邓红 罗定市引水工程管理服务中心
水能如同太阳能、风能、地热能等能源形式一样属于可再生能源，利用水能发电对环境友好，有利于电力可持续发展[1]。在水力发电厂中，中小型水电站虽然在规模、实力上不如大型水电站，但也为我国电力发展做出了可观的贡献，例如小型水电站就贡献了8%左右的发电量[2]。水力发电属于连续生产形式，人工控制需要大量的人力资源，并且控制精度、稳定性也难以适应时代发展需要，自动控制技术的应用不仅减少人员投入，而且能保障水电站稳定运行，实现少人值守甚至无人值守[3]，这对于改善电能质量、降低运行与维护成本也发挥着重要作用，因此本文对自动控制系统在中小型水电站中的应用进行了分析。
1.1 自动控制
自动控制是指利用自动化装置控制设备，使其自动地按照预定程序运行。与人工控制相比，自动控制不需要人的直接参与就能自主运行。自动控制将人从复杂、单调、危险的工作中解放出来，可以降低人工成本，提高生产效率，而且自动控制稳定了生产流程，质量更稳定。
1.2 水电站中的自动控制系统
按照控制层级来看，水电站中的自动控制系统由低至高分为功能单元层级、机组层级和电站层级，而在电站层级之上还有电网层级（调度层级），由于电网层级超出了水电站管理范畴，本文不作讨论。功能单元层级主要是水电站附属设备，例如发电机组频率调控系统、励磁系统、供水系统、排水系统、压缩空气系统、闸门控制系统等。机组层级即水轮发电机组控制层级，控制机组启停、频率、电压、有功、无功等。电站层级对整个水电站进行监控，一般设在中央控制室内。
1.3 自动控制方式
自动控制系统的控制方式分为开环控制和闭环控制，前者只控制输入信号，不对输出信号进行回应。对于很少干扰、运行过程稳定的系统，较为简单的开环控制尚足以应付，但水电生产并不容易完全满足开环控制条件，这时候必须采用闭环控制。所谓闭环控制就是将系统输出信号或经过变换的输出信号与输入信号都进入系统中，通过反馈影响输出信号。闭环控制可以根据输出信号的变化适应外部环境，减少控制误差，但系统也因此变得复杂一些。
2.1 计算机监控系统
水电站自动控制经历了常规自动控制、集成电路控制阶段，现在普遍采用计算机控制系统，由于水电站设备的监视、测量、控制和保护均由计算机系统完成，故称计算机监控系统。在水电站中，计算机监控系统承担着数据采集、数据处理、运行监视、控制与调节、自动发电控制、自动电压控制、故障诊断、统计记录、制表打印、授权管理等多种功能。计算机监控系统由硬件与软件两部分构成，虽然硬件是计算机监控系统的物质基础，没有硬件不能成为系统，但系统离开软件也不能工作，系统稳定、可靠、安全地运行非常依赖软件质量。如前所述，自动控制系统从控制层级上可以分为电站层级、机组层级和功能单元层级，但计算机监控系统也常分为电站控制层（主控层）、现地控制层两个主要层级，也有将保护层单列的做法，所以以下主要分析电站控制层和现地控制层的功能、特点及相关技术情况。
2.1.1 电站控制层
电站控制层是水电站内的最高层级，一般设在中央控制室，用于对全站设备及生产过程进行监控，同时也要向电网监控层传输数据，并接受电网监控层的调度安排。该层的主要设备包括监控计算机（主计算机）、操作员工作站、工程师工作站、通讯服务器（通信管理机）、语音报警工作站、局域网设备、全球定位时钟系统、网络打印机、不间断电源装置（UPS装置）、运行人员主控台等。监控计算机用于监控全站生产过程，并可与电网监控层进行交流，一般设置双机互为热备用。操作员工作站用于生产中的操作、监视、管理，而工程师工作站侧重维护、诊断、培训等。操作员工作站通常也采用互为热备用的双机，工程师工作站一般设置一套。通讯服务器主要用于电站控制层与电网监控层之间数据通信，也用作站内各计算机通信及连接网络打印机。语音报警工作站用于传递报警信号。局域网设备由光收发机、光耦合器、以太网交换机、通信光缆、双绞线等设备组成，用于电站控制层到现地控制层的通讯。