潘建東

　　國網(wǎng)西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850000

　　摘要：文章對自動控制系統(tǒng)進行了分析，明確了自動控制系統(tǒng)的應用意義，通過自動控制系統(tǒng)的應用，可以提高控制精度、實現(xiàn)無人值守目標、保障作業(yè)安全。通過從多方面闡述中小型水電站自動控制系統(tǒng)的實踐應用方法，總結了該系統(tǒng)在應用中存在的問題，并提出了相應的改進策略，旨在為水電站自動控制系統(tǒng)營造更為穩(wěn)定的運行環(huán)境、保障系統(tǒng)安全運行、提高中小型水電站運行質量。

　　關鍵詞：中小型水電站；自動控制系統(tǒng)；應用策略　

　　文獻標識碼：A　　中圖分類號：TM921文章編號：2096-4137（2023）19-79-03　　DOI ：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2023.19.23近年來，我國新建了大量自動化水電站，由自動控制方式取代傳統(tǒng)的手動控制方式，對提高水電站發(fā)電效率、保障運行安全、延長項目使用壽命有重要作用。因此，在中小型水電站中應積極發(fā)揮自動控制系統(tǒng)的作用，提高水電站運行管理的自動化水平，改善系統(tǒng)維護人員的工作條件和環(huán)境，使水電站有人值班真正實現(xiàn)“無人值班”。

　　1　中小型水電站項目自動控制系統(tǒng)的應用意義

　　1.1　提高控制精度

　　早期水電站項目主要采取手動控制方式，工作人員通過攝像頭、傳感器裝置掌握水電站運行工況，定期巡查各臺設備運行狀況和周邊水域環(huán)境，再根據(jù)已掌握信息開展控制操作。受人為因素影響，常發(fā)生延誤控制、錯誤控制等問題，對水電站總體發(fā)電效率造成一定程度的影響，嚴重時還會引發(fā)設備故障，致使設備燒毀。以水位控制為例，在水位超出安全閥值后，如果工作人員沒有在第一時間開閘放水，隨著水位升高，水閘等水工建筑物容易出現(xiàn)開裂、滲漏、坍塌變形等質量通病。對自動控制系統(tǒng)的應用，系統(tǒng)可以實時感知現(xiàn)場環(huán)境狀況，監(jiān)測各臺設備與構筑物使用狀態(tài)，基于程序準則自動下達多項控制指令，從根源上杜絕錯誤操作問題。

　　1.2　實現(xiàn)無人值守目標

　　早期水電站項目推行有人值守模式，需配備多名工作人員長期駐留水電站現(xiàn)場，組織設備維護保養(yǎng)、故障維修、水位監(jiān)測等工作，由此產(chǎn)生了高昂的運維管理成本。

　　同時，中小型水電站具有機組臺數(shù)少、裝機容量小的特征，遠離城市區(qū)域，如果配備多名工作人員，還會壓縮項目經(jīng)濟效益，少數(shù)中小型水電站長期處于虧損狀態(tài)，水力發(fā)電效益無法覆蓋設備成本、建造成本和管理成本。相比之下，通過搭建自動控制系統(tǒng)，雖然會在前期產(chǎn)生額外建造成本，但可以推動無人值守模式取代有人值守模式，系統(tǒng)使用成本遠低于水電站項目在全壽命周期內的運維管理成本，從而降低項目管理成本。

　　1.3　保障作業(yè)安全

　　在水電站運行期間，受到設備老化、外部環(huán)境侵蝕等因素影響，偶爾出現(xiàn)電氣火災、水閘坍塌等安全事故，有可能造成人員傷亡。而在自動控制模式下，無需在站內長期駐留人員，僅需定期委派專人前往現(xiàn)場開展設備維修等少量工作。如此，當水電站出現(xiàn)各類型安全事故后，基本不會發(fā)生人員事故，這對實現(xiàn)安全生產(chǎn)目標有重要意義。

　　2　自動控制系統(tǒng)在中小型水電站項目中的實踐應用策略

　　2.1　搭建系統(tǒng)架構

　　為切實滿足水電站運維管理需要，工作人員把系統(tǒng)架構劃分為若干層級，明確各層級功能定位。正常情況下，系統(tǒng)架構從下到上分為現(xiàn)場控制層、主控層和應用層。

　?。?）現(xiàn)場控制層。以感知現(xiàn)場環(huán)境、執(zhí)行控制指令作為功能定位，由LCU 現(xiàn)場控制單元、多種類傳感器和站內電氣設備組成。負責持續(xù)采集整理現(xiàn)場監(jiān)測信號，把信號發(fā)送給系統(tǒng)后臺進行運算處理來掌握水電站總體運行工況、設備單體運行工況，并把主控層下達的控制指令傳遞給執(zhí)行機構，執(zhí)行閥門開度調節(jié)、機組啟閉等各項指令。

