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水電站自動(dòng)化技術(shù)及其應用的研究
【摘 要】文章從我國水資源概況入手，詳細闡述水電站自動(dòng)化的作用、內容，進(jìn)一步探討水電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向，水電站綜合監控系統的構成、特點(diǎn)和功能及其在水資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，水利樞紐工程建設中的應用。【關(guān)鍵詞】可編程序控制器（PLC）；智能I/0 ；綜合監控系統；SOE 點(diǎn)；自動(dòng)發(fā)電控制AGC；自動(dòng)電壓控制AVC
我國具有得天獨厚的水能資源，理論上全國蘊藏總量量為6.76 億kW，技術(shù)可開(kāi)發(fā)量為3.78 億kW，年發(fā)電量19200億kW.h，占世界總量的13.22%，居世界首位。據統計，2000年我國水電裝機容量為7500 萬(wàn)kW，開(kāi)發(fā)率僅為19.8%。與其它發(fā)達國家相比，我國水能資源開(kāi)發(fā)利用水平還很低，水電站自動(dòng)化程度還很落后。如何逐漸加大開(kāi)發(fā)力度，利用好豐富的水能資源，對于我國的現代化建設和可持續發(fā)展戰略的實(shí)施，具有十分重大的意義。
（一）水電站自動(dòng)化概述
1.水電站自動(dòng)化的作用
水電站自動(dòng)化就是要使水電站生產(chǎn)過(guò)程的操作、控制和監視，能夠在無(wú)人（或少人）直接參與的情況下，按預定的計劃或程序自動(dòng)地進(jìn)行。水電站自動(dòng)化程度是水電站現代化水平的重要標志，同時(shí)，自動(dòng)化技術(shù)又是水電站安全經(jīng)濟運行必不可少的技術(shù)手段。水電站自動(dòng)化的作用主要表現在以下幾個(gè)方面：
（1）提高工作的可靠性：水電站實(shí)現自動(dòng)化后，一方面可通過(guò)各種自動(dòng)裝置快速、準確、及時(shí)地進(jìn)行檢測、記錄和報警，既可防止不正常工作狀態(tài)發(fā)展成事故,又可使發(fā)生事故的設備免遭更嚴重的損壞，從而提高了供電的可靠性。另一方面，通過(guò)各種自動(dòng)裝置來(lái)完成水電站的各項操作和控制（如開(kāi)停機操作和并列），不僅可以大大減少運行人員誤操作的可能，從而也減少了發(fā)生事故的機會(huì )；而且還可大大加快操作或控制的過(guò)程，尤其在發(fā)生事故的緊急情況下，保證系統的安全運行和對用戶(hù)的正常供電，具有非常重大的意義。
（2）提高運行的經(jīng)濟性：水電站實(shí)現自動(dòng)化后，可根據系統分配給電站的負荷和電站的具體條件，合理地進(jìn)行調度，保持高水頭運行，同時(shí)合理選擇開(kāi)機臺數，使機組在高效率區運行，以獲得較好的經(jīng)濟效益。如何實(shí)現各電站合理最優(yōu)調度，避免不必要的棄水，充分利用好水力資源，對于梯級電站來(lái)說(shuō)尤為重要。此外，水電站通常是水力資源綜合利用的一部分，要兼顧電力系統、航運、灌溉、防洪等多項要求，經(jīng)濟運行條件復雜，單憑人工控制很難實(shí)現，實(shí)現自動(dòng)化以后，將有助于電站經(jīng)濟運行任務(wù)的實(shí)現。特別是對于具有調節能力的水電站，應用電子計算機不但可對水庫來(lái)水進(jìn)行預報計算，還可綜合水位、流量、系統負荷和各機組參數等參量，按經(jīng)濟運行程序進(jìn)行自動(dòng)控制，大大提高運行的經(jīng)濟性。
（3）保證電能質(zhì)量：我們知道，電壓和頻率作為衡量電能質(zhì)量好壞兩項基本指標。電壓正常偏移不超過(guò)額定值的±5%，頻率正常偏移不超過(guò)額定值的±0.2～0.5 HZ。電壓或頻率的的穩定主要取決于電力系統中無(wú)功功率和有功功率的平衡。因此要維持系統電壓和頻率在規定范圍內，就必須迅速而又準確地調節有關(guān)發(fā)電機組發(fā)出的有功和無(wú)功功率。特別是在發(fā)生事故的情況下，快速的調節或控制對迅速恢復電能質(zhì)量具有決定性的意義，而這個(gè)過(guò)程，單純靠手動(dòng)操作，無(wú)論在速度方面還是在精度方面都是難于實(shí)現的，只能借助于自動(dòng)裝置來(lái)完成�？梢�(jiàn)，提高水電站的自動(dòng)化水平，是保證電力系統電能質(zhì)量的重要措施之一。
