黃雪花（西南科技大學(xué)城市學(xué)院，四川 綿陽 621010）

水電站自動控制系統(tǒng)的改造設(shè)計

黃雪花
（西南科技大學(xué)城市學(xué)院，四川 綿陽 621010）

隨著科技的發(fā)展，人們對電力系統(tǒng)的可靠性和自動化程度的要求也越來越高，因此，本文對傳統(tǒng)的水電站自動控制系統(tǒng)進行了一定的改造。在水位檢測系統(tǒng)、水輪機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)、勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)、導(dǎo)葉開度控制系統(tǒng)、智能監(jiān)測及自動化系統(tǒng)方面提出了新的設(shè)計方案，設(shè)計出高穩(wěn)定性、高可靠性、高安全性及高效益的水電站自動控制系統(tǒng)。

水電站；控制系統(tǒng)；自動化

目前，國家對小水站擴能增效出臺了相關(guān)政策，目的是提高水電站對電網(wǎng)的供電質(zhì)量，提高水電站自動化水平和提高用戶的經(jīng)濟效益。同時有的水電站庫容較小，水流量隨季節(jié)和氣候變化較大，原有控制設(shè)備采用全手動控制模式，造成自動化程度低、無智能采集儀表、在設(shè)備和電網(wǎng)異常情況下，不能快速保護停機的現(xiàn)象。因此，本文設(shè)計了水電站自動控制系統(tǒng)改造方案，這對于減人增效，改善工作條件，提高水電站的經(jīng)濟性和安全性都起到了較佳的效果。

水電站內(nèi)的設(shè)備包括利用水能生產(chǎn)電能而興建的一系列水電站建筑物及裝設(shè)的各種引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房、發(fā)電機、變壓器、各類開關(guān)設(shè)備、輸電線路等機電設(shè)備。系統(tǒng)根據(jù)安全、可靠、經(jīng)濟、高效的原則，通過改造，降低設(shè)備故障率，提高機組運行安全系數(shù)，提高單位水量的發(fā)電量，使得在枯水期和豐水期水電站的綜合發(fā)電效益最大，從而提高綜合經(jīng)濟效益。

詳細的改造目標(biāo)如下：

（1）根據(jù)前池水位的變化趨勢和變化量自動、精確調(diào)節(jié)機組的導(dǎo)葉開度和機組運行數(shù)量，使電站維持運行在一個比較高的水頭，提高單位水量的發(fā)電量。使得電站在枯水季和豐水季綜合發(fā)電效益最大，提高用戶經(jīng)濟效益。

（2）自動精確調(diào)節(jié)水輪機轉(zhuǎn)速，提高電站供電質(zhì)量，滿足電網(wǎng)要求。提高電站效益。

（3）根據(jù)電網(wǎng)負載變化情況和機組狀態(tài)自動調(diào)節(jié)勵磁。實現(xiàn)功率因數(shù)自動調(diào)節(jié)，使得功率因數(shù)穩(wěn)定在電網(wǎng)規(guī)定值，降低電網(wǎng)罰款，提高電站效益。

圖1 水位檢測系統(tǒng)示意圖

圖2 水輪機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)示意圖

（4）智能化監(jiān)控儀表，使得機組運行參數(shù)采集能精確、快速，并通過自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制。智能監(jiān)測發(fā)電機輸出電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、軸瓦溫度、蝸殼水壓力、尾水真空度、前池液位等。

（5）使用監(jiān)控，降低工作人員勞動強度，并實現(xiàn)機組采集數(shù)據(jù)的記錄與查詢，為電站的運行、維護及進一步增加發(fā)電量，提供了有利的數(shù)據(jù)支撐。

（6）記錄兩臺機組的運行時間，使得兩臺機組設(shè)備運行在相同的經(jīng)濟使用壽命內(nèi)，降低電站的單臺維護費用，提高綜合經(jīng)濟效益。

（7）監(jiān)測勵磁系統(tǒng)回路、負荷變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速劇變的緊急情況時，能夠快速關(guān)閉導(dǎo)葉防飛車，為機組的安全提供更好的保護。

一、水位監(jiān)測系統(tǒng)

