水電站電氣工程自動化技術(shù)運用探究

趙紅磊　蘇建平　凌浩潔

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣工程自動化技術(shù)已經(jīng)在各行各業(yè)得到非常廣泛的應(yīng)用，而在水電站中，電氣工程自動化技術(shù)更是得到了推廣。本文將從水電站電氣工程自動化技術(shù)的分析、要點、運用方向等方面入手，深入探究水電站電氣工程自動化技術(shù)的運用，以供參考。

關(guān)鍵詞：水電站；電氣工程；自動化技術(shù)

DOI：10.12433/zgkjtz.20232131

為了促進水電站電氣工程自動化技術(shù)的應(yīng)用，需要不斷提高對電氣自動化技術(shù)的重視，不斷引進先進的技術(shù)和設(shè)備，為水電站電氣工程自動化技術(shù)的發(fā)展提供動力支持。

水電站電氣工程自動化技術(shù)利用計算機、通訊、控制和信息處理等技術(shù)手段，通過監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)水電站重要設(shè)備的監(jiān)測、保護和控制，實現(xiàn)自動化運行。該技術(shù)可以降低人為操作因素對電氣設(shè)備造成的影響，并且增加設(shè)備在線運行時間，縮短檢修時間，提高設(shè)備運行效率，大大減少了水電站事故發(fā)生的可能性。

一、水電站電氣工程自動化技術(shù)要點

（一）PLC技術(shù)

PLC技術(shù)可以對各種工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備進行智能化控制，同時具有運行穩(wěn)定、高精度、靈活性強等特點。在水電站電氣工程自動化應(yīng)用中，PLC技術(shù)廣泛應(yīng)用于水輪機、發(fā)電機等供電設(shè)備的控制。通過編寫各種控制程序，PLC系統(tǒng)可以實現(xiàn)對水電站各個設(shè)備的自動化控制和調(diào)節(jié)。

（二）計算機技術(shù)

計算機技術(shù)是實現(xiàn)水電站電氣系統(tǒng)遠程監(jiān)控和智能化管理的關(guān)鍵技術(shù)。通過建立計算機網(wǎng)絡(luò)、實現(xiàn)遠程訪問和控制，可以對水電站各個設(shè)備的狀態(tài)信息實時監(jiān)測和分析，幫助工作人員及時發(fā)現(xiàn)和解決問題。同時，計算機技術(shù)還可以對水電站設(shè)備進行故障診斷、預(yù)警等，并生成報告和數(shù)據(jù)分析，為進一步優(yōu)化管理提供數(shù)據(jù)支持。

（三）實時監(jiān)控技術(shù)

實時監(jiān)控技術(shù)是重要的自動化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。通過大量的數(shù)據(jù)分析和處理，對水電站運行過程中的各種參數(shù)進行實時監(jiān)測和分析，幫助維護人員了解設(shè)備運行狀態(tài)并及時采取相應(yīng)的修復(fù)方法，以降低設(shè)備維修成本。此外，實時監(jiān)控技術(shù)還可以依據(jù)設(shè)備運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析出設(shè)備最少維護時間，從而提高系統(tǒng)效率。

二、水電站電氣工程自動化技術(shù)運用方向

（一）渦輪螺旋槳調(diào)速

渦輪螺旋槳調(diào)速是指通過控制渦輪螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度控制發(fā)電機輸出功率，實現(xiàn)水電站發(fā)電效率提高。采用PLC等先進的自動化技術(shù)后，操作人員可以在中心控制室對渦輪螺旋槳的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，如調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)輪和控制止推等措施，以評估優(yōu)化過程和設(shè)定反饋系統(tǒng)。根據(jù)電站網(wǎng)優(yōu)化算法、流量及壓頭信息等數(shù)據(jù)自動控制渦輪螺旋槳的調(diào)速和關(guān)閉，從而達到最佳效果。

案例分析：某水電站使用的渦輪螺旋槳調(diào)速系統(tǒng)存在缺陷，導(dǎo)致調(diào)度時間長、效率低下，影響水力發(fā)電的效率和穩(wěn)定性。為此，引入了電氣工程自動化技術(shù)對其優(yōu)化升級，并整理升級前后數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)對照如表1所示。

