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摘要：电气自动化是随着电子计算机技术、微电子技术的发展而兴起的，主要用于工业生产的自动化控制，增强生产的准确性、连续性。本文主要在研究电气自动化基本理论的基础上，探讨此技术在水电站中的作用和内容，以及水电站自动化实现的模式和自动化设计等。
关键词：电气自动化；水电站；自动控制；电子技术
前言
水电站的自动化是实现水轮发电机组自动化的关键部分，它担负自动监测机组和辅助设备的状态，发出拟定的报警信号、执行自动操作任务。水电站自动化的程度取决于电站的规模，电站的型式及主要机电设备的性能。水电站自动化就是要使水电站生产过程的操作、控制和监视，能够在无人（或少人）直接参与的情况下，按预定的计划或程序自动地进行。水电站自动化程度是水电站现代化水平的重要标志，同时，自动化技术又是水电站安全经济运行必不可少的技术手段。水电站自动化具有提高工作的可靠性、提高运行的经济性、保证电能质量、提高劳动生产率、改善劳动条件等作用。
1 水电站自动化的主要内容
水电站自动化的内容，与水电站的规模及其在电力系统中的地位和重要性、水电站的型式和运行方式、电气主接线和主要机电设备的型式和布置方式等有关。总的来说，水电站自动化包括完成对水轮发电机组运行方式的自动控制、完成对水轮发电机组及其辅助设备运行工况的监视、完成对辅助设备的自动控制、完成对主要电气设备的控制、完成对水工建筑物运行工况的控制和监视几个方面。
1.1机组运行状况的自动控制与监测
发电机组运行状况的自动控制与监测主要通过现场监控设备和控制设备实现的，通过监控设备将监控数据发送到中控室计算机，计算机根据已经设定的运行程序判断水电机组的运行情况，并及时向控制设备发出相应的指令，实现开停机和并列、发电转调相和调相转发电等管理自动化的目的。除了保证机组的正常运行之外，水电站自动化还要自动维持水轮发电机组的经济运行，也就是根据机组运行情况自动选择最佳运行机组数，并不断调整运行数据，根据系统负荷变化自动调节机组的有功和无功功率，并通过对表征机组运行状况特性的参量跟踪监测值是否超出正常运行范围来判断运行设备的状态是正常、异常或故障进行监测，，并且要对机组运行过程中可能出现的故障及时检查发现排除故障，必要时要启动备用机组，保证供电秩序、安全。
1.2 辅助设备运行状况的自动控制与监视
辅助设备主要由油、气、水系统及其操作系统等组成。水电站的自动化也要实现对这些辅助设备运行状况的自动控制与监视。主要就是通过控制节点、监测设备和控制设备，将辅助设备的运行数据发送到计算机，计算机通过数据库对运行数据进行监测，控制辅助设备的电流、判断辅助设备是否处于正常工作的状态。一旦发现出现不正常工作状态或发生事故时，能够及时排查事故原因，并启动报警系统或紧急停机检查，保证机组的运行安全。
1.3 对主要电气设备的控制、监视和保护
水电站的主要电气设备有变压器、母线及输电线路等，水电站自动化也要实现对这些电气设备控制、监视与保护，主要是记录每一时间段的设备运行情况，根据运行数据判断输电线路是否畅通、母线是否正常使用、变压器是否正常工作。一旦出现安全事故要及时启预备设备并报警，排除电气设备事故保证供电安全。
1.4 对水工建筑物运行工自动控制和检测
水工建筑物主要指的是闸门、拦污栅、泄洪闸等建筑设施。如自动控制闸门开启数量，控制水量和水力，满足水电站的运行要求。拦污栅是否正常运行，是否有破损的地方，是否堵塞影响到水平。泄洪闸是否能正常开启，是否有必要开启确保大坝安全等等。
2 水电站监控模式选择
2.1 集中监控方式
