水電站電氣工程自動化技術及運用分析

郭悠揚

（遂川縣發電公司，江西 吉安 343900）

前言

自動化技術呈現實時性、節能性特征。為進一步推動水力發電項目的優質建設，理應充分應用自動化技術，繼而達到提質增效目的。

1 水電站電氣工程自動化技術要點

1.1 PLC 技術

適用于水電站電氣工程應用場景的自動化技術較為多樣，包含PLC 技術（可編程控制器）。此項技術涵蓋編程器、接口以及主機等多項部分，且PLC 技術應用流程，見圖1。該技術在應用期間，應當先行了解PLC 系統預留余量，通常在I/O 點數確定過程中，應當至少設置10%的預留點數余量，而后分析水電站電氣工程PLC 負載輸出電流類型以及輸出渠道，從晶閘管或晶體管等不同輸出渠道中進行選擇，每一項選擇都會影響PLC 系統運行穩定性。此外，PLC 技術的應用還要選取適合的COM點，由于COM點帶有的輸出點數量不同，且適用范圍不一致，故此應當根據電流規模予以判定。若水電站電氣工程屬于大電流，應以帶有1 個或2 個輸出點的COM點產品為主，若為小電流，則主張選用帶有4 個或8 個輸出點的COM點。同時，PLC 技術需要選用與之匹配的PLC 編程器。常用編程器多包含手持式、圖形編程以及兼容軟件式產品。第一種多在小容量PLC 系統中比較適合。第二種則具有易于操作的優勢，對于水電站電氣人員而言，能在短時間內快速熟練掌握編程器使用技巧，但對應的成本偏高。最后一種屬于高效編程器。然而，也要在選用此種編程器時考慮消耗的成本是否符合水電站電氣工程建設條件。PLC 技術中的電源部分，多以DC24 V 或AC240 V 為主，要想強化電源的抗干擾性，需要提前裝設1：1 隔離變壓器。而且在大電流電氣設備上應用PLC 技術時，務必注重晶體管的有效保護，并提前計算出模擬量范圍與脈沖量，以此提升PLC 技術的適應性。

PLC 系統中模擬單元分辨率為1，且標準電量為0 V，分辨率為32 767，標準電量為10 V，且PLC 系統檢測溫度范圍為0 ℃到100 ℃。在計算模擬量階段，應當參照電壓或電流參數進行確定。比如在-10 V 到10 V 范圍內，分辨率6 000 的PLC 系統，轉換值在F448 到0BB8Hex 以內，而0 V～10 V 電壓值對應相同分辨率的轉換值為0Hex 到1770Hex，且電壓自動控制電路圖可見圖2。其中在觸發控制端指引下，能夠對連接的管形氙燈進行連通，擺脫傳統人工閉合開關的束縛。0 mA～20 mA 電流參數下轉換值與0 V～10 V 電壓范圍內相同，具體應當根據分辨率的差異性計算模擬物理量。關于脈沖量的計算，可以結合水電站步進電機予以分析。其中在控制電機角度時，可以利用下述公式求取角度動作脈沖數（a）。

式中：a一圈與b 分別表示的是一圈總脈沖數與設定電機轉動角度。

以距離作為PLC 控制主體，應當按照公式（2）求取設定距離脈沖數（c）。

式中：d 與d滾輪代表的是設定距離與滾輪直徑。

經上述計算結果能夠知曉脈沖量范圍，而后展現PLC 技術的應用價值。

1.2 計算機技術

水電站電氣工程還可以應用計算機技術。以往在電氣控制過程中，多依靠人工力量。而計算機技術的運用，可以針對自動化程序進行簡化處理。無論是測控裝置還是機電保護裝置，都能依托計算機技術優化性能[1]。

計算機系統具有遠程監控、數據采集與調試、數據分析等多項功能，在水電站自動化控制過程中可以根據對電氣模擬量的綜合分析，參照歷史數據判斷當前水電站電氣控制系統是否存在異常運作跡象, 繪制模擬曲線，如圖3 所示，借助專家分析結果確定水電站運行穩定性。而且還要計算水電站出力，便于在自動化調節出力過程中，維持水電站運行安全。水電站出力（N）可以利用下列公式求值。

η、Q、H、A 分別指代水電站綜合機械效率、水輪機發電流量、凈水頭、出力系數。計算機技術能夠依靠水電站出力范圍設定出力調節頻率，保證水電站水能供應量與發電量保持協調關系。在不考慮水電站裝機容量的前提下，可以將Q 看成是水電站水庫下泄流量，以此在計算機技術導向下，推動水電站的自動化發展。另外，計算機技術具體應用環節，還可以針對電氣設備實施無功補償，自動化給出無功補償能量計算值（U（t）），依據公式（4）自動化取值。若計算機技術干預下取值結果小于1，表明水電站無功補償能量消耗值不大，可以通過對無功補償能量的自動化下調，強化水電站電氣工程節能效果。

