水電站自動化技術及其應用的研究

摘要：文章從我國水資源概況入手，詳細闡述水電站自動化的作用、內容，進一步探討水電站自動化技術的發展方向，水電站綜合監控系統的構成、特點和功能及其在水資源開發利用過程中，水利樞紐工程建設中的應用。
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，技術可開發量為3.78 億kW，年發電量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kW，開發率僅為19.8%。與其它發達國家相比，我國水能資源開發利用水平還很低，水電站自動化程度還很落后。如何逐漸加大開發力度，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展戰略的實施，具有十分重大的意義。
（一）水電站自動化概述：
1.水電站自動化的作用：
水電站自動化就是要使水電站生產過程的操作、控制和監視，能夠在無人（或少人）直接參與的情況下，按預定的計劃或程序自動地進行。水電站自動化程度是水電站現代化水平的重要標志，同時，自動化技術又是水電站安全經濟運行必不可少的技術手段。水電站自動化的作用主要表現在以下幾個方面：
（1）提高工作的可靠性：水電站實現自動化后，一方面可通過各種自動裝置快速、準確、及時地進行檢測、記錄和報警，既可防止不正常工作狀態發展成事故,又可使發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，通過各種自動裝置來完成水電站的各項操作和控制（如開停機操作和并列），不僅可以大大減少運行人員誤操作的可能，從而也減少了發生事故的機會；而且還可大大加快操作或控制的過程，尤其在發生事故的緊急情況下，保證系統的安全運行和對用戶的正常供電，具有非常重大的意義。
（2）提高運行的經濟性：水電站實現自動化后，可根據系統分配給電站的負荷和電站的具體條件，合理地進行調度，保持高水頭運行，同時合理選擇開機臺數，使機組在高效率區運行，以獲得較好的經濟效益。如何實現各電站合理最優調度，避免不必要的棄水，充分利用好水力資源，對于梯級電站來說尤為重要。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，經濟運行條件復雜，單憑人工控制很難實現，實現自動化以后，將有助于電站經濟運行任務的實現。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水進行預報計算，還可綜合水位、流量、系統負荷和各機組參數等參量，按經濟運行程序進行自動控制，大大提高運行的經濟性。
（3）保證電能質量：我們知道，電壓和頻率作為衡量電能質量好壞兩項基本指標。電壓正常偏移不超過額定值的±5%，頻率正常偏移不超過額定值的±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發電機組發出的有功和無功功率。特別是在發生事故的情況下，快速的調節或控制對迅速恢復電能質量具有決定性的意義，而這個過程，單純靠手動操作，無論在速度方面還是在精度方面都是難于實現的，只能借助于自動裝置來完成。可見，提高水電站的自動化水平，是保證電力系統電能質量的重要措施之一。
（4）提高勞動生產率、改善勞動條件：水電站大多地處偏僻山區，遠離城鎮，職工長期生活在較差的環境之中。水電站實現自動化后，很多工作都是由各種自動裝置按一定的程序自動完成，用計算機監控系統來代替人工操作及定時巡回檢查、記錄等繁雜勞動，大大改善運行人員的工作和生活環境，減輕了勞動強度，提高了運行管理水平。同時還可減少運行人員，實現無人值班（或少人值守），提高勞動生產率，降低運行費用和電能成本。
2.水電站自動化的內容：
水電站自動化的內容，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、電氣主接線和主要機電設備的型式和布置方式等有關。總的來說，水電站自動化包括以下幾個方面：
（1）完成對水輪發電機組運行方式的自動控制：一方面，實現開停機和并列、發電轉調相和調相轉發電等的自動化，使得上述各項操作按設定的程序自動完成；另一方面，自動維持水輪發電機組的經濟運行，根據系統要求和電站的具體條件自動選擇最佳運行機組數，在機組間實現負荷的經濟分配，根據系統負荷變化自動調節機組的有功和無功功率等。此外，在工作機組發生事故或電力系統頻率降低時，可自動起動并投入備用機組；系統頻率過高時，則可自動切除部分機組。
（2）完成對水輪發電機組及其輔助設備運行工況的監視：如對發電機定子和轉子回路各電量的監視，對發動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或發生事故時，迅速而自動地采取相應的保護措施，如發出信號或緊急停機。
（3）完成對輔助設備的自動控制：包括對各種油泵、水泵和空壓機等的控制，并發生事故時自動地投入備用的輔助設備。
（4）完成對主要電氣設備（如變壓器、母線及輸電線路等）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：如閘門工作狀態的控制和監視，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）水電站自動化技術的發展：
隨著科學技術的高速發展，電子計算機在各個領域得到廣泛應用，一種模塊化的基于現場總線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化程度，實現水電站“無人值班，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用智能測控裝置，通過標準以太網、現場總線將主控機與各個現地控制站、智能裝置等有機連接在一起，構成了按功能分工協作的分層分布式綜合監控系統。
2.系統的主要特點：（1）開放式體系結構，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、功能進行配置，具有很好的分散性、開放性和靈活性。（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技術，便于系統升級。（5）靈活的組態界面，人機接口能力強，界面友善，易于掌握，方便設計、調試和現場運行。
3.系統主要功能：（1）對電站設備實現自動監視與記錄：計算機監控系統自動完成電站設備數據的采集、處理以及設備運行狀況的自動監視與記錄，包括開關量信息監視，模擬量信息監視，故障/事故報警、記錄與顯示，SOE 點記錄與顯示。（2）對電站實現自動控制：根據上級調度要求和電站自身的具體情況，對電站設備進行操作或調節，包括機組的自動開停和并列以及運行工況的自動轉換、機組有功和無功負荷的自動調節、自動發電控制AGC、自動電壓控制AVC、斷路器操作等。（3）對發電機、主變、線路等主要設備及輔助設備進行保護與監控。（4）實現電站運行管理的自動化：實現運行報表的自動生成，運行操作的自動記錄，電站設備參數或整定值的記錄與保存，所有報表均可自動或召喚打印以及運行人員仿真培訓等。（5）系統通訊：實現與上級調度、水情測報系統、辦公自動化網絡等計算機系統之間通信，達到信息資源共享，充分發揮整個系統的綜合效益。
總之，水電站采用綜合自動化系統后不僅提高水電站運行的經濟性和工作的可靠性、保證電能質量；而且提高勞動生產率、改善勞動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水和中長期預報在內的優化運行，曲線繪制及科學調度，多發峰電等，每年可增加發電量2%左右；同時采用計算機監控電站各種參量及運行工況后，及時發現并排除事故隱患，事故后能及時處理事故，避免事故擴大，盡快恢復供電使系統事故率下降，處理事故時間減少，如此每年增加發電量1%左右；另外采用計算機監控在減少人員的同時也減少了相應的生活辦公設備和工資支出，因而能產生巨大的經濟效益。可見，水電站綜合自動化系統與水電站的生產、效益密切相關，隨著國家能源結構的調整，水資源開發利用程度的加大，水電站綜合自動化系統在越來越多的水利樞紐工程中得到更廣泛的應用，發揮更大的作用。

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