自动控制系统在中小型水电站中的应用分析

　　潘建东

　　国网西藏电力有限公司，西藏 拉萨 850000

　　摘要：文章对自动控制系统进行了分析，明确了自动控制系统的应用意义，通过自动控制系统的应用，可以提高控制精度、实现无人值守目标、保障作业安全。通过从多方面阐述中小型水电站自动控制系统的实践应用方法，总结了该系统在应用中存在的问题，并提出了相应的改进策略，旨在为水电站自动控制系统营造更为稳定的运行环境、保障系统安全运行、提高中小型水电站运行质量。

　　关键词：中小型水电站；自动控制系统；应用策略　

　　文献标识码：A　　中图分类号：TM921文章编号：2096-4137（2023）19-79-03　　DOI ：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2023.19.23近年来，我国新建了大量自动化水电站，由自动控制方式取代传统的手动控制方式，对提高水电站发电效率、保障运行安全、延长项目使用寿命有重要作用。因此，在中小型水电站中应积极发挥自动控制系统的作用，提高水电站运行管理的自动化水平，改善系统维护人员的工作条件和环境，使水电站有人值班真正实现“无人值班”。

　　1　中小型水电站项目自动控制系统的应用意义

　　1.1　提高控制精度

　　早期水电站项目主要采取手动控制方式，工作人员通过摄像头、传感器装置掌握水电站运行工况，定期巡查各台设备运行状况和周边水域环境，再根据已掌握信息开展控制操作。受人为因素影响，常发生延误控制、错误控制等问题，对水电站总体发电效率造成一定程度的影响，严重时还会引发设备故障，致使设备烧毁。以水位控制为例，在水位超出安全阀值后，如果工作人员没有在第一时间开闸放水，随着水位升高，水闸等水工建筑物容易出现开裂、渗漏、坍塌变形等质量通病。对自动控制系统的应用，系统可以实时感知现场环境状况，监测各台设备与构筑物使用状态，基于程序准则自动下达多项控制指令，从根源上杜绝错误操作问题。

　　1.2　实现无人值守目标

　　早期水电站项目推行有人值守模式，需配备多名工作人员长期驻留水电站现场，组织设备维护保养、故障维修、水位监测等工作，由此产生了高昂的运维管理成本。

　　同时，中小型水电站具有机组台数少、装机容量小的特征，远离城市区域，如果配备多名工作人员，还会压缩项目经济效益，少数中小型水电站长期处于亏损状态，水力发电效益无法覆盖设备成本、建造成本和管理成本。相比之下，通过搭建自动控制系统，虽然会在前期产生额外建造成本，但可以推动无人值守模式取代有人值守模式，系统使用成本远低于水电站项目在全寿命周期内的运维管理成本，从而降低项目管理成本。

　　1.3　保障作业安全

　　在水电站运行期间，受到设备老化、外部环境侵蚀等因素影响，偶尔出现电气火灾、水闸坍塌等安全事故，有可能造成人员伤亡。而在自动控制模式下，无需在站内长期驻留人员，仅需定期委派专人前往现场开展设备维修等少量工作。如此，当水电站出现各类型安全事故后，基本不会发生人员事故，这对实现安全生产目标有重要意义。

　　2　自动控制系统在中小型水电站项目中的实践应用策略

　　2.1　搭建系统架构

　　为切实满足水电站运维管理需要，工作人员把系统架构划分为若干层级，明确各层级功能定位。正常情况下，系统架构从下到上分为现场控制层、主控层和应用层。

　　（1）现场控制层。以感知现场环境、执行控制指令作为功能定位，由LCU 现场控制单元、多种类传感器和站内电气设备组成。负责持续采集整理现场监测信号，把信号发送给系统后台进行运算处理来掌握水电站总体运行工况、设备单体运行工况，并把主控层下达的控制指令传递给执行机构，执行阀门开度调节、机组启闭等各项指令。

