水電站中PLC的應用分析

馬愿軍

（甘肅電投大容電力有限責任公司，甘肅 蘭州 730030）

水電站作為我國經濟發展的重要組成部分，與采用化石燃料為主的火力發電站相比有較大的優勢，既滿足了國家倡導的節能環保要求，同時能夠滿足我國經濟發展的訴求，因此成為當前我國經濟發展的重要組成和電力行業發展的趨勢之一。但目前部分水電站工作存在一定問題，如水電站工作效率受水流影響較大，當遇到大型降雨時，會造成水電站的工作運行不穩定，造成一定的安全事故隱患，因此，將PLC（ProgrammableLogicController）自動控制裝置運用至水電站中，可達到對水電站工作控制作用，不僅大大提高了工作效率，同時達到了預測、預報的目的，明顯減少了事故隱患，對電力行業的穩定運行發展發揮著重要作用。基于此，本文著重研究了PLC在水電站中的具體應用。

1 水電站的自動化技術需求

當前多數水電站主要以以太網、繼電保護的PLC程序來保障自身平穩運行，為不同的時間節點運行提供穩定保護，可減少外界環境對水電站工作的影響，其水電站數字化技術組成如圖1所示。

為提高水電站的工作效率，降低工作風險，自動裝置的應用已成為發展趨勢。通過采用以計算機為主體，加入可編程、大數據、數字化等現代技術的PLC自動裝置，可滿足水電站以下幾方面的需求：

（1）保障高質量電能供應需求。在經濟快速發展的今天，各個生產領域對電能的要求不僅體現在巨大的使用需要上，同時，對電能的質量提出了更高的要求。評判電能質量的指標主要體現在頻率和電壓上，頻率主要由系統的有功功率平衡來決定，電壓主要由系統的無功功率平衡決定。然而，僅通過人為操作很難將具有不確定性的電荷達到人們對電能質量的要求，而通過自動化系統則可以準確地調節有功及無功功率的輸出，從而達到頻率和電壓穩定性的要求。

（2）保障水電站工作的安全性。在水電站設備中應用自動裝置，能夠保障精準、高效和穩定的工作效率，滿足數據分析和事故預警的實時監控要。具體來說，一方面，能減少事故隱患的出現和擴大（自動控制系統控制開關并發出報警）；另一方面，也可保障水電站的安全生產保持正常運行（自動啟用備用設備），從而減少由于停產所帶來的損失。同時，采用自控裝置系統應用于水電站中，可顯著降低由于人為不當操作所帶來的風險，大大減少了事故隱患的發生。

圖1 水電站數字化技術組成

（3）保障水電站設備的經濟運行。在水電站工作時，一種理想狀態是水輪機組長時間處于滿負荷工作，達到最高效的產能，但在實際工作中，由于水流大小、設備故障等多方面原因使得要達到這一穩定狀態相對困難。通過對自動化控制系統的利用，該系統能夠有效地結合當前水流情況，準確地計算出水電站機組設備最佳運行參數，即使最少的水量可產出的最大電能。

（4）提升電能輸出的可靠性。在全國經濟快速、穩步發展的要求下，我國經濟發展對于用電量處于逐年遞增的趨勢，其也對我國水電站的電能的可靠輸出提出了更高要求。如果水電站輸電能力和穩定性處于較差狀態，會嚴重影響社會經濟的平穩發展和穩定運行。將先進的自動化控制系統運用于水電站中，能夠大大提升發電量，保障對城市用電的穩定供應，避免造成大面積停產停電的事故。

（5）提升自然資源支配的合理性。由于我國長期處于水資源匱乏的情況，人均占有量在全球各個國家中處于較低的狀態。因此，在水電站運行過程中，應用先進的自動化控制系統，能夠保證現有水資源的最大合理利用率，且電能可得到更科學、合理的分配，同時，能夠達到對周圍的生態環境進行長期有效的保護。

