電氣自動(dòng)化在水利水電工程中的應(yīng)用分析

劉 偉，黃 戡，陶 鋒

（1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北武漢 430070；2.鄂北地區(qū)水資源配置工程建設(shè)與管理局（籌），湖北武漢 430062）

目前，我國(guó)的水利水電工程發(fā)展快速，逐步引入先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，能夠有效提高管理和控制能力，創(chuàng)造更大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。作為重要的基礎(chǔ)建設(shè)，水利水電工程直接關(guān)系著人們?nèi)粘Ｉ睿腚姎庾詣?dòng)化技術(shù)，可以推動(dòng)水利水電工程進(jìn)一步發(fā)展。總結(jié)了電氣自動(dòng)化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)以及具體應(yīng)用情況，并探索了應(yīng)用質(zhì)量提升策略，通過(guò)加強(qiáng)人才培養(yǎng)、完善管理體系等方式，能夠提高水利水電工程建設(shè)質(zhì)量，充分發(fā)揮電氣自動(dòng)化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

1 電氣自動(dòng)化技術(shù)

電氣自動(dòng)化系統(tǒng)涉及多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，比如傳感器技術(shù)、繼電保護(hù)技術(shù)等，廣泛應(yīng)用于水利工程、公交、高鐵等多個(gè)領(lǐng)域，能夠提高運(yùn)行效率和質(zhì)量。作為先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，在實(shí)際過(guò)程中，需結(jié)合具體需求，靈活運(yùn)用此技術(shù)，充分發(fā)揮其自身優(yōu)勢(shì)，這也有利于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。此技術(shù)打破了傳統(tǒng)模式，能夠有效減少人工作業(yè)導(dǎo)致的差錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班、智能監(jiān)控。

在水利水電工程中，電氣自動(dòng)化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化操作，通過(guò)構(gòu)建和完善自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)模式，結(jié)合功能差異，進(jìn)行靈活、分散監(jiān)控，同時(shí)采用人機(jī)接口，全面掌握配置裝備運(yùn)行情況，進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性。電氣自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)設(shè)施以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，層次機(jī)構(gòu)比較明確，可以實(shí)現(xiàn)不同范圍的實(shí)時(shí)監(jiān)控，靈活性以及適應(yīng)性均較高，同時(shí)采用便捷式升級(jí)技術(shù)，也能夠保證系統(tǒng)維護(hù)的正常運(yùn)行，進(jìn)一步促使工程檢測(cè)工作的順利開(kāi)展。作為工作人員，需全面掌握自動(dòng)化系統(tǒng)維護(hù)技術(shù)，確保工程高質(zhì)量運(yùn)行。

2 電氣自動(dòng)化在水利水電工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

目前，水利水電工程基本完成了計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度融合，已經(jīng)邁入智能和自動(dòng)化發(fā)展階段。電氣自動(dòng)化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制，采集相應(yīng)的有效數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)，開(kāi)展維護(hù)、故障排查等工作，能夠全方位監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，效果比較理想，在很大程度上減少了人工作業(yè)難度以及工作量，促使水利工程安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 自動(dòng)化程度高

科學(xué)運(yùn)用電氣自動(dòng)化技術(shù)，能夠全面了解水利水電工程運(yùn)行情況，自動(dòng)化程度高，有利于維持系統(tǒng)正常、穩(wěn)定運(yùn)行。如果相關(guān)位置出現(xiàn)隱患、故障，會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，這也能夠減少人工故障排查的時(shí)間，提高了故障排查的便利性，減少各種故障帶來(lái)的損失和影響。

2.2 提高工作質(zhì)量和效率

電氣自動(dòng)化技術(shù)不僅能夠保證水利水電工程穩(wěn)定和安全運(yùn)行，也有利于減輕工作人員的工作負(fù)擔(dān)和壓力。借助先進(jìn)技術(shù)，提高實(shí)際工作質(zhì)量以及效率，實(shí)現(xiàn)企業(yè)效能的大幅度提高，這也是提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的重要舉措。與此同時(shí)，引入先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，能夠在很大程度上改善以往陳舊且比較復(fù)雜的工作環(huán)境，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，可以及時(shí)排查并自動(dòng)處理相關(guān)故障，將安全隱患扼殺于萌芽狀態(tài)，從而節(jié)約人力資源投入，也降低了企業(yè)的勞動(dòng)力需求，間接提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 提高工程運(yùn)營(yíng)效益

傳統(tǒng)的水電系統(tǒng)技術(shù)含量不高，引入電氣自動(dòng)化技術(shù)，能夠改善這情況，有利于提高水資源利用率，最大程度保證工程的穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)自動(dòng)化的設(shè)備維護(hù)、運(yùn)營(yíng)，不需要設(shè)專人值守，在一定程度上減少了企業(yè)成本，也提高了工程整體運(yùn)營(yíng)收益。

