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自動(dòng)控制系統(tǒng)在中小型水電站中的應(yīng)用分析

  • 來(lái)源:中國(guó)高新科技
  • 關(guān)鍵字:中小型水電站,自動(dòng)控制系統(tǒng),應(yīng)用策略
  • 發(fā)布時(shí)間:2024-03-22 16:00

  潘建東

  國(guó)網(wǎng)西藏電力有限公司,西藏 拉薩 850000

  摘要:文章對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析,明確了自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用意義,通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用,可以提高控制精度、實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守目標(biāo)、保障作業(yè)安全。通過(guò)從多方面闡述中小型水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用方法,總結(jié)了該系統(tǒng)在應(yīng)用中存在的問(wèn)題,并提出了相應(yīng)的改進(jìn)策略,旨在為水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)營(yíng)造更為穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境、保障系統(tǒng)安全運(yùn)行、提高中小型水電站運(yùn)行質(zhì)量。

  關(guān)鍵詞:中小型水電站;自動(dòng)控制系統(tǒng);應(yīng)用策略 

  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A  中圖分類號(hào):TM921文章編號(hào):2096-4137(2023)19-79-03  DOI :10.13535/j.cnki.10-1507/n.2023.19.23近年來(lái),我國(guó)新建了大量自動(dòng)化水電站,由自動(dòng)控制方式取代傳統(tǒng)的手動(dòng)控制方式,對(duì)提高水電站發(fā)電效率、保障運(yùn)行安全、延長(zhǎng)項(xiàng)目使用壽命有重要作用。因此,在中小型水電站中應(yīng)積極發(fā)揮自動(dòng)控制系統(tǒng)的作用,提高水電站運(yùn)行管理的自動(dòng)化水平,改善系統(tǒng)維護(hù)人員的工作條件和環(huán)境,使水電站有人值班真正實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班”。

  1 中小型水電站項(xiàng)目自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用意義

  1.1 提高控制精度

  早期水電站項(xiàng)目主要采取手動(dòng)控制方式,工作人員通過(guò)攝像頭、傳感器裝置掌握水電站運(yùn)行工況,定期巡查各臺(tái)設(shè)備運(yùn)行狀況和周邊水域環(huán)境,再根據(jù)已掌握信息開(kāi)展控制操作。受人為因素影響,常發(fā)生延誤控制、錯(cuò)誤控制等問(wèn)題,對(duì)水電站總體發(fā)電效率造成一定程度的影響,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)設(shè)備故障,致使設(shè)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(méi)有在第一時(shí)間開(kāi)閘放水,隨著水位升高,水閘等水工建筑物容易出現(xiàn)開(kāi)裂、滲漏、坍塌變形等質(zhì)量通病。對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用,系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)感知現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況,監(jiān)測(cè)各臺(tái)設(shè)備與構(gòu)筑物使用狀態(tài),基于程序準(zhǔn)則自動(dòng)下達(dá)多項(xiàng)控制指令,從根源上杜絕錯(cuò)誤操作問(wèn)題。

  1.2 實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守目標(biāo)

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

  同時(shí),中小型水電站具有機(jī)組臺(tái)數(shù)少、裝機(jī)容量小的特征,遠(yuǎn)離城市區(qū)域,如果配備多名工作人員,還會(huì)壓縮項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益,少數(shù)中小型水電站長(zhǎng)期處于虧損狀態(tài),水力發(fā)電效益無(wú)法覆蓋設(shè)備成本、建造成本和管理成本。相比之下,通過(guò)搭建自動(dòng)控制系統(tǒng),雖然會(huì)在前期產(chǎn)生額外建造成本,但可以推動(dòng)無(wú)人值守模式取代有人值守模式,系統(tǒng)使用成本遠(yuǎn)低于水電站項(xiàng)目在全壽命周期內(nèi)的運(yùn)維管理成本,從而降低項(xiàng)目管理成本。