通過對比前后的數(shù)據(jù)，可以初步看出實施該技術(shù)后的效果。調(diào)度時間顯著減少：由原先的3個小時左右降至約30分鐘；發(fā)電效率得到了極大的提高：由原先的50%左右提高至80%以上；保障發(fā)電穩(wěn)定性：相較于過去頻繁出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象，現(xiàn)在系統(tǒng)運行更加平穩(wěn)可靠。

1.調(diào)度時間

在水力發(fā)電過程中，渦輪螺旋槳的轉(zhuǎn)速需要不斷地進行調(diào)整。對于傳統(tǒng)的手動調(diào)節(jié)方法，調(diào)度過程通常需要耗費大量的人力和時間。而通過電氣工程自動化技術(shù)對渦輪螺旋槳轉(zhuǎn)速自動控制，則不需要人工干預(yù)，能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的調(diào)速。

2.發(fā)電效率

發(fā)電效率是衡量水力發(fā)電系統(tǒng)效果的重要指標(biāo)，也是開發(fā)利用水力資源的經(jīng)濟關(guān)鍵之一。在該水電站中，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)速控制能夠更加準(zhǔn)確地適應(yīng)水流的變化，最大限度地提高發(fā)電效率。與此同時，電氣工程自動化技術(shù)還能更加精確地計算發(fā)電功率，進一步提升整體發(fā)電效率。

3.發(fā)電穩(wěn)定性

水力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性對于保障電網(wǎng)供電具有重要意義。受制于水流情況的波動，原先的渦輪螺旋槳調(diào)速系統(tǒng)在運行過程中會面臨一定的不穩(wěn)定因素，甚至造成振蕩現(xiàn)象。通過電氣工程自動化技術(shù)優(yōu)化改造，更加精準(zhǔn)判斷并調(diào)整渦輪螺旋槳轉(zhuǎn)速，減少風(fēng)險，提高運行穩(wěn)定性。

（二）橡膠壩監(jiān)控系統(tǒng)

橡膠壩是當(dāng)前一種常用的大型水利工程，其具有結(jié)構(gòu)特殊性，容易受到泄洪和閘門開閉等因素影響。然而，其中涵蓋很多參數(shù)變化，如果采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方式，則很難作出科學(xué)準(zhǔn)確的判斷。此時，采用電氣工程自動化技術(shù)能夠完善監(jiān)控體系，及時反饋并解決各類問題。通過傳感器監(jiān)聽橡膠壩的狀態(tài)，自動計算變形量、滲漏流量等數(shù)據(jù)，并分析處理。一旦有異常情況出現(xiàn)，自動化監(jiān)控系統(tǒng)能立即作出響應(yīng)，提出預(yù)警和防范措施。

案例分析：某水電站的橡膠壩監(jiān)控系統(tǒng)在使用傳統(tǒng)人工檢查的方式時存在一些問題，包括人為疏忽導(dǎo)致設(shè)備故障風(fēng)險大、數(shù)據(jù)分析不夠準(zhǔn)確等。因此，該水電站采用電氣工程自動化技術(shù)對橡膠壩監(jiān)控系統(tǒng)進行改造升級，對比改造前后的數(shù)據(jù)與結(jié)果如表2所示。

通過對比改造前后的數(shù)據(jù)，在橡膠壩穩(wěn)定性、應(yīng)力均衡性、裂紋檢測和預(yù)警等方面都有較大值得提升。具體數(shù)值如下：

1.橡膠壩穩(wěn)定性：改造前每年橡膠壩發(fā)生滑動移位與損壞的次數(shù)平均為11次，改造后每年平均僅有3次；

2.應(yīng)力均衡性：改造前壩體均衡度平均為87.5%，改造后平均值提升至95%；

3.裂紋檢測：改造前裂紋檢測僅完成15%的有效覆蓋率，改造后有效覆蓋率提升至80%以上；

4.預(yù)警：改造后，下游據(jù)點對橡膠壩安全狀態(tài)的實時監(jiān)控，在事件發(fā)生前早期預(yù)警，極大減少了安全事故發(fā)生。

