水電站調(diào)速器自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

[摘 要]在現(xiàn)代水電站中，調(diào)速器自動(dòng)化控制系統(tǒng)是確保發(fā)電效率與安全性的關(guān)鍵組成部分。水電站的運(yùn)行依賴于對(duì)水輪機(jī)的精確調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不斷變化的負(fù)荷需求和水流條件。傳統(tǒng)的調(diào)速器系統(tǒng)通常面臨響應(yīng)速度慢、穩(wěn)定性差等問題，這不僅影響了發(fā)電效率，還可能導(dǎo)致設(shè)備過載和故障。因此，提升調(diào)速器的自動(dòng)化控制水平，已成為實(shí)現(xiàn)水電站高效、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。文章以四川省某大型水電站為例，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了水電站調(diào)速器自動(dòng)化控制系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，實(shí)施后的水電站調(diào)速器自動(dòng)化控制系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性均有顯著改善，且該系統(tǒng)使水電站年發(fā)電量大幅提升，同時(shí)系統(tǒng)故障率也有所降低。

[關(guān)鍵詞]水電站；調(diào)速器自動(dòng)化控制；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

[中圖分類號(hào)]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2024）12–0011–03

Design and Implementation of Automatic Control System for Governor of Hydropower Station

ZHANG Yu

[Abstract]In modern hydropower stations， the governor automation control system is a key component to ensure the efficiency and safety of power generation. The operation of hydropower stations relies on precise regulation of the turbines to adapt to constantly changing load demands and water flow conditions. Traditional speed regulation systems often face problems such as slow response speed and poor stability， which not only affect power generation efficiency but may also lead to equipment overload and failure. Therefore， improving the automation control level of the governor has become the key to achieving efficient and stable operation of hydropower stations. The article takes a large hydropower station in Sichuan Province as an example to design and implement an automatic control system for the governor of the hydropower station. The research results show that the average response time and speed stability of the automatic control system for the governor of the hydropower station have been significantly improved after implementation， and the system has greatly increased the annual power generation of the hydropower station， while also reducing the system failure rate.

[Keywords]hydropower station； automatic control of speed regulator； system design

1 工程概況

四川省某大型水電站總裝機(jī)容量為1 000 MW，年發(fā)電量達(dá)40億kW·h，預(yù)計(jì)可為周邊地區(qū)提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，滿足約300萬(wàn)居民的用電需求。該水電站現(xiàn)有的調(diào)速器系統(tǒng)存在響應(yīng)速度慢、負(fù)載變化適應(yīng)性不足的問題，長(zhǎng)期積累下會(huì)導(dǎo)致水電站的發(fā)電效率降低、設(shè)備出現(xiàn)過載等風(fēng)險(xiǎn)。因此，為了提升水電站的整體運(yùn)行效率和安全性，亟需設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)水電站調(diào)速器自動(dòng)化控制系統(tǒng)，提高調(diào)速器的響應(yīng)速度與調(diào)節(jié)精度。

2 水電站調(diào)速器自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

水電站調(diào)速器自動(dòng)化控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)（圖1）設(shè)計(jì)遵循模塊化、分層次的設(shè)計(jì)理念，分為3大核心部分：信號(hào)采集與監(jiān)測(cè)層、數(shù)據(jù)處理與控制層、執(zhí)行反饋層。

2.1.1 信號(hào)采集與監(jiān)測(cè)層

該層負(fù)責(zé)對(duì)水輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、流量、水位等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過安裝高精度的傳感器，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理與控制層。信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)決定了系統(tǒng)能否實(shí)時(shí)、精確獲取水輪機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。在本項(xiàng)目中，信號(hào)采集模塊包括轉(zhuǎn)速傳感器、水位傳感器、流量計(jì)等設(shè)備。這些傳感器均具有高精度和抗干擾能力，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境下穩(wěn)定工作。傳感器參數(shù)信息見表1。