對于發(fā)電廠來說，除了電氣數(shù)據(jù)以外，還需要傳感器測量其他數(shù)據(jù)。原水電站的控制站沒有遠程前池水位監(jiān)測系統(tǒng)，且未與導(dǎo)葉開度實現(xiàn)聯(lián)控。在電網(wǎng)允許的情況下，來水量少于發(fā)電用水量時，發(fā)電機組單位水量的發(fā)電量下降；來水量超過發(fā)電用水量時，發(fā)電機組沒有全負荷運行，多余的水被丟棄，從而導(dǎo)致用戶經(jīng)濟效益下降。水位監(jiān)測系統(tǒng)采用高可靠、高分辨率的智能化儀表，能夠?qū)崟r的、不間斷的采集前池液位的變化值，通過通訊或遠傳信號送至自動化控制系統(tǒng)完成量化和智能化計算。為導(dǎo)葉的開度、機組的運行數(shù)量提供重要不可缺的數(shù)據(jù)支撐。

二、水輪機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)

原控制站無水輪機轉(zhuǎn)速測量控制系統(tǒng)，造成轉(zhuǎn)速未穩(wěn)定在最優(yōu)狀態(tài)，加之勵磁系統(tǒng)為恒磁場運行模式，造成供電質(zhì)量低。水輪轉(zhuǎn)速未檢測，在失磁和電網(wǎng)負荷劇變的情況下，不能及時反映轉(zhuǎn)速，帶來很大的安全隱患。

我國規(guī)定電力系統(tǒng)正常的頻率標(biāo)準(zhǔn)為50Hz±0.2Hz。水輪機的轉(zhuǎn)速直接與發(fā)電頻率相關(guān)，可靠、高精度的轉(zhuǎn)速測量為穩(wěn)定電網(wǎng)質(zhì)量提供強力的支撐。轉(zhuǎn)速作為發(fā)電系統(tǒng)最重要參數(shù)之一，在發(fā)電系統(tǒng)的啟動、停機、運行各個環(huán)節(jié)都非常重要。在啟動階段，合適的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓，為穩(wěn)定可靠地投入電網(wǎng)提供基礎(chǔ)。在運行階段可間接反應(yīng)負荷的變化情況，防止飛車現(xiàn)象的發(fā)生。在停機階段，轉(zhuǎn)速測量值為手動制動飛輪提供數(shù)據(jù)支撐，控制導(dǎo)葉控制機構(gòu)自動關(guān)閉導(dǎo)葉，使得轉(zhuǎn)輪速度下降到安全范圍，使操作更安全。

三、勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)

原控制站無自動勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，原有系統(tǒng)老舊不能根據(jù)電網(wǎng)和機組狀態(tài)的變化而變化，不能保證有功功率與無功功率的功率比，造成供電功率因數(shù)不滿足電網(wǎng)規(guī)定，供電質(zhì)量較低，造成電網(wǎng)對用戶的考核不達標(biāo)。

勵磁系統(tǒng)作為發(fā)電機機組最為重要的調(diào)節(jié)設(shè)備之一。其技術(shù)重點在于選擇與發(fā)電機相適應(yīng)的技術(shù)上先進、工作可靠的勵磁裝置。改原恒磁場勵磁方式為變磁場自動勵磁。勵磁控制器只需要一鍵啟動后，即可實現(xiàn)勵磁控制全自動，無人值守也可以運行。

1 主要特別功能：

（1）發(fā)電機起勵后自動跟蹤電網(wǎng)電壓；

（2）并網(wǎng)后按設(shè)定的功率因數(shù)值運行，實現(xiàn)恒功率因數(shù)；

（3）跳閘后電壓自動回復(fù)到設(shè)定值，防止過電壓；

（4）自動識別停機過程并進行滅磁控制；

（5）“單機運行”運行時自動按設(shè)定電壓運行，能保持發(fā)電機電壓恒定；

（6）可以特別針對勵磁運行不穩(wěn)定的機組進行參數(shù)設(shè)定；

（7）發(fā)電機過電流時自動減少勵磁，防止發(fā)電機過電流；

（8）設(shè)定值密碼保護，防止參數(shù)被無關(guān)人員修改；

（9）配備上位機通訊接口，實現(xiàn)計算機控制。

2 技術(shù)參數(shù)