2.4 符合環(huán)保理念

以往的水利水電工程維護(hù)主要依靠人工操作，實(shí)際工作中需要花費(fèi)較多的時(shí)間，容易造成大量水資源浪費(fèi)，而自動(dòng)化技術(shù)能夠避免此類情況。在計(jì)算機(jī)監(jiān)控下，自動(dòng)控制用水情況，只需要技術(shù)人員進(jìn)行相應(yīng)監(jiān)督，收集信息數(shù)據(jù)，并升級(jí)完善監(jiān)控系統(tǒng)，有效識(shí)別潛在故障，并在較短的時(shí)間內(nèi)快速處理故障，盡可能減少水資源的浪費(fèi)。

3 電氣自動(dòng)化在水利水電工程中的具體應(yīng)用

在水利水電工程中，自動(dòng)化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，常用設(shè)備包括電流電壓表、壓力、液位變送器等，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)水壓、水位以及具體發(fā)電量等參數(shù)，有利于動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)運(yùn)行，也能夠遠(yuǎn)程操控發(fā)電機(jī)組、水泵、水閘等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)度。融入多個(gè)硬件以及軟件系統(tǒng)，構(gòu)建統(tǒng)一管理平臺(tái)，實(shí)施定期維護(hù)、檢測(cè)工作，進(jìn)一步提升操控專業(yè)性。

3.1 發(fā)電及配電設(shè)施自動(dòng)控制

水利水電工程涵蓋了各種設(shè)備設(shè)施，其中發(fā)電及配電設(shè)施是核心所在，合理引入電氣自動(dòng)化技術(shù)，有利于保證設(shè)備運(yùn)行的安全性以及穩(wěn)定性，可以自動(dòng)化完成啟停機(jī)、同期、調(diào)相等操作。可由機(jī)器人操作代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力操作，進(jìn)行危險(xiǎn)性高的工作，也能夠24h 密切監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，不僅能夠很大程度上優(yōu)化人力管理成本，同時(shí)也可以大幅度提高運(yùn)維工作的便捷性以及高效性[1]。對(duì)于外部的危險(xiǎn)因素，自動(dòng)化技術(shù)的靈敏性也比較高，可以及時(shí)感知并作出反應(yīng)，有利于安全管理以及對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的有效控制。尤其是在汛期，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自動(dòng)調(diào)控，并有效監(jiān)測(cè)水位、降水量等參數(shù)，及時(shí)對(duì)異常情況發(fā)出警告，進(jìn)行切斷保護(hù)等針對(duì)性措施，盡可能減少外界環(huán)境的不利影響。防止設(shè)備受到嚴(yán)重?fù)p害，達(dá)到自動(dòng)化保護(hù)發(fā)電機(jī)組、水閘的目的，從而有效保障經(jīng)濟(jì)安全。

自動(dòng)化技術(shù)能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行智能控制，在其出現(xiàn)故障時(shí)，快速做出判斷并修復(fù)，也能夠定期體檢所有設(shè)備，確保整個(gè)系統(tǒng)持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行，降低故障發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。比如針對(duì)發(fā)電機(jī)組，能夠合理管控其發(fā)電情況，在滿足線路安全的基礎(chǔ)上，優(yōu)化一系列運(yùn)行程序，確保其符合相關(guān)規(guī)定要求。同時(shí)，也能夠有效控制、監(jiān)督制冷系統(tǒng)、變速系統(tǒng)，確保設(shè)備溫度處于正常范圍，及時(shí)發(fā)出檢修警報(bào)，減少故障帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。此外，基于電氣自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)字化控制，不僅能夠保證系統(tǒng)快速修復(fù)，為系統(tǒng)運(yùn)行提供高效的技術(shù)支持，有利于提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及記錄效率。

3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

在電氣自動(dòng)化技術(shù)的輔助下，機(jī)械設(shè)備排布以及設(shè)計(jì)也能夠得到有效優(yōu)化。水利水電工程建設(shè)涉及的內(nèi)容較多，其中，管線排布、設(shè)備選型等方面也比較復(fù)雜，可能會(huì)出現(xiàn)相關(guān)質(zhì)量問(wèn)題，比如元件性能、設(shè)備匹配等情況，尤其是在線路、設(shè)備連接位置，可能影響水閘、設(shè)備靈敏度[2]。引入自動(dòng)化技術(shù)后，能夠有效排查設(shè)備設(shè)計(jì)、排布方面的問(wèn)題，便于進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整，不斷優(yōu)化工程運(yùn)行的穩(wěn)定性以及流暢性。