　　（2）主控層。也被稱為站級控制層，以監(jiān)控調節(jié)水電站全站設備作為功能定位，由主計算機、工程師站、操作員站、通信管理級、局域網(wǎng)設備、定位時鐘等部分組成。在水電站運行期間，主控層全面監(jiān)測各臺設備運行工況，工況無誤時按照既定方案順序下達各項控制指令，實際工況和預期產(chǎn)生偏差時，則根據(jù)偏差程度下達糾偏調控指令，形成明顯偏差時還將自動修改既定控制方案內容。同時，發(fā)現(xiàn)設備故障與安全事故后，立即向管理人員發(fā)送報警信號。

　　（3）應用層。以實現(xiàn)遠程控制作為功能定位，在系統(tǒng)操作界面上以數(shù)字地圖、可視化圖表形式展現(xiàn)水電站運行情況、控制情況。必要情況下，管理人員訪問主界面功能欄，向站內設備遠程下達控制指令。

　　2.2　選擇控制方式

　　在中小型水電站項目，常用控制方式包括閉環(huán)控制、順序控制、時鐘控制、動態(tài)序列控制等，工作人員必須提前了解控制需求和設立自動控制目標，選擇恰當控制方式，可以搭配應用多項控制技術，從而突破單一控制方式的局限性。

　　（1）閉環(huán)控制。適用于站內設備參數(shù)控制場景。根據(jù)項目情況，提前設定閥門開啟度、電流電壓值、溫度值、轉速等運行參數(shù)的標準值和運行偏差范圍，LCU 單元持續(xù)對比各項參數(shù)的輸入值、輸入值，如果二者偏差程度超過允許范圍，自動下達糾偏調控指令，確保站內設備始終保持平穩(wěn)運行工況。

　?。?）順序控制。工作人員按照水力發(fā)電工藝，將水電站運行過程拆解為若干工藝段，提前制定多套對應不同工藝段的控制方案。后續(xù)在水電站運行期間，自動控制系統(tǒng)按順序依次執(zhí)行各套方案，確定上套方案執(zhí)行完畢、總體運行工況符合預期要求后，再執(zhí)行下套方案，控制水電站順序完成水力發(fā)電生產(chǎn)活動。

　?。?）時鐘控制。適用于站內照明控制等場景，在系統(tǒng)內加裝時鐘控制器，設定照明燈具等設備的開啟時間，后續(xù)到達規(guī)定時間后，時鐘控制器自動向被控設備下達開啟、閉合、功率調節(jié)等控制指令。

　?。?）動態(tài)序列控制。工作人員以小時為單位劃分為單個時段，強調各時段具有緊密內在聯(lián)系，將全部時段決策過程作為單個序列，序列控制也被稱為策略控制。簡單來講，在水電站運行期間，以當前水位、引用流量作為決策依據(jù)，根據(jù)全部機組啟停狀態(tài)分配不同時段的經(jīng)濟負荷，以水電站出力最大或是耗水量最小作為最優(yōu)決策準則。

　　2.3　實現(xiàn)控制功能

　　根據(jù)水電站項目投運使用情況來看，控制功能完善與否直接影響實際控制效果，功能種類越多，自動控制效果越顯著。因此，工作人員必須在水電站自動控制系統(tǒng)內盡量設置更多數(shù)量的控制功能，具體包括機組啟閉控制、定流量發(fā)電控制、定負荷發(fā)電控制、智能巡檢等功能。

　　（1）機組啟閉控制功能。提前在控制系統(tǒng)內編寫開機程序和停機程序。其中，開機程序初始化后判斷是否滿足機組開機條件，確定無誤后，依次完成高優(yōu)先級和低優(yōu)先級水輪發(fā)電機組的開機程序，順序下達開啟閥門、開機升速、合上滅磁開關、啟動勵鍵壓、同期并網(wǎng)、調整同期參數(shù)、自動帶負荷的控制指令，判斷閘門無故障問題后迅速切換為閘門全開狀態(tài)。停機程序分為正常停機、緊急停機、事故停機等多種情況，不同情境下的控制程序略有不同。以正常停機程序為例，順序下達減少機組負荷、機組解列、滅磁、分閘滅磁開關的控制指令，逐步減少有功功率，確定機組卸除全部負荷后，再發(fā)出解列命令和滅磁命令，最后關閉冷卻水系統(tǒng)與控制機組停機復歸。如果在滅磁期間無法順利下降勵磁電壓值，則額外下達減磁指令。

　　（2）定流量發(fā)電控制功能。提前在系統(tǒng)內建立定流量模型和給定下泄流量發(fā)電值，通過傳感器持續(xù)監(jiān)測不同時間的流量值與總用水量值，把監(jiān)測數(shù)據(jù)導入模型，推算空間最優(yōu)發(fā)電量或是時間最優(yōu)發(fā)電量，再把模型輸出結果轉換為控制指令，遠程發(fā)送給現(xiàn)場設備展開相應動作。

