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摘 要：随着微电子技术与电力科技水平的不断发展，原有的电力控制理念已经不能无法适应水电站现代化技术水平的要求。而水电站实施电气自动化不仅能够提高水电站工作的可靠性、运行的经济性和电能的质量，还能提高水电站劳动生产率，提高水电站的经济效益。随着国家对能源结构的不断调整，对水资源的开发利用程度不断加大，水电站的电气自动化系统被运用到各种水利枢纽工程中，发挥了水电站更大的作用。
关键词：水电站；电气自动化；应用；探讨
中图分类号：TV736
1 水电站电气自动化的主要内容
1.1 对水电站水轮发电机组运行状况的自动监测和控制
水电站还有很多控制是属于闭环性质，比如：调速器属于发电机组转速的闭环系统；励磁调节器属于发电机组电压的闭环控系统，这两个调节器是发电机组中最基本、最简单的自动控制装置。水电站发电机组运行状况的监测和控制主要通过机组监控设备来实现，监控设备及时将机组的监控数据传送到控制室计算机，计算机通过预先设定的运行程序来判断发电机组的运行情况，根据实际情况向控制设备发出相关的指令，从而实现发电机组调相转发电和发电转调相、机组的并列和开关机自动化管理。同时，计算机要根据发电机组的运行情况不断调整机组运行数据，选择最佳的运行机组数。还要根据系统的负荷变化，自动调节发电机组的有功效率和无功功率。
1.2 对水电站辅助设备运行状况的自动检测与监视
对水电站运行设备各项参数的检测是实现水电站自动化技术的基础，水电站要检测的运行设备主要包括：发电机组与其辅助设备、水工建筑物与其操作设备、发电站的公用设备、变电稠开关设备等，发电机组的辅助设备主要由操作系统及其油、气、水系统组成。水电站辅助设备运行状况的自动检测与监视主要通过控制设备、监测设备、控制节点，将机组辅助设备的运行数据及时地发送到计算机，同时，计算机通过数据库对辅助设备的运行数据进行监测，从而判断辅助设备的工作状态以及控制辅助设备的电流。自动检测是水电站安全运行的重要基础，它能够实现发电机组及其辅助设备的自动控制、自动操作、自动保护。如果发生事故或者有不正常的工作状态出现，就能够立即启动报警系统或者紧急停机，及时排查故障原因，从而确保发电机组的安全运行。
1.3 对水电站主要电气设备的监视、控制、保护
水电站的电气设备主要包括：母线、变压器、输电线路等。水电站电气自动化也包括对这些电气设备的自动监视、控制、保护，并根据它们的运行数据来判断变压器工作是否正常、母线使用是否正常、输电线路是否畅通。如果出现安全事故，就能及时排除电气设备故障，确保供电安全。自动保护主要由以下两点：
（1）出现不会立即危害发电机组的不正常情况，比如：发电机组的冷却水源中断、发电机的温度超限、油槽油面过高与过低、导轴承或者推力轴承温度升高等，自动保护就会发出警告；
（2）自动保护可以快速关闭进水闸门，对于出现发电机组过速并且调速器失灵、压力铜管爆破、导水叶剪断等，自动保护不但会跳开断路器和停机，还会关闭发电机组的进水闸门或关闭发生动作事故的配压阀。
2 水电站电气自动化的主要目的
2.1 提高水电站发电、供电的可靠性
水电站的主要工作就是发电，水电站的电气自动化主要通过自动控制装置对水电站各个系统进行及时、快速、精确的检测，自动记录运行数据，如果遇到突发情况就会立即报警，及时排除故障。从而，不但能够避免发电机组因故障而遭受破坏，还能够避免发电机组因非正常工作状态不能得到及时解决而酿成事故，提高了水电站发电机组的发电、供电可靠性。同时，通过电脑控制的自动装置对水电站的发电机组及其辅助设备进行控制和操作，能够有效避免因操作员的错误操作而导致的生产事故发生。
2.2 确保电能的质量
工频和电压是衡量电能质量最主要的指标，电网中的工频，主要受到电网系统中有功功率的平衡状况影响；而电压，则主要取决于电网系统中的无功功率。电网系统的状况随时都在变化，只有通过电气自动化的自动装置对发电机组进行及时、准确地调节，让发电机组所发电能的工频与电压维持在规定的范围之内。