  1.3 保障作業(yè)安全

  在水電站運(yùn)行期間,受到設(shè)備老化、外部環(huán)境侵蝕等因素影響,偶爾出現(xiàn)電氣火災(zāi)、水閘坍塌等安全事故,有可能造成人員傷亡。而在自動(dòng)控制模式下,無(wú)需在站內(nèi)長(zhǎng)期駐留人員,僅需定期委派專人前往現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展設(shè)備維修等少量工作。如此,當(dāng)水電站出現(xiàn)各類型安全事故后,基本不會(huì)發(fā)生人員事故,這對(duì)實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)目標(biāo)有重要意義。

  2 自動(dòng)控制系統(tǒng)在中小型水電站項(xiàng)目中的實(shí)踐應(yīng)用策略

  2.1 搭建系統(tǒng)架構(gòu)

  為切實(shí)滿足水電站運(yùn)維管理需要,工作人員把系統(tǒng)架構(gòu)劃分為若干層級(jí),明確各層級(jí)功能定位。正常情況下,系統(tǒng)架構(gòu)從下到上分為現(xiàn)場(chǎng)控制層、主控層和應(yīng)用層。

  (1)現(xiàn)場(chǎng)控制層。以感知現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、執(zhí)行控制指令作為功能定位,由LCU 現(xiàn)場(chǎng)控制單元、多種類傳感器和站內(nèi)電氣設(shè)備組成。負(fù)責(zé)持續(xù)采集整理現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信號(hào),把信號(hào)發(fā)送給系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行運(yùn)算處理來(lái)掌握水電站總體運(yùn)行工況、設(shè)備單體運(yùn)行工況,并把主控層下達(dá)的控制指令傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu),執(zhí)行閥門開(kāi)度調(diào)節(jié)、機(jī)組啟閉等各項(xiàng)指令。

  (2)主控層。也被稱為站級(jí)控制層,以監(jiān)控調(diào)節(jié)水電站全站設(shè)備作為功能定位,由主計(jì)算機(jī)、工程師站、操作員站、通信管理級(jí)、局域網(wǎng)設(shè)備、定位時(shí)鐘等部分組成。在水電站運(yùn)行期間,主控層全面監(jiān)測(cè)各臺(tái)設(shè)備運(yùn)行工況,工況無(wú)誤時(shí)按照既定方案順序下達(dá)各項(xiàng)控制指令,實(shí)際工況和預(yù)期產(chǎn)生偏差時(shí),則根據(jù)偏差程度下達(dá)糾偏調(diào)控指令,形成明顯偏差時(shí)還將自動(dòng)修改既定控制方案內(nèi)容。同時(shí),發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障與安全事故后,立即向管理人員發(fā)送報(bào)警信號(hào)。

  (3)應(yīng)用層。以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(yùn)行情況、控制情況。必要情況下,管理人員訪問(wèn)主界面功能欄,向站內(nèi)設(shè)備遠(yuǎn)程下達(dá)控制指令。

  2.2 選擇控制方式

  在中小型水電站項(xiàng)目,常用控制方式包括閉環(huán)控制、順序控制、時(shí)鐘控制、動(dòng)態(tài)序列控制等,工作人員必須提前了解控制需求和設(shè)立自動(dòng)控制目標(biāo),選擇恰當(dāng)控制方式,可以搭配應(yīng)用多項(xiàng)控制技術(shù),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(nèi)設(shè)備參數(shù)控制場(chǎng)景。根據(jù)項(xiàng)目情況,提前設(shè)定閥門開(kāi)啟度、電流電壓值、溫度值、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值和運(yùn)行偏差范圍,LCU 單元持續(xù)對(duì)比各項(xiàng)參數(shù)的輸入值、輸入值,如果二者偏差程度超過(guò)允許范圍,自動(dòng)下達(dá)糾偏調(diào)控指令,確保站內(nèi)設(shè)備始終保持平穩(wěn)運(yùn)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(yùn)行過(guò)程拆解為若干工藝段,提前制定多套對(duì)應(yīng)不同工藝段的控制方案。后續(xù)在水電站運(yùn)行期間,自動(dòng)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(yùn)行工況符合預(yù)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(dòng)。

  (3)時(shí)鐘控制。適用于站內(nèi)照明控制等場(chǎng)景,在系統(tǒng)內(nèi)加裝時(shí)鐘控制器,設(shè)定照明燈具等設(shè)備的開(kāi)啟時(shí)間,后續(xù)到達(dá)規(guī)定時(shí)間后,時(shí)鐘控制器自動(dòng)向被控設(shè)備下達(dá)開(kāi)啟、閉合、功率調(diào)節(jié)等控制指令。

