国网西藏电力有限公司巴河发电公司西藏自治区林芝市860000
摘要：近年来随着计算机技术和自动化技术的发展，水电站监控系统已发展成一个集计算机、控制、通信、网络、电力电子为一体的分层（主控层和现地控制层）、开放式、综合自动化系统，其具有数据采集处理、信息输出、记录、报表、安全运行、经济运行指导、功率控制等功能。水轮发电机组功率控制的具体过程是由操作员工作站给定负荷调整指令，指令通过通讯网络传递给现地监控系统，PID控制机组的导叶调速系统和励磁调节系统来调节机组的有功、无功功率。本文分析了水电站计算机监控系统的模糊PID功率调节。
关键词：水电站；计算机监控系统；模糊PID；
虽然我国中小水电设备制造水平已能基本满足实际需要，但是在低水头、大流量的小水电设备制造、长期运行技术以及机组自动控制技术等方面与国外先进水平相比还有相当大的差距。因此，研究适用于低水头、大流量的小型水电站水轮发电机组现有监控系统，实现水轮发电机组长周期安全、稳定、经济运行就具有十分重要的意义。
一、水电站计算机监控系统设计
水电站是将水能转换为电能的综合工程设施，一般包括由挡水、泄水建筑物形成的水库和水电站引水系统、发电厂房、机电设备等。水库的高水位水经引水系统流入厂房推动水轮发电机组发出电能，再经升压变压器、开关站和输电线路输入电网。水力发电也是一种可再生性的清洁能源，而其本身具有随机性。水力发电与太阳能、风能发电不同的是虽然水量主要靠河流及降雨，但是通过建造水库，水量是可以积聚、储存的，因此可以在一定的时间阶段内人为的控制水电。在过去很长一段时间，水电站的监控都是依靠工作人员的现场控制。水电厂计算机监控系统是指整个水电站设备的控制、测量、监视和保护均由计算机系统来完成，代替了原来常规控制设备的监视测量表计，完成机组的开停机、断路器等开关设备的控制，同时还对自动发电控制，自动电压控制，电站机组、变压器、线路等各种运行设备参数进行在线监视，越限参数报警、记录设备运行状态、历史参数查询，事故追忆，报表打印，完成监控系统设备的自检，是对整个电厂所有设备进行控制、测量、监视和保护的自动控制系统，从而完成电厂的优化运行整个监控系统的核心部分是现地控制单元。监控系统另一个主要部分是计算机监控中心的数据库。数据库记录系统的开关量、模拟量、脉冲量、电气量、温度量等信息，供计算机系统实现画面显示及更新、控制调节、记录检索、操作指导、事故记录分析、制表打印及完成各种计算。同时数据库内设置目标运行参数，与生产过程形成的数据进行对比，以形成执行参数，指导执行机构动作，完成对水电站设备的反馈控制回路。
二、水电站计算机监控系统的模糊PID功率调节
1.机组PID程序功能。计算机监控系统对机组的控制功能主要有：一是机组的顺控操作，以开机、停机为主；二是机组有功率的PID调节。水电站计算机监控系统对调速器系统的调节采用开度调节方式，即通过计算机监控系统发出脉冲信号，控制调速器系统的导叶开度，达到调节机组负荷的目的。PID调节程序的功能，就是在机组并网发电后控制和调节机组的有功功率，并将其发值保持在设定的要求范围内。其功能可分为3个方面：1）负荷调节：通过程序计算的脉冲量输出来控制机组有功功率的增加或减少。2）运行监视：在机组运行时监视其有功功率是否在设定范围内，如果超出，则对机组出力进行调节，以恢复到设定值范围内。3）调节保护：对机组的各项参数进行监视，防止机组在调节过程中出现异常，如果有问题则作出相应的反应和报警。