在水利水電工程中，使用的設(shè)備非常多，包括配電儀表、油泵、變壓器以及水泵等，通過(guò)電氣自動(dòng)化技術(shù)，可以統(tǒng)一操作、調(diào)控儀器設(shè)備開(kāi)關(guān)等，提高工作便利性，解決傳統(tǒng)人工作業(yè)的繁瑣問(wèn)題，更為準(zhǔn)確地進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)，提高資源配置的合理性。在實(shí)際工作中，結(jié)合工程實(shí)際情況，利用計(jì)算機(jī)程序，可以自動(dòng)控制整體運(yùn)行狀態(tài)，并結(jié)合能耗計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，盡可能降低實(shí)際耗能。基于發(fā)電機(jī)組狀態(tài)，對(duì)剩余機(jī)組進(jìn)行科學(xué)調(diào)控，根據(jù)實(shí)際需求，啟動(dòng)新的機(jī)組或者關(guān)閉多余機(jī)組，更好地調(diào)配能源分布[3]。

3.3 設(shè)備選擇

使用更為先進(jìn)的智能化元器件，可以在很大程度上提高工程運(yùn)行的靈敏度以及穩(wěn)定性，有效提高工程效益。通過(guò)異步驅(qū)動(dòng)傳導(dǎo)，選擇合適的電動(dòng)機(jī)，同時(shí)搭設(shè)傳輸線路，通常選擇10 kV 母線，使用串聯(lián)電抗器等元件補(bǔ)償功率[4]。結(jié)合電力能源需要等情況，選擇變壓器、隔離開(kāi)關(guān)、段路器等，確保電壓分配科學(xué)合理，妥善連接子線、母線，最終實(shí)現(xiàn)電力傳輸，重新分配電流結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮變壓、配電的作用。可以引入自動(dòng)化PLC 技術(shù)，合理引導(dǎo)電流傳導(dǎo)、傳輸，并對(duì)電力系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，順利進(jìn)行高壓傳輸以及低壓傳輸。

電氣自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)注意控制接地線以及過(guò)流保護(hù)的情況，盡可能保證安全防護(hù)。針對(duì)現(xiàn)有的電流傳輸系統(tǒng)，可以通過(guò)增加防雷保護(hù)裝置，在母線上合理連接自動(dòng)化照明系統(tǒng)，同時(shí)進(jìn)行綜合管理設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮應(yīng)急以及事故照明的作用。與此同時(shí)，也可以增加電氣進(jìn)線保護(hù)，比如單相接地、主機(jī)保護(hù)以及高負(fù)荷保護(hù)等。同步監(jiān)測(cè)下位機(jī)以及上位機(jī)時(shí)，通過(guò)數(shù)字化程序，能夠合理分配相關(guān)資源，提高調(diào)節(jié)工作的效率和質(zhì)量。

3.4 應(yīng)用實(shí)例

湖北省螺山泵站是2016 年湖北省水利補(bǔ)短板重點(diǎn)工程，泵站總設(shè)計(jì)流量198 m3/s，裝機(jī)容量6×3 900 kW，是一座省屬大型泵站。以該泵站為例，其電氣自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 湖北省螺山泵站電氣自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)分為3層：現(xiàn)地控制層、泵站集中控制層、遠(yuǎn)程調(diào)度層。系統(tǒng)是開(kāi)放、分層分布式結(jié)構(gòu)，具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制與調(diào)節(jié)、運(yùn)行管理等功能。

泵站集控層除上位機(jī)外還搭建有OPC 數(shù)據(jù)服務(wù)器一臺(tái)，可用于將監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳至上級(jí)水利主管部門。現(xiàn)地控制層共設(shè)6 套機(jī)組LCU 及1 套公用LCU，其數(shù)據(jù)采集和控制采用PLC 完成，各現(xiàn)地控制單元能對(duì)所監(jiān)控的泵站設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行完善的監(jiān)控，相對(duì)獨(dú)立于泵站主控級(jí)，并獨(dú)立完成其監(jiān)控任務(wù)。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP10/100M 自適應(yīng)以太網(wǎng)，以太網(wǎng)的應(yīng)用協(xié)議應(yīng)采用開(kāi)放的協(xié)議，所有主控級(jí)設(shè)備和LCU 掛在以太網(wǎng)上。