數(shù)據(jù)分析表明，通過實現(xiàn)橡膠壩穩(wěn)定性和平衡性的大幅提高和裂紋檢測、預(yù)警等先進功能增加，該水電站產(chǎn)生的損失和維護成本較往年相當(dāng)，但大幅度減少了人為疏忽所導(dǎo)致的費用浪費，同時實現(xiàn)了設(shè)備使用壽命大幅提升，一定程度上提高了該水電站的經(jīng)濟效益。從長遠來看，這種技術(shù)的投入對于提高橡膠壩的可靠性和故障率極為有利。

（三）水電站調(diào)速器

水電站調(diào)速器是使水輪機產(chǎn)生適合的負荷而進行勵磁調(diào)節(jié)的地方，其主要功能在于對整個水電站進行發(fā)電功率的自動調(diào)節(jié)。采用電氣工程自動化技術(shù)，可以改進系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度以及數(shù)據(jù)處理的能力，提升水電站發(fā)電效率。其實現(xiàn)的核心理念就是利用自動化系統(tǒng)先進的數(shù)學(xué)建模方法及最優(yōu)控制策略，實現(xiàn)平衡發(fā)電、節(jié)能省料和降低水輪機在全功率運轉(zhuǎn)下的損失等多種目標(biāo)。

案例分析：某水電站的調(diào)速器使用傳統(tǒng)機械式調(diào)速器進行發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制，但是由于傳統(tǒng)機械式調(diào)速器的響應(yīng)速度較慢、精度不高、容易受到環(huán)境因素的影響等一系列問題，導(dǎo)致發(fā)電效率欠佳的情況。為此，該水電站采用現(xiàn)代化自動化技術(shù)將調(diào)速器升級為電氣工程自動化調(diào)速器，運行一段時間后進行數(shù)據(jù)比對分析。

在升級調(diào)速器后，水電站開始實時監(jiān)測和記錄渦輪機的旋轉(zhuǎn)速度和負荷，并通過電氣信號控制液壓系統(tǒng)的運行來實現(xiàn)電氣自動化調(diào)速器的調(diào)節(jié)功能，調(diào)整范圍和精度均大幅提升。下面是原始數(shù)據(jù)（2015年）和自動化后的數(shù)據(jù)（2020年）的比對如表3所示。

從數(shù)據(jù)中可以看出，在引入自動化技術(shù)后，渦輪機的平均轉(zhuǎn)速以及發(fā)電量都有了顯著提升。在同樣的水頭條件下，單位時間內(nèi)的發(fā)電量提高約3%，水利靈活性提高，發(fā)電效率進一步得到改善。值得注意的是，電氣工程自動化技術(shù)調(diào)速器的精度和穩(wěn)定性較高，因此能更為準(zhǔn)確地控制液壓系統(tǒng)，避免了突發(fā)情況導(dǎo)致的過載和不穩(wěn)定問題，從而保證生產(chǎn)安全，并延長設(shè)備的使用壽命。

（四）水輪機控制系統(tǒng)

水輪機控制系統(tǒng)負責(zé)確定所需輸出功率，并且根據(jù)控制策略執(zhí)行命令。同時，它還需要進行維護和監(jiān)測，此處采用電氣工程自動化技術(shù)協(xié)調(diào)流量與壓頭壓力的關(guān)系，增強系統(tǒng)的效率和可靠性。操作人員通過搜索找到必要的電氣線路、設(shè)備、并快速定位故障原因。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者不正常工作時，自動化監(jiān)控系統(tǒng)能夠自動檢測，及時報告給中心控制室的人員處理，確保水輪機安全、高效地工作。

案例分析：選取某小型水電站的頂軸式水輪機進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，數(shù)據(jù)包括水輪機轉(zhuǎn)速、流量、水頭、出力等參數(shù)，并利用電氣工程自動化技術(shù)實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控和控制。

1.智能渦輪螺旋槳調(diào)速系統(tǒng)

