自動控制系統(tǒng)在中小型水電站中的應(yīng)用

鄧紅 羅定市引水工程管理服務(wù)中心

水能如同太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿饶茉葱问揭粯訉儆诳稍偕茉?，利用水能發(fā)電對環(huán)境友好，有利于電力可持續(xù)發(fā)展[1]。在水力發(fā)電廠中，中小型水電站雖然在規(guī)模、實力上不如大型水電站，但也為我國電力發(fā)展做出了可觀的貢獻(xiàn)，例如小型水電站就貢獻(xiàn)了8%左右的發(fā)電量[2]。水力發(fā)電屬于連續(xù)生產(chǎn)形式，人工控制需要大量的人力資源，并且控制精度、穩(wěn)定性也難以適應(yīng)時代發(fā)展需要，自動控制技術(shù)的應(yīng)用不僅減少人員投入，而且能保障水電站穩(wěn)定運行，實現(xiàn)少人值守甚至無人值守[3]，這對于改善電能質(zhì)量、降低運行與維護成本也發(fā)揮著重要作用，因此本文對自動控制系統(tǒng)在中小型水電站中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

1.水電站自動控制系統(tǒng)概述

1.1 自動控制

自動控制是指利用自動化裝置控制設(shè)備，使其自動地按照預(yù)定程序運行。與人工控制相比，自動控制不需要人的直接參與就能自主運行。自動控制將人從復(fù)雜、單調(diào)、危險的工作中解放出來，可以降低人工成本，提高生產(chǎn)效率，而且自動控制穩(wěn)定了生產(chǎn)流程，質(zhì)量更穩(wěn)定。

1.2 水電站中的自動控制系統(tǒng)

按照控制層級來看，水電站中的自動控制系統(tǒng)由低至高分為功能單元層級、機組層級和電站層級，而在電站層級之上還有電網(wǎng)層級（調(diào)度層級），由于電網(wǎng)層級超出了水電站管理范疇，本文不作討論。功能單元層級主要是水電站附屬設(shè)備，例如發(fā)電機組頻率調(diào)控系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、閘門控制系統(tǒng)等。機組層級即水輪發(fā)電機組控制層級，控制機組啟停、頻率、電壓、有功、無功等。電站層級對整個水電站進(jìn)行監(jiān)控，一般設(shè)在中央控制室內(nèi)。

1.3 自動控制方式

自動控制系統(tǒng)的控制方式分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制，前者只控制輸入信號，不對輸出信號進(jìn)行回應(yīng)。對于很少干擾、運行過程穩(wěn)定的系統(tǒng)，較為簡單的開環(huán)控制尚足以應(yīng)付，但水電生產(chǎn)并不容易完全滿足開環(huán)控制條件，這時候必須采用閉環(huán)控制。所謂閉環(huán)控制就是將系統(tǒng)輸出信號或經(jīng)過變換的輸出信號與輸入信號都進(jìn)入系統(tǒng)中，通過反饋影響輸出信號。閉環(huán)控制可以根據(jù)輸出信號的變化適應(yīng)外部環(huán)境，減少控制誤差，但系統(tǒng)也因此變得復(fù)雜一些。

2.自動控制系統(tǒng)在中小型水電站中的應(yīng)用

2.1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)

水電站自動控制經(jīng)歷了常規(guī)自動控制、集成電路控制階段，現(xiàn)在普遍采用計算機控制系統(tǒng)，由于水電站設(shè)備的監(jiān)視、測量、控制和保護均由計算機系統(tǒng)完成，故稱計算機監(jiān)控系統(tǒng)。在水電站中，計算機監(jiān)控系統(tǒng)承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、運行監(jiān)視、控制與調(diào)節(jié)、自動發(fā)電控制、自動電壓控制、故障診斷、統(tǒng)計記錄、制表打印、授權(quán)管理等多種功能。計算機監(jiān)控系統(tǒng)由硬件與軟件兩部分構(gòu)成，雖然硬件是計算機監(jiān)控系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒有硬件不能成為系統(tǒng)，但系統(tǒng)離開軟件也不能工作，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、安全地運行非常依賴軟件質(zhì)量。如前所述，自動控制系統(tǒng)從控制層級上可以分為電站層級、機組層級和功能單元層級，但計算機監(jiān)控系統(tǒng)也常分為電站控制層（主控層）、現(xiàn)地控制層兩個主要層級，也有將保護層單列的做法，所以以下主要分析電站控制層和現(xiàn)地控制層的功能、特點及相關(guān)技術(shù)情況。

