兩個混流式水輪機(jī)通過附帶發(fā)電機(jī)產(chǎn)生高達(dá)1MW的電能輸出。
歷史與現(xiàn)代并存
可再生能源，例如水力發(fā)電，在德國能源轉(zhuǎn)型過程中是重要的一部分。即使是要低成本地運行小型水力發(fā)電廠，仍需要高度自動化。奧地利的WEB Windenergie AG目前使用WAGO控制技術(shù)對奧登瓦爾德附近的Eberbach水力發(fā)電廠進(jìn)行現(xiàn)代化改造。
人類早已利用水能上千年。灌溉和機(jī)械動力只是兩個例子。十九世紀(jì)下半葉，人們發(fā)現(xiàn)了電動力發(fā)電機(jī)，水電的使用得到迅速推廣，尤其是用來提供照明和驅(qū)動機(jī)械。
那時，水力發(fā)電廠在德國如雨后春筍般涌現(xiàn)，為附近的商業(yè)和住宅區(qū)提供電能。其中一個典型的例子就是目前仍挺立在奧登瓦爾德附近的Eberbach。這座水力發(fā)電廠建于1922年，總輸出量約1MW，目前已列入歷史保護(hù)遺跡范圍。奧地利公司W(wǎng)EB Windenergie于2013年購買設(shè)備，為工廠重新帶來了生氣?，F(xiàn)在也正在對水力發(fā)電廠的整個控制技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)代化改造。
“現(xiàn)代化”的挑戰(zhàn)
據(jù)WEB負(fù)責(zé)運營水力發(fā)電廠的工程師Christian Steininger稱，投入是值得的，且不單單是從歷史保護(hù)這層意義上?！八Πl(fā)電在混合可再生能源中扮演了重要的角色，因為它可以全天不間斷地供電，而不是僅當(dāng)陽光明媚或刮風(fēng)的時候才可供電。”
Steininger的評論并非空談，他對這些都有深刻的理解。WEB總部設(shè)在在奧地利Pfaffenschlag，旗下運營各種發(fā)電設(shè)施：風(fēng)電場、光伏電站和水電站。而且在地理范疇上，也不僅是在奧地利，還覆蓋德國、法國、意 大利、捷克共和國和加拿大?！坝捎贓berbach水力發(fā)電廠連接到一個水庫，我們可以根據(jù)需要進(jìn)行精準(zhǔn)發(fā)電。尤其是在高峰時期或者其他發(fā)電廠無法滿足需求時，這里就會發(fā)揮重要作用”，Steininger解釋說。
1922年建造的水電站現(xiàn)已成為受保護(hù)的歷史遺跡。
水庫位于水輪機(jī)機(jī)房3km之外。水流會經(jīng)一個開放式渠道流入所謂的調(diào)壓室，這里起到壓力緩沖的作用。從調(diào)壓室出來，水流從壓力管線流入30m之下的水輪機(jī)機(jī)房。在那里，水流驅(qū)動兩臺混流式水輪機(jī)，每臺輸出達(dá)500kW。另一條通道將水運至1.5km遠(yuǎn)的下一高度，那里安裝了另一臺100kW輸出的混流式水輪機(jī)?；炝魇剿啓C(jī)的發(fā)電機(jī)提供的電壓為5kV，升壓至20kV后供應(yīng)給當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)運營商的中壓電網(wǎng)。發(fā)電廠的控制技術(shù)最近一次更新是在1967年?！笆堑?，這座發(fā)電廠沒有采用最新的技術(shù)”，WEB維修和遠(yuǎn)動監(jiān)測工程師Alexander Bauer稱。他已參與Eberbach水電廠現(xiàn)代化和控制技術(shù)轉(zhuǎn)換工作近兩年時間。他解釋說，“因為需要控制的點都分散在水電廠的整個區(qū)域，這種革新是巨大的?！彼姀S覆蓋的區(qū)域更廣，而且這個區(qū)域內(nèi)有大量不同的位置都需要加入控制技術(shù)。例如在水庫需使用水位傳感器，用于測量當(dāng)前的水量。如果水位升得過高，電機(jī)會打開閥門，從水庫放出定量的水。
“最大的挑戰(zhàn)是在運行中實現(xiàn)革新”
調(diào)壓室也安裝了類似的系統(tǒng)?！澳抢镞€有一個自動化的過濾設(shè)備”，Bauer說。它可確保樹枝或樹葉不會進(jìn)入壓力管線。水位傳感器、位置發(fā)送器和電力驅(qū)動裝置的信息也必須能夠傳送到控制器并由控制器控制。
模擬舊控制系統(tǒng)的信號
為了對控制技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)代化改造，WEB選用了WAGO-I/O-SYSTEM 750及WAGO的以太網(wǎng)控制器?！白畛?，我們的核心問題在于哪些工作應(yīng)該由系統(tǒng)完成”，Bauer在談到控制解決方法的選擇過程時回憶說。