 ?。?)動(dòng)態(tài)序列控制。工作人員以小時(shí)為單位劃分為單個(gè)時(shí)段,強(qiáng)調(diào)各時(shí)段具有緊密內(nèi)在聯(lián)系,將全部時(shí)段決策過(guò)程作為單個(gè)序列,序列控制也被稱為策略控制。簡(jiǎn)單來(lái)講,在水電站運(yùn)行期間,以當(dāng)前水位、引用流量作為決策依據(jù),根據(jù)全部機(jī)組啟停狀態(tài)分配不同時(shí)段的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷,以水電站出力最大或是耗水量最小作為最優(yōu)決策準(zhǔn)則。

  2.3 實(shí)現(xiàn)控制功能

  根據(jù)水電站項(xiàng)目投運(yùn)使用情況來(lái)看,控制功能完善與否直接影響實(shí)際控制效果,功能種類越多,自動(dòng)控制效果越顯著。因此,工作人員必須在水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)盡量設(shè)置更多數(shù)量的控制功能,具體包括機(jī)組啟閉控制、定流量發(fā)電控制、定負(fù)荷發(fā)電控制、智能巡檢等功能。

 ?。?)機(jī)組啟閉控制功能。提前在控制系統(tǒng)內(nèi)編寫開(kāi)機(jī)程序和停機(jī)程序。其中,開(kāi)機(jī)程序初始化后判斷是否滿足機(jī)組開(kāi)機(jī)條件,確定無(wú)誤后,依次完成高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)水輪發(fā)電機(jī)組的開(kāi)機(jī)程序,順序下達(dá)開(kāi)啟閥門、開(kāi)機(jī)升速、合上滅磁開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)勵(lì)鍵壓、同期并網(wǎng)、調(diào)整同期參數(shù)、自動(dòng)帶負(fù)荷的控制指令,判斷閘門無(wú)故障問(wèn)題后迅速切換為閘門全開(kāi)狀態(tài)。停機(jī)程序分為正常停機(jī)、緊急停機(jī)、事故停機(jī)等多種情況,不同情境下的控制程序略有不同。以正常停機(jī)程序?yàn)槔?,順序下達(dá)減少機(jī)組負(fù)荷、機(jī)組解列、滅磁、分閘滅磁開(kāi)關(guān)的控制指令,逐步減少有功功率,確定機(jī)組卸除全部負(fù)荷后,再發(fā)出解列命令和滅磁命令,最后關(guān)閉冷卻水系統(tǒng)與控制機(jī)組停機(jī)復(fù)歸。如果在滅磁期間無(wú)法順利下降勵(lì)磁電壓值,則額外下達(dá)減磁指令。

  (2)定流量發(fā)電控制功能。提前在系統(tǒng)內(nèi)建立定流量模型和給定下泄流量發(fā)電值,通過(guò)傳感器持續(xù)監(jiān)測(cè)不同時(shí)間的流量值與總用水量值,把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型,推算空間最優(yōu)發(fā)電量或是時(shí)間最優(yōu)發(fā)電量,再把模型輸出結(jié)果轉(zhuǎn)換為控制指令,遠(yuǎn)程發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備展開(kāi)相應(yīng)動(dòng)作。

  (3)定負(fù)荷發(fā)電控制功能。主要負(fù)荷曲線發(fā)電控制方式,提前由水電站操作人員或是調(diào)度部門繪制負(fù)荷曲線,以日負(fù)荷曲線為主,系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取水電站當(dāng)前功率設(shè)定值,以負(fù)荷曲線作為判斷依據(jù),最終向站內(nèi)各臺(tái)水電機(jī)組分配最佳經(jīng)濟(jì)功率,按照給定功率執(zhí)行發(fā)電任務(wù)。