根據(jù)不同負載情況自動調(diào)節(jié)螺旋槳葉片的角度，達到最佳功率輸出效果。通過與水量、水頭等傳感器的聯(lián)動，實現(xiàn)水輪機的智能調(diào)節(jié)控制。

2.遠程非接觸式蓄勢壩水位檢測系統(tǒng)

通過水位傳感器獲取蓄勢壩水位信息，與控制系統(tǒng)相連接實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。同時，利用強電干擾抑制技術(shù)，避免因環(huán)境影響引起的誤差。

3.監(jiān)測系統(tǒng)和故障預(yù)警程序

通過數(shù)據(jù)采集終端獲取水輪機的運行狀態(tài)和各項參數(shù)，結(jié)合對比分析以往運行數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備的正常運行和異常情況，發(fā)現(xiàn)故障并提供警報。

表4為實際采集的水輪機運行數(shù)據(jù)，包括進口流量、凈水頭、出力、轉(zhuǎn)速等。

通過對上述數(shù)據(jù)對比分析，可以發(fā)現(xiàn)水輪機在不同負載情況下，各項參數(shù)的變化規(guī)律。例如，在進口流量一定的情況下，隨著水頭增加，出力也相應(yīng)增加；當(dāng)水頭達到一定值時，出力的增長趨勢逐漸趨緩甚至停滯。另外，基于收集的歷史數(shù)據(jù)建立機器學(xué)習(xí)模型，預(yù)測設(shè)備可能存在的故障情況，并提前預(yù)警，避免發(fā)生重大安全事故。

（五）電氣設(shè)備檢修

在水電站中，使用自動化技術(shù)可以提高勞動力利用率及設(shè)備質(zhì)量，減少操作者人為因素帶來的誤差，從而降低生產(chǎn)成本并增強安全保障。典型的方案就是應(yīng)用遠程監(jiān)控技術(shù)和自行診斷技術(shù)，如采用SCADA系統(tǒng)或其他關(guān)鍵指標(biāo)檢測儀器等，實時對電氣設(shè)備進行數(shù)據(jù)記錄、分析和預(yù)測，并自動解決小型故障，一旦遇到出現(xiàn)大型故障，系統(tǒng)會即時向中心控制室發(fā)出通知，由維護專員處理。

案例分析：某水電站的發(fā)電機組在過去的維護保養(yǎng)中，經(jīng)常需要進行大規(guī)模的檢修。由于電氣設(shè)備規(guī)模龐大，而傳統(tǒng)的人工檢修方式無法對該設(shè)備快速準(zhǔn)確的診斷和維護，導(dǎo)致檢修周期長、效率低、風(fēng)險高。在這種情況下，采用了電氣工程自動化技術(shù)方案，具體措施如下：

1.使用傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測電氣設(shè)備狀態(tài)，包括電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)。

2.利用圖像處理技術(shù)，對設(shè)備表面進行實時監(jiān)測，同時結(jié)合紅外線和超聲波檢測技術(shù)對設(shè)備進行孔隙內(nèi)部缺陷檢測。

3.通過數(shù)據(jù)處理和分析算法，對檢測到的信息分類和評估，生成健康狀態(tài)報告，同時制定維護和修復(fù)計劃。

使用該項技術(shù)措施前后的效果比較數(shù)據(jù)如表5所示。

通過使用電氣工程自動化技術(shù)方案，大幅減少了檢修時間、提高了設(shè)備的運行穩(wěn)定性，同時增加了檢修的效率和安全性。

三、結(jié)語

綜上所述，水電站電氣工程自動化技術(shù)是一項極具應(yīng)用價值的現(xiàn)代化技術(shù)，得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著該技術(shù)的進一步優(yōu)化和成熟，它將為水電站管理、智慧能源等領(lǐng)域的工作開展等帶來便利，提高工作效率，促進水電站的長遠發(fā)展。

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作者簡介：趙紅磊（1981），男，河北省石家莊市人，碩士，高級工程師，一級注冊建造師，研究方向為電力調(diào)度、電力市場化交易、智慧電廠、綜合能源服務(wù)及高壓智能電網(wǎng)。