2.3 提高水电站运行时的经济性
为了让水电站的经济运行，就要让水轮发电机组的运行时刻处于最佳状态。对于多机组的水电站，要让水电站经济运行，还要根据水电站的具体情况和电网系统分配给水电站负荷的大小来决定，并且要选择最佳的运行机组数量，从而达到以最少的水量产出最大的电量。水电站要实现经济运行的条件是比较复杂的，水电站是综合性的利用水力资源，人为控制难以达到水电站经济运行的要求。只有通过实现水电站的电气自动化，充分利用水电站的自动控制装置，从而实现水电站的经济运行。
2.4 提高水电站劳动生产率
实现水电站的电气自动化，在水电站的日常运行中，减少了工作人员的直接参与，降低了工作人员的劳动强度，进一步改善了水电站工作人员的劳动环境，提高了水电站的运行、管理水平。同时，也减少了水电站工作人员的数量，通过电脑的自动控制与操作，实现了无人值班，降低了水电站的电能生产成本和运行成本，提高了水电站的劳动生产率。
3 水电站电气自动化监控模式选择
3.1 集中监控模式
集中监控方式的主要特点是集中系统中的各个功能到同一个处理器上进行处理，从而加重了处理器的任务量，严重影响了处理器的处理速度。同时，水电站的电气设备等其他辅助设备也纳入监控范围，随着监控对象的不断增加，电缆数量不断增加，主机冗余的下降，长距离电缆引入的干扰等影响了控制系统的可靠性，随之而来的是越来越大的投资要求。集中监控的工作原理如图1所示：
图1集中监控揽式工作原理
集中监控方式的成本较低，设计简单。集中监控采用的线路是硬地接线，如果发生事故，第二次接线就比较复杂，也很难判断事故发生的地点，增加了控制系统维护的人力成本，加大了控制系统维护的难度。 3.2 远程监控模式
远程监控方式在我国水电站的电气自动化运用中也比较普遍，远程监控有多颗CPU一起工作，能够有效的摆脱因一个地方发生故障而影响整个控制系统的弊端，并且远程监控的控制更加合理、精确，不但能够降低成本，还能够节约大量的电缆材料。远程控制模式工作原理如图 2 所示：
图2远程监控模式工作原理
远程监控模式采用的是CAN总线设计，影响了通讯速度。水电站的规模决定了水电站的通讯量。目前，我国已经很少有小型的水电站，因为集中监控模式通讯量有所限制，所以不适用于大型的水电站的电气自动化。
3.3 现场总线监控模式
现场总线监控模式主要通过现场总线、局域网、以太网等计算机网络技术来进行控制。现场总线监控模式的针对性很强，它充分考虑到了水电站的现状，并设计以间隔为基础，能够最大程度的减少模拟量变送器、隔离设备等子段设备的数量，并且能够与通信线直接连接，节约大量的电缆，系统维护也简单，并且成本低、讯量大。系统中的各个装置的功能是相对独立的，大大提高了系统的可靠性，不管任何一个装置发生故障，只会影响相应的元件。现场总线监控模式在水电站电气自动化的计算机监控系统中已得到广泛运用。
4 PLC在轴流桨式水轮机调速器中的应用
由于轴流浆式水轮机的叶片会随水不同能和导叶协联动作，让水轮机动行水头的范围增大，从而能够给水电站带来更多的经济效益，因此在水电站中被广泛运用。轴流浆式水轮发电机组的制造厂家在其水轮机上提供了一组不同浆叶转角和水头下导叶开度的协联曲线，而调整器的制造厂家按此协联曲线为调速器设置了浆叶与内导叶的协联关系。但是，水电站在实际运行过程中，上下游水位的变化和水轮机水头的变化并不能完全符合厂家提供的参数，发电机组就不能达到最佳状态。所以，发电机组的调整器就必须采用能够改变程序的PLC，PLC是一种能够编程控制器的调速器，在发电机组的运行过程中，可以针对上下游水位、不同水头以及手动协联浆叶、导叶，在取得最佳的协联曲线后，输入PLC来修改原来的协联曲线，让发电机组处于最佳状态。
参考文献：
[1]郑曲全.浅谈水电站自动化技术及其应用[J].大众科技，2008.