（4）提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件：水電站大多地處偏僻山區，遠離城鎮，職工長(cháng)期生活在較差的環(huán)境之中。水電站實(shí)現自動(dòng)化后，很多工作都是由各種自動(dòng)裝置按一定的程序自動(dòng)完成，用計算機監控系統來(lái)代替人工操作及定時(shí)巡回檢查、記錄等繁雜勞動(dòng)，大大改善運行人員的工作和生活環(huán)境，減輕了勞動(dòng)強度，提高了運行管理水平。同時(shí)還可減少運行人員，實(shí)現無(wú)人值班（或少人值守），提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低運行費用和電能成本。
2.水電站自動(dòng)化的內容
水電站自動(dòng)化的內容，與水電站的規模及其在電力系統中的地位和重要性、水電站的型式和運行方式、電氣主接線(xiàn)和主要機電設備的型式和布置方式等有關(guān)�？偟膩�(lái)說(shuō)，水電站自動(dòng)化包括以下幾個(gè)方面：
（1）完成對水輪發(fā)電機組運行方式的自動(dòng)控制：一方面，實(shí)現開(kāi)停機和并列、發(fā)電轉調相和調相轉發(fā)電等的自動(dòng)化，使得上述各項操作按設定的程序自動(dòng)完成；另一方面，自動(dòng)維持水輪發(fā)電機組的經(jīng)濟運行，根據系統要求和電站的具體條件自動(dòng)選擇最佳運行機組數，在機組間實(shí)現負荷的經(jīng)濟分配，根據系統負荷變化自動(dòng)調節機組的有功和無(wú)功功率等。此外，在工作機組發(fā)生事故或電力系統頻率降低時(shí)，可自動(dòng)起動(dòng)并投入備用機組；系統頻率過(guò)高時(shí)，則可自動(dòng)切除部分機組。
（2）完成對水輪發(fā)電機組及其輔助設備運行工況的監視：如對發(fā)電機定子和轉子回路各電量的監視，對發(fā)動(dòng)機定子繞組和鐵芯以及各部軸承溫度的監視，對機組潤滑和冷卻系統工作的監視，對機組調速系統工作的監視等。出現不正常工作狀態(tài)或發(fā)生事故時(shí)，迅速而自動(dòng)地采取相應的保護措施，如發(fā)出信號或緊急停機。
（3）完成對輔助設備的自動(dòng)控制：包括對各種油泵、水泵和空壓機等的控制，并發(fā)生事故時(shí)自動(dòng)地投入備用的輔助設備。
（4）完成對主要電氣設備（如變壓器、母線(xiàn)及輸電線(xiàn)路等）的控制、監視和保護。
（5）完成對水工建筑物運行工況的控制和監視：如閘門(mén)工作狀態(tài)的控制和監視，攔污柵是否堵塞的監視，上下游水位的測量監視，引水壓力管的保護（指引水式電站）等。
（二）水電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，電子計算機在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應用，一種模塊化的基于現場(chǎng)總線(xiàn)的水電站計算機監控系統出現，逐步取代了傳統的以常規控制、人工操作為主的控制模式，大大提高水電站的自動(dòng)化程度，實(shí)現水電站“無(wú)人值班，少人值守”。
1.系統構成：采用了計算機、可編程序控制器（PLC）或智能I/0、微機繼電保護裝置和專(zhuān)用智能測控裝置，通過(guò)標準以太網(wǎng)、現場(chǎng)總線(xiàn)將主控機與各個(gè)現地控制站、智能裝置等有機連接在一起，構成了按功能分工協(xié)作的分層分布式綜合監控系統。
2.系統的主要特點(diǎn)：（1）開(kāi)放式體系結構，層次分明，具有良好的擴展性。（2）分層分布式系統，可以根據監控對象、功能進(jìn)行配置，具有很好的分散性、開(kāi)放性和靈活性。（3）采用冗余配置，具有很高的可靠性。（4）用中文Windows 操作系統和智能通信等先進(jìn)技術(shù)，便于系統升級。（5）靈活的組態(tài)界面，人機接口能力強，界面友善，易于掌握，方便設計、調試和現場(chǎng)運行。