 ?。?)智能巡檢功能。站內(nèi)配備單臺(tái)或多臺(tái)巡檢機(jī)器人,機(jī)器人搭載數(shù)碼相機(jī)、溫度傳感器等裝置,在系統(tǒng)內(nèi)預(yù)先設(shè)定巡查路線、巡視內(nèi)容。隨后,巡檢機(jī)器人按照預(yù)定路線,定期在水電站內(nèi)部巡視檢查,拍攝視頻資料和采集監(jiān)測(cè)信號(hào),從中提取特征值進(jìn)行分析,判斷是否存在設(shè)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(bào)告或報(bào)警信號(hào)。

  2.4 故障自診

  水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,由傳感器、現(xiàn)場(chǎng)控制單元、被控設(shè)備、通信裝置等部分組成,任意裝置出現(xiàn)運(yùn)行故障都會(huì)對(duì)控制效果和水電站總體運(yùn)行效率造成明顯影響。因此,為提高自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性,工作人員需要額外在系統(tǒng)內(nèi)增設(shè)故障自診功能,分散布置大量自檢信號(hào),在系統(tǒng)后臺(tái)建立故障數(shù)據(jù)庫(kù),庫(kù)內(nèi)收錄各類型故障問(wèn)題的樣本案例,持續(xù)訓(xùn)練大量案例來(lái)掌握各類故障問(wèn)題的客觀發(fā)生規(guī)律。如此,在水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行期間,定期采集自檢信號(hào),根據(jù)信號(hào)處理結(jié)構(gòu)來(lái)判斷傳感器、現(xiàn)場(chǎng)控制單元、被控設(shè)備是否出現(xiàn)運(yùn)行故障,短時(shí)間內(nèi)出具故障診斷報(bào)告,切除故障部分,并委派專人前往水電站現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展設(shè)備應(yīng)急維修工作,最終取得有效控制故障影響范圍、減輕設(shè)備受損程度、水電站及早恢復(fù)正常工作狀態(tài)的顯著效果。

  2.5 抗干擾改造

  水電站內(nèi)部環(huán)境較為復(fù)雜,站內(nèi)密集分布多臺(tái)電力設(shè)備,運(yùn)行期間難免會(huì)形成電磁干擾源,對(duì)自動(dòng)控制效果造成一定影響,偶爾出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信號(hào)丟失、控制指令傳遞不及時(shí)等問(wèn)題。對(duì)此,工作人員需要對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾改造,根據(jù)干擾源種類采取相應(yīng)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(nèi)分散布置控制系統(tǒng)電源與其他站內(nèi)設(shè)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(duì)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(guò)濾器裝置,通過(guò)減少輸出感應(yīng)電流波降低干擾程度,經(jīng)過(guò)處理后的感應(yīng)電流值較小,基本不會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)內(nèi)傳感器等精密電子部件造成實(shí)質(zhì)性影響。

  (3)抗空間輻射干擾改造。在控制系統(tǒng)內(nèi)加裝濾波器,通過(guò)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(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備臺(tái)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(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜運(yùn)算任務(wù)和輸出最佳控制方案。對(duì)此,工作人員需要推動(dòng)控制算法更新迭代,具體可采取遺傳算法,以當(dāng)前水位或引用流量作為初始種群,把設(shè)定多項(xiàng)約束條件與構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)作為雜交變異手段,使用目標(biāo)函數(shù)評(píng)價(jià)各次進(jìn)化結(jié)果,最終獲取趨于最優(yōu)解的運(yùn)算結(jié)果。此項(xiàng)算法具有解決多約束條件問(wèn)題、具備并行計(jì)算條件、無(wú)需存儲(chǔ)狀態(tài)變量數(shù)據(jù)、目標(biāo)函數(shù)無(wú)特殊要求的優(yōu)勢(shì),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(jié)語(yǔ)

  綜上所述,為加快我國(guó)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(xiàng)目在運(yùn)維管理層面存在的困境難題,相關(guān)單位應(yīng)提高對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重視度,結(jié)合水電站項(xiàng)目情況定制自動(dòng)控制系統(tǒng),重點(diǎn)掌握在系統(tǒng)架構(gòu)搭建、控制方式選擇、控制功能開(kāi)發(fā)、控制算法優(yōu)化等方面的實(shí)踐應(yīng)用要點(diǎn),為水電站運(yùn)行質(zhì)量提供技術(shù)保障。

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

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