需要在系統中直接測試，方法更加直觀明了，在實際應用中得到認可。無論是使用哪一種方式去獲得控制器參數數值，都需要對參數進行調試才能確定具體應用參數。

2.4 實際應用

經過上述的計算控制改造水電站中的調速器，將PLC應用在電力系統中，經過測試后發現PLC在系統控制中有良好的效果，可以有效提升電站機組的操作水平，提高調控器的性能，減少故障出現的頻率，使整體變得更加穩定。

3 PLC在水電站勵磁裝置上的應用

3.1 案例分析

現有某水電廠以PLC為編程控制對象，對廠內自動操控等各種機組進行自動化控制。每一道流程都按照實際生產要求設定，其中包括發電組和勵磁裝置等設備。

勵磁裝置是水電站中發電機的構成部分，作用就是根據發電機的運行狀態對功率進行自動調節，再重新輸出勵磁電流，滿足發電機平穩運行（圖3）。勵磁控制器電路種類較多，大多是分離元器件。但由于元器件數量過于龐大，耗費大量的電能，并且結構分散，使得參數匹配存在困難，同時在穩定性等方面存在一些問題。隨著科技發展，PC總線等調節器在使用的過程中缺少可靠的硬件，不足以支撐勵磁裝置穩定運行，尤其遇到外界干擾時。而以PLC作為其控制器，不但可以有效抵抗外界干擾，還能提高勵磁裝置的穩定性。

圖3 PLC勵磁系統

PLC可以根據水電廠的工藝需求，對設備進行事前編程，通過信號的作用，保障設備根據編程執行動作，實現對設備的有效控制。通過PLC對水電廠生產過程進行運算和操作，實現對水電廠生產順序的有效控制。勵磁裝置與PLC的結合可以提升系統的工作頻率，勵磁調節器根據發電機產生的電壓和電流進行調節。其核心構成對電流的控制主要是根據發電機電壓偏差，通過有效控制偏差保持電機的恒定電壓，同時運行的時候按照無功功率進行分配。此外利用勵磁電流偏差進行控制，當發電機在運行時出現短路現象，調節器會為電流自動切換通道，使其從勵磁電流通道經過。但是需要注意的是，運行期間需防止發電機過電壓[4-6]。

3.2 應用原理分析

勵磁裝置電流種類較多，因此設計可編程控制器。因為勵磁裝置需要大量模擬量進行處理，會對PLC勵磁的響應速度造成影響，所以應結合其接口配置專門的電路，以提升作業效率。調節電路連接時的串接方式，改為變壓器與發電機電流感應器連接，產生調差電阻使得勵磁電流降壓。經過調節器可以有效感應到發電機產生的無功電流變化。來自發電機的電壓和電流信號，經過調理后將變化指令傳至勵磁電流處，經過控制計算后增強勵磁裝置的工作效率，增大調差系數。此外根據產生的控制觸發脈沖，實現調節整流輸出的目的。

可編程控制器可以將發電機和勵磁裝置輸出的電流和電壓進行轉換，經過計算后確定具體的參數，將其輸出到觸發單元，并有效調節電壓與電流。經過一系列的操作將勵磁裝置中的電流轉變為內環反饋，提升其在發電機中的反應速度。當出現短路現象的時候，PLC可以自動將電流切換成勵磁電流，保護設備系統。

3.3 實際應用效果

PLC勵磁裝置在運行的過程中，其額定電壓和電流為發電機本身的120%時，才能夠保障運行的穩定性。勵磁裝置的頂值電壓倍數通常在1.5～2.0，并且為了保障發電機電壓運行，其額定值按照90%計算，勵磁系統運行時間不得超過10 s[7-9]。

勵磁裝置對于電源有一定要求，運行的時候需要使用220 V/380 V的交流電，允許出現的電壓偏差不得超出15%。發電機在靜態狀態下調壓需要將精度調整至優于0.5%的狀態[10]。

將PLC勵磁調節器應用于水電站實際工作的發電組中，經過觀察發現在調節器的帶動下發電機的性能有所提升，并且聯網方便。經過PLC控制器的調節，系統運行性能明顯高于模擬器，為水電站發展進入自動化操作提供了寶貴的經驗。

4 結 論

針對水電站中設備工作性能下降等問題，通過PLC技術進行有效處理，改良調速器和勵磁裝置系統，編程控制其工作面板。經過實際應用有效的加強控制，提升設備的運行情況，解決了原有設備生產工作效率低下的問題。作為電子設備控制器，PLC實現了計算機控制的集中操作模式，高精度的人機互動操作，對于未來水電站發展有一定幫助，同時有效提升了水電站的經濟效益，在市場中有廣闊的發展空間。