為了保證信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性，本系統(tǒng)采用了高頻采樣策略，采樣頻率設(shè)定為500 Hz，確保能夠及時(shí)感知快速動(dòng)態(tài)變化的工況。此外，為了減少環(huán)境噪聲的影響，信號(hào)采集模塊還設(shè)計(jì)了低通濾波器，以濾除高頻干擾信號(hào)，提升數(shù)據(jù)的純凈度與可靠性。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理與控制層

該層負(fù)責(zé)接收來自信號(hào)采集層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過控制算法計(jì)算出最佳的控制指令。在數(shù)據(jù)處理過程中，先對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括去噪、濾波和數(shù)據(jù)格式化處理等，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與一致性。

在本設(shè)計(jì)中，采用了PID控制算法來優(yōu)化系統(tǒng)的響應(yīng)速度與穩(wěn)定性。PID控制算法通過比例（P）、積分（I）、微分（D）3個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的誤差進(jìn)行修正，核心在于其響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)精度高，適用于負(fù)載波動(dòng)頻繁的水電站環(huán)境。在本系統(tǒng)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制過程中，系統(tǒng)會(huì)先檢測(cè)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速與設(shè)定值的誤差，然后通過PID控制器計(jì)算出所需的導(dǎo)葉開度調(diào)整量，從而達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的目的。通過不斷調(diào)整Kp、Ki、Kd的參數(shù)值，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工況的精確控制。

為了進(jìn)一步增強(qiáng)控制效果，還引入了模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，使系統(tǒng)具備自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)能力。模糊控制可以根據(jù)不同的負(fù)載情況自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法則能夠通過歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，自適應(yīng)調(diào)整PID控制器的參數(shù)，使系統(tǒng)能夠在復(fù)雜工況下保持較高的控制精度。

此外，控制器采用西門子S7–1500系列PLC，其運(yùn)算速度為60 ns/指令，確保控制指令的快速傳輸與執(zhí)行。控制算法具體參數(shù)設(shè)定見表2。

2.1.3 執(zhí)行反饋層

該層負(fù)責(zé)根據(jù)控制層發(fā)出的指令，調(diào)整水輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。在本系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括伺服電機(jī)和液壓調(diào)節(jié)裝置。伺服電機(jī)用于精確調(diào)節(jié)水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度，其精度達(dá)到了0.01°，能夠有效控制水輪機(jī)的進(jìn)水量，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，液壓調(diào)節(jié)裝置則負(fù)責(zé)控制水輪機(jī)的主軸角度與轉(zhuǎn)速，在負(fù)載變化較大時(shí)提供額外的調(diào)節(jié)力量。在本設(shè)計(jì)中，伺服電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間要求為0.05 s，液壓裝置的壓力需要控制在0～10 MPa，才能更迅速、更精準(zhǔn)地響應(yīng)調(diào)速指令，確保系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性。

2.2 人機(jī)界面（HMI）設(shè)計(jì)

為了提供直觀、易操作的監(jiān)控與控制平臺(tái)，本系統(tǒng)中HMI主要通過圖形化界面展示水輪機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、控制參數(shù)及歷史數(shù)據(jù)。操作員可以通過HMI進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、故障診斷及維護(hù)操作。HMI設(shè)計(jì)中采用了模塊化布局，主要功能包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、報(bào)警系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。通過采用以太網(wǎng)通訊技術(shù)，HMI與PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無縫連接，數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)低至20 ms，確保操作員能夠?qū)崟r(shí)掌控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 冗余設(shè)計(jì)

為保障系統(tǒng)在故障情況下的持續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)實(shí)施了冗余設(shè)計(jì)，所有關(guān)鍵組件均配備了雙重控制電路。其中，伺服電機(jī)和液壓調(diào)節(jié)裝置的控制系統(tǒng)均配置備份電路，在主電路失效時(shí)，備用電路可無縫切換，確保控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。此外，系統(tǒng)還設(shè)定了故障報(bào)警機(jī)制，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)，能夠立即反饋至HMI，并生成故障報(bào)告，幫助操作員及時(shí)處理問題。

