小水電自動控制器智能化研究

摘要：針對現有小水電自動控制水平低，二次回路接線復雜等問題，對其開、停機流程進行功能分析，并對自動發電控制、繼電保護、同期并網、運行數據采集等功能進行集成化研究，提出了一套小水電自動控制器開發方案，可滿足小水電智能化、集成化的要求。經工程驗證，該控制器能滿足無人值守需求，并提高發電效率，有較好的推廣應用價值。

關鍵詞：小水電;自動控制;智能化;集成化

0? ? 引言

我國小水電資源極其豐富，但大多分布在邊遠山區，大部分地區的水電站仍需要靠操作人員人工運行。隨著小水電技術發展，部分小水電站開始進行自動化改造[1]，但改造水平普遍偏低，不能適應電網保護、安全自動裝置的配合要求。水電屏柜里的過流保護裝置、過電壓保護裝置、同期裝置、儀表等都是單獨配置，小水電自動化控制器集成化水平低。文獻[2]分析了小水電實現自動控制的技術措施，通過二次系統技術與繼電器的配合實現發電機保護等方面的功能和發電機運行的支持。文獻[3]介紹了集測控、自動準同期、交流量采集與測速、發電機勵磁、水輪機調速、微機繼電保護、公用與輔助設備控制等功能于一體，以智能化的系統軟件為核心的小水電綜合自動化裝置。因此，對小水電自動控制器智能化、集成化進行研究，能進一步提高小水電站自動化運行的可靠性和穩定性。

1? ? 小水電自動控制器功能設計

小水電自動控制器的自動控制功能，簡化了手動操作流程，提高了控制精確度，可根據水位變化自動開停機或者通過指令快速開停機。自動開機通過開啟調速器逐步加水出力增加頻率，滿足頻率條件后啟動勵磁將電壓調整至目標值，起勵成功后繼續加調速器出力，當頻率、電壓達到同期并網允許范圍時，啟動并網。具體開機流程邏輯如圖1所示。小水電自動控制器能根據頻率與電壓的數值判斷控制調速器的加減出力，從而完成自動并網發電的操作。若判斷到異常情況，則結束開機流程。

關機功能通過自動控制器對設定水位的判斷或者人工指令操作。自動控制器發送指令控制調速器分段關水，減少發電機輸出，待滿足條件時斷開并網開關。離網成功后繼續調節調速器關水至關閉，然后發出指令使勵磁系統進行滅磁。

小水電自動控制器還具備勵磁、調速、功率控制、保護、監控等一體化功能。典型應用保護功能配置如圖2所示。

2? ? 小水電自動控制器集成化設計

現階段，我國小水電自動化改造使用的控制器集成化水平較低，單個水電控制屏柜往往需要配置多個設備以滿足自動化發電需求。通過對小水電控制器的集成化設計，小水電自動控制器與小水電一次設備邏輯圖如圖3所示。通過邏輯處理單元對采集數據進行分析判斷，與各小水電一次設備（水輪發電機、調速器、勵磁系統等）配合，實現智能解列、自動并網、電壓控制、調頻、自動開停機等功能，滿足無人/少人值守條件且高度集成化。

（1）自動同期功能：當裝置自動開機時，首先判斷機端電壓、頻率是否允許并網，當允許并網后，根據發電機機端電壓及系統側電壓，判別是否符合同期要求，符合同期要求則立即合閘并網。檢同期方式：在等待允許同期的時間內，自動控制器進行同期條件的判斷，若滿足同期條件，則允許合閘。

（2）遙測功能：對水電機組設備運行狀態進行監測、控制。其中，遙測量包括發電機機端電壓UA、UB、UC、UAB、UBC、UCA，機端電流Ia、Ib、Ic，電網電壓Ux，傳輸功率、功率因數P、Q、cos φ及發電機機端頻率F，電網頻率Fx共14個遙測模擬量。所有模擬量實時計算，電流、電壓精度達到0.2級，其余精度達到0.5級。

（3）狀態采集：自動控制裝置通過交流插件引入交流模擬量，包括保護和測量共用的母線電壓（Ua、Ub、Uc）、同期電壓（Ux）保護和測量共用的三相電流（Ia、Ib、Ic）。外部交流信號輸入經電壓、電流變換器隔離變換和低通濾波后至A/D轉換器，由CPU控制定時采樣獲得等間隔采樣序列，并采用離散傅里葉變換等算法進行數字信號處理。

自動控制裝置通過電源的開入插件、操作回路等引入開入量，包括遙信開入、硬壓板、位置狀態等。外部開入信號經光電隔離變換和硬件濾波，將強電的通斷信號轉換為數字量的“0” “1”電平，由CPU進行定時采樣和防抖處理。當開入量發生改變時，裝置進行記錄并打上時間，形成事件記錄。

優化后的屏柜與傳統屏柜的對比如圖4所示。普遍小水電站自動化改造的屏柜（左），同期裝置、勵磁裝置、保護裝置、自動控制器、儀表均單獨分布，通過各個配件間的配合實現小水電自動化控制及保護功能[4]。小水電自動控制器所配置的屏柜（右），小水電自動控制器集成了采集網電、機電的相關數值，同期功能、保護功能、自動發電功能等一體化平臺。這些功能構成了一個邏輯縝密的系統，用以控制機組的并網、狀態的檢測和機組輸出功率的計算，并且在機組出現異常可以及時反饋等。

3? ? 結語

本文對小水電自動控制器優化進行了研究。通過對小水電自動控制器實施自動發電控制、繼電保護、同期并網等功能的集成化改造，使小水電站配置更加簡潔，簡化了組裝時復雜的接線，降低了配件運維的成本。目前該控制器已成功開發，并在廣東省韶關市山區的數個小水電站正常投運。智能化小水電自動控制器在功能設計上滿足了水電站自動投運的需求，達到了無人值守的條件，提高了電網運行的安全穩定性和供電可靠性。

[參考文獻]

[1] 趙建倉.小水電綜合自動化系統的研究[D].廣州：華南理工大學，2004.

[2] 陳惠中.農村小水電實現自動控制的技術措施[J].發電設備，2002（6）：7-10.

[3] 小水電綜合自動化系統[J].中國農村水利水電，2019（7）：196.

[4] 李玉龍.小型水電站一體化控制裝置研究與應用[D].長沙：湖南大學，2012.

收稿日期：2020-08-10

作者簡介：劉配配（1986—），女，河南許昌人，工程師，主要從事繼電保護工作。