全球定位时钟系统通过全球定位系统校准时间，以满足各类事件顺序记录要求。网络打印机采用高分辨率、高速打印的激光打印机。UPS装置确保意外断电情况下的系统供电，能在交流电消失后连续供电1.5h。总之，电站控制层可提供数据采集、数据处理、安全监视、事件报警、运行监视、操作指导、系统异常监视、事件顺序记录、图形显示、控制操作、打印记录、自动发电控制（AGC）、自动电压控制（AVC）、人机交互、系统通信、语音报警等功能。系统采集的数据包括电气量和非电气量、数字量与模拟量。监视状态变化、异常状态、运行过程等。根据监测的数据分析机组运行趋势，预测故障发生，并对已进入故障范围的情况进行报警。对操作过程进行监视，指导一次设备倒闸操作，防止误操作。对系统进行在线诊断，发出故障报警信号，系统遇到故障后自动恢复，掉电时启动保护功能。AGC通过控制有功可确保水电生产安全、经济。AVC通过分配无功确保电能质量，同时满足安全、经济运行的要求。
2.1.2 现地控制层
现地控制层位于设备附近或旁边，直接对设备进行控制，属于自动控制系统的底层，但却属于整个系统的核心，其设备称为现地控制单元（LCU），在LCU柜上设有触控屏，可用来监视现地参数，还可以调整参数作为现场控制台。在LCU上还有与笔记本电脑等设备连接的接口，方便调试和维护。不过一些小型水电站出于降低成本、节省资金的考虑，不采用现地触控屏，而是以可编程控制器（PLC）的液晶屏和控制按键实现触控屏功能[4]。根据控制的设备，现地控制层中有机组LCU、公用LCU。机组LCU控制水轮发电机组及其辅助设备，公用LCU控制主变、开关站等公用设备。LCU监控设备并将采集的数据发送到电站控制层，同时接受电站控制层的指令，但脱离电站控制层后LCU仍能独立工作。LCU功能包括数据采集、数据处理、控制与调节、报警、数据通信、自诊断等功能。LCU可采集模拟量、开关量、电度量、综合量。机组LCU设有众多接口，能与微机保护、励磁、同期、调速器、进水蝶阀、温度监测装置等通讯。传统自动化控制系统中保护、励磁、同期、调速等独立设置，相互之间通过硬接线交换控制信号，并通过冗余配置保证可靠性，考虑到各分系统之间存在相互耦合关系，所以后来将保护、励磁、同期、调速等集成在一起，这套装置称为综合控制器或综合自动化系统，通过它能控制开停机顺序、开停机操作与监控、事故停机、紧急停机，还能控制辅助设备、断路器分合闸、有功/无功调节、自动准同期、进水闸门，以及水力机械的保护等多种功能。公用LCU能控制断路器分合闸、同期并列、隔离开关分合与操作闭锁、音响报警、厂用电断路器分合闸、公用设备启停、设备自诊断等。
2.2 自动控制系统的控制方法
2.2.1 机组开机控制
水轮发电机组开机可采用手动控制方式，但有了自动控制系统后开机的整套操作可以全部由系统自动完成，操作人员只需按下开机按钮或下达开机指令，系统就会根据各机组实际情况自动安排开机，例如刚开机失败的机组不能马上再开机，而选择停机较久的机组开机。一般开机顺序是：下达开机指令→打开闸门→开机升速→合上灭磁开关→启励建压→同期并网→调整同期参数→自动带负荷。下达开机指令后，系统自动检查是否满足开机条件。满足开机条件，先启动优先级高的机组。系统收到开机指令并且确定了开机的机组，在检查其闸门状态符合开机要求，即闸门无故障且未开启，则发出打开闸门命令，至闸门全开为止。闸门全开后，系统再次检查是否满足开机条件，例如水轮机有无故障等。开机后，系统再发出升速命令。当系统检测到升速已完成后，随即检查灭磁开关状态，如果灭磁开关处于分闸位置，系统就会输出合闸命令，否则跳过这一步，执行下一步操作。合上灭磁开关后，系统输出启励建压命令，在检测到机端电压符合要求（启励成功）后释放。完成启励建压以后，系统可以自动地进行同期并网。并网操作开始后，检查同期参数，若参数不符合要求，则自动调整参数，检测电压差和频率差已满足并网要求，就在同期点合闸并网。同期并网后，系统根据设置的规则自动带负荷。
