小型水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

何 鎏

（江西省贛州市水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，江西 贛州 341000）

隨著小型水電站運(yùn)行管理要求的不斷提高，自動(dòng)化監(jiān)控逐漸成為小型水電站面臨的主要問題。研究綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是轉(zhuǎn)變水電站運(yùn)行管理模式的關(guān)鍵。因此，探討小型水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)具有一定必要性。

1 小型水電站概況

章惠渠水電站位于章水干流贛州市南康區(qū)境內(nèi)河段，壩址位于西華鄉(xiāng)橋口村，樞紐建筑物主要由大壩、電站、進(jìn)水閘及灌溉配套渠系等組成，是一座可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電、灌溉等綜合應(yīng)用的水利工程。

2 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)小型水電站的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)小型水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意加強(qiáng)對以下幾方面問題的重視：

第一，設(shè)備選擇標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)先選擇性價(jià)比高、易于維護(hù)、智能化水平高的設(shè)備。利用高性能的自動(dòng)化裝置，為水電站的運(yùn)行提供可靠支持[1]。

第二，符合用電規(guī)律特征[2]。小型水電站多采用獨(dú)立供電模式，導(dǎo)致水電站運(yùn)行期間的負(fù)荷變化、電壓變化幅度相對較大。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

為確保小型水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮，可采用分布監(jiān)控模式布設(shè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的架構(gòu)。具體內(nèi)容包括：

第一，電站層。該部分的功能是利用監(jiān)控計(jì)算機(jī)設(shè)備與上級調(diào)度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊，及時(shí)傳輸與水電站運(yùn)行監(jiān)控有關(guān)的信息。

第二，機(jī)組控制層。水電站水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間，現(xiàn)地控制單元LCU可通過動(dòng)態(tài)采集發(fā)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對該設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)控。

3.2 LCU配置

考慮到該水電站對自動(dòng)化監(jiān)控工作的要求，本研究按照如下模式開展LCU的設(shè)備配置：

第一，可編程控制器配置。PLC設(shè)備的優(yōu)勢在于：控制功能良好，可為多類不同設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控提供支持。此外，該型號PLC的體積較小，安裝較為便捷。

第二，測點(diǎn)布設(shè)。為確保有效進(jìn)行水電站發(fā)電機(jī)組運(yùn)行信息和大壩水情信息的動(dòng)態(tài)采集，做好系統(tǒng)的測點(diǎn)布設(shè)工作。小型水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的主要測點(diǎn)（端口）布設(shè)狀況如表1所示。

第三，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)感應(yīng)（采集）裝置。該裝置可為PLC提供5種不同的轉(zhuǎn)速信號（140%Ne、115 %Ne、100 %Ne、75 %Ne以及30 %Ne），以滿足機(jī)組對轉(zhuǎn)速的需求。為實(shí)現(xiàn)對水電站發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)監(jiān)控及管理，可在LCU中布設(shè)TDS-X162R1智能測溫設(shè)備。啟用該設(shè)備后，可利用內(nèi)置熱電阻傳感器信號裝置針對機(jī)組、增速器等相關(guān)設(shè)備的溫度參數(shù)（＜16路）進(jìn)行自動(dòng)巡回檢測，并由單片機(jī)PIC針對所采集溫度參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)處理。正常情況下，該設(shè)備可持續(xù)顯示監(jiān)測設(shè)備的溫度參數(shù)（顯示途徑：數(shù)碼管）。而當(dāng)監(jiān)測設(shè)備的溫度參數(shù)超出報(bào)警溫度閾值時(shí)，該設(shè)備可自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，提示水電站工作人員及時(shí)排除故障。

表1 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的主要測點(diǎn)布設(shè)狀況

3.3 發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制

調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行期間，其轉(zhuǎn)動(dòng)部分按照如下方程進(jìn)行規(guī)律運(yùn)動(dòng)：

在上述運(yùn)動(dòng)方程中，J表示發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性矩參數(shù)；Ma代表機(jī)組的轉(zhuǎn)矩參數(shù)；Mb代表機(jī)組的負(fù)荷阻力矩參數(shù)。

根據(jù)上述運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可判斷水電站發(fā)電機(jī)組頻率維持恒定的條件為：，在該狀態(tài)下，Ma與Mb的數(shù)值剛好相等；而未達(dá)到上述條件時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速參數(shù)容易出現(xiàn)變化，并引發(fā)轉(zhuǎn)速偏差問題，進(jìn)而增加機(jī)組運(yùn)行控制工作的復(fù)雜性。

水輪機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)可根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)，其計(jì)算方法如下：

在該公式中，ρ表示水的密度，為恒定參數(shù)，即1 g/m3；Q表示水電站中通過水輪機(jī)機(jī)組的流量參數(shù)；Hn表示水輪機(jī)的凈水頭參數(shù)；w表示水輪機(jī)機(jī)組的運(yùn)行效率。

為保障控制效果，本研究引入模糊PID控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)自動(dòng)化控制。根據(jù)模糊PID控制要求及機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行特征，可將PID傳遞函數(shù)表達(dá)式確定為：

在該表達(dá)式中，KI、KDs以及Kps均為PID控制器的參數(shù)。

參照水電站水輪機(jī)的控制要求（控制模型特征），依據(jù)模糊PID技術(shù)建立控制模型為：

3.4 預(yù)警處理

自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行期間，可通過對機(jī)組運(yùn)行狀況、水位及余量等參數(shù)進(jìn)行采集與分析，保障水電站的正常運(yùn)行。其中，機(jī)組監(jiān)控方面的預(yù)警處理流程為：當(dāng)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)測到機(jī)組過速達(dá)到閾值（140 %Ne）水平時(shí)，立即發(fā)出機(jī)組緊急事故停機(jī)指令，提示水電站工作人員及時(shí)進(jìn)行處理。

而在水電站水位、雨量等參數(shù)的監(jiān)測方面，當(dāng)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)水位計(jì)、雨量計(jì)等采集裝置提供的參數(shù)超過閾值范圍時(shí)，可在顯示相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，提示水電站工作人員進(jìn)行干預(yù)、管理。

4 結(jié)論

為確保小型水電站自動(dòng)化監(jiān)控、管理模式的全面實(shí)現(xiàn)，可結(jié)合小型水電站的運(yùn)行特征、監(jiān)控管理要求，合理開展綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。注意結(jié)合該系統(tǒng)的應(yīng)用成效，不斷優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)成及功能設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低水電站工作人員的負(fù)擔(dān)，提高水電站運(yùn)行安全性。