小水電自動控制器智能化研究

摘要：針對現(xiàn)有小水電自動控制水平低，二次回路接線復(fù)雜等問題，對其開、停機(jī)流程進(jìn)行功能分析，并對自動發(fā)電控制、繼電保護(hù)、同期并網(wǎng)、運(yùn)行數(shù)據(jù)采集等功能進(jìn)行集成化研究，提出了一套小水電自動控制器開發(fā)方案，可滿足小水電智能化、集成化的要求。經(jīng)工程驗(yàn)證，該控制器能滿足無人值守需求，并提高發(fā)電效率，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：小水電;自動控制;智能化;集成化

0? ? 引言

我國小水電資源極其豐富，但大多分布在邊遠(yuǎn)山區(qū)，大部分地區(qū)的水電站仍需要靠操作人員人工運(yùn)行。隨著小水電技術(shù)發(fā)展，部分小水電站開始進(jìn)行自動化改造[1]，但改造水平普遍偏低，不能適應(yīng)電網(wǎng)保護(hù)、安全自動裝置的配合要求。水電屏柜里的過流保護(hù)裝置、過電壓保護(hù)裝置、同期裝置、儀表等都是單獨(dú)配置，小水電自動化控制器集成化水平低。文獻(xiàn)[2]分析了小水電實(shí)現(xiàn)自動控制的技術(shù)措施，通過二次系統(tǒng)技術(shù)與繼電器的配合實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)保護(hù)等方面的功能和發(fā)電機(jī)運(yùn)行的支持。文獻(xiàn)[3]介紹了集測控、自動準(zhǔn)同期、交流量采集與測速、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、水輪機(jī)調(diào)速、微機(jī)繼電保護(hù)、公用與輔助設(shè)備控制等功能于一體，以智能化的系統(tǒng)軟件為核心的小水電綜合自動化裝置。因此，對小水電自動控制器智能化、集成化進(jìn)行研究，能進(jìn)一步提高小水電站自動化運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

1? ? 小水電自動控制器功能設(shè)計(jì)

小水電自動控制器的自動控制功能，簡化了手動操作流程，提高了控制精確度，可根據(jù)水位變化自動開停機(jī)或者通過指令快速開停機(jī)。自動開機(jī)通過開啟調(diào)速器逐步加水出力增加頻率，滿足頻率條件后啟動勵(lì)磁將電壓調(diào)整至目標(biāo)值，起勵(lì)成功后繼續(xù)加調(diào)速器出力，當(dāng)頻率、電壓達(dá)到同期并網(wǎng)允許范圍時(shí)，啟動并網(wǎng)。具體開機(jī)流程邏輯如圖1所示。小水電自動控制器能根據(jù)頻率與電壓的數(shù)值判斷控制調(diào)速器的加減出力，從而完成自動并網(wǎng)發(fā)電的操作。若判斷到異常情況，則結(jié)束開機(jī)流程。

關(guān)機(jī)功能通過自動控制器對設(shè)定水位的判斷或者人工指令操作。自動控制器發(fā)送指令控制調(diào)速器分段關(guān)水，減少發(fā)電機(jī)輸出，待滿足條件時(shí)斷開并網(wǎng)開關(guān)。離網(wǎng)成功后繼續(xù)調(diào)節(jié)調(diào)速器關(guān)水至關(guān)閉，然后發(fā)出指令使勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行滅磁。

小水電自動控制器還具備勵(lì)磁、調(diào)速、功率控制、保護(hù)、監(jiān)控等一體化功能。典型應(yīng)用保護(hù)功能配置如圖2所示。

2? ? 小水電自動控制器集成化設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，我國小水電自動化改造使用的控制器集成化水平較低，單個(gè)水電控制屏柜往往需要配置多個(gè)設(shè)備以滿足自動化發(fā)電需求。通過對小水電控制器的集成化設(shè)計(jì)，小水電自動控制器與小水電一次設(shè)備邏輯圖如圖3所示。通過邏輯處理單元對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，與各小水電一次設(shè)備（水輪發(fā)電機(jī)、調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)等）配合，實(shí)現(xiàn)智能解列、自動并網(wǎng)、電壓控制、調(diào)頻、自動開停機(jī)等功能，滿足無人/少人值守條件且高度集成化。

