電氣自動化技術在水電站中的應用分析

彭康

摘要：水電清潔、環保，是實現碳減排、碳中和目標的一種重要能源形式，自動化技術的應用為水電站發展奠定了堅實基礎，使水電利用更加高效，因此本文對電氣自動化技術在水電站中的應用進行了分析。

關鍵詞：電氣自動化;水電站;應用

水電站發電受到電網負荷、水能變化等多種因素的影響和制約，完善控制系統可以保障發電的穩定性和可靠性，電氣自動化技術的應用將工作人員從繁重的監控、調節工作中解放出來，不僅減輕了技術人員的工作量，而且調控更精細，發電更穩定，電能質量更優[1]。而且自動化技術的應用提高了水電站運行效率，降低了運行成本，從而改善水電站發電的經濟效益[2]。故此，本文對水電站電氣工程自動化技術的應用作了分析。

1水電站自動化系統概述

1.1水電站自動化系統組成及功能

一般來說，水電站自動化系統應包括監控系統、勵磁系統、保護系統、直流系統等。監控系統常采用兩層控制方式，電站級控制層對全站自動化設備實施監控，現地級控制層對水電站主要設備如水輪發電機組、主斷路器等進行控制。勵磁系統由勵磁調節器及勵磁功率調節單元兩部分組成，用于控制發電機內部磁場，以保證電能質量。保護系統對發電機、變壓器、輸電線路進行保護，采用微機控制的保護裝置能在出現電氣故障時迅速、可靠、準確地做出反應。水電站主要設備的操作電源采用直流電源，直流系統用來保障直流操作電源的穩定。

1.2計算機監控系統

在水電站主控室配置操作員工作站，在發電機、公用設備等位置設置LCU控制屏。工作站與LCU控制屏之間通過以太網連接，借助TCP/IP之類的通信協議進行通信和交換數據。遇到突發故障，監控系統必須立即處理，將故障控制在最小范圍內。由于現場對事故控制有優先權，LCU控制權限高于操作員工作站。

1.3勵磁系統

勵磁方式有多種，以自并勵方式為例，系統由自動勵磁調節器、勵磁功率單元及相關保護模塊組成，核心設備是勵磁調節器，采用PID調節模塊及數據交換、通信模塊等控制包括勵磁變壓器、可控硅整流橋等設備。

1.4微機保護系統

水電站設備保護十分復雜，以發電機保護為例，常見保護類別有縱聯差動保護、失磁保護、復合電壓啟動過流保護、負序過流保護、過電壓保護、過負荷保護、定子接地保護、轉子回路一點接地保護、差動回路斷線保護等，這些保護遵循不同的保護原理，如果采用機電保護，其反應速度、精準性都比較差，而微機保護通過微處理器計算分析和控制，效果則好得多。

1.5直流系統

小型水電站一般將蓄電池作為直流操作電源，蓄電池輸出電壓要進行監控，并在達到充電條件時要及時充電。充電裝置將三相交流電經整流、濾波后輸出合格的直流電，為了使用安全還要監測絕緣性和防雷擊性能。直流系統由蓄電池、充電模塊、監控模塊、絕緣監測裝置、防雷裝置等多個單元組成，并由計算機監控處理。

2電氣自動化技術在水電站的應用及效果

2.1計算機監控系統的應用

水電站計算機監控系統的主要功能是收集現地控制單元LCU的數據，再將操作命令傳送到LCU，使發電機組的運行和控制實現自動化。監控主機（操作員工作站）任務繁重，需具備可靠的運算速度和處理多項復雜任務的能力，一般采用2臺高性能計算機，配備大容量硬盤、顯示器、UPS電源及多種通信接口。網絡設備采用傳輸可靠、抗干擾能力強的光纜或雙絞線，以及路由器、交換機等設備。LCU包括機組控制LCU和公用LCU。機組LCU設在發電機層，用于采集發電機數據，監測控制發電機開停機、并網發電、勵磁調節、負荷調整及設備保護。公用LCU用于監控水閘、泵站等設備。上述各種功能是通過監控系統的組態軟件實現的，其軟件結構底層為驅動層，之上為數據層和圖層顯示層。LCU層面的應用軟件采用設備廠家提供的編程軟件，根據水電站生產工藝和控制要求編程和配置參數。