3 水電站調(diào)速器自動(dòng)化控制系統(tǒng)的布署與實(shí)現(xiàn)

3.1 布置

在布置上，信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊與執(zhí)行控制模塊依照空間布局原則進(jìn)行分區(qū)，以便于維護(hù)和管理。其中，信號(hào)采集模塊安裝在水輪機(jī)附近，數(shù)據(jù)處理模塊安裝在控制室，執(zhí)行控制模塊安裝在水輪機(jī)旁。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與優(yōu)化

在硬件安裝完成后，系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)試階段。調(diào)試過程中，先對(duì)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行單元測(cè)試，確保每個(gè)組件能正常工作。調(diào)試時(shí)，系統(tǒng)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄，確保數(shù)據(jù)處理模塊能準(zhǔn)確接收與分析數(shù)據(jù)。

（1）轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)。使用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，確保傳感器輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性。

（2）流量校準(zhǔn)。通過流量計(jì)測(cè)試水流的實(shí)際流量，與傳感器讀數(shù)進(jìn)行對(duì)比，調(diào)整參數(shù)以達(dá)到一致。

（3）控制算法調(diào)試。對(duì)PID控制算法的參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，Kp、Ki、Kd參數(shù)設(shè)定初值為Kp=0.8、Ki=0.5、Kd=0.1，經(jīng)過多次試驗(yàn)后，根據(jù)系統(tǒng)反饋逐步優(yōu)化，最終確定最佳控制參數(shù)。

（4）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試完成后，進(jìn)行系統(tǒng)性能評(píng)估，通過負(fù)載模擬試驗(yàn)，確保在不同負(fù)載條件下系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行，并記錄下發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍，最終確保其穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。

3.3 系統(tǒng)集成

在完成系統(tǒng)調(diào)試之后，將各個(gè)模塊進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，形成一個(gè)整體的控制系統(tǒng)。在此過程中，HMI作為操作平臺(tái)，通過以太網(wǎng)與PLC系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。HMI的設(shè)計(jì)以用戶體驗(yàn)為核心，展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)警信息與歷史記錄，確保操作員能直觀掌握系統(tǒng)狀態(tài)。通過集成測(cè)試，確保各模塊間的通訊暢通，控制指令的執(zhí)行無延遲。

4 效果評(píng)價(jià)

實(shí)施后的水電站調(diào)速器自動(dòng)化控制系統(tǒng)經(jīng)過為期兩個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行考核，評(píng)估指標(biāo)包括系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、調(diào)速精度與運(yùn)行穩(wěn)定性等。根據(jù)數(shù)據(jù)記錄，系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間為0.03 s，相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)的0.1 s，提升了70%。在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性方面，新系統(tǒng)在負(fù)載波動(dòng)情況下的轉(zhuǎn)速保持在±1.5 r/min，較原系統(tǒng)的±4 r/min得到了顯著改善。發(fā)電效率方面，系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)施使年發(fā)電量增加了約2 000萬(wàn)kW·h，提升幅度約5%。在滿負(fù)荷運(yùn)行情況下，發(fā)電效率從90%提高至94%。在不同工況下的試驗(yàn)中，系統(tǒng)在流量波動(dòng)范圍為600～1 000 m3/s的條件下，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性依舊保持在±2 r/min。

此外，故障率的分析顯示，系統(tǒng)的故障發(fā)生率降低了20%，由每月平均4次降至3次。特別是在極端天氣條件下，傳統(tǒng)系統(tǒng)在高流量情況下的故障率為5%，而新系統(tǒng)的故障率僅為2%。

5 結(jié)束語(yǔ)

四川省某大型水電站的調(diào)速器自動(dòng)化控制系統(tǒng)通過科學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，成功提升了項(xiàng)目的發(fā)電效率及項(xiàng)目設(shè)備的安全性。試驗(yàn)結(jié)果表明，水電站調(diào)速器自動(dòng)化控制系統(tǒng)的成功布署，不僅顯著提升了系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的調(diào)速精度和發(fā)電效率，也為未來水電站的智能化改造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

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