（1）自動同期功能：當(dāng)裝置自動開機(jī)時(shí)，首先判斷機(jī)端電壓、頻率是否允許并網(wǎng)，當(dāng)允許并網(wǎng)后，根據(jù)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓及系統(tǒng)側(cè)電壓，判別是否符合同期要求，符合同期要求則立即合閘并網(wǎng)。檢同期方式：在等待允許同期的時(shí)間內(nèi)，自動控制器進(jìn)行同期條件的判斷，若滿足同期條件，則允許合閘。

（2）遙測功能：對水電機(jī)組設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、控制。其中，遙測量包括發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓UA、UB、UC、UAB、UBC、UCA，機(jī)端電流Ia、Ib、Ic，電網(wǎng)電壓Ux，傳輸功率、功率因數(shù)P、Q、cos φ及發(fā)電機(jī)機(jī)端頻率F，電網(wǎng)頻率Fx共14個(gè)遙測模擬量。所有模擬量實(shí)時(shí)計(jì)算，電流、電壓精度達(dá)到0.2級，其余精度達(dá)到0.5級。

（3）狀態(tài)采集：自動控制裝置通過交流插件引入交流模擬量，包括保護(hù)和測量共用的母線電壓（Ua、Ub、Uc）、同期電壓（Ux）保護(hù)和測量共用的三相電流（Ia、Ib、Ic）。外部交流信號輸入經(jīng)電壓、電流變換器隔離變換和低通濾波后至A/D轉(zhuǎn)換器，由CPU控制定時(shí)采樣獲得等間隔采樣序列，并采用離散傅里葉變換等算法進(jìn)行數(shù)字信號處理。

自動控制裝置通過電源的開入插件、操作回路等引入開入量，包括遙信開入、硬壓板、位置狀態(tài)等。外部開入信號經(jīng)光電隔離變換和硬件濾波，將強(qiáng)電的通斷信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的“0” “1”電平，由CPU進(jìn)行定時(shí)采樣和防抖處理。當(dāng)開入量發(fā)生改變時(shí)，裝置進(jìn)行記錄并打上時(shí)間，形成事件記錄。

優(yōu)化后的屏柜與傳統(tǒng)屏柜的對比如圖4所示。普遍小水電站自動化改造的屏柜（左），同期裝置、勵(lì)磁裝置、保護(hù)裝置、自動控制器、儀表均單獨(dú)分布，通過各個(gè)配件間的配合實(shí)現(xiàn)小水電自動化控制及保護(hù)功能[4]。小水電自動控制器所配置的屏柜（右），小水電自動控制器集成了采集網(wǎng)電、機(jī)電的相關(guān)數(shù)值，同期功能、保護(hù)功能、自動發(fā)電功能等一體化平臺。這些功能構(gòu)成了一個(gè)邏輯縝密的系統(tǒng)，用以控制機(jī)組的并網(wǎng)、狀態(tài)的檢測和機(jī)組輸出功率的計(jì)算，并且在機(jī)組出現(xiàn)異常可以及時(shí)反饋等。

3? ? 結(jié)語

本文對小水電自動控制器優(yōu)化進(jìn)行了研究。通過對小水電自動控制器實(shí)施自動發(fā)電控制、繼電保護(hù)、同期并網(wǎng)等功能的集成化改造，使小水電站配置更加簡潔，簡化了組裝時(shí)復(fù)雜的接線，降低了配件運(yùn)維的成本。目前該控制器已成功開發(fā)，并在廣東省韶關(guān)市山區(qū)的數(shù)個(gè)小水電站正常投運(yùn)。智能化小水電自動控制器在功能設(shè)計(jì)上滿足了水電站自動投運(yùn)的需求，達(dá)到了無人值守的條件，提高了電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性和供電可靠性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 趙建倉.小水電綜合自動化系統(tǒng)的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2004.

[2] 陳惠中.農(nóng)村小水電實(shí)現(xiàn)自動控制的技術(shù)措施[J].發(fā)電設(shè)備，2002（6）：7-10.

[3] 小水電綜合自動化系統(tǒng)[J].中國農(nóng)村水利水電，2019（7）：196.

[4] 李玉龍.小型水電站一體化控制裝置研究與應(yīng)用[D].長沙：湖南大學(xué)，2012.

收稿日期：2020-08-10

作者簡介：劉配配（1986—），女，河南許昌人，工程師，主要從事繼電保護(hù)工作。