3.系統主要功能：（1）對電站設備實(shí)現自動(dòng)監視與記錄：計算機監控系統自動(dòng)完成電站設備數據的采集、處理以及設備運行狀況的自動(dòng)監視與記錄，包括開(kāi)關(guān)量信息監視，模擬量信息監視，故障/事故報警、記錄與顯示，SOE 點(diǎn)記錄與顯示。（2）對電站實(shí)現自動(dòng)控制：根據上級調度要求和電站自身的具體情況，對電站設備進(jìn)行操作或調節，包括機組的自動(dòng)開(kāi)停和并列以及運行工況的自動(dòng)轉換、機組有功和無(wú)功負荷的自動(dòng)調節、自動(dòng)發(fā)電控制AGC、自動(dòng)電壓控制AVC、斷路器操作等。（3）對發(fā)電機、主變、線(xiàn)路等主要設備及輔助設備進(jìn)行保護與監控。（4）實(shí)現電站運行管理的自動(dòng)化：實(shí)現運行報表的自動(dòng)生成，運行操作的自動(dòng)記錄，電站設備參數或整定值的記錄與保存，所有報表均可自動(dòng)或召喚打印以及運行人員仿真培訓等。（5）系統通訊：實(shí)現與上級調度、水情測報系統、辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )等計算機系統之間通信，達到信息資源共享，充分發(fā)揮整個(gè)系統的綜合效益。
（三）水電站自動(dòng)化技術(shù)的應用
福建省漳州市詔安龍潭水利樞紐工程是福建省“十五”規劃重點(diǎn)建設項目，總投資1.16 億元，由我院進(jìn)行勘測設計,電站總裝機容量1.26 萬(wàn)kw，由兩臺6300kw 機組組成,水電站計算機監控系統采用長(cháng)沙華能自控集團有限公司生產(chǎn)的MTC-3S 型微機綜合自動(dòng)化系統。
1.系統構成：由1 號工作站、2 號工作站、1＃機組LCU、2＃機組LCU、公用LCU 同期屏、機組保護期屏、主變線(xiàn)路保護屏、故障濾波系統屏和GPS（衛星時(shí)鐘）等，通過(guò)標準以太網(wǎng)構成。系統圖如下：
2.系統主要配置：見(jiàn)系統圖。
3.系統通訊：采用國際標準TCP/IP 協(xié)議，通訊方式為競爭式，接口為RS485，接口標準IEEE802.3,傳輸介質(zhì)為網(wǎng)絡(luò )銅軸電纜/雙絞線(xiàn)，節點(diǎn)數大于等于255，數據傳輸速率為10/100Mbps，通訊接口及通道誤碼率小于10－6。
4.系統特點(diǎn)：系統集保護、遙控、遙測、遙信、遙調五大功能于一身，具有保護可靠、自動(dòng)化程度高、并網(wǎng)快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。
該工程建成投產(chǎn)后，緩解了福建省緊張的電力供應狀況，改善該縣城鄉居民人畜飲水條件，計算機監控系統在運行中完全能滿(mǎn)足水電站綜合自動(dòng)化要求，取得了較好的經(jīng)濟效益。
（四）結束語(yǔ)
總之，水電站采用綜合自動(dòng)化系統后不僅提高水電站運行的經(jīng)濟性和工作的可靠性、保證電能質(zhì)量；而且提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件和減少運行人員，從而提高電站運行的效益，例如利用計算機系統監控水庫來(lái)水和中長(cháng)期預報在內的優(yōu)化運行，曲線(xiàn)繪制及科學(xué)調度，多發(fā)峰電等，每年可增加發(fā)電量2%左右；同時(shí)采用計算機監控電站各種參量及運行工況后，及時(shí)發(fā)現并排除事故隱患，事故后能及時(shí)處理事故，避免事故擴大，盡快恢復供電使系統事故率下降，處理事故時(shí)間減少，如此每年增加發(fā)電量1%左右；另外采用計算機監控在減少人員的同時(shí)也減少了相應的生活辦公設備和工資支出，因而能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益�？梢�(jiàn)，水電站綜合自動(dòng)化系統與水電站的生產(chǎn)、效益密切相關(guān)，隨著(zhù)國家能源結構的調整，水資源開(kāi)發(fā)利用程度的加大，水電站綜合自動(dòng)化系統在越來(lái)越多的水利樞紐工程中得到更廣泛的應用，發(fā)揮更大的作用。
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