2.1.1 電站控制層

電站控制層是水電站內(nèi)的最高層級，一般設(shè)在中央控制室，用于對全站設(shè)備及生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，同時也要向電網(wǎng)監(jiān)控層傳輸數(shù)據(jù)，并接受電網(wǎng)監(jiān)控層的調(diào)度安排。該層的主要設(shè)備包括監(jiān)控計算機（主計算機）、操作員工作站、工程師工作站、通訊服務(wù)器（通信管理機）、語音報警工作站、局域網(wǎng)設(shè)備、全球定位時鐘系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)打印機、不間斷電源裝置（UPS裝置）、運行人員主控臺等。監(jiān)控計算機用于監(jiān)控全站生產(chǎn)過程，并可與電網(wǎng)監(jiān)控層進(jìn)行交流，一般設(shè)置雙機互為熱備用。操作員工作站用于生產(chǎn)中的操作、監(jiān)視、管理，而工程師工作站側(cè)重維護、診斷、培訓(xùn)等。操作員工作站通常也采用互為熱備用的雙機，工程師工作站一般設(shè)置一套。通訊服務(wù)器主要用于電站控制層與電網(wǎng)監(jiān)控層之間數(shù)據(jù)通信，也用作站內(nèi)各計算機通信及連接網(wǎng)絡(luò)打印機。語音報警工作站用于傳遞報警信號。局域網(wǎng)設(shè)備由光收發(fā)機、光耦合器、以太網(wǎng)交換機、通信光纜、雙絞線等設(shè)備組成，用于電站控制層到現(xiàn)地控制層的通訊。全球定位時鐘系統(tǒng)通過全球定位系統(tǒng)校準(zhǔn)時間，以滿足各類事件順序記錄要求。網(wǎng)絡(luò)打印機采用高分辨率、高速打印的激光打印機。UPS裝置確保意外斷電情況下的系統(tǒng)供電，能在交流電消失后連續(xù)供電1.5h?？傊娬究刂茖涌商峁?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、安全監(jiān)視、事件報警、運行監(jiān)視、操作指導(dǎo)、系統(tǒng)異常監(jiān)視、事件順序記錄、圖形顯示、控制操作、打印記錄、自動發(fā)電控制（AGC）、自動電壓控制（AVC）、人機交互、系統(tǒng)通信、語音報警等功能。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包括電氣量和非電氣量、數(shù)字量與模擬量。監(jiān)視狀態(tài)變化、異常狀態(tài)、運行過程等。根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析機組運行趨勢，預(yù)測故障發(fā)生，并對已進(jìn)入故障范圍的情況進(jìn)行報警。對操作過程進(jìn)行監(jiān)視，指導(dǎo)一次設(shè)備倒閘操作，防止誤操作。對系統(tǒng)進(jìn)行在線診斷，發(fā)出故障報警信號，系統(tǒng)遇到故障后自動恢復(fù)，掉電時啟動保護功能。AGC通過控制有功可確保水電生產(chǎn)安全、經(jīng)濟。AVC通過分配無功確保電能質(zhì)量，同時滿足安全、經(jīng)濟運行的要求。