这种监控方式优点是运行维护方便，控制站的防护要求不高，系统设计容易。但由于集中式的主要特点是将系统的各个功能集中到一个处理器进行处理，处理器的任务相当繁重，处理速度受到影响。由于电气设备全部进入监控，伴随着监控对象的增加随之而来的是主机冗余的下降、电缆数量增加，投资加大，长距离电缆引入的干扰也可能影响系统的可靠性。集中监控方式主要原理如下图1。
图1 集中监控方式示意图
集中监控方式设计比较简单，成本较低。但是由于线路采用的是硬地接线，一旦发生事故二次接线非常复杂，并且对于事故地点的判断也有较大的难度，这无形的增加了系统维护的难度，增加了系统维护人力成本，造成了不必要的浪费。
2.2 远程监控模式
远程监控方式也是我国水电站自动化实现过程中运用较早的一种方式，远程监控相对于集中监控方式而言，由于是在多颗CPU下工作，有效的摆脱了一个地方故障影响整个系统的弊端，并且控制更加精确、合理，能够节约大量的电缆材料，组态灵活，初期使用成本较低。如下图2
图2 远程监控模式示意图
但是由于采用的是lonworks总线或CAN总线等比较老的现场总线设计，它的通讯速度大打折扣，而水电站的通讯量是由于水电站的规模决定的，现在我国的小水电站已经很少了，集中监控的方式所能承受的通讯量较少，因此并不适用于大型水电站的自动化。
2.3 现场总线监控方式
上面两种监控方式都是以微电子技术辅以电子计算机技术发展起來的，而现场总线监控的方式则不同，因为他是以以太网、局域网、现场总线等计算机网络技术发展起来的，随着计算机网络技术的兴起，在上世纪九十年代末才逐渐应用于我国水电站自动化当中。
现场总线监控方式具有很强的针对性，充分考虑到了不同水电站的现状，实现了以间隔为基础的功能设计，具有前面两种监控方式的优点，并且能够大量的减少隔离设备、模拟量变送器等子段设备数量，可以实现与通信线的直接连接，减少电缆的使用，维护起来也较为简便，通讯量大、成本较低。另外，各装置的功能相对独立，装置之间仅通过网络连接，网络组态灵活，使整个系统的可靠性大大提高，任一装置故障仅影响相应的元件，不会导致系统瘫痪。因此现场总线监控方式是今后发电厂计算机监控系统的发展方向。
3 以PLC技术为核心的现场总线监控方式的运用
以PLC技术为核心的现场总线监控方式主要是采用可改变程序的PLC可编程控制器，对水轮机组的调速器进行可变性控制监控。PLC技术设备可以在机组试运转和运行中针对流域内的水流情况，自动或者及提示操作人员协联导叶、浆叶，取得最佳协联曲线而后修改原协联曲线输入PLC而使机组处实际最佳状态。此外采用PLC可编程控制器，利用操作程序可以根据电站水头高低来改变起动开度。使机组开机不致过速，避免置换芯片或撤除串接电阻等人力操作的麻烦，提高水电站的运行效率和安全。
4 结束语
综上所述，水电站采用综合自动化系统后不仅提高水电站运行的经济性和工作的可靠性、保证电能质量；而且提高劳动生产率、改善劳动条件和减少运行人员，从而提高电站运行的效益。例如利用计算机系统监控水库来水和中长期预报在内的优化运行，曲线绘制及科学调度，多发峰电等，每年可增加发电量2%左右；同时采用计算机监控电站各种参量及运行工况后，及时发现并排除事故隐患，事故后能及时处理事故，避免事故扩大，尽快恢复供电使系统事故率下降，处理事故时间减少，如此每年增加发电量1%左右；另外采用计算机监控在减少人员的同时也减少了相应的生活办公设备和工资支出，因而能产生巨大的经济效益。
可见，水电站综合自动化系统与水电站的生产、效益密切相关，随着国家能源结构的调整，水资源开发利用程度的加大，水电站综合自动化系统在越来越多的水利枢纽工程中得到更广泛的应用，发挥更大的作用。
参考文献
[1] 范辉，陆学谦．电气监控系统纳入DCS的几点体会[J]．电力自动化设备.2009
[2] 蒙宁海．火电厂厂用电系统监控方案的探讨[J]．2008
