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1、水电站自动化教学的回顾与展望朱文杰长沙理工大学电气与信息工程学院Email：;摘 要：该文对水电站自动化教学进行了回顾，阐述了它的主要内容，还就水电站自动化的归口、内容更新、新世纪的任务、教材的规划等问题进行了论述展望。关键词：电控水机集于一体；智能水电站；教材规划Retrospect and prospect on teaching about automation of hydropower stationZhu-WenjieCollege of electrical and information engineering, Changsha University of Science a
2、nd TechnologyEmail：;Abstract: This paper reviews the teaching about automation of hydropower station, expounds its main contents, then discussed prospect on some of the problems about its attribution, content updates, the tasks of new century，teaching materials planning。Keywords:Electric,Control,Hyd
3、raulic,Mechanics in one set; Intelligent hydropower station; Teaching materials planning.1 引言水电站自动化课程是水电站自动化（水电生产过程自动化）、水电站机电设备、水电站动力设备专业的一门具有综合性质的主干专业课程，是电力系统自动化的一个重要分支。须先行掌握水力学、电路理论、现代控制理论、电力电子技术、水轮机原理、电机学、水轮机调节原理、微机原理及可编程控制器原理等方面的知识。其任务是使学生掌握水轮发电机自动操作、调节、监视、维护、事故分析及处理的基本理论、基本知识和基本技能，保证机组安全正常运行。其主
4、要内容从横的角度来说包括水轮发电机的自动并列、水轮发电机励磁的自动调节、频率和有功功率的自动控制、辅机的自动控制、水轮发电机组的自动操作等；从纵的角度来说有电磁控制、半导体逻辑控制、微机控制等发展过程，也是强电、弱电、微电的发展过程，也是自动化程度从单机自动化、综合自动化到全开放、分层分布式计算机监控系统发展过程，是一门把电、控、水、机集于一体的应用针对性很强的综合性学科。学生通过本课程的学习和相应实习，应掌握水电站常用自动装置的工作原理、控制策略与思想，掌握国内外水电站自动化新技术及其发展趋势（如全开放、分层分布式计算机监控集散系统DCS，还有基于现场总线的FCS），为以后从事水力发电站运行
5、、设计和科研打下良好基础。 2 水电站自动化教学的历史回顾2.1 清华的不足与华中工学院的新军突起“文革”中，水力发电被无情地分割成“水利”与“电力”，元气损害极大。“文革”后的恢复重建，虽然施嘉炀教授等满目青山夕照明，但清华对水轮发机组的电气控制部分却没有专门涉及。1982年，华中工学院（即华中理工大学，今华中科技大学）电力工程系电力系统及自动化专业教研室王定一教授总结中、俄等国水力发电生产实际控制方案中的成功经验，由电力工业出版社出版水电站自动化，这是中国历史上、也是中华人民共和国成立后关于水力发电生产控制的第1部教材，主要研究了水力发电生产过程中所有设备的高度协调与优化协同，把电、控、水
6、、机的理论与实践集于一体，是水力发电产业工人集体智慧的结晶，是改革开放后指导有中国特色的水力发电生产控制的纲领性文献，是中国水力发电史上的重要里程碑，是中国水力发电生产超越美国位居世界第1的行动指南（“空谈误国，实干兴邦”）。2001年王定一教授由中国电力出版社出版了水电厂计算机监视与控制，是一本全面和系统地反映了国内外在水电厂计算机监视和控制方面科研成果和技术成就的电力科技专著，体现系统性和整体性。2.2 湖南省境内的水电站自动化高等教育1986年，王定一教授的1982年版水电站自动化在湖南得到翻印，根据湖南省情供1984级统招水电站机电设备专科班使用。19871997年，采购刘忠源、徐睦书
7、合编的1985年由中国水利电力出版社出版的水电站自动化，供19851995级统招水电站机电设备专科班使用；此间和此后，还为相近专业开设水电站自动化使用过楼永仁、黄声先、李植鑫合编的1995年由中国水利水电出版社出版的版本。教学中，把同期、励磁等装置的线路图，主机、辅机等控制的二次展开图，以及机械液压系统图等，制成教学挂图，在课堂上认真讲解原理及动作流程，分析指出调相压水系统控制电路的错误，并进行更正性设计或其他控制设计。还奔赴水电站现场进行实习讲解，帮助学生弄清所有设备的协调控制，做到现场掌握机组细部结构及自动化元件（信号器/执行器）的布置位置，以便能够准确判断、快速处理可能的事故或故障。电、
8、控、水、机的理论与实际控制电路集于一体，深入浅出、庖丁解牛式的讲解，为这些机电专科班的水力发电生产操作与管理打下了全面而良好的基础，是湖南省五强溪、江垭等一大批水电站的生产主力军。3 水电站自动化教学的主要内容3.1 自动并列的控制 水轮发电机的自动并列略述同期概念、方式、条件、脉动电压检查策略后剖析一种自动同期装置，如电磁型的ZZQ-1或半导体型的ZZQ-3A、ZZQ-5或数字式并列装置。我国断路器自动同期装置多使用原理粗糙的检同期（恒定导前时间者略优于恒定导前相角者），很多不具备自动识别差频并网和合环并网的功能，同期接线设计和布线复杂，给提高自动化程度带来阻滞。 值得指出：数字式并列装置微