2.1.2 現(xiàn)地控制層

現(xiàn)地控制層位于設(shè)備附近或旁邊，直接對設(shè)備進(jìn)行控制，屬于自動控制系統(tǒng)的底層，但卻屬于整個系統(tǒng)的核心，其設(shè)備稱為現(xiàn)地控制單元（LCU），在LCU柜上設(shè)有觸控屏，可用來監(jiān)視現(xiàn)地參數(shù)，還可以調(diào)整參數(shù)作為現(xiàn)場控制臺。在LCU上還有與筆記本電腦等設(shè)備連接的接口，方便調(diào)試和維護。不過一些小型水電站出于降低成本、節(jié)省資金的考慮，不采用現(xiàn)地觸控屏，而是以可編程控制器（PLC）的液晶屏和控制按鍵實現(xiàn)觸控屏功能[4]。根據(jù)控制的設(shè)備，現(xiàn)地控制層中有機組LCU、公用LCU。機組LCU控制水輪發(fā)電機組及其輔助設(shè)備，公用LCU控制主變、開關(guān)站等公用設(shè)備。LCU監(jiān)控設(shè)備并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到電站控制層，同時接受電站控制層的指令，但脫離電站控制層后LCU仍能獨立工作。LCU功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制與調(diào)節(jié)、報警、數(shù)據(jù)通信、自診斷等功能。LCU可采集模擬量、開關(guān)量、電度量、綜合量。機組LCU設(shè)有眾多接口，能與微機保護、勵磁、同期、調(diào)速器、進(jìn)水蝶閥、溫度監(jiān)測裝置等通訊。傳統(tǒng)自動化控制系統(tǒng)中保護、勵磁、同期、調(diào)速等獨立設(shè)置，相互之間通過硬接線交換控制信號，并通過冗余配置保證可靠性，考慮到各分系統(tǒng)之間存在相互耦合關(guān)系，所以后來將保護、勵磁、同期、調(diào)速等集成在一起，這套裝置稱為綜合控制器或綜合自動化系統(tǒng)，通過它能控制開停機順序、開停機操作與監(jiān)控、事故停機、緊急停機，還能控制輔助設(shè)備、斷路器分合閘、有功/無功調(diào)節(jié)、自動準(zhǔn)同期、進(jìn)水閘門，以及水力機械的保護等多種功能。公用LCU能控制斷路器分合閘、同期并列、隔離開關(guān)分合與操作閉鎖、音響報警、廠用電斷路器分合閘、公用設(shè)備啟停、設(shè)備自診斷等。

2.2 自動控制系統(tǒng)的控制方法

2.2.1 機組開機控制

水輪發(fā)電機組開機可采用手動控制方式，但有了自動控制系統(tǒng)后開機的整套操作可以全部由系統(tǒng)自動完成，操作人員只需按下開機按鈕或下達(dá)開機指令，系統(tǒng)就會根據(jù)各機組實際情況自動安排開機，例如剛開機失敗的機組不能馬上再開機，而選擇停機較久的機組開機。一般開機順序是：下達(dá)開機指令→打開閘門→開機升速→合上滅磁開關(guān)→啟勵建壓→同期并網(wǎng)→調(diào)整同期參數(shù)→自動帶負(fù)荷。下達(dá)開機指令后，系統(tǒng)自動檢查是否滿足開機條件。滿足開機條件，先啟動優(yōu)先級高的機組。系統(tǒng)收到開機指令并且確定了開機的機組，在檢查其閘門狀態(tài)符合開機要求，即閘門無故障且未開啟，則發(fā)出打開閘門命令，至閘門全開為止。閘門全開后，系統(tǒng)再次檢查是否滿足開機條件，例如水輪機有無故障等。開機后，系統(tǒng)再發(fā)出升速命令。當(dāng)系統(tǒng)檢測到升速已完成后，隨即檢查滅磁開關(guān)狀態(tài)，如果滅磁開關(guān)處于分閘位置，系統(tǒng)就會輸出合閘命令，否則跳過這一步，執(zhí)行下一步操作。合上滅磁開關(guān)后，系統(tǒng)輸出啟勵建壓命令，在檢測到機端電壓符合要求（啟勵成功）后釋放。完成啟勵建壓以后，系統(tǒng)可以自動地進(jìn)行同期并網(wǎng)。并網(wǎng)操作開始后，檢查同期參數(shù)，若參數(shù)不符合要求，則自動調(diào)整參數(shù)，檢測電壓差和頻率差已滿足并網(wǎng)要求，就在同期點合閘并網(wǎng)。同期并網(wǎng)后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的規(guī)則自動帶負(fù)荷。

2.2.2 機組停機控制

停機是開機的逆操作，但停機分為正常停機、事故停機、緊急停機。正常停機順序是：減負(fù)荷、解列→滅磁→滅磁開關(guān)分閘→停機。下達(dá)停機指令后，檢查是否滿足停機條件。如果條件滿足，系統(tǒng)逐步減少有功，當(dāng)已卸下所有負(fù)荷，系統(tǒng)發(fā)出解列命令。完成解列，系統(tǒng)輸出滅磁命令，如果勵磁電壓不下降，則執(zhí)行減磁命令。完成滅磁后，滅磁開關(guān)分閘。分開滅磁開關(guān)后，繼續(xù)按設(shè)定程序停機，包括減速、關(guān)閉冷卻水、投入制動、停機復(fù)歸等。當(dāng)發(fā)生事故后，系統(tǒng)按事故停機程序停機。如果事故停機時發(fā)生銷剪斷或發(fā)電機轉(zhuǎn)速過高，系統(tǒng)按緊急停機操作。事故停機時必須立即解列、滅磁、停機，而不像正常停機那樣逐步減負(fù)荷，以保證停機時不損壞設(shè)備。緊急停機時，在事故停機基礎(chǔ)上還要關(guān)上閘門。