[2]崔明.变电站与水电站综合自动化.中国水利水电出版社，2005.
[3]楼承仁，黄声先，李植鑫.水电站自动化.中国水利水电出版社，1995.
[4]刘忠源.水电站自动化[M].第二版.北京水利水电出版社，1998.
关键词：水电站；电气自动化；应用；探讨
中图分类号：TV736
1 水电站电气自动化的主要内容
1.1 对水电站水轮发电机组运行状况的自动监测和控制
水电站还有很多控制是属于闭环性质，比如：调速器属于发电机组转速的闭环系统；励磁调节器属于发电机组电压的闭环控系统，这两个调节器是发电机组中最基本、最简单的自动控制装置。水电站发电机组运行状况的监测和控制主要通过机组监控设备来实现，监控设备及时将机组的监控数据传送到控制室计算机，计算机通过预先设定的运行程序来判断发电机组的运行情况，根据实际情况向控制设备发出相关的指令，从而实现发电机组调相转发电和发电转调相、机组的并列和开关机自动化管理。同时，计算机要根据发电机组的运行情况不断调整机组运行数据，选择最佳的运行机组数。还要根据系统的负荷变化，自动调节发电机组的有功效率和无功功率。
1.2 对水电站辅助设备运行状况的自动检测与监视
对水电站运行设备各项参数的检测是实现水电站自动化技术的基础，水电站要检测的运行设备主要包括：发电机组与其辅助设备、水工建筑物与其操作设备、发电站的公用设备、变电稠开关设备等，发电机组的辅助设备主要由操作系统及其油、气、水系统组成。水电站辅助设备运行状况的自动检测与监视主要通过控制设备、监测设备、控制节点，将机组辅助设备的运行数据及时地发送到计算机，同时，计算机通过数据库对辅助设备的运行数据进行监测，从而判断辅助设备的工作状态以及控制辅助设备的电流。自动检测是水电站安全运行的重要基础，它能够实现发电机组及其辅助设备的自动控制、自动操作、自动保护。如果发生事故或者有不正常的工作状态出现，就能够立即启动报警系统或者紧急停机，及时排查故障原因，从而确保发电机组的安全运行。
1.3 对水电站主要电气设备的监视、控制、保护
水电站的电气设备主要包括：母线、变压器、输电线路等。水电站电气自动化也包括对这些电气设备的自动监视、控制、保护，并根据它们的运行数据来判断变压器工作是否正常、母线使用是否正常、输电线路是否畅通。如果出现安全事故，就能及时排除电气设备故障，确保供电安全。自动保护主要由以下两点：
（1）出现不会立即危害发电机组的不正常情况，比如：发电机组的冷却水源中断、发电机的温度超限、油槽油面过高与过低、导轴承或者推力轴承温度升高等，自动保护就会发出警告；
（2）自动保护可以快速关闭进水闸门，对于出现发电机组过速并且调速器失灵、压力铜管爆破、导水叶剪断等，自动保护不但会跳开断路器和停机，还会关闭发电机组的进水闸门或关闭发生动作事故的配压阀。
2 水电站电气自动化的主要目的
2.1 提高水电站发电、供电的可靠性
水电站的主要工作就是发电，水电站的电气自动化主要通过自动控制装置对水电站各个系统进行及时、快速、精确的检测，自动记录运行数据，如果遇到突发情况就会立即报警，及时排除故障。从而，不但能够避免发电机组因故障而遭受破坏，还能够避免发电机组因非正常工作状态不能得到及时解决而酿成事故，提高了水电站发电机组的发电、供电可靠性。同时，通过电脑控制的自动装置对水电站的发电机组及其辅助设备进行控制和操作，能够有效避免因操作员的错误操作而导致的生产事故发生。
2.2 确保电能的质量
工频和电压是衡量电能质量最主要的指标，电网中的工频，主要受到电网系统中有功功率的平衡状况影响；而电压，则主要取决于电网系统中的无功功率。电网系统的状况随时都在变化，只有通过电气自动化的自动装置对发电机组进行及时、准确地调节，让发电机组所发电能的工频与电压维持在规定的范围之内。
2.3 提高水电站运行时的经济性
