馬愿軍

（甘肅電投大容電力有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030）

水電站作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分，與采用化石燃料為主的火力發(fā)電站相比有較大的優(yōu)勢(shì)，既滿足了國(guó)家倡導(dǎo)的節(jié)能環(huán)保要求，同時(shí)能夠滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的訴求，因此成為當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成和電力行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)之一。但目前部分水電站工作存在一定問(wèn)題，如水電站工作效率受水流影響較大，當(dāng)遇到大型降雨時(shí)，會(huì)造成水電站的工作運(yùn)行不穩(wěn)定，造成一定的安全事故隱患，因此，將PLC（ProgrammableLogicController）自動(dòng)控制裝置運(yùn)用至水電站中，可達(dá)到對(duì)水電站工作控制作用，不僅大大提高了工作效率，同時(shí)達(dá)到了預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的目的，明顯減少了事故隱患，對(duì)電力行業(yè)的穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)展發(fā)揮著重要作用?；诖?，本文著重研究了PLC在水電站中的具體應(yīng)用。

1 水電站的自動(dòng)化技術(shù)需求

當(dāng)前多數(shù)水電站主要以以太網(wǎng)、繼電保護(hù)的PLC程序來(lái)保障自身平穩(wěn)運(yùn)行，為不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)運(yùn)行提供穩(wěn)定保護(hù)，可減少外界環(huán)境對(duì)水電站工作的影響，其水電站數(shù)字化技術(shù)組成如圖1所示。

為提高水電站的工作效率，降低工作風(fēng)險(xiǎn)，自動(dòng)裝置的應(yīng)用已成為發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)采用以計(jì)算機(jī)為主體，加入可編程、大數(shù)據(jù)、數(shù)字化等現(xiàn)代技術(shù)的PLC自動(dòng)裝置，可滿足水電站以下幾方面的需求：

（1）保障高質(zhì)量電能供應(yīng)需求。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的今天，各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)﹄娔艿囊蟛粌H體現(xiàn)在巨大的使用需要上，同時(shí)，對(duì)電能的質(zhì)量提出了更高的要求。評(píng)判電能質(zhì)量的指標(biāo)主要體現(xiàn)在頻率和電壓上，頻率主要由系統(tǒng)的有功功率平衡來(lái)決定，電壓主要由系統(tǒng)的無(wú)功功率平衡決定。然而，僅通過(guò)人為操作很難將具有不確定性的電荷達(dá)到人們對(duì)電能質(zhì)量的要求，而通過(guò)自動(dòng)化系統(tǒng)則可以準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)有功及無(wú)功功率的輸出，從而達(dá)到頻率和電壓穩(wěn)定性的要求。

（2）保障水電站工作的安全性。在水電站設(shè)備中應(yīng)用自動(dòng)裝置，能夠保障精準(zhǔn)、高效和穩(wěn)定的工作效率，滿足數(shù)據(jù)分析和事故預(yù)警的實(shí)時(shí)監(jiān)控要。具體來(lái)說(shuō)，一方面，能減少事故隱患的出現(xiàn)和擴(kuò)大（自動(dòng)控制系統(tǒng)控制開關(guān)并發(fā)出報(bào)警）；另一方面，也可保障水電站的安全生產(chǎn)保持正常運(yùn)行（自動(dòng)啟用備用設(shè)備），從而減少由于停產(chǎn)所帶來(lái)的損失。同時(shí)，采用自控裝置系統(tǒng)應(yīng)用于水電站中，可顯著降低由于人為不當(dāng)操作所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，大大減少了事故隱患的發(fā)生。

圖1 水電站數(shù)字化技術(shù)組成

（3）保障水電站設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在水電站工作時(shí)，一種理想狀態(tài)是水輪機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間處于滿負(fù)荷工作，達(dá)到最高效的產(chǎn)能，但在實(shí)際工作中，由于水流大小、設(shè)備故障等多方面原因使得要達(dá)到這一穩(wěn)定狀態(tài)相對(duì)困難。通過(guò)對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的利用，該系統(tǒng)能夠有效地結(jié)合當(dāng)前水流情況，準(zhǔn)確地計(jì)算出水電站機(jī)組設(shè)備最佳運(yùn)行參數(shù)，即使最少的水量可產(chǎn)出的最大電能。

（4）提升電能輸出的可靠性。在全國(guó)經(jīng)濟(jì)快速、穩(wěn)步發(fā)展的要求下，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)于用電量處于逐年遞增的趨勢(shì)，其也對(duì)我國(guó)水電站的電能的可靠輸出提出了更高要求。如果水電站輸電能力和穩(wěn)定性處于較差狀態(tài)，會(huì)嚴(yán)重影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)發(fā)展和穩(wěn)定運(yùn)行。將先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)用于水電站中，能夠大大提升發(fā)電量，保障對(duì)城市用電的穩(wěn)定供應(yīng)，避免造成大面積停產(chǎn)停電的事故。

（5）提升自然資源支配的合理性。由于我國(guó)長(zhǎng)期處于水資源匱乏的情況，人均占有量在全球各個(gè)國(guó)家中處于較低的狀態(tài)。因此，在水電站運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)用先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，能夠保證現(xiàn)有水資源的最大合理利用率，且電能可得到更科學(xué)、合理的分配，同時(shí)，能夠達(dá)到對(duì)周圍的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)期有效的保護(hù)。

（6）提升水電站工作效率。通過(guò)電氣自動(dòng)化可顯著減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員數(shù)量的需求，同時(shí)，降低現(xiàn)場(chǎng)工作人員的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 PLC自動(dòng)裝置在水電站中的應(yīng)用

