电气自动化在水利水电工程中的应用探讨

2023-08-20高明强

通信电源技术 2023年9期

高明强

（山东大禹水务建设集团有限公司，山东济南 250000）

0 引言

随着科技的飞速发展，电力自动化已经广泛应用于各个领域，取得了良好的成效。尤其是在水利水电工程建设中，更能体现其优越性，可以为企业创造更多的经济利益。将电力自动化技术用于水利水电项目，既要引入信息化技术，又要保障各系统之间可以实现集成优化，如此才能使各种设备最大限度发挥作用，减少能源消耗，从而实现高度集成和高度自动化运行[1]。

1 水利水电工程中的电气自动化系统

电气自动化融合了当前阶段的网络信息、电子信息以及其他一系列前沿技术形式，为生产作业从传统模式到自动化的过渡提供了重要的技术支持，并起到了提高效率和降低资源投入的作用。如今，在配套技术进一步发展的背景下，电气自动化有了更高的应用水平，并逐渐渗透到社会生产和日常生活。水利水电工程具有施工规模大、周期长以及复杂度高等特点，在其内部引入电气自动化技术后，可以促进工程生产力的提升，以更规范、更自动化的方式完成有关工作[2]。

随着水利水电工程电气自动化系统的逐渐运用，将其与计算机技术、智能测控设备的软硬件相结合，建立一个完整的电力自动化系统，以保证项目的顺利进行。电力自动化系统通过以太网、现场总线等方式与控制台及其他相关设备连接起来，构成一个完整的体系，并形成一个协调的控制机制[3]。系统具有层次化的特点和很好的灵活性，能够根据不同的功能需求适当扩展，提高系统的安全性和可靠性，再与先进信息技术整合，形成一个完整的安全防护体系。该系统自带人机接口，便于使用者日常操控的顺利进行[4]。

2 水利工程中应用电气自动化系统的意义

将电气自动化技术运用到水利水电项目，能够实时监测其运行情况，确保整个系统和相关部件正常工作。此外，在检测到发电机组出现故障等问题时能够立即报警，有助于工作人员及时发现问题所在，节约检查时间，极大地提高了维修人员的工作效率，缩短维修周期，避免因发电机出现故障造成停电现象，减少人力和物力消耗。在机组选型时，应考虑工程规模和场地设施特点[5]。

在水利水电项目工程中合理运用电气自动化系统，不仅能够改善其安全性能，而且能够极大地提升员工的工作效率，提高企业的整体经济效益。电气自动化系统也能改善传统的工作条件，改变原来的控制方式，从而提高生产效能。电气自动化系统在水电建设项目中的应用能够对电厂的运行情况进行系统性分析，确保发生故障后能够立即找出问题的症结所在，节省检修时间。电气自动化的应用既能减轻人员压力，又能减少人力成本，提高工程质量[6]。

采用人工操控的方式不但技术落后，而且会造成水资源的大量消耗，影响发电质量。电气自动化系统能有效解决以上问题，防止能源浪费，降低企业的生产成本。系统实现了计算机和设备的自动控制，使项目在无须值班的条件下顺利运转，减少了生产费用。利用电气自动化技术实现了设备的自动监测，通过即时信息对设备负载情况进行监测，对发电厂的工作状态做出反馈。当发电厂出现问题后，系统可以针对问题情况快速反馈，一旦发生重大问题，就智能开启后备机组，以保证工作的顺利完成。

3 电气自动化在水利水电工程中的主要作用

3.1 监测水利水电工程的运行状况

利用电气自动化技术可以实时监控整个水利水电项目的运转情况，一旦出现故障或安全问题，就会立刻启动报警，并对故障类型、故障范围以及故障产生机理进行分析，在最短的时间内进行维护。电气自动化技术具有很高的时效性，能够在较短的时间内进行检修，从而避免了机组长时间的停机，减少了不必要的经济损失，为整个水利水电工程项目的安全运行提供保障。

3.2 提质增效

建立和运作自动监控运行体系，提高整个项目的稳定性，使各种设备能够在较好的工作环境下有效工作，同时也能使员工享有更好的工作条件，通过各种生产因素相互配合，为水利水电项目带来较大的社会效益和经济效益。将电气自动化系统和现代计算机网络技术相结合，可以对整个水利水电建设过程进行全面监控，准确评估工程的运行状态，同时根据已有的信息对可能的情况做出快速预测，以便在源头上解决问题。电气自动化具有优越的工作特性，不但减少了对人力资源的使用，还能避免人力作业工作效率较低等问题。