为了让水电站的经济运行，就要让水轮发电机组的运行时刻处于最佳状态。对于多机组的水电站，要让水电站经济运行，还要根据水电站的具体情况和电网系统分配给水电站负荷的大小来决定，并且要选择最佳的运行机组数量，从而达到以最少的水量产出最大的电量。水电站要实现经济运行的条件是比较复杂的，水电站是综合性的利用水力资源，人为控制难以达到水电站经济运行的要求。只有通过实现水电站的电气自动化，充分利用水电站的自动控制装置，从而实现水电站的经济运行。
2.4 提高水电站劳动生产率
实现水电站的电气自动化，在水电站的日常运行中，减少了工作人员的直接参与，降低了工作人员的劳动强度，进一步改善了水电站工作人员的劳动环境，提高了水电站的运行、管理水平。同时，也减少了水电站工作人员的数量，通过电脑的自动控制与操作，实现了无人值班，降低了水电站的电能生产成本和运行成本，提高了水电站的劳动生产率。
3 水电站电气自动化监控模式选择
3.1 集中监控模式
集中监控方式的主要特点是集中系统中的各个功能到同一个处理器上进行处理，从而加重了处理器的任务量，严重影响了处理器的处理速度。同时，水电站的电气设备等其他辅助设备也纳入监控范围，随着监控对象的不断增加，电缆数量不断增加，主机冗余的下降，长距离电缆引入的干扰等影响了控制系统的可靠性，随之而来的是越来越大的投资要求。集中监控的工作原理如图1所示：
图1集中监控揽式工作原理
集中监控方式的成本较低，设计简单。集中监控采用的线路是硬地接线，如果发生事故，第二次接线就比较复杂，也很难判断事故发生的地点，增加了控制系统维护的人力成本，加大了控制系统维护的难度。 3.2 远程监控模式
远程监控方式在我国水电站的电气自动化运用中也比较普遍，远程监控有多颗CPU一起工作，能够有效的摆脱因一个地方发生故障而影响整个控制系统的弊端，并且远程监控的控制更加合理、精确，不但能够降低成本，还能够节约大量的电缆材料。远程控制模式工作原理如图 2 所示：
图2远程监控模式工作原理
远程监控模式采用的是CAN总线设计，影响了通讯速度。水电站的规模决定了水电站的通讯量。目前，我国已经很少有小型的水电站，因为集中监控模式通讯量有所限制，所以不适用于大型的水电站的电气自动化。
3.3 现场总线监控模式
现场总线监控模式主要通过现场总线、局域网、以太网等计算机网络技术来进行控制。现场总线监控模式的针对性很强，它充分考虑到了水电站的现状，并设计以间隔为基础，能够最大程度的减少模拟量变送器、隔离设备等子段设备的数量，并且能够与通信线直接连接，节约大量的电缆，系统维护也简单，并且成本低、讯量大。系统中的各个装置的功能是相对独立的，大大提高了系统的可靠性，不管任何一个装置发生故障，只会影响相应的元件。现场总线监控模式在水电站电气自动化的计算机监控系统中已得到广泛运用。
4 PLC在轴流桨式水轮机调速器中的应用
由于轴流浆式水轮机的叶片会随水不同能和导叶协联动作，让水轮机动行水头的范围增大，从而能够给水电站带来更多的经济效益，因此在水电站中被广泛运用。轴流浆式水轮发电机组的制造厂家在其水轮机上提供了一组不同浆叶转角和水头下导叶开度的协联曲线，而调整器的制造厂家按此协联曲线为调速器设置了浆叶与内导叶的协联关系。但是，水电站在实际运行过程中，上下游水位的变化和水轮机水头的变化并不能完全符合厂家提供的参数，发电机组就不能达到最佳状态。所以，发电机组的调整器就必须采用能够改变程序的PLC，PLC是一种能够编程控制器的调速器，在发电机组的运行过程中，可以针对上下游水位、不同水头以及手动协联浆叶、导叶，在取得最佳的协联曲线后，输入PLC来修改原来的协联曲线，让发电机组处于最佳状态。
参考文献：
[1]郑曲全.浅谈水电站自动化技术及其应用[J].大众科技，2008.
[2]崔明.变电站与水电站综合自动化.中国水利水电出版社，2005.
[3]楼承仁，黄声先，李植鑫.水电站自动化.中国水利水电出版社，1995.
[4]刘忠源.水电站自动化[M].第二版.北京水利水电出版社，1998.