水力發電廠水輪發電機組監控系統的自動化控制及應用

曹德鑫

摘要：在水力發電廠運行中，水輪機的狀態會直接影響發電性能，因此要高度重視水輪發電機監控系統自動化運行控制，確保故障自動化處理，減少運行損失。本文根據水力發電廠的實際特點，從結構、組成、功能、通訊等方面介紹了水輪發電機組監控系統的自動化控制系統，并且提出有效應用策略，推動水力發電廠的全面發展。

關鍵詞：水力發電廠;水輪發電機組;監控系統;自動化控制;應用

氣候問題和能源危機對全人類的發展造成嚴重威脅，因此在新時期需要高度重視清潔能源的利用。水力發電具有節能環保無污染等特點，同時還可以調蓄旱澇災害，維護生態平衡，對社會的發展具有十分重要的意義。水力發電廠水輪發電機組其主要工作方式是用電腦監控系統作為主控方式，并有簡單的手工操作面板。當監測系統出現故障時，自動化控制就能夠自動啟動-停止循環，以提高水輪發電機組可靠性。

一、水力發電廠水輪發電機組監控系統的自動化控制特點

自動化控制系統的開發與運行需要符合IEEE、ISO等開放系統標準所要求的應用開發環境、用戶界面環境、系統互聯環境。取消自動調速器，采用TC水力水力操縱器、無刷式激勵器等[1]。針對水力發電廠的特點，系統采用組屏方式，確保二次控制、一次設備、保護設備等一機一屏，整體上層次化結構清晰，結構靈活，實用性強、性價比高。自動化控制系統具有很高的擴展性，整個系統可以通過x-networks連接，并能根據需要靈活地配置每個單元。通過軟硬件結合實現了系統模塊化設計，裝備相對獨立，便于維修。一臺設備發生故障不影響其他設備運行。上位機和現地控制器軟件具有多種防雷保護及抗干擾措施，包括綜合防故障、自診斷、自恢復、雙重閉鎖。主站點使用Windows多任務操作系統，使用中文表達的人機界面友好，可顯示測量與控制，保障資料細節。數據實時顯示，通道和系統狀態監測，局部遙控操作。系統采用通訊為核心的畫面結構，各功能單元以總線形式連接到整個系統。設置調試窗口。此窗可配有便攜背景電腦、GPS時鐘、通訊接口、交流及直流屏、智能儀器及微機的防誤動作鎖定系統。自動控制系統設備的電源主要是AC220v，DC 220 v作為備用，具有交流電源與直流電源自動切換功能。此外，整個系統的接地部分組成3～5 kwup組件，要求接地系統與整個水電站的接地裝置相連。因為系統在被監視的電腦上被配置成手工操作和控制。配置包括：計算機、打印機、大屏幕顯示（CRT）、不間斷電源（UPS）和衛星同步裝置（GPS），主要由主站級、本地控制單元級（LCU）、通信服務器組成。該系統主要由單元LCU、公用設備LCU、變電所LCU組成。本機控制臺是以工控機（IPC）+可編程控器（PLC）+自動手動操縱裝置的形式。常見的自動手動操作裝置有：微型計算機操縱器、微機同步器、測溫裝置、微型計算機激勵調節器、微型測速儀。它們既能獨立工作，又能與本單位現場控制單元的管道通訊，接收指令及反饋信息。PLC主要負責單元順序操作和數據收集，IPC主要負責數據處理、控制操作、歷史事件記錄、報警，人機聯絡，與工廠級電腦通訊及聯絡等功能。帶有白色移動設備。公用LCU主要完成輔機運行狀態的監測工作，變電站LCU主要操作設備和斷路器，并對電力設備進行保護。