2.2勵磁系統的自動化控制

勵磁調節器是勵磁系統的核心設備，一般采用PID控制，具有比例控

制、積分控制和微分控制三種作用，控制算法可用下式表示：

p Ti0ddt

（1）

式中Kp、Ti、Td分別為比例系數、積分時間常數和微分時間常數。

由于PID參數常規整定操作復雜，利用經驗整定費時費力，目前采用智能算法控制，而且一種智能算法難以滿足要求，需聯合多種智能算法進行控制，例如聯合使用粒子群（PSO）算法與模糊控制算法，使發電機輸出電壓穩定和機組之間無功分配穩定。控制過程用簡單的語言描述即是：輸入一個含有多種偏差限制的電壓信號，勵磁調節器按照設定的調節準則控制勵磁功率單元，勵磁功率單元再根據勵磁調節器的控制要求，向同步發電機的轉子提供相應的勵磁電流，來自發電機及電力系統動的反饋信號又作為勵磁控制信號，如此循環往復，勵磁系統就成為閉環控制系統。由于輸入信號是非線性的，控制模型也必須是非線性的。

2.3微機保護系統的應用

水電站微機保護系統是按照設定的保護邏輯，通過微機控制保護裝置。例如發電機差動保護原理是兩折線比例差動。當三相差動電流中出現符合制動條件的二次諧波時，即可按照閉鎖條件通過軟壓板投退。除了二次諧波制動，還有延時斷線閉鎖及告警等保護功能，以滿足多種條件的投退需要。采樣回路有自檢功能，獲得一定信號后作出相應的選擇。保護模塊安裝在設備控制裝置附近，各保護單元通過現場總線聯網，運行人員可以就地操作而不影響其他保護單元。保護單元內部設有主控板及多個模塊，主控板上有微處理器、存儲器及其他元器件、電路板，箱體采用金屬結構，可屏蔽外界干擾。保護模塊外部有顯示屏，實時顯示電量信息及保護動作信息，可通過模塊外部薄膜按鍵直接設置保護定值，也可在主控室工作站上整定。可見，微機保護能實現比機電保護復雜得多的保護功能及目標，并且整定操作、故障查詢都方便得多。

2.4直流系統的自動控制

蓄電池組作為直流電源，通常采用浮充電工作方式，系統充電由智能高頻開關電源模塊并聯而成。輸入的交流電，經過尖峰抑制EMI濾波、工頻整流、PFC功率因數控制、DC/AC高頻逆變、高頻整流、LC濾波、EMI濾波后，即輸出直流電。采用脈沖寬度調制（PWM）方式，在輸入端檢測交流信號，在輸出端檢測電壓、電流。交流電經過整流橋得到脈動直流電壓，再經PFC功率因數控制、DC/AC高頻逆變（在PWM電路控制下）轉化為高頻脈沖電壓，再經高頻整流、LC濾波、EMI濾波，才得到穩定的直流電壓。在此過程中，控制方式既有模擬控制，也有數字控制，兩者結合起來實現電壓、電流的雙環控制，并通過計算機監控實現遙調功能。

2.5自動化技術在水電站中的應用效果

自動化技術應用于水電站能夠實現“無人值班，少人值守”的運行管理目標，解決生產人員不足的難題，使偏僻、生活條件艱苦的電站現場無需運行管理人員值班。發電量增加，電能質量改善，則提高了水電站的經濟效益，有利于電站可持續發展。

3結語

目前，自動化技術已在電力行業得到廣泛應用，但仍有部分小水電設備、技術落后，自動化水平低，制約了這些水電站的發展和經濟效益的提升，因此推廣自動化技術具有良好的應用前景。本文對水電站自動化技術的功能、應用情況及效果進行了闡述，可為自動化技術在水電站的應用提供參考依據。

參考文獻：

[1]馬德輝.水電站電氣工程自動化技術的應用分析[J].黑龍江水利科技，2021，49（4）：184-186.

[2]蔡杰琛.淺談電氣自動化技術在水電站發電中的應用與創新[J].電氣技術與經濟，2021（1）：36-38.