1 引言
隨著中央提出大力發展清潔能源的建設并為激勵農村和邊遠山區的進一步發展，國家對小水電事業給予越來越多的關注。我國的小型水電站在近20年得到了極為迅速的發展，其中以萬千瓦以下的小型水電站居多。對這些小型水電站的監控保護和自動控制也顯得尤為重要。本文主要講述了三菱FX2N系列PLC在水電站有功調節中的應用。
水電站的有功調節通常是通過調速器實現的，但當水輪機組并入電網運行時，對于單臺發電機來說轉速反饋幾乎不起作用。近年來，隨著自動發電控制(AGC)的需要，有功功率在控制系統中的調節品質已成為當前電力系統自動化領域的突出問題。
2 系統組成
本系統中控制的兩臺水輪發電機型號為SFW2500-10/1730、6.3kV/286A。本系統采用分層分布式布局，配置如圖1所示。主要由2個機組監控屏、發電機保護屏、公用監控屏、主編線路保護屏和電量屏構成。通訊采用高速以太網與上級調度、操作員工作站進行通訊。其中公用監控屏由可編程控制器(由三菱FX2N-80MR和2個FX0N-16EX擴展模塊組成)、自動準同期裝置、觸摸屏、電力測控儀和逆變電源組成，在公用監控屏中實現對發電機的有功調節。
圖1 系統配置圖
3 控制要求
在電力系統中，頻率與電壓是電能的2個主要質量指標，電力系統中的頻率變化的主要原因是由于有功功率不平衡引起的。系統的負荷經常發生變化，要保持系統的頻率為額定值，就必須使發送的功率不斷跟隨著負荷的變動，時刻保持整個系統有功功率的平衡。否則，系統的頻率就會大起大落，保證不了電能的質量，甚至會造成事故與損失。
當負荷吸取的有功功率下降時，頻率增高;當負荷吸取的有功功率增高時，頻率降低，即負荷調節效應。由于負荷調節效應的存在，當電力系統中因功率平衡破壞而引起頻率變化時，負荷功率隨之的變化引起補償作用。如系統中因有功功率缺額而引起頻率下降時，相應的負荷功率也隨之減小，能補償一些有功功率缺額，有可能使系統穩定在一個較低的頻率上運行。如果沒有負荷調節效應，當出現有功功率缺額系統頻率下降時，功率缺額無法得到補償，就不會達到新的有功功率平衡，頻率會一直下降，直到系統瓦解為止。
頻率和有功功率自動調節的方法主要有:
(1) 利用機組調速器的調節特性進行調頻;
(2) 根據頻率瞬時偏差，按比例分配負荷，構成虛有差調節頻率和負荷的方法;
(3) 按頻率積分偏差調節頻率，滿足“等微增率”原則分配負荷;
(4) 按給定負荷曲線調節有功功率(本文所介紹的是按給定負荷曲線調節有功功率)。
電站的調節系統應該使總功率等于負荷曲線給定的功率。而機組之間則按“等微增率”原則經濟分配負荷。如果系統頻率偏差不超過調頻電站所能補償的范圍，則調功電站的調節系統對頻率偏差不應作出任何響應。如果系統運行工況發生了變化，出現了較大的頻率偏差則調頻電站無力完全補償偏差值，那么調功電站的自動調節裝置應該作用于各臺機組的調速器，使之改變各臺機組的有功出力來幫助恢復系統頻率。
圖2 功率與頻率關系曲線
圖2示出功率與頻率的關系曲線。在死區
±Δfmax范圍內，頻率偏差信號Δf不起作用，此時電站的實際功率
與給定的總功率PG之間的偏差ΔP產生調節作用。
PG為電站負荷曲線給定裝置取得的，使由各臺機組有功功率測量元件測到的有功信號相加后得到的。 
時，兩臺機組的調節作用只受有功偏差ΔP的影響，而與頻率偏差Δf無關，此時調節特性方程為:
[NextPage]
4 系統的硬件設計
圖3示出系統硬件框圖。根據系統的控制要求配置硬件如下:
圖3 系統硬件簡圖
?控制器:三菱FX2N-80MR和兩個FX0N-16EX擴展模塊組成;
?人機界面:觸摸屏;
?其它設備:2個DC24V繼電器、功率表以及其它的輔助器件。
5 系統軟件設計
本系統確保整個系統頻率的穩定和電網的穩定供電�？刂屏鞒虉D如圖4所示。
[NextPage]
圖4 系統流程圖
部分梯形圖如圖5所示:當系統需要進行有功調節時，系統的軟件或是手動發出信號開始調節，此時采集1個實時有功數據此數據與設定值(即目標功率值)進行比較并進行數據處理算出需要調節的時間，然后發出信號使調節繼電器動所開始調節。如未達到則有可能是系統內部有故障。為了避免使程序進入死循環，則調節四次仍未能達到要求就自動中止程序)。如圖4所示，當M10接到觸發信號后瞬時接通使D300采到的瞬時有功功率數據與D301(設定值)進行比較。當D300 >D301時輸出信號M300使PLC的Y001輸出并使調節繼電器動作進行調節。
圖5 部分程序梯形圖
6 結束語
本文所設計的系統操作簡單、自動化程度高、應用廣泛。減小了小型水電站工人的勞動強度，增加了整個系統的穩定性。經過一段時間的認真測試證明該系統已經完全符合小型水電廠的有功調節的要求。