二、水力發電廠水輪發電機組監控系統的自動化控制應用

（一）起動控制

水輪發電機工作起動十分重要，如起動不當設備與其它輔助設備就不能協同工作，最終導致正常穩定的電網接線發電失敗。給水閥門只有在符合起動條件的情況下開啟，要確定機組是否運轉正常，剎車系統是否有壓力，發電機的插頭電路斷路器是否關閉，伺服馬達鎖定是否拔掉之后才能啟動。閥門狀況確認無誤后再接通電源，開啟調速器，分析判斷發電機是否正常。在轉速空轉的情況下，開啟失振開關，可同時啟動加壓。在無負載時，需仔細確認開關位置是否符合同一循環。符合要求，確認后即可使用。在啟動期間，每一工序之間都要設置一些延時。若流程在此時間內不能成功完成，則會發出警告，并取消下一個過程。始終檢測到斷路器未關閉，啟動操作被完全取消[2]。

（二）停機控制

相當于系統起動，停機等于系統結束運行。當設備的負荷釋放時，電路中的斷路器會首先啟動，此時設備會自動斷開與系統的連接。PLC檢測到相應的跳閘信號后，失勵磁極自動跳閘調速器減速，發電機立刻啟動。調速時，水輪發電機組進口蝶閥關閉。剎車方式分為機械剎車和機械剎車兩種，雖然比較簡單，但制動器在剎車過程中磨損很大，很難更換。將合適的激勵流注入合適的轉子，通過電磁阻力矩實現制動，這種方法相對于機械制動效率較高，但是系統布線較為復雜，使用PLC實現簡單。在停機時，一般采用電氣制動方式制動，并輔以PLC技術應用。

（三）應急停車控制

在實際運行中必然出現故障，這種情況下，必須在一定的時間內停止和中斷運行。與此同時，為了最大限度地減少事故造成的傷害，必須加快關閉動作速度。針對這種需求，PLC技術可在一定程度上簡化停機步驟，并沒有減少電池負載。該方案采用相應的開關跳閘，可實現應急關斷，具有較好的應用功能。

（四）機組溫度監測

水力發電機配有與各單元相對應的溫度監測裝置。它主要由控制單元LCU組成監控設備溫度。當溫度在正常溫度稍微高一點時，PLC立刻報警。如溫度超過正常溫度，PLC會迅速啟動緊急停機步驟，避免故障發生。單位損壞。修復損害。

（五）機組功率調節

運行人員通過操作員工作站，完成對發電機組的功率調節。通過AGC組態軟件對系統頻率、母線電壓、有功、計算方法進行設定，也可對單臺機組的水頭要求、功率要求、開停機要求等參數進行設置，以滿足經濟負荷分配、機組最優組合等要求。根據發電機組的狀況和約束條件，確定開機臺數、各個機組間負荷分配，執行閉環或開環操作。

（六）數據采集和處理

由數據庫服務器、通訊服務器完成。通過對電廠的功率、電壓、頻率、電量、非電量、設備狀態以及通道狀態進行數據采集，實現對電廠現地設備的統一監視、調控和管理。計算機監控系統對采集到的數據進行有效性、合理性檢查，對不可用數據給出無效標志。

（七）報表系統

采用電子表格方式組織、顯示報表，支持運行日志、月、年統計以及各種特殊統計表格，支持各種公式計算，便于數據二次處理，支持報表數據離線查詢。

（八）事件順序記錄、事故、故障報警及記錄

監控系統可記錄各個重要事件的動作、事件發生時間（年、月、日、時、分、秒、毫秒）、事件名稱、事件性質、并根據運行要求產生報警和記錄;

結束語：

在對電力的需求日益增加的情況下，水輪發電機自動化控制系統將是大勢所趨。當前，中國在水電發電機使用方面還有許多不足之處。對此，要實現水輪發電機組的研制，必須對PLC技術進行學習，并將其與水輪發電機組充分結合。自控功能。從安全保障的角度來看減少了大量人力資源投入，但效率很高。

參考文獻：

[1]吳威，董勤.景洪電廠機組有功功率異常波動的分析及處理[J].云南水力發電，2019，35（02）：100-102.

[2]李霄，亓劼，李俊松，葛耀，劉佳佳.一次大型水輪發電機逆功率保護動作的分析與保護配置探索——以構皮灘發電廠為例[J].大眾用電，2021，36（05）：81-82+63.