2.机组PID调节原理。计算机监控系统对机组有功功率的PID调节是典型的工业闭环调节。一个传统闭环控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入/输出接口，控制器的输出经过输出接口、执行机构加到被控系统上，控制系统的被控量经过传感器、变送器，通过输入接口送到控制器。在计算机监控系统中，PID调节程序就是控制器，开出继电器接点就是输出接口，调速器或励磁装置是执行机构，机组是最终的被控系统，机组的有功功率为被控量，电压互感器、电流互感器为传感器，交流采集装置或交流量变送器为变送器，模拟量或通信接口为输入接口，最终将被控量的值送回PID调节程序。
3.机组负荷调节。计算机监控系统调节程序，要求能快速、平滑、安全地将机组的有功功率调整到目标值。快速指能较快地响应负荷设定，在较短时间内将实发值调节到死区范围内，一般用时lmin～2min；平滑指有功功率不能出现大的超调而造成负荷波动；安全指调节过程中机组的各项参数不能超出允许的范围。
4.机组有功PID调节的模式。水轮机调速器有3种主要的调节模式：频率调节模式、开度调节模式和功率调节模式。频率调节模式一般用于并网前将机组带入额定转速，机组并网后一般用功率调节模式或者开度调节模式进行机组负荷的调节。一是调速器功率调节模式。调速器功率调节模式，即计算机监控系统直接给调速器下达机组功率给定值，由调速器完成机组有功功率的控制。如果调速器采用适应式变参数策略，由于其综合考虑了水头、导叶开度、开环增量等因素对调节的影响，故其具有机组有功功率调节过程的快速性和收敛性等优点。在功率调节模式下，计算机监控系统通过模出等方式给调速器下达模拟信号值，需考虑以下几点：1）调速器接收来自计算机监控系统的电流信号，并比较判断其需要增负荷或是减负荷，一旦此信号受到其他装置的干扰或端子松动或断线而发生波动甚至消失，势必造成机组有功功率的波动，严重时甚至发生溜负荷、甩负荷的情况；2）计算机监控系统通过变送器采集机组有功功率信号，转换成便于识别的数字量，再将数字量转换成调速器，会使机组发出的有功功率与实际有功功率存在偏差；3）功率调节模式由调速器本身进行负荷调节，其传递函数等受到水轮发电机各参数的影响，较难辨识。二是PID功能模块调节。调速器功率调节模式有较好的调节效果，但同时也存在较大的风险。目前，国内水电站机组负荷调节中用得较多的是计算机监控系统发出开出脉冲至调速器进行负荷调节的开度调节模式，即使开出端子出现松动，负荷也会保持在当时的实发值，不会出现溜负荷、甩负荷的情况，故其安全性较高，且调节效果也能满足相关规程、规范的要求。调节功能模块通过PID闭环控制算法实现一个闭环控制。在水电厂自动控制系统中，PID常用于机组功率的自动调节等场合。每个PID执行周期扫描一次测量值，并根据PID算法产生一次输出；当PID算法计算的输出脉冲宽度大于设定的上限值，实际输出以上限为准。每个PID执行周期叫做一次PID调节，当调节次数大于设定的最大调节次数时，结束调节。
PID控制是一种应用非常广泛的控制方式。利用模糊控制技术实现变积分系统的模糊控制，从而实现对常规PD控制器参数的智能调节，具有改善被控对象的动态和稳态性能的作用。在提高系统抗干扰性及参数实变的鲁棒性等方面优于常规Pm调节器。将模糊PID技术引入到水电厂的机组控制系统中，可以实现根据偏离了额定工况的转速（频率）偏差信号，实时生成生产控制参数，调节水轮机运行过程．从而达到减少停机时间，延长设备使用寿命的目的，对提高水轮发电机的稳态和动态性能，具有良好的效果。
参考文献
［1］徐晨光，刘晓黎．水电站经济运行理论及算法实现［Ｍ］．郑州：黄河水利出版社，２０１６．
［2］陈晓东．中小型水电厂自动发电控制技术的研究［Ｄ］．重庆：重庆大学，２０１８．
［3］廖亮．水轮发电机组监控系统研究［Ｄ］．重庆：重庆大学，２０１５．