2.2.2 机组停机控制
停机是开机的逆操作，但停机分为正常停机、事故停机、紧急停机。正常停机顺序是：减负荷、解列→灭磁→灭磁开关分闸→停机。下达停机指令后，检查是否满足停机条件。如果条件满足，系统逐步减少有功，当已卸下所有负荷，系统发出解列命令。完成解列，系统输出灭磁命令，如果励磁电压不下降，则执行减磁命令。完成灭磁后，灭磁开关分闸。分开灭磁开关后，继续按设定程序停机，包括减速、关闭冷却水、投入制动、停机复归等。当发生事故后，系统按事故停机程序停机。如果事故停机时发生销剪断或发电机转速过高，系统按紧急停机操作。事故停机时必须立即解列、灭磁、停机，而不像正常停机那样逐步减负荷，以保证停机时不损坏设备。紧急停机时，在事故停机基础上还要关上闸门。
2.2.3 机组顺序控制
水轮发电机组运行期间可能出现的状态包括发电、停机、空转、空载、不定几种情况，这些状态可以变换，反映机组生命期中的状态关系。自动控制系统要准确判断机组所处状态，再控制机组顺序。例如机组正常开机就要满足开机条件，包括正处于机组停机状态，机端断路器已分闸、没有启动复归保护、没有事故信号等，所以顺序控制是自动控制中非常重要的环节。以开机升速过程的顺序控制为例，系统接到开机升速命令，要检查并判断是否满足开机条件，满足则开闸。待闸门全开，再开机升速。升速成功，再合灭磁开关。每一步都有合理的顺序要求，顺序出错可能会产生严重后果，导致故障甚至损坏设备。
2.2.4 机组辅机设备的控制
水电站水轮发电机组辅机设备由油压装置、供水泵、漏油泵、滤水器、机组蝶阀等组成，现以油压装置为例分析机组辅机设备的自动控制。辅机设备的自动控制由辅机LCU完成，LCU通过PLC完成控制。油压装置中有2台油泵，互为备用，它产生的高压油为机组启动、停机、调整负荷提供操作力。油压传感器采集油压信号，油压装置要求保持油压稳定并且不超过设定范围。当油压过低或过高时发出报警信号，并且发出事故动作。1台油泵发生故障，自动切换为备用油泵。油位过低时也发出报警信号，切换油位正常的另一台油泵。
2.2.5 公用辅机设备的控制
水电站中的公用辅机包括空气压缩机、排水泵、通风设备和坝上闸门等，现以闸门控制为例介绍公用辅机的控制。闸门作为水电站发电机组后备保护设备，要求启动迅速、动作可靠，并与电站控制层有良好的通讯能力。闸门控制LCU由PLC控制器、传感器和闸门动力执行设备组成。传感器用于采集闸门启闭、开度大小、上下游水位、闸门启闭设备状态等参数，传感器类型有水位传感器、闸门开度仪、电量传感器等。PLC控制器用于对采集到的数据进行处理、储存和执行电站控制层的指令。闸门控制功能包括闸门正常启闭、紧急关闭、闸门下滑重新提升、闸前拦污栅清污、紧急抱闸刹车等。而LCU还要对闸门卡滞、飞车、粘连、下滑、越限、阻塞等发出报警和做出紧急处理。闸门水位控制采用模糊控制方式，因为水位的控制涉及上下游水位差和闸门开度的关系，采用传统PLC控制方式精确控制较为困难，模糊控制较易解决此类问题。闸门控制过程如下：系统上电后初始化，读取闸门开度数据，检查是否有提、落闸门命令。有提门命令，驱动启闭机提门，提门后检查闸门开度是否达到预期值，达到则停门返回，落门方式同理。在现地控制层通过现场总线建立通信网络，现地控制层与电站控制层通过工业以太网通信，实现上位机与闸门LCU之间的信息交换和指令传输。
随着国家对电网供电质量要求的提高，自动化技术在水电站中得到迅速推广，不仅提高了水电生产的稳定性、安全性和可靠性，而且显著改善了生产环境，提升了工作效率，减少了运行维护人员数量，所以电气人员应熟练掌握自动控制系统原理及相关技术，为在中小型水电站良好应用提供有力支撑。
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