[4] 崔明.变电站与水电站综合自动化.2008
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：电气自动化；水电站；自动控制；电子技术
前言
水电站的自动化是实现水轮发电机组自动化的关键部分，它担负自动监测机组和辅助设备的状态，发出拟定的报警信号、执行自动操作任务。水电站自动化的程度取决于电站的规模，电站的型式及主要机电设备的性能。水电站自动化就是要使水电站生产过程的操作、控制和监视，能够在无人（或少人）直接参与的情况下，按预定的计划或程序自动地进行。水电站自动化程度是水电站现代化水平的重要标志，同时，自动化技术又是水电站安全经济运行必不可少的技术手段。水电站自动化具有提高工作的可靠性、提高运行的经济性、保证电能质量、提高劳动生产率、改善劳动条件等作用。
1 水电站自动化的主要内容
水电站自动化的内容，与水电站的规模及其在电力系统中的地位和重要性、水电站的型式和运行方式、电气主接线和主要机电设备的型式和布置方式等有关。总的来说，水电站自动化包括完成对水轮发电机组运行方式的自动控制、完成对水轮发电机组及其辅助设备运行工况的监视、完成对辅助设备的自动控制、完成对主要电气设备的控制、完成对水工建筑物运行工况的控制和监视几个方面。
1.1机组运行状况的自动控制与监测
发电机组运行状况的自动控制与监测主要通过现场监控设备和控制设备实现的，通过监控设备将监控数据发送到中控室计算机，计算机根据已经设定的运行程序判断水电机组的运行情况，并及时向控制设备发出相应的指令，实现开停机和并列、发电转调相和调相转发电等管理自动化的目的。除了保证机组的正常运行之外，水电站自动化还要自动维持水轮发电机组的经济运行，也就是根据机组运行情况自动选择最佳运行机组数，并不断调整运行数据，根据系统负荷变化自动调节机组的有功和无功功率，并通过对表征机组运行状况特性的参量跟踪监测值是否超出正常运行范围来判断运行设备的状态是正常、异常或故障进行监测，，并且要对机组运行过程中可能出现的故障及时检查发现排除故障，必要时要启动备用机组，保证供电秩序、安全。
1.2 辅助设备运行状况的自动控制与监视
辅助设备主要由油、气、水系统及其操作系统等组成。水电站的自动化也要实现对这些辅助设备运行状况的自动控制与监视。主要就是通过控制节点、监测设备和控制设备，将辅助设备的运行数据发送到计算机，计算机通过数据库对运行数据进行监测，控制辅助设备的电流、判断辅助设备是否处于正常工作的状态。一旦发现出现不正常工作状态或发生事故时，能够及时排查事故原因，并启动报警系统或紧急停机检查，保证机组的运行安全。
1.3 对主要电气设备的控制、监视和保护
水电站的主要电气设备有变压器、母线及输电线路等，水电站自动化也要实现对这些电气设备控制、监视与保护，主要是记录每一时间段的设备运行情况，根据运行数据判断输电线路是否畅通、母线是否正常使用、变压器是否正常工作。一旦出现安全事故要及时启预备设备并报警，排除电气设备事故保证供电安全。
1.4 对水工建筑物运行工自动控制和检测
水工建筑物主要指的是闸门、拦污栅、泄洪闸等建筑设施。如自动控制闸门开启数量，控制水量和水力，满足水电站的运行要求。拦污栅是否正常运行，是否有破损的地方，是否堵塞影响到水平。泄洪闸是否能正常开启，是否有必要开启确保大坝安全等等。
2 水电站监控模式选择
2.1 集中监控方式
这种监控方式优点是运行维护方便，控制站的防护要求不高，系统设计容易。但由于集中式的主要特点是将系统的各个功能集中到一个处理器进行处理，处理器的任务相当繁重，处理速度受到影响。由于电气设备全部进入监控，伴随着监控对象的增加随之而来的是主机冗余的下降、电缆数量增加，投资加大，长距离电缆引入的干扰也可能影响系统的可靠性。集中监控方式主要原理如下图1。
