能源行业-准确到位：水力发电

两个混流式水轮机通过附带发电机产生高达1MW的电能输出。

历史与现代并存

可再生能源，例如水力发电，在德国能源转型过程中是重要的一部分。即使是要低成本地运行小型水力发电厂，仍需要高度自动化。奥地利的WEB Windenergie AG目前使用WAGO控制技术对奥登瓦尔德附近的Eberbach水力发电厂进行现代化改造。

人类早已利用水能上千年。灌溉和机械动力只是两个例子。十九世纪下半叶，人们发现了电动力发电机，水电的使用得到迅速推广，尤其是用来提供照明和驱动机械。

那时，水力发电厂在德国如雨后春笋般涌现，为附近的商业和住宅区提供电能。其中一个典型的例子就是目前仍挺立在奥登瓦尔德附近的Eberbach。这座水力发电厂建于1922年，总输出量约1MW，目前已列入历史保护遗迹范围。奥地利公司WEB Windenergie于2013年购买设备，为工厂重新带来了生气。现在也正在对水力发电厂的整个控制技术系统进行现代化改造。

“现代化”的挑战

据WEB负责运营水力发电厂的工程师Christian Steininger称，投入是值得的，且不单单是从历史保护这层意义上。“水力发电在混合可再生能源中扮演了重要的角色，因为它可以全天不间断地供电，而不是仅当阳光明媚或刮风的时候才可供电。”

Steininger的评论并非空谈，他对这些都有深刻的理解。WEB总部设在在奥地利Pfaffenschlag，旗下运营各种发电设施：风电场、光伏电站和水电站。而且在地理范畴上，也不仅是在奥地利，还覆盖德国、法国、意 大利、捷克共和国和加拿大。“由于Eberbach水力发电厂连接到一个水库，我们可以根据需要进行精准发电。尤其是在高峰时期或者其他发电厂无法满足需求时，这里就会发挥重要作用”，Steininger解释说。

1922年建造的水电站现已成为受保护的历史遗迹。

水库位于水轮机机房3km之外。水流会经一个开放式渠道流入所谓的调压室，这里起到压力缓冲的作用。从调压室出来，水流从压力管线流入30m之下的水轮机机房。在那里，水流驱动两台混流式水轮机，每台输出达500kW。另一条通道将水运至1.5km远的下一高度，那里安装了另一台100kW输出的混流式水轮机。混流式水轮机的发电机提供的电压为5kV，升压至20kV后供应给当地网络运营商的中压电网。发电厂的控制技术最近一次更新是在1967年。“是的，这座发电厂没有采用最新的技术”，WEB维修和远动监测工程师Alexander Bauer称。他已参与Eberbach水电厂现代化和控制技术转换工作近两年时间。他解释说，“因为需要控制的点都分散在水电厂的整个区域，这种革新是巨大的。”水电厂覆盖的区域更广，而且这个区域内有大量不同的位置都需要加入控制技术。例如在水库需使用水位传感器，用于测量当前的水量。如果水位升得过高，电机会打开阀门，从水库放出定量的水。

“最大的挑战是在运行中实现革新”

调压室也安装了类似的系统。“那里还有一个自动化的过滤设备”，Bauer说。它可确保树枝或树叶不会进入压力管线。水位传感器、位置发送器和电力驱动装置的信息也必须能够传送到控制器并由控制器控制。

模拟旧控制系统的信号

为了对控制技术进行现代化改造，WEB选用了WAGO-I/O-SYSTEM 750及WAGO的以太网控制器。“最初，我们的核心问题在于哪些工作应该由系统完成”，Bauer在谈到控制解决方法的选择过程时回忆说。

“使用CODESYS对WAGO控制器进行编程十分便捷轻松。”

在不间断运转的情况下逐渐取代1967年的过时控制技术。

WAGO-I/O-SYSTEM 750的控制器和总线模块取代了过时的控制技术。

Christian Steininger负责这座水电站的运行。

WEB当时选择了750-880控制器，它不但具有满足控制任务需求的充足计算能力，同时还可灵活配备WAGO I/O-System的功能模块，执行相应的任务。Bauer描述了决定性的优势，“对于每个信号，从早期传感器的20mA信号一直到三相电力测量模块，I/O-System内都有适合的总线模块。”即使是复杂设备也能轻松无误地集成。这样可带来诸多优势，例如，控制专员可轻松地将控制器连接到一个外部GSM模块，并让此模块通过短信和电子邮件的方式向外发送报警。

“最大的挑战在于边运行边进行改造”，Bauer称。由于功能需要逐步由新的控制器来执行，WAGO控制器需要在转换期间持续为旧控制器提供输入信号。因此，虽然传感器的信号已连接到新控制器上，但新控制器I/O-System中的模拟量和数字量输出模块仍需要模拟这些信号。通过这种方式，就可以一点一点进行转换，避免完全中断水力发电厂的运行。

在现代化改造工作完成后，模拟旧信号的输出模块就被拆除，因为它们已完成使命。同时在现代化改造完成后，水轮机机房内也将添加现代的触摸面板，补充可视化功能。但大部分旧有配电盘将得到保留，甚至显示装置也将由WAGO控制器控制。

水轮机控制需要更高的计算能力

目前，水电厂几乎所有部分都已转为使用WAGO控制器的新控制技术。只有混流式水轮机的控制装置还没有转换。通过调节水轮机中的控制仪器，转速和输出可以得到调节。在启动过程中，控制器首先必须妥善调整转速，保证发电机的运行能与网络同步。在同步后，控制器只需调整输出。

“水轮机的调整相对来说困难一些”，Bauer解释说。与其他控制任务相比，它需要更强的计算能力和更高的速度。“为此，我们会使用像PFC200这样的WAGO控制器。”据Bauer表示，这款控制器配有实时Linux，可提供足够的处理能力。“并且WAGO控制器的编程使用CODESYS，十分方便。”

从奥地利进行操作和查看

在控制技术完成现代化改造后，整个电厂的运行仅需一人即可。他或她将负责维护、维修和小规模的中断补救。水力发电厂的实际控制将远程进行。“只有这样，才能够在奥地利的中心控制发电厂的启动与关闭”，Steininger解释说。水电厂内总共有十个控制器，它们彼此之间通过Modbus TCP通信。但要借助IPsec与“虚拟专用网络”(VPN)来与奥地利的控制中心连接。

据Alexander Bauer表示，将可视化集成到WAGO控制器会带来极大的便利，“由于这些都是在控制器的Web服务器上运行，所以我们可轻松通过VPN在控制中心访问。”而且，还能轻而易举地解决操作数据的记录和传送问题。“我们每分钟都记录测量数据并保存到CSV文件中，然后可借助VPN进行FTP传送。”目前记录范围包括20多个不同的测量值，随着控制技术不断扩展，还会加入更多。

现代控制技术确保经济可行性

夏季，与水库相连的电厂每天会根据降雨量在最佳供电时间范围（3至18小时）内供电 。冬季则恰好相反，有充足的水量流经水库，可支持24小时发电。“只有在所有功能都普遍自动化后，我们才能够实现小型水电站的经济运营”，Steininger解释说。来自WAGO的控制技术将确保这里的运营高效进行。

Alexander Bauer负责控制技术的现代化改造以及具体实施。