4 應(yīng)用質(zhì)量改進(jìn)策略

相比傳統(tǒng)技術(shù)，電氣自動(dòng)化能夠減少人力作業(yè)，使用機(jī)器代替大部分工作，但是早期需要投入大量資金成本，進(jìn)行技術(shù)引入以及革新，且對(duì)技術(shù)人員以及管理人員的要求比較高。目前，電氣自動(dòng)化技術(shù)的資金投入仍存在缺口，專業(yè)的管理以及技術(shù)人員數(shù)量不足，然而出現(xiàn)機(jī)械設(shè)備無(wú)人維護(hù)等情況，導(dǎo)致巡查疏漏，無(wú)法充分發(fā)揮電氣自動(dòng)化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。此外，水利水電工程建設(shè)中，并未從充分引入現(xiàn)代化自動(dòng)設(shè)備，電氣自動(dòng)化技術(shù)的潛力并未得到發(fā)掘，在實(shí)際過(guò)程中，需要高素質(zhì)人才進(jìn)行管理和操作，但是人才市場(chǎng)供應(yīng)不足，也會(huì)制約此技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

4.1 強(qiáng)化人才培養(yǎng)

為推動(dòng)水利水電工程的自動(dòng)化發(fā)展，需盡可能提高工作人員業(yè)務(wù)水平，積極引入和培養(yǎng)高素質(zhì)人才，這也是工程高質(zhì)量建設(shè)的基礎(chǔ)所在[5]。水利水電工程與民生息息相關(guān)，應(yīng)重視其建設(shè)和維護(hù)工作。因此在實(shí)際過(guò)程中，需適當(dāng)增加人才培養(yǎng)投入，重視學(xué)習(xí)、培訓(xùn)工作，積極引入新理念，改變傳統(tǒng)培養(yǎng)模式，適當(dāng)增加教育成本，普及水利水電工程專業(yè)知識(shí)，增加專業(yè)人才數(shù)量。同時(shí)，需能夠提高工作人員實(shí)踐操作能力，將電氣化知識(shí)靈活運(yùn)用于實(shí)際工作中，更好地落實(shí)電氣自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)和作用。

4.2 推動(dòng)自動(dòng)化進(jìn)程發(fā)展

在水利水電工程建設(shè)和使用過(guò)程中，自動(dòng)化系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，科學(xué)引入現(xiàn)代信息技術(shù)，能夠進(jìn)一步推動(dòng)自動(dòng)化進(jìn)程。作為水利水電企業(yè)，需結(jié)合傳統(tǒng)的技術(shù)，不斷進(jìn)行優(yōu)化、革新，及時(shí)淘汰陳舊的技術(shù)和方法，引入新理念、新技術(shù)，將自動(dòng)化技術(shù)有機(jī)融合，充分發(fā)揮協(xié)同作用，揚(yáng)長(zhǎng)避短，更快地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化發(fā)展，也能夠有效推動(dòng)水利水電工程改革升級(jí)[6]。

4.3 實(shí)現(xiàn)水利水電工程市場(chǎng)化

實(shí)現(xiàn)水利工程市場(chǎng)化，能夠更好地推動(dòng)電氣自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。對(duì)于水利水電工程中常見(jiàn)的產(chǎn)品供需關(guān)系問(wèn)題，可以選擇市場(chǎng)化的方式進(jìn)行解決，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化經(jīng)營(yíng)，不僅能夠滿足社會(huì)需要，也有利于提升經(jīng)濟(jì)效益，為水利水電工程可持續(xù)發(fā)展提供動(dòng)力[7]。作為國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)，水利工程管理需及時(shí)轉(zhuǎn)變理念，順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，大力支持水利水電工程建設(shè)。

4.4 完善管理體系

需根據(jù)水利水電工程運(yùn)行實(shí)際需求和發(fā)展目標(biāo)，不斷優(yōu)化管理體系，高效整合財(cái)力、人力資源，改善管理流程中的不合理之處，提高綜合管理水平，全面監(jiān)控各個(gè)環(huán)節(jié)的工作，從而有效提高企業(yè)服務(wù)質(zhì)量，這也是改善社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的重要舉措。

5 結(jié)束語(yǔ)

在水利水電工程中，傳統(tǒng)技術(shù)效率比較低，可能會(huì)引起諸多問(wèn)題，也不利于提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。在實(shí)際過(guò)程中，引入電氣自動(dòng)化技術(shù)，能夠在很大程度上強(qiáng)化運(yùn)營(yíng)管理水平，提高工作效率和質(zhì)量，從而為人民正常生活提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，改善日常生活質(zhì)量，也能夠有效推動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展。從水利水電工程運(yùn)行而言，電氣自動(dòng)化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理相關(guān)故障，避免更嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失，同時(shí)也符合綠色環(huán)保的理念。通過(guò)加強(qiáng)人才培養(yǎng)、實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化等手段，能夠更好地提高自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用效果，也有利于水利水電行業(yè)的健康發(fā)展。