（1）適用范圍

①適用于機端電壓為400V的無刷勵磁同步發(fā)電機。

②勵磁控制器適用：勵磁電壓0～180V勵磁電流0～20A。

（2）輸入信號

電流：額定電流5A，經(jīng)電流互感器接入。

電壓：發(fā)電機電壓400V，電網(wǎng)線電壓400V。

并網(wǎng)識別：用并網(wǎng)斷路器輔助常開接點。

勵磁輸出：勵磁電壓0～180V，勵磁電流0～18A（0～20A）。

四、導(dǎo)葉開度控制系統(tǒng)

原導(dǎo)葉控制采用人工手動操作，調(diào)節(jié)不及時，不準(zhǔn)確，機組發(fā)電量受影響。在水輪轉(zhuǎn)速劇變的情況下，不能自動控制導(dǎo)葉。

導(dǎo)葉的開度控制系統(tǒng)與水位監(jiān)測系統(tǒng)、智能采集系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)共同聯(lián)動。在水頭變化、負載變化、機組運行狀態(tài)變化，如失磁時，及時準(zhǔn)確的調(diào)整導(dǎo)葉開度，使得機組在安全、穩(wěn)定、高效的狀態(tài)下運行。本著經(jīng)濟的原則，仍采用原控制系統(tǒng)設(shè)計的三相異步交流電動機作為執(zhí)行機構(gòu)，其三相電源通過電源切換開關(guān)來判斷實用電網(wǎng)電源還是發(fā)電機組自身電，通過安裝在變速箱上的角度反饋測得導(dǎo)葉角度。也可遠程實現(xiàn)導(dǎo)葉的開關(guān)手動動作，并實時監(jiān)測導(dǎo)葉開度。

五、智能監(jiān)測及自動化系統(tǒng)

原控制采用機械式現(xiàn)場儀表，不帶遠傳、控制，無法做到遠程實時監(jiān)控、記錄、報警和機組關(guān)鍵部件自動調(diào)節(jié)。自動化水平低，控制精度低、控制不及時、人工勞動強度大，對人員要求高，投入高。并且設(shè)備老化，機組安全運行水平低，在非正常狀態(tài)下不能及時有效的對機組和電網(wǎng)設(shè)備提供可靠地保護。

智能化儀表采用國際標(biāo)準(zhǔn)MODBUS規(guī)約，進行通訊，抗干擾強，接線簡單，通訊方便。儀表采用通用的4-20級的電流信號，具有接線簡單，傳輸距離遠、抗干擾強等特點。

自動化控制系統(tǒng)就地部分改造，柜內(nèi)元器件采用一流品牌，保證可靠運行。包含西門子控制器、控制模塊、開關(guān)電源等。

監(jiān)控部分改造后能實時監(jiān)視現(xiàn)場控制系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)并顯示在友好的人機界面上。可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的歸檔，能查詢歷史數(shù)據(jù)、實時趨勢等功能。部分設(shè)備可以遠程操作，對重要機組參數(shù)實現(xiàn)高低限報警，并實現(xiàn)報警文本記錄。

人機界面主界面主要監(jiān)測機組各采集點數(shù)據(jù)并顯示，在遠程對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行一覽可視，簡介美觀的圖形化設(shè)計。在此界面可以遠程操作現(xiàn)場的設(shè)備動作。自動狀態(tài)：設(shè)備動作交由PLC程序邏輯自動完成。手動狀態(tài)：可單獨對某一設(shè)備進行操作。

歷史趨勢查詢界面可以對過往一段時間的機組參數(shù)自動進行歸檔記錄，為用戶的系統(tǒng)優(yōu)化提供良好的數(shù)據(jù)支撐。報警畫面實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)就行報警歸檔，并提供報警分級和聲音報警服務(wù)，讓用戶第一時間知道當(dāng)前狀態(tài)并處理響應(yīng)報警。為機組的安全可靠運行提供保障。

改造后實時采集各個智能化儀表參數(shù)，在機組狀態(tài)改變的情況下由自動化控制系統(tǒng)自動動作、保護或發(fā)出操作指令。因此，極大的降低了人員勞動強度。

結(jié)語

本系統(tǒng)可根據(jù)電網(wǎng)負載變化情況和機組狀態(tài)自動調(diào)節(jié)勵磁，通過自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制。智能監(jiān)測發(fā)電機輸出電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、軸瓦溫度、蝸殼水壓力、尾水真空度和前池液位等。通過改造，降低了設(shè)備的故障率，提高了機組運行的安全系數(shù)，同時，提高了綜合經(jīng)濟效益。

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