　　（2）主控层。也被称为站级控制层，以监控调节水电站全站设备作为功能定位，由主计算机、工程师站、操作员站、通信管理级、局域网设备、定位时钟等部分组成。在水电站运行期间，主控层全面监测各台设备运行工况，工况无误时按照既定方案顺序下达各项控制指令，实际工况和预期产生偏差时，则根据偏差程度下达纠偏调控指令，形成明显偏差时还将自动修改既定控制方案内容。同时，发现设备故障与安全事故后，立即向管理人员发送报警信号。

　　（3）应用层。以实现远程控制作为功能定位，在系统操作界面上以数字地图、可视化图表形式展现水电站运行情况、控制情况。必要情况下，管理人员访问主界面功能栏，向站内设备远程下达控制指令。

　　2.2　选择控制方式

　　在中小型水电站项目，常用控制方式包括闭环控制、顺序控制、时钟控制、动态序列控制等，工作人员必须提前了解控制需求和设立自动控制目标，选择恰当控制方式，可以搭配应用多项控制技术，从而突破单一控制方式的局限性。

　　（1）闭环控制。适用于站内设备参数控制场景。根据项目情况，提前设定阀门开启度、电流电压值、温度值、转速等运行参数的标准值和运行偏差范围，LCU 单元持续对比各项参数的输入值、输入值，如果二者偏差程度超过允许范围，自动下达纠偏调控指令，确保站内设备始终保持平稳运行工况。

　　（2）顺序控制。工作人员按照水力发电工艺，将水电站运行过程拆解为若干工艺段，提前制定多套对应不同工艺段的控制方案。后续在水电站运行期间，自动控制系统按顺序依次执行各套方案，确定上套方案执行完毕、总体运行工况符合预期要求后，再执行下套方案，控制水电站顺序完成水力发电生产活动。

　　（3）时钟控制。适用于站内照明控制等场景，在系统内加装时钟控制器，设定照明灯具等设备的开启时间，后续到达规定时间后，时钟控制器自动向被控设备下达开启、闭合、功率调节等控制指令。

　　（4）动态序列控制。工作人员以小时为单位划分为单个时段，强调各时段具有紧密内在联系，将全部时段决策过程作为单个序列，序列控制也被称为策略控制。简单来讲，在水电站运行期间，以当前水位、引用流量作为决策依据，根据全部机组启停状态分配不同时段的经济负荷，以水电站出力最大或是耗水量最小作为最优决策准则。

　　2.3　实现控制功能

　　根据水电站项目投运使用情况来看，控制功能完善与否直接影响实际控制效果，功能种类越多，自动控制效果越显著。因此，工作人员必须在水电站自动控制系统内尽量设置更多数量的控制功能，具体包括机组启闭控制、定流量发电控制、定负荷发电控制、智能巡检等功能。

　　（1）机组启闭控制功能。提前在控制系统内编写开机程序和停机程序。其中，开机程序初始化后判断是否满足机组开机条件，确定无误后，依次完成高优先级和低优先级水轮发电机组的开机程序，顺序下达开启阀门、开机升速、合上灭磁开关、启动励键压、同期并网、调整同期参数、自动带负荷的控制指令，判断闸门无故障问题后迅速切换为闸门全开状态。停机程序分为正常停机、紧急停机、事故停机等多种情况，不同情境下的控制程序略有不同。以正常停机程序为例，顺序下达减少机组负荷、机组解列、灭磁、分闸灭磁开关的控制指令，逐步减少有功功率，确定机组卸除全部负荷后，再发出解列命令和灭磁命令，最后关闭冷却水系统与控制机组停机复归。如果在灭磁期间无法顺利下降励磁电压值，则额外下达减磁指令。

　　（2）定流量发电控制功能。提前在系统内建立定流量模型和给定下泄流量发电值，通过传感器持续监测不同时间的流量值与总用水量值，把监测数据导入模型，推算空间最优发电量或是时间最优发电量，再把模型输出结果转换为控制指令，远程发送给现场设备展开相应动作。