2.2.3 機組順序控制

水輪發(fā)電機組運行期間可能出現(xiàn)的狀態(tài)包括發(fā)電、停機、空轉(zhuǎn)、空載、不定幾種情況，這些狀態(tài)可以變換，反映機組生命期中的狀態(tài)關(guān)系。自動控制系統(tǒng)要準(zhǔn)確判斷機組所處狀態(tài)，再控制機組順序。例如機組正常開機就要滿足開機條件，包括正處于機組停機狀態(tài)，機端斷路器已分閘、沒有啟動復(fù)歸保護、沒有事故信號等，所以順序控制是自動控制中非常重要的環(huán)節(jié)。以開機升速過程的順序控制為例，系統(tǒng)接到開機升速命令，要檢查并判斷是否滿足開機條件，滿足則開閘。待閘門全開，再開機升速。升速成功，再合滅磁開關(guān)。每一步都有合理的順序要求，順序出錯可能會產(chǎn)生嚴(yán)重后果，導(dǎo)致故障甚至損壞設(shè)備。

2.2.4 機組輔機設(shè)備的控制

水電站水輪發(fā)電機組輔機設(shè)備由油壓裝置、供水泵、漏油泵、濾水器、機組蝶閥等組成，現(xiàn)以油壓裝置為例分析機組輔機設(shè)備的自動控制。輔機設(shè)備的自動控制由輔機LCU完成，LCU通過PLC完成控制。油壓裝置中有2臺油泵，互為備用，它產(chǎn)生的高壓油為機組啟動、停機、調(diào)整負(fù)荷提供操作力。油壓傳感器采集油壓信號，油壓裝置要求保持油壓穩(wěn)定并且不超過設(shè)定范圍。當(dāng)油壓過低或過高時發(fā)出報警信號，并且發(fā)出事故動作。1臺油泵發(fā)生故障，自動切換為備用油泵。油位過低時也發(fā)出報警信號，切換油位正常的另一臺油泵。

2.2.5 公用輔機設(shè)備的控制

水電站中的公用輔機包括空氣壓縮機、排水泵、通風(fēng)設(shè)備和壩上閘門等，現(xiàn)以閘門控制為例介紹公用輔機的控制。閘門作為水電站發(fā)電機組后備保護設(shè)備，要求啟動迅速、動作可靠，并與電站控制層有良好的通訊能力。閘門控制LCU由PLC控制器、傳感器和閘門動力執(zhí)行設(shè)備組成。傳感器用于采集閘門啟閉、開度大小、上下游水位、閘門啟閉設(shè)備狀態(tài)等參數(shù)，傳感器類型有水位傳感器、閘門開度儀、電量傳感器等。PLC控制器用于對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、儲存和執(zhí)行電站控制層的指令。閘門控制功能包括閘門正常啟閉、緊急關(guān)閉、閘門下滑重新提升、閘前攔污柵清污、緊急抱閘剎車等。而LCU還要對閘門卡滯、飛車、粘連、下滑、越限、阻塞等發(fā)出報警和做出緊急處理。閘門水位控制采用模糊控制方式，因為水位的控制涉及上下游水位差和閘門開度的關(guān)系，采用傳統(tǒng)PLC控制方式精確控制較為困難，模糊控制較易解決此類問題。閘門控制過程如下：系統(tǒng)上電后初始化，讀取閘門開度數(shù)據(jù)，檢查是否有提、落閘門命令。有提門命令，驅(qū)動啟閉機提門，提門后檢查閘門開度是否達(dá)到預(yù)期值，達(dá)到則停門返回，落門方式同理。在現(xiàn)地控制層通過現(xiàn)場總線建立通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)地控制層與電站控制層通過工業(yè)以太網(wǎng)通信，實現(xiàn)上位機與閘門LCU之間的信息交換和指令傳輸。

3.結(jié)語

隨著國家對電網(wǎng)供電質(zhì)量要求的提高，自動化技術(shù)在水電站中得到迅速推廣，不僅提高了水電生產(chǎn)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性，而且顯著改善了生產(chǎn)環(huán)境，提升了工作效率，減少了運行維護人員數(shù)量，所以電氣人員應(yīng)熟練掌握自動控制系統(tǒng)原理及相關(guān)技術(shù)，為在中小型水電站良好應(yīng)用提供有力支撐。