水電站自動化技術及其應用的研究
General 更新 2024年05月15日
【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。
【關鍵詞】可編程式控制器（PLC）；智慧I/0 ；綜合監控系統；SOE 點；自動發電控制AGC；自動電壓控制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，技術可開發量為3.78 億kW，年發電量19200億kW.h，佔世界總量的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後。如何逐漸加大開發力度，利用好豐富的水能資源，對於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，按預定的計劃或程式自動地進行。水電站自動化程度是水電站現代化水平的重要標誌，同時，自動化技術又是水電站安全經濟執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：水電站實現自動化後，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,又可使發生事故的裝置免遭更嚴重的損壞，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（如開停機操作和並列），不僅可以大大減少執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，保證系統的安全執行和對使用者的正常供電，具有非常重大的意義。
（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於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範圍內，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於實現的，只能藉助於自動裝置來完成。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。水電站實現自動化後，很多工作都是由各種自動裝置按一定的程式自動完成，用計算機監控系統來代替人工操作及定時巡迴檢查、記錄等繁雜勞動，大大改善執行人員的工作和生活環境，減輕了勞動強度，提高了執行管理水平。同時還可減少執行人員，實現無人值班（或少人值守），提高勞動生產率，降低執行費用和電能成本。
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、水電站的型式和執行方式、電氣主接線和主要機電裝置的型式和佈置方式等有關。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執行方式的自動控制：一方面，實現開停機和並列、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式自動完成；另一方面，自動維持水輪發電機組的經濟執行，根據系統要求和電站的具體條件自動選擇最佳執行機組數，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，可自動起動並投入備用機組；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裝置執行工況的監視：如對發電機定子和轉子迴路各電量的監視，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，迅速而自動地採取相應的保護措施，如發出訊號或緊急停機。
（3）完成對輔助裝置的自動控制：包括對各種油泵、水泵和空壓機等的控制，併發生事故時自動地投入備用的輔助裝置。
（4）完成對主要電氣裝置（如變壓器、母線及輸電線路等）的控制、監視和保護。
（5）完成對水工建築物執行工況的控制和監視：如閘門工作狀態的控制和監視，攔汙柵是否堵塞的監視，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，一種模組化的基於現場匯流排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：採用了計算機、可編程式控制器（PLC）或智慧I/0、微機繼電保護裝置和專用智慧測控裝置，通過標準乙太網、現場匯流排將主控機與各個現地控制站、智慧裝置等有機連線在一起，構成了按功能分工協作的分層分散式綜合監控系統。
2.系統的主要特點：（1）開放式體系結構，層次分明，具有良好的擴充套件性。（2）分層分散式系統，可以根據監控物件、功能進行配置，具有很好的分散性、開放性和靈活性。（3）採用冗餘配置，具有很高的可靠性。（4）用中文Windows 作業系統和智慧通訊等先進技術，便於系統升級。（5）靈活的組態介面，人機介面能力強，介面友善，易於掌握，方便設計、除錯和現場執行。
3.系統主要功能：（1）對電站裝置實現自動監視與記錄：計算機監控系統自動完成電站裝置資料的採集、處理以及裝置執行狀況的自動監視與記錄，包括開關量資訊監視，模擬量資訊監視，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：根據上級排程要求和電站自身的具體情況，對電站裝置進行操作或調節，包括機組的自動開停和並列以及執行工況的自動轉換、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、線路等主要裝置及輔助裝置進行保護與監控。（4）實現電站執行管理的自動化：實現執行報表的自動生成，執行操作的自動記錄，電站裝置引數或整定值的記錄與儲存，所有報表均可自動或召喚列印以及執行人員模擬培訓等。（5）系統通訊：實現與上級排程、水情測報系統、辦公自動化網路等計算機系統之間通訊，達到資訊資源共享，充分發揮整個系統的綜合效益。
（三）水電站自動化技術的應用
福建省漳州市詔安龍潭水利樞紐工程是福建省“十五”規劃重點建設專案，總投資1.16 億元，由我院進行勘測設計,電站總裝機容量1.26 萬kw，由兩臺6300kw 機組組成,水電站計算機監控系統採用長沙華能自控集團有限公司生產的MTC-3S 型微機綜合自動化系統。
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、主變線路保護屏、故障濾波系統屏和GPS（衛星時鐘）等，通過標準乙太網構成。系統圖如下：
2.系統主要配置：見系統圖。
3.系統通訊：採用國際標準TCP/IP 協議，通訊方式為競爭式，介面為RS485，介面標準IEEE802.3,傳輸介質為網路銅軸電纜/雙絞線，節點數大於等於255，資料傳輸速率為10/100Mbps，通訊介面及通道誤位元速率小於10－6。
4.系統特點：系統集保護、遙控、遙測、遙信、遙調五大功能於一身，具有保護可靠、自動化程度高、併網快、精度高等優點。
該工程建成投產後，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，計算機監控系統在執行中完全能滿足水電站綜合自動化要求，取得了較好的經濟效益。
（四）結束語
總之，水電站採用綜合自動化系統後不僅提高水電站執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執行人員，從而提高電站執行的效益，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執行，曲線繪製及科學排程，多發峰電等，每年可增加發電量2%左右；同時採用計算機監控電站各種參量及執行工況後，及時發現並排除事故隱患，事故後能及時處理事故，避免事故擴大，儘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；另外採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裝置和工資支出，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。