4 电气自动化在水利水电工程的具体应用

4.1 发电设施和配电设施的自动控制

发电设施和配电设施是水利水电项目中的关键设备，将电力自动化技术引入发电系统能够显著提升设施自动化水平。通过智能化转调相、自动关停机以及智能操作等手段，对发电机组进行有效控制，以机器操作代替人工危险操作，实现全天候严密监测，促进管理工作更加便捷高效，降低人力管理成本。与此同时，自动化装置能及时发现外界不安全因素，对企业安全管理和风险控制起着决定性作用。汛期时，后备机组能够对流量、降水量、水位等主要参数进行实时监控，发现异常情况后及时报警并自动停电，避免对设备的破坏，实现对发电机组及闸门的自动保护，减少经济损失。

4.2 设备的统一调控与设计优化

电力设备在水利水电项目中所占比例较高，采用电气自动化技术可以有效进行结构的优化和完善。水利水电项目中，设备的选择和管道的布局非常烦琐，尤其是在设备与配电网的交界点上很可能会发生器件性能不可靠、设备不协调、水闸和电器设备不符等问题，利用自动化技术可以对设备进行最优选择，并对故障进行仿真，通过不断调整使整个系统的工作更加平稳。水利水电工程施工过程中主要涉及水泵、油泵、配电设备、闸机、变压器以及输电线路，采用电力自动化技术能够针对各类关键设备进行控制、切换等综合作业，实现作业过程的自动化，避免人为作业带来的不方便、烦琐以及错误作业等问题，提高资源配置的有效性和合理性。根据机组的工况，科学合理地调整机组的状态，使新的机组处于最佳状态，并将多余的部分关掉，从而实现资源的合理分配。

4.3 线路优化

将电气自动化技术引进变电枢纽，可以实现节制闸、室内变电所的调节。在电力干线的设计上，可将长距离同步电机、变压组相以及单回路整合为一条可调整的传输线，并在一定距离内进行长途运输时安装隔离变压器，为电力资源的高效传输提供支撑。

4.4 设备选择

选择10 kV 输电线路作为总线，采用电感方式进行电力系统的非同步传动，采用串联电抗器和真空接触器进行电力补偿。根据电网具体条件进行选型，选用合适的绝缘开关和线路，采用母线和子线的方式进行供电，从而实现配电和变压的再分布。选用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）自动编程供电装置进行内部电力的传输，通过调整电线的分布实现整体的电流配置，从而实现低压和高压之间的相应传输。

在水利水电工程中对接地线和过流保护2 方面进行研究，从而实现对电网的安全保护。水电项目中，通过一体化的设计和经营方法实现应急照明和事故照明，还可以增加主机保护、高负荷保护、单相接地保护以及电流速断保护等电力保护。采用计算机对上位机、下位机进行实时监控，对多个资源进行集成与配置，从而提高系统运行效率。

5 工程实例

5.1 工程简介

某水利枢纽工程为一座中型规模的Ⅲ级建筑，闸门有8 个孔，每个孔的直径都是12 m。防洪设计规范为：针对20 年一遇的情况，相应防洪水位为2.81 m，防洪设计流量393 m3/s；针对50年一遇的情况，其防洪水位为3.07 m，防洪标准为556 m3/s。

5.2 水闸自动化控制系统

水闸的自动控制主要包括闸门的监测和控制提示、中心数据处理和配电间的监测。本系统的主要功能是对1个配电房、8个闸门以及上游的水表进行监测。采用科学、合理的网络控制和自动控制技术，实现多个系统的即时监控，同时对采集到的数据进行整理和分析，为工程决策提供数据支持。对于收集到的数据可以由管理平台综合整理并上传到网络云端，也可以进行数据的远距离解析和查询。

通过液力控制器来实现现场操作，通过分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）控制中心对闸门的运行状况进行实时监视。现场手动控制和自动控制是目前闸门智能监测中常用的控制技术，2者都是以现场PLC 控制为起点。现场手动控制系统的优势较大，具备互锁性。水闸自动控制通过以太网与各服务器和相应的控制设备进行通信，通过对全流域的水文观测数据的收集和分析，形成准确、可靠的数据记录。科学收集电动机内部的各种参数，并与控制站的输入/输出（Input/Output，I/O）接口连接，保证中心控制室和应急发电所对系统各项指标的实时监测。

对水力控制系统提供的外部信息资源进行分析，通过数据准确地掌握闸门运行状态，需要每天、每月汇总对流速度、水压、温度等数据，集成后的数据以报告的方式呈现。此外，对配电室的相位和相间的状态进行计算与分析，从而判断其运行状态。

5.3 闸体原型观测自动化控制系统

通过水平位移、压力等综合研究，严格实施大闸闸体原型观测工程科学方案。将64 台GKD 型钢弦式隙水压力仪布设于闸门中心线及靠近闸门2 侧的截面，将10 只TS 周边缝位移计重点安装在闸室内的闸墩分缝位置，通过莱卡TCA-2003 全站仪进行沉降及水平位移人工观测。本系统的作用在于完成一次巡查和对全部测点的巡查与监测，也可实现个别测点的监测。