9、处理器（MPU）具有高速运行和逻辑判断能力，指令周期以s计，这对于发电机20ms/50Hz的电压信号来说，有足够充裕的时间进行相角差和滑差角频率近乎瞬时值的运算，并按照频差的大小和方向、电压差的大小和方向，确定相应的调节量，对机组进行精确调节，以达到满意的并列控制效果。3.2 发电机励磁的自动控制 水电站一般在距离负荷中心较远的山区，必须考虑长距离输电的稳定性和无功功率的控制问题，以及线损。水轮发电机励磁的自动调节应从电力系统稳定性角度来阐述励磁调节器所起的光辉作用，介绍自、他、复电机励磁方式及自并励、各种自复励可控硅励磁方式及无刷励磁方式后剖析自动励磁调节器，电磁型的复励、相复励调节器及其原
10、理缺陷、可控硅励磁调节器辅助单元作简述，可控硅励磁主电路及其调节器调差、测量、放大、移相（多种移相法）诸主要单元相对作详述，还举例给出这种闭环控制系统的函数方块图，并进行稳定性分析。 可编程序控制器励磁系统可不断地对发电机定子三相电压、励磁电流进行采样，从而计算出发电机端电压、励磁电流当前值，测量并计算机组频率当前值等；调节量经输入调理后进入PLC，PLC进行A/D转换、各种控制运算后设定PLC移相设定值，每10ms内计算控制角增量一次，以更新控制角，数字移相触发是把算出的控制角折算成对应的延时t=T/360（T为晶闸管交流电源周期），t乘计数脉冲频率则得计数脉冲数，PLC移相期间，独立于CP
11、U工作；同步电压经输入调理后产生同步脉冲，PLC接受同步脉冲，响应中断后将延时t，控制移相到设定值发出脉冲，即为同步移相脉冲，经脉冲分配、脉冲放大输出为六路双窄脉冲（脉宽0.8ms，可调），去触发相应的可控硅；同时PLC接受输入开关信号、操作指令，参与运算过程并根据控制算法发出相应操作命令或信号输出；所有输入输出均形成事件顺序记录，方便装置的故障检查。 3.3 成组调节与系统调频 系统调频离不开水轮发电机组，频率和有功功率的自动控制所采用的主要方法可结合装设电液或微机调速器的水电站采用的频率和有功成组调节装置作介绍。现代电力系统调频的主要任务不仅要维持频率在给定水平，还要考虑机组负荷的经济分配
12、和保持电钟准确性，被称为二次调节的系统调频可自动改变功率给定值移动调速器之调节特性来实现，调速器的控制电机称为同步器或调频器，是个积分环节。顺便指出，基于分层控制原理，梯级调度自动发电控制与电站自动发电控制处于两个不同的层次，梯调AGC主要是根据计划电量、交换功率、系统频率及水能最优利用的等微增率原则，在各个梯级电站（或母线）分配有功，使区域频率、交换功率、累积计划电量偏差控制在一定范围。而电站AGC主要是根据梯调下达的有功值，按等微增率原则分配到水电站每个机组。 3.4 自动化基础元件与辅机的自动控制 水电站自动化元件有转速、压力、温度、液位、示流、油混水、剪断销剪断等信号元件以及电磁阀、电
13、磁配压阀、电磁空气阀等执行元件，是水电站自动化的基础，被称为耳目和手脚，在计算机监控系统中演化为传感器和执行器，成为I/O设备，与控制硬件、控制软件、人机接口及与信息系统连成完整的计算机监控系统。辅机的自动控制实际上是异步电动机起停控制，控制目标及控制策略简单易掌握，在可编程序控制器中指令条数也很少，这里自保持的概念与实现是个基础。3.5 水轮发电机组的自动操作 水轮发电机组的自动操作实质上是个开环程序控制，可结合水力机械结构与工作原理、调速器工作原理、油水气引入条件、发电机投励要求、自动同期装置参与条件给出开机、停机、调相等工况互转流程图，从而导出继电控制二次展开图、半导体逻辑控制线路图，并
14、改绘成可编程序控制器识别的梯形图。 可以说水电站自动化是一门涉及多方面理论和新技术的综合性科学技术，从最早的机旁监视控制，发展到现在的成套计算机网络监控系统，经历了一定的时间。我国“一流水力发电厂”使用H9000全开放分布式计算机监控系统，实现了机组的自动开停，主辅设备的监视和AGC、AVC等功能，还满足了电网调度自动化要求。同时，计算机管理系统也由集中、封闭模式向开放、分层分布网络方式发展，MIS(管理信息系统)与OAS(办公自动化系统)相结合，为水电站群进行网络管理奠定了技术基础，通过局域网和广域网与INTRANET及INTERNET网连接，管理人员可通过远程工作站对所负责管理的部门进行数
15、据交换和远程管理。4 水电站自动化教学的展望4.1 水电站自动化的归口问题水电站动力设备专业往水电站机电设备专业方向发展是个进步，水电站自动化研究水电站所有设备及它们的高度协调与优化协同，是水电站机电设备的最高层次。1952年院系调整时电力工程系的“发电厂和输配电教研室”就是后来的“电力系统及其自动化教研室”，还是把“发电厂”放在前面。水电站自动化的根本任务是安全、经济、友好地自动发电，是电力系统自动化的重要组成部分，前进方向是与智能电网相适应的智能化。所以水电站自动化的教学与科研归口“电力系统及其自动化教研室”或者“电气工程及其自动化教研室”。顺便指出，把电力网自动化等同于甚至涵盖电力系统自动化是片面的。4.2 电力系统安全运行与水轮发电机组黑启动当整个电力系统因故障停运、处于全“黑”状态时，不依赖外来电源帮助，仅仅利用系统中的水轮发电机组所储存的两种能量直流系统蓄电池储存的电能量和液压系统储存的液压能量，就完成机组自启动。之后由它带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个电力系统的恢复。可以说一个没有水电站的电力系统是一个不完整的电力系统，调峰、调频、调相、事故备用与旋转备用都是水电站的特殊作用。4.3 更新教