　　（3）定负荷发电控制功能。主要负荷曲线发电控制方式，提前由水电站操作人员或是调度部门绘制负荷曲线，以日负荷曲线为主，系统实时读取水电站当前功率设定值，以负荷曲线作为判断依据，最终向站内各台水电机组分配最佳经济功率，按照给定功率执行发电任务。

　　（4）智能巡检功能。站内配备单台或多台巡检机器人，机器人搭载数码相机、温度传感器等装置，在系统内预先设定巡查路线、巡视内容。随后，巡检机器人按照预定路线，定期在水电站内部巡视检查，拍摄视频资料和采集监测信号，从中提取特征值进行分析，判断是否存在设备超温、冒烟、外壳变形等异常情况，定期向管理人员发送巡检报告或报警信号。

　　2.4　故障自诊

　　水电站自动控制系统结构复杂，由传感器、现场控制单元、被控设备、通信装置等部分组成，任意装置出现运行故障都会对控制效果和水电站总体运行效率造成明显影响。因此，为提高自动控制系统的运行可靠性，工作人员需要额外在系统内增设故障自诊功能，分散布置大量自检信号，在系统后台建立故障数据库，库内收录各类型故障问题的样本案例，持续训练大量案例来掌握各类故障问题的客观发生规律。如此，在水电站自动控制系统运行期间，定期采集自检信号，根据信号处理结构来判断传感器、现场控制单元、被控设备是否出现运行故障，短时间内出具故障诊断报告，切除故障部分，并委派专人前往水电站现场开展设备应急维修工作，最终取得有效控制故障影响范围、减轻设备受损程度、水电站及早恢复正常工作状态的显著效果。

　　2.5　抗干扰改造

　　水电站内部环境较为复杂，站内密集分布多台电力设备，运行期间难免会形成电磁干扰源，对自动控制效果造成一定影响，偶尔出现现场监测信号丢失、控制指令传递不及时等问题。对此，工作人员需要对自动控制系统进行抗干扰改造，根据干扰源种类采取相应改造措施，具体包括抗电源干扰改造、抗变频器干扰改造、抗空间辐射干扰改造等。

　　（1）抗电源干扰改造。在水电站内分散布置控制系统电源与其他站内设备的通信线及输电线，保持安全间隔距离，选用具备隔离性能的电源，在电源线上额外布置屏蔽层，从而屏蔽外部环境对系统电源造成的影响。

　　（2）抗变频器干扰改造。以变频器输出端作为改造部位，可选择加装输出电抗器或过滤器装置，通过减少输出感应电流波降低干扰程度，经过处理后的感应电流值较小，基本不会对控制系统内传感器等精密电子部件造成实质性影响。

　　（3）抗空间辐射干扰改造。在控制系统内加装滤波器，通过滤波器阻隔空间辐射。

　　2.6　优化控制算法

　　随着水电站自动控制系统设备台数、使用功能与数据总量的增加，原有控制算法逐渐缺乏适用性，难以在短时间内完成复杂运算任务和输出最佳控制方案。对此，工作人员需要推动控制算法更新迭代，具体可采取遗传算法，以当前水位或引用流量作为初始种群，把设定多项约束条件与构建目标函数作为杂交变异手段，使用目标函数评价各次进化结果，最终获取趋于最优解的运算结果。此项算法具有解决多约束条件问题、具备并行计算条件、无需存储状态变量数据、目标函数无特殊要求的优势，但也存在约束条件不易处理、不确定找到最优解的局限性。

　　3　结语

　　综上所述，为加快我国水力发电事业发展步伐，从根源上解决中小型水电站项目在运维管理层面存在的困境难题，相关单位应提高对自动控制系统的重视度，结合水电站项目情况定制自动控制系统，重点掌握在系统架构搭建、控制方式选择、控制功能开发、控制算法优化等方面的实践应用要点，为水电站运行质量提供技术保障。

　　作者简介：潘建东（1991-），男，安徽安庆人，国网西藏电力有限公司工程师，研究方向：电力。

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　　（责任编辑：张志明）