　?。?）定負荷發(fā)電控制功能。主要負荷曲線發(fā)電控制方式，提前由水電站操作人員或是調度部門繪制負荷曲線，以日負荷曲線為主，系統(tǒng)實時讀取水電站當前功率設定值，以負荷曲線作為判斷依據(jù)，最終向站內各臺水電機組分配最佳經(jīng)濟功率，按照給定功率執(zhí)行發(fā)電任務。

　?。?）智能巡檢功能。站內配備單臺或多臺巡檢機器人，機器人搭載數(shù)碼相機、溫度傳感器等裝置，在系統(tǒng)內預先設定巡查路線、巡視內容。隨后，巡檢機器人按照預定路線，定期在水電站內部巡視檢查，拍攝視頻資料和采集監(jiān)測信號，從中提取特征值進行分析，判斷是否存在設備超溫、冒煙、外殼變形等異常情況，定期向管理人員發(fā)送巡檢報告或報警信號。

　　2.4　故障自診

　　水電站自動控制系統(tǒng)結構復雜，由傳感器、現(xiàn)場控制單元、被控設備、通信裝置等部分組成，任意裝置出現(xiàn)運行故障都會對控制效果和水電站總體運行效率造成明顯影響。因此，為提高自動控制系統(tǒng)的運行可靠性，工作人員需要額外在系統(tǒng)內增設故障自診功能，分散布置大量自檢信號，在系統(tǒng)后臺建立故障數(shù)據(jù)庫，庫內收錄各類型故障問題的樣本案例，持續(xù)訓練大量案例來掌握各類故障問題的客觀發(fā)生規(guī)律。如此，在水電站自動控制系統(tǒng)運行期間，定期采集自檢信號，根據(jù)信號處理結構來判斷傳感器、現(xiàn)場控制單元、被控設備是否出現(xiàn)運行故障，短時間內出具故障診斷報告，切除故障部分，并委派專人前往水電站現(xiàn)場開展設備應急維修工作，最終取得有效控制故障影響范圍、減輕設備受損程度、水電站及早恢復正常工作狀態(tài)的顯著效果。

　　2.5　抗干擾改造

　　水電站內部環(huán)境較為復雜，站內密集分布多臺電力設備，運行期間難免會形成電磁干擾源，對自動控制效果造成一定影響，偶爾出現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測信號丟失、控制指令傳遞不及時等問題。對此，工作人員需要對自動控制系統(tǒng)進行抗干擾改造，根據(jù)干擾源種類采取相應改造措施，具體包括抗電源干擾改造、抗變頻器干擾改造、抗空間輻射干擾改造等。

　?。?）抗電源干擾改造。在水電站內分散布置控制系統(tǒng)電源與其他站內設備的通信線及輸電線，保持安全間隔距離，選用具備隔離性能的電源，在電源線上額外布置屏蔽層，從而屏蔽外部環(huán)境對系統(tǒng)電源造成的影響。

　?。?）抗變頻器干擾改造。以變頻器輸出端作為改造部位，可選擇加裝輸出電抗器或過濾器裝置，通過減少輸出感應電流波降低干擾程度，經(jīng)過處理后的感應電流值較小，基本不會對控制系統(tǒng)內傳感器等精密電子部件造成實質性影響。

　?。?）抗空間輻射干擾改造。在控制系統(tǒng)內加裝濾波器，通過濾波器阻隔空間輻射。

　　2.6　優(yōu)化控制算法

　　隨著水電站自動控制系統(tǒng)設備臺數(shù)、使用功能與數(shù)據(jù)總量的增加，原有控制算法逐漸缺乏適用性，難以在短時間內完成復雜運算任務和輸出最佳控制方案。對此，工作人員需要推動控制算法更新迭代，具體可采取遺傳算法，以當前水位或引用流量作為初始種群，把設定多項約束條件與構建目標函數(shù)作為雜交變異手段，使用目標函數(shù)評價各次進化結果，最終獲取趨于最優(yōu)解的運算結果。此項算法具有解決多約束條件問題、具備并行計算條件、無需存儲狀態(tài)變量數(shù)據(jù)、目標函數(shù)無特殊要求的優(yōu)勢，但也存在約束條件不易處理、不確定找到最優(yōu)解的局限性。

　　3　結語

　　綜上所述，為加快我國水力發(fā)電事業(yè)發(fā)展步伐，從根源上解決中小型水電站項目在運維管理層面存在的困境難題，相關單位應提高對自動控制系統(tǒng)的重視度，結合水電站項目情況定制自動控制系統(tǒng)，重點掌握在系統(tǒng)架構搭建、控制方式選擇、控制功能開發(fā)、控制算法優(yōu)化等方面的實踐應用要點，為水電站運行質量提供技術保障。

　　作者簡介：潘建東（1991-），男，安徽安慶人，國網(wǎng)西藏電力有限公司工程師，研究方向：電力。

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