图1 集中监控方式示意图
集中监控方式设计比较简单，成本较低。但是由于线路采用的是硬地接线，一旦发生事故二次接线非常复杂，并且对于事故地点的判断也有较大的难度，这无形的增加了系统维护的难度，增加了系统维护人力成本，造成了不必要的浪费。
2.2 远程监控模式
远程监控方式也是我国水电站自动化实现过程中运用较早的一种方式，远程监控相对于集中监控方式而言，由于是在多颗CPU下工作，有效的摆脱了一个地方故障影响整个系统的弊端，并且控制更加精确、合理，能够节约大量的电缆材料，组态灵活，初期使用成本较低。如下图2
图2 远程监控模式示意图
但是由于采用的是lonworks总线或CAN总线等比较老的现场总线设计，它的通讯速度大打折扣，而水电站的通讯量是由于水电站的规模决定的，现在我国的小水电站已经很少了，集中监控的方式所能承受的通讯量较少，因此并不适用于大型水电站的自动化。
2.3 现场总线监控方式
上面两种监控方式都是以微电子技术辅以电子计算机技术发展起來的，而现场总线监控的方式则不同，因为他是以以太网、局域网、现场总线等计算机网络技术发展起来的，随着计算机网络技术的兴起，在上世纪九十年代末才逐渐应用于我国水电站自动化当中。
现场总线监控方式具有很强的针对性，充分考虑到了不同水电站的现状，实现了以间隔为基础的功能设计，具有前面两种监控方式的优点，并且能够大量的减少隔离设备、模拟量变送器等子段设备数量，可以实现与通信线的直接连接，减少电缆的使用，维护起来也较为简便，通讯量大、成本较低。另外，各装置的功能相对独立，装置之间仅通过网络连接，网络组态灵活，使整个系统的可靠性大大提高，任一装置故障仅影响相应的元件，不会导致系统瘫痪。因此现场总线监控方式是今后发电厂计算机监控系统的发展方向。
3 以PLC技术为核心的现场总线监控方式的运用
以PLC技术为核心的现场总线监控方式主要是采用可改变程序的PLC可编程控制器，对水轮机组的调速器进行可变性控制监控。PLC技术设备可以在机组试运转和运行中针对流域内的水流情况，自动或者及提示操作人员协联导叶、浆叶，取得最佳协联曲线而后修改原协联曲线输入PLC而使机组处实际最佳状态。此外采用PLC可编程控制器，利用操作程序可以根据电站水头高低来改变起动开度。使机组开机不致过速，避免置换芯片或撤除串接电阻等人力操作的麻烦，提高水电站的运行效率和安全。
4 结束语
综上所述，水电站采用综合自动化系统后不仅提高水电站运行的经济性和工作的可靠性、保证电能质量；而且提高劳动生产率、改善劳动条件和减少运行人员，从而提高电站运行的效益。例如利用计算机系统监控水库来水和中长期预报在内的优化运行，曲线绘制及科学调度，多发峰电等，每年可增加发电量2%左右；同时采用计算机监控电站各种参量及运行工况后，及时发现并排除事故隐患，事故后能及时处理事故，避免事故扩大，尽快恢复供电使系统事故率下降，处理事故时间减少，如此每年增加发电量1%左右；另外采用计算机监控在减少人员的同时也减少了相应的生活办公设备和工资支出，因而能产生巨大的经济效益。
可见，水电站综合自动化系统与水电站的生产、效益密切相关，随着国家能源结构的调整，水资源开发利用程度的加大，水电站综合自动化系统在越来越多的水利枢纽工程中得到更广泛的应用，发挥更大的作用。
参考文献
[1] 范辉，陆学谦．电气监控系统纳入DCS的几点体会[J]．电力自动化设备.2009
[2] 蒙宁海．火电厂厂用电系统监控方案的探讨[J]．2008
[4] 崔明.变电站与水电站综合自动化.2008
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。