“使用CODESYS對WAGO控制器進(jìn)行編程十分便捷輕松?！?/strong>
在不間斷運轉(zhuǎn)的情況下逐漸取代1967年的過時控制技術(shù)。
WAGO-I/O-SYSTEM 750的控制器和總線模塊取代了過時的控制技術(shù)。
Christian Steininger負(fù)責(zé)這座水電站的運行。
WEB當(dāng)時選擇了750-880控制器，它不但具有滿足控制任務(wù)需求的充足計算能力，同時還可靈活配備WAGO I/O-System的功能模塊，執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。Bauer描述了決定性的優(yōu)勢，“對于每個信號，從早期傳感器的20mA信號一直到三相電力測量模塊，I/O-System內(nèi)都有適合的總線模塊?！奔词故菑?fù)雜設(shè)備也能輕松無誤地集成。這樣可帶來諸多優(yōu)勢，例如，控制專員可輕松地將控制器連接到一個外部GSM模塊，并讓此模塊通過短信和電子郵件的方式向外發(fā)送報警。
“最大的挑戰(zhàn)在于邊運行邊進(jìn)行改造”，Bauer稱。由于功能需要逐步由新的控制器來執(zhí)行，WAGO控制器需要在轉(zhuǎn)換期間持續(xù)為舊控制器提供輸入信號。因此，雖然傳感器的信號已連接到新控制器上，但新控制器I/O-System中的模擬量和數(shù)字量輸出模塊仍需要模擬這些信號。通過這種方式，就可以一點一點進(jìn)行轉(zhuǎn)換，避免完全中斷水力發(fā)電廠的運行。
在現(xiàn)代化改造工作完成后，模擬舊信號的輸出模塊就被拆除，因為它們已完成使命。同時在現(xiàn)代化改造完成后，水輪機(jī)機(jī)房內(nèi)也將添加現(xiàn)代的觸摸面板，補(bǔ)充可視化功能。但大部分舊有配電盤將得到保留，甚至顯示裝置也將由WAGO控制器控制。
水輪機(jī)控制需要更高的計算能力
目前，水電廠幾乎所有部分都已轉(zhuǎn)為使用WAGO控制器的新控制技術(shù)。只有混流式水輪機(jī)的控制裝置還沒有轉(zhuǎn)換。通過調(diào)節(jié)水輪機(jī)中的控制儀器，轉(zhuǎn)速和輸出可以得到調(diào)節(jié)。在啟動過程中，控制器首先必須妥善調(diào)整轉(zhuǎn)速，保證發(fā)電機(jī)的運行能與網(wǎng)絡(luò)同步。在同步后，控制器只需調(diào)整輸出。
“水輪機(jī)的調(diào)整相對來說困難一些”，Bauer解釋說。與其他控制任務(wù)相比，它需要更強(qiáng)的計算能力和更高的速度。“為此，我們會使用像PFC200這樣的WAGO控制器。”據(jù)Bauer表示，這款控制器配有實時Linux，可提供足夠的處理能力?！安⑶襑AGO控制器的編程使用CODESYS，十分方便?！?
從奧地利進(jìn)行操作和查看
在控制技術(shù)完成現(xiàn)代化改造后，整個電廠的運行僅需一人即可。他或她將負(fù)責(zé)維護(hù)、維修和小規(guī)模的中斷補(bǔ)救。水力發(fā)電廠的實際控制將遠(yuǎn)程進(jìn)行?！爸挥羞@樣，才能夠在奧地利的中心控制發(fā)電廠的啟動與關(guān)閉”，Steininger解釋說。水電廠內(nèi)總共有十個控制器，它們彼此之間通過Modbus TCP通信。但要借助IPsec與“虛擬專用網(wǎng)絡(luò)”(VPN)來與奧地利的控制中心連接。
據(jù)Alexander Bauer表示，將可視化集成到WAGO控制器會帶來極大的便利，“由于這些都是在控制器的Web服務(wù)器上運行，所以我們可輕松通過VPN在控制中心訪問。”而且，還能輕而易舉地解決操作數(shù)據(jù)的記錄和傳送問題?！拔覀兠糠昼姸加涗洔y量數(shù)據(jù)并保存到CSV文件中，然后可借助VPN進(jìn)行FTP傳送?！蹦壳坝涗浄秶?0多個不同的測量值，隨著控制技術(shù)不斷擴(kuò)展，還會加入更多。
現(xiàn)代控制技術(shù)確保經(jīng)濟(jì)可行性
夏季，與水庫相連的電廠每天會根據(jù)降雨量在最佳供電時間范圍（3至18小時）內(nèi)供電 。冬季則恰好相反，有充足的水量流經(jīng)水庫，可支持24小時發(fā)電。“只有在所有功能都普遍自動化后，我們才能夠?qū)崿F(xiàn)小型水電站的經(jīng)濟(jì)運營”，Steininger解釋說。來自WAGO的控制技術(shù)將確保這里的運營高效進(jìn)行。
Alexander Bauer負(fù)責(zé)控制技術(shù)的現(xiàn)代化改造以及具體實施。
