兩個(gè)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(guó)能源轉(zhuǎn)型過程中是重要的一部分。即使是要低成本地運(yùn)行小型水力發(fā)電廠，仍需要高度自動(dòng)化。奧地利的WEB Windenergie AG目前使用WAGO控制技術(shù)對(duì)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(dòng)力只是兩個(gè)例子。十九世紀(jì)下半葉，人們發(fā)現(xiàn)了電動(dòng)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(dòng)機(jī)械。
　　那時(shí)，水力發(fā)電廠在德國(guó)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(gè)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(gòu)買設(shè)備，為工廠重新帶來了生氣。現(xiàn)在也正在對(duì)水力發(fā)電廠的整個(gè)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(yùn)營(yíng)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。“水力發(fā)電在混合可再生能源中扮演了重要的角色，因?yàn)樗梢匀觳婚g斷地供電，而不是僅當(dāng)陽光明媚或刮風(fēng)的時(shí)候才可供電。”
　　Steininger的評(píng)論并非空談，他對(duì)這些都有深刻的理解。WEB總部設(shè)在在奧地利Pfaffenschlag，旗下運(yùn)營(yíng)各種發(fā)電設(shè)施：風(fēng)電場(chǎng)、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(guó)、法國(guó)、意 大利、捷克共和國(guó)和加拿大。“由于Eberbach水力發(fā)電廠連接到一個(gè)水庫(kù)，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(shí)期或者其他發(fā)電廠無法滿足需求時(shí)，這里就會(huì)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(kù)位于水輪機(jī)機(jī)房3km之外。水流會(huì)經(jīng)一個(gè)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(dòng)兩臺(tái)混流式水輪機(jī)，每臺(tái)輸出達(dá)500kW。另一條通道將水運(yùn)至1.5km遠(yuǎn)的下一高度，那里安裝了另一臺(tái)100kW輸出的混流式水輪機(jī)。混流式水輪機(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(yùn)營(yíng)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。“是的，這座發(fā)電廠沒有采用最新的技術(shù)”，WEB維修和遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)測(cè)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(shí)間。他解釋說，“因?yàn)樾枰刂频狞c(diǎn)都分散在水電廠的整個(gè)區(qū)域，這種革新是巨大的。”水電廠覆蓋的區(qū)域更廣，而且這個(gè)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(kù)需使用水位傳感器，用于測(cè)量當(dāng)前的水量。如果水位升得過高，電機(jī)會(huì)打開閥門，從水庫(kù)放出定量的水。
　　“最大的挑戰(zhàn)是在運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)革新”
　　調(diào)壓室也安裝了類似的系統(tǒng)。“那里還有一個(gè)自動(dòng)化的過濾設(shè)備”，Bauer說。它可確保樹枝或樹葉不會(huì)進(jìn)入壓力管線。水位傳感器、位置發(fā)送器和電力驅(qū)動(dòng)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(hào)
　　為了對(duì)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。“最初，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(shí)回憶說。
　　“使用CODESYS對(duì)WAGO控制器進(jìn)行編程十分便捷輕松。”

　　在不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下逐漸取代1967年的過時(shí)控制技術(shù)。

　　WAGO-I/O-SYSTEM 750的控制器和總線模塊取代了過時(shí)的控制技術(shù)。

　　Christian Steininger負(fù)責(zé)這座水電站的運(yùn)行。

　　WEB當(dāng)時(shí)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(jì)算能力，同時(shí)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(shì)，“對(duì)于每個(gè)信號(hào)，從早期傳感器的20mA信號(hào)一直到三相電力測(cè)量模塊，I/O-System內(nèi)都有適合的總線模塊。”即使是復(fù)雜設(shè)備也能輕松無誤地集成。這樣可帶來諸多優(yōu)勢(shì)，例如，控制專員可輕松地將控制器連接到一個(gè)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(bào)警。
　　“最大的挑戰(zhàn)在于邊運(yùn)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(hào)。因此，雖然傳感器的信號(hào)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(hào)。通過這種方式，就可以一點(diǎn)一點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，避免完全中斷水力發(fā)電廠的運(yùn)行。
　　在現(xiàn)代化改造工作完成后，模擬舊信號(hào)的輸出模塊就被拆除，因?yàn)樗鼈円淹瓿墒姑Ｍ瑫r(shí)在現(xiàn)代化改造完成后，水輪機(jī)機(jī)房?jī)?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(jì)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(dòng)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(yùn)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(duì)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(jì)算能力和更高的速度。“為此，我們會(huì)使用像PFC200這樣的WAGO控制器。”據(jù)Bauer表示，這款控制器配有實(shí)時(shí)Linux，可提供足夠的處理能力。“并且WAGO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(gè)電廠的運(yùn)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(shí)際控制將遠(yuǎn)程進(jìn)行。“只有這樣，才能夠在奧地利的中心控制發(fā)電廠的啟動(dòng)與關(guān)閉”，Steininger解釋說。水電廠內(nèi)總共有十個(gè)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(huì)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(yùn)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。“我們每分鐘都記錄測(cè)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。”目前記錄范圍包括20多個(gè)不同的測(cè)量值，隨著控制技術(shù)不斷擴(kuò)展，還會(huì)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(kù)相連的電廠每天會(huì)根據(jù)降雨量在最佳供電時(shí)間范圍（3至18小時(shí)）內(nèi)供電 。冬季則恰好相反，有充足的水量流經(jīng)水庫(kù)，可支持24小時(shí)發(fā)電。“只有在所有功能都普遍自動(dòng)化后，我們才能夠?qū)崿F(xiàn)小型水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)”，Steininger解釋說。來自WAGO的控制技術(shù)將確保這里的運(yùn)營(yíng)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(shí)施。