排程自動化系統在優化電網排程中的應用
研究配電自動化新技術及發展趨勢
【關鍵詞】可編程式控制器（PLC）；智慧I/0 ；綜合監控系統；SOE 點；自動發電控制AGC；自動電壓控制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，技術可開發量為3.78 億kW，年發電量19200億kW.h，佔世界總量的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後。如何逐漸加大開發力度，利用好豐富的水能資源，對於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，按預定的計劃或程式自動地進行。水電站自動化程度是水電站現代化水平的重要標誌，同時，自動化技術又是水電站安全經濟執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：水電站實現自動化後，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,又可使發生事故的裝置免遭更嚴重的損壞，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（如開停機操作和並列），不僅可以大大減少執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，保證系統的安全執行和對使用者的正常供電，具有非常重大的意義。
（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於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範圍內，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於實現的，只能藉助於自動裝置來完成。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。水電站實現自動化後，很多工作都是由各種自動裝置按一定的程式自動完成，用計算機監控系統來代替人工操作及定時巡迴檢查、記錄等繁雜勞動，大大改善執行人員的工作和生活環境，減輕了勞動強度，提高了執行管理水平。同時還可減少執行人員，實現無人值班（或少人值守），提高勞動生產率，降低執行費用和電能成本。
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、水電站的型式和執行方式、電氣主接線和主要機電裝置的型式和佈置方式等有關。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執行方式的自動控制：一方面，實現開停機和並列、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式自動完成；另一方面，自動維持水輪發電機組的經濟執行，根據系統要求和電站的具體條件自動選擇最佳執行機組數，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，可自動起動並投入備用機組；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裝置執行工況的監視：如對發電機定子和轉子迴路各電量的監視，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，迅速而自動地採取相應的保護措施，如發出訊號或緊急停機。
（3）完成對輔助裝置的自動控制：包括對各種油泵、水泵和空壓機等的控制，併發生事故時自動地投入備用的輔助裝置。
（4）完成對主要電氣裝置（如變壓器、母線及輸電線路等）的控制、監視和保護。
（5）完成對水工建築物執行工況的控制和監視：如閘門工作狀態的控制和監視，攔汙柵是否堵塞的監視，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，一種模組化的基於現場匯流排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：採用了計算機、可編程式控制器（PLC）或智慧I/0、微機繼電保護裝置和專用智慧測控裝置，通過標準乙太網、現場匯流排將主控機與各個現地控制站、智慧裝置等有機連線在一起，構成了按功能分工協作的分層分散式綜合監控系統。
2.系統的主要特點：（1）開放式體系結構，層次分明，具有良好的擴充套件性。（2）分層分散式系統，可以根據監控物件、功能進行配置，具有很好的分散性、開放性和靈活性。（3）採用冗餘配置，具有很高的可靠性。（4）用中文Windows 作業系統和智慧通訊等先進技術，便於系統升級。（5）靈活的組態介面，人機介面能力強，介面友善，易於掌握，方便設計、除錯和現場執行。
3.系統主要功能：（1）對電站裝置實現自動監視與記錄：計算機監控系統自動完成電站裝置資料的採集、處理以及裝置執行狀況的自動監視與記錄，包括開關量資訊監視，模擬量資訊監視，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：根據上級排程要求和電站自身的具體情況，對電站裝置進行操作或調節，包括機組的自動開停和並列以及執行工況的自動轉換、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、線路等主要裝置及輔助裝置進行保護與監控。（4）實現電站執行管理的自動化：實現執行報表的自動生成，執行操作的自動記錄，電站裝置引數或整定值的記錄與儲存，所有報表均可自動或召喚列印以及執行人員模擬培訓等。（5）系統通訊：實現與上級排程、水情測報系統、辦公自動化網路等計算機系統之間通訊，達到資訊資源共享，充分發揮整個系統的綜合效益。
（三）水電站自動化技術的應用
福建省漳州市詔安龍潭水利樞紐工程是福建省“十五”規劃重點建設專案，總投資1.16 億元，由我院進行勘測設計,電站總裝機容量1.26 萬kw，由兩臺6300kw 機組組成,水電站計算機監控系統採用長沙華能自控集團有限公司生產的MTC-3S 型微機綜合自動化系統。
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、主變線路保護屏、故障濾波系統屏和GPS（衛星時鐘）等，通過標準乙太網構成。系統圖如下：
2.系統主要配置：見系統圖。
3.系統通訊：採用國際標準TCP/IP 協議，通訊方式為競爭式，介面為RS485，介面標準IEEE802.3,傳輸介質為網路銅軸電纜/雙絞線，節點數大於等於255，資料傳輸速率為10/100Mbps，通訊介面及通道誤位元速率小於10－6。
4.系統特點：系統集保護、遙控、遙測、遙信、遙調五大功能於一身，具有保護可靠、自動化程度高、併網快、精度高等優點。
該工程建成投產後，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，計算機監控系統在執行中完全能滿足水電站綜合自動化要求，取得了較好的經濟效益。
（四）結束語
總之，水電站採用綜合自動化系統後不僅提高水電站執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執行人員，從而提高電站執行的效益，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執行，曲線繪製及科學排程，多發峰電等，每年可增加發電量2%左右；同時採用計算機監控電站各種參量及執行工況後，及時發現並排除事故隱患，事故後能及時處理事故，避免事故擴大，儘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；另外採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裝置和工資支出，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。
研究配電自動化新技術及發展趨勢