2.1 順序控制

隨著水電站發(fā)電機(jī)組容量的不斷增大，系統(tǒng)變得越來(lái)越錯(cuò)綜復(fù)雜，因此對(duì)自動(dòng)裝置也提出了更高的要求。在水電站中，主要包括發(fā)電機(jī)組的各項(xiàng)運(yùn)行狀況的轉(zhuǎn)化、調(diào)整和對(duì)公用設(shè)備的自動(dòng)化控制，每項(xiàng)控制順序均按照生產(chǎn)流程要求及生產(chǎn)設(shè)備的特點(diǎn)來(lái)設(shè)定。

傳統(tǒng)水電站通過(guò)繼電器控制屏可達(dá)到順序控制的目的。其設(shè)備線路繁多、占地較大、工作效率低，維護(hù)成本較高，維修相對(duì)困難，尤其是可靠性和安全性較差，相比計(jì)算機(jī)的計(jì)算和存儲(chǔ)功能，易發(fā)生誤操作。因此，傳統(tǒng)的繼電器控制屏逐漸被PLC取代，很大程度上提升了水電站的綜合自動(dòng)化能力，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）PLC是采用微計(jì)算機(jī)技術(shù)的大型集成電路，代替布線邏輯控制電路，具有能耗低、成本低、重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)；（2）PLC自動(dòng)控制裝置接口簡(jiǎn)單、線路工作量小，在工作環(huán)境較差的情況下仍能夠保障正常工作，且不易發(fā)生故障、運(yùn)行較為穩(wěn)定、維護(hù)方便； （3）PLC采用掃描式工作方式，運(yùn)行速度快；（4）水電站的順序控制系統(tǒng)流程相對(duì)復(fù)雜，采取常規(guī)繼電器硬接線控制方式往往會(huì)造成維護(hù)困難、故障不易查找和系統(tǒng)較為龐大等問(wèn)題。通過(guò)將PLC應(yīng)用于水電站后，不僅可提高水電站設(shè)備靠性高，而且易于對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行修改。

2.2 生產(chǎn)控制

在遵循安全性、可靠性、合理性等基本原則的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編制程序時(shí)，首先，我們應(yīng)該根據(jù)整個(gè)生產(chǎn)控制過(guò)程的需要將程序劃分為多個(gè)塊。其次，要合理使用指令，嚴(yán)格注意信號(hào)名稱的定義，并正確編寫程序。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的總體調(diào)試，對(duì)程序不當(dāng)之處進(jìn)行相應(yīng)的修改。只有在運(yùn)行了一定時(shí)間后，才能將其投入實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)工作。分塊結(jié)構(gòu)程序是根據(jù)項(xiàng)目特征將控制項(xiàng)目分為幾個(gè)簡(jiǎn)單和小型的控制任務(wù)，可以將這些控制任務(wù)分配給子程序，在子程序中編譯控制程序的特定任務(wù)后，最后，由主程序調(diào)用整個(gè)控制程序。

2.3 監(jiān)控控制

在水電站中，發(fā)電機(jī)組附近需配備一定的主要輔助設(shè)備，這些設(shè)備的運(yùn)行狀況也成為影響水電站穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。自動(dòng)化裝置技術(shù)可應(yīng)用于水電站的監(jiān)控運(yùn)行中，其過(guò)程如下：通過(guò)“監(jiān)視設(shè)備-控制設(shè)備-控制節(jié)點(diǎn)”將輔助設(shè)備的參數(shù)傳輸至計(jì)算機(jī)，將數(shù)據(jù)庫(kù)與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以判斷輔助設(shè)備的健康狀況并控制輔助設(shè)備的運(yùn)行狀況。

2.4 保護(hù)控制

水電站的保護(hù)控制系統(tǒng)具有有功調(diào)節(jié)和無(wú)功調(diào)節(jié)的作用，PLC技術(shù)憑借自身出色的邏輯功能，在保護(hù)控制過(guò)程中具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，能夠取代傳統(tǒng)的繼電器控制，其主要輔助設(shè)備保護(hù)控制的內(nèi)容如下：（1）檢查定子和轉(zhuǎn)子回路工作情況；（2）檢查定子繞組的鐵心溫度；（3）檢查機(jī)組的潤(rùn)滑度、變速系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)；（4）上述問(wèn)題任何一部分出現(xiàn)問(wèn)題，自動(dòng)化裝置都會(huì)立即啟動(dòng)應(yīng)急程序和保護(hù)措施，同時(shí)，將故障信息進(jìn)行警示。

對(duì)主要電氣設(shè)備保護(hù)控制的內(nèi)容如下：（1）對(duì)于電機(jī)組不會(huì)馬上造成影響的異常情況（如機(jī)組冷卻水源中斷、溫度超限、油槽油面異常等)，僅僅對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行警示，提高工作人員的防范意識(shí)和應(yīng)對(duì)意識(shí)。（2）對(duì)于超過(guò)保護(hù)限定值的事故隱患（如機(jī)組超速和調(diào)速器故障、導(dǎo)水葉剪斷、銅管破裂等），自動(dòng)化裝置會(huì)立即斷開斷路器，同時(shí)，關(guān)閉進(jìn)水閘門。

3 結(jié)語(yǔ)

從長(zhǎng)期發(fā)展來(lái)看，PLC自動(dòng)化裝置在水電站工作中的應(yīng)用具有廣闊的應(yīng)用前景，一方面，大大提高了水電站的工作效率，同時(shí)保障了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的安全性，減少了人為誤操作帶來(lái)的事故隱患；另一方面，大大提高了國(guó)內(nèi)水資源的合理利用，同時(shí)提高了供電的穩(wěn)定性和輸電質(zhì)量，因此，是我國(guó)電力行業(yè)發(fā)展的重要方向之一。