式中:Mp表示電氣量比例系數;m(p)為電能輸入偏差;T表示調度時間。經計算機技術即可自動化實施無功補償，減少對人工的依賴[2]。

1.3 實時監控技術

經由實時監控技術建立的專家系統（見圖4），本身設有兩臺計算機，且建立備用關系，而且還涵蓋操作員工作站與語音報警裝置、GPS 時鐘系統，可以隨時記錄監控時間，指引有關人員根據時間點預估設備運行穩定性。而且還要定期自動打印實時監控數據，將其上傳至水情測報系統，便于水情測報員結合實時監控數據，分析當前是否需要進行調度。在實時監控系統運行期間，需在計算機、打印機以及電氣設備之間建立連接關系，經過TCP/IP 網絡完成實時通訊，繼而實現實時監控數據的高效利用[3]。

2 水電站電氣工程自動化技術運用方向

2.1 應用于渦輪螺旋槳調速

水電站電氣工程運用自動化技術，其中最為關鍵的方向即為渦輪螺旋槳調速中應用PLC 技術。通過水位的自動化控制，提高水能利用率。關于PLC 技術的實際應用，主要是在該技術輔助下，對水位與水輪機水頭展開協調設計，進而促使渦輪螺旋槳的轉動角度以及轉動頻率都能適合當前發電機組運行需求。 此外，PLC 技術還能細致的展現水位變化規律，經過調整渦輪螺旋槳，優化水力發電狀態，避免渦輪螺旋槳因異常運行，干擾發電進度。PLC 技術可以直接參與到渦輪螺旋槳熱力循環中，其發動機對應的單位推進功（Lp）能夠根據循環功傳遞效率（η ）與螺旋槳驅動功率輸出（Lne）t進行計算，即LP=ηLnet，從中知曉隨著有效功的增加，其單位推進功也會隨之增加，進而由PLC 技術控制螺旋槳發動機熱力循環效率。

2.2 應用于橡膠壩監控系統

自動化技術可應用于橡膠壩監控系統中，在水電站建設階段，常利用橡膠壩，強化攔水功能。雖然橡膠壩確實能夠更高效的利用水資源，但也會誘發共振后果，造成橡膠壩在壩體、壩袋反復摩擦中引起損壞情況，加劇溢流風險。自動化技術可對橡膠壩壩袋高度以及壩袋壓力等參數實施有效監控，從中自動化調整橡膠壩升降高度，改善水資源利用現狀。

2.3 應用于水電站調速器

在水電站運行期間，需要利用調速器控制水輪機水頭升降空間。在傳統控制技術下，常采用芯片替換法控制水輪機水頭啟動開度，這樣反而會降低應用效率。自動化技術能通過編程設計對調速器參數值進行微調。程序運行后，其啟動開度可以依靠調速器科學調整轉速進行自動化調節，不易出現快速啟動問題。為了更全面的保證自動化技術符合工況條件，還要準確探明水電站水能變化特征，參照下述公式求取水電站在自動化運行中消耗能量

即

Z1、Z2代表的是不同斷面水面高程；v1、v2表示斷面流速平均值；γ、α 各自表示水的容重、不均勻系數；W為t 時間范圍內過河段水體積；g 為重力加速度。通過對水能的綜合分析，判定研發的自動化機械是否在水電站場景中適用。

2.4 應用于水輪機控制系統

水電站電氣工程自動化技術可應用于水輪機控制系統中，切實節約人力資源，保證水資源實現高度利用。事實上，水輪機控制系統多指代油氣水的自動化控制。參照公式（3）可以推斷出T 時段內水電站發電量（QT）計算公式如下

N平均是指平均出力。為了確保水電站持久性展現水力發電價值，還要根據水電站建設規律，聯合自動化技術，達到水利動能設計標準。通常水電站水電容量占比率高于50%，要求水利功能設計值保證率至少為95%。低于25%水電容量的水電站，保證80%左右的水利功能設計保證率，達成油氣水資源自動化控制要求[4]。

2.5 應用于電氣設備檢修

水電站在以水資源作為發電能源時，應保證變壓器等電氣設備，在自動化技術輔助下減少故障率，憑借檢修數據評估故障風險等級。電氣設備常見短路故障，首先應結合短路電流計算網絡阻抗（ZQ），以PLC技術與實時監控技術，對電流變化范圍進行統計，判斷是否存在短路跡象。

式中:c 為電壓系數;Un為標稱電壓;IKQn是指對稱短路電流初始值。計算后可以在計算機技術參與下整理短路電流變化規律，以此判定電氣設備的運行穩定性，并且在電流超出標準值后啟動預警，而后以增加限流電抗方式消除短路電流[5]。

3 結論

綜上所述，水電站電氣工程自動化技術多包含PLC 技術、計算機技術、實時監控技術。為取得顯著的自動化改造成果，應在渦輪螺旋槳調速、橡膠壩監控系統、調速器以及水輪機控制系統、電氣設備檢修等部分加強自動化技術的合理化應用，從而為水電站電氣設備的安全運行創造有利條件，保證當地在水力發電項目的支撐下享受到優質的供電服務，踐行可持續發展戰略。