（6）提升水電站工作效率。通過電氣自動化可顯著減少對現場工作人員數量的需求，同時，降低現場工作人員的工作量和勞動強度。

2 PLC自動裝置在水電站中的應用

2.1 順序控制

隨著水電站發電機組容量的不斷增大，系統變得越來越錯綜復雜，因此對自動裝置也提出了更高的要求。在水電站中，主要包括發電機組的各項運行狀況的轉化、調整和對公用設備的自動化控制，每項控制順序均按照生產流程要求及生產設備的特點來設定。

傳統水電站通過繼電器控制屏可達到順序控制的目的。其設備線路繁多、占地較大、工作效率低，維護成本較高，維修相對困難，尤其是可靠性和安全性較差，相比計算機的計算和存儲功能，易發生誤操作。因此，傳統的繼電器控制屏逐漸被PLC取代，很大程度上提升了水電站的綜合自動化能力，主要體現在以下幾點：（1）PLC是采用微計算機技術的大型集成電路，代替布線邏輯控制電路，具有能耗低、成本低、重量輕、體積小的優點；（2）PLC自動控制裝置接口簡單、線路工作量小，在工作環境較差的情況下仍能夠保障正常工作，且不易發生故障、運行較為穩定、維護方便； （3）PLC采用掃描式工作方式，運行速度快；（4）水電站的順序控制系統流程相對復雜，采取常規繼電器硬接線控制方式往往會造成維護困難、故障不易查找和系統較為龐大等問題。通過將PLC應用于水電站后，不僅可提高水電站設備靠性高，而且易于對控制系統進行修改。

2.2 生產控制

在遵循安全性、可靠性、合理性等基本原則的基礎上，對系統進行編制程序時，首先，我們應該根據整個生產控制過程的需要將程序劃分為多個塊。其次，要合理使用指令，嚴格注意信號名稱的定義，并正確編寫程序。通過對系統的總體調試，對程序不當之處進行相應的修改。只有在運行了一定時間后，才能將其投入實際的現場工作。分塊結構程序是根據項目特征將控制項目分為幾個簡單和小型的控制任務，可以將這些控制任務分配給子程序，在子程序中編譯控制程序的特定任務后，最后，由主程序調用整個控制程序。

2.3 監控控制

在水電站中，發電機組附近需配備一定的主要輔助設備，這些設備的運行狀況也成為影響水電站穩定運行的關鍵因素。自動化裝置技術可應用于水電站的監控運行中，其過程如下：通過“監視設備-控制設備-控制節點”將輔助設備的參數傳輸至計算機，將數據庫與預設數據進行對比分析，以判斷輔助設備的健康狀況并控制輔助設備的運行狀況。

2.4 保護控制

水電站的保護控制系統具有有功調節和無功調節的作用，PLC技術憑借自身出色的邏輯功能，在保護控制過程中具有較高的穩定性和可靠性，能夠取代傳統的繼電器控制，其主要輔助設備保護控制的內容如下：（1）檢查定子和轉子回路工作情況；（2）檢查定子繞組的鐵心溫度；（3）檢查機組的潤滑度、變速系統和制冷系統；（4）上述問題任何一部分出現問題，自動化裝置都會立即啟動應急程序和保護措施，同時，將故障信息進行警示。

對主要電氣設備保護控制的內容如下：（1）對于電機組不會馬上造成影響的異常情況（如機組冷卻水源中斷、溫度超限、油槽油面異常等)，僅僅對現場工作人員進行警示，提高工作人員的防范意識和應對意識。（2）對于超過保護限定值的事故隱患（如機組超速和調速器故障、導水葉剪斷、銅管破裂等），自動化裝置會立即斷開斷路器，同時，關閉進水閘門。

3 結語

從長期發展來看，PLC自動化裝置在水電站工作中的應用具有廣闊的應用前景，一方面，大大提高了水電站的工作效率，同時保障了現場工作人員的安全性，減少了人為誤操作帶來的事故隱患；另一方面，大大提高了國內水資源的合理利用，同時提高了供電的穩定性和輸電質量，因此，是我國電力行業發展的重要方向之一。