【摘要】介紹了WPET8000低壓機(jī)組化綜合控制系統(tǒng)的構(gòu)成和功能，以及在三河閘水電站自動(dòng)化改造中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】三河閘水電站；綜合控制系統(tǒng)；勵(lì)磁調(diào)節(jié)；發(fā)電機(jī)保護(hù)；調(diào)速器；自動(dòng)準(zhǔn)同期

1 引言

我國(guó)是水能資源十分豐富的國(guó)家，可開(kāi)發(fā)水能資源居世界第一位，在所有建成的水電站中，小水電站占據(jù)了很大的比例。對(duì)小水電供電質(zhì)量、穩(wěn)定性、可靠性提出了新的要求，小水電采用自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班或少人值班是技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，正是基于這種趨勢(shì)，三河閘水電站對(duì)機(jī)組進(jìn)行了改造，選用了極高性價(jià)比的WPET8000低壓機(jī)組化綜合控制系統(tǒng)。

2 工程概況

三河閘是淮河下游入江水道的控制口門，是淮河流域性骨干工程。它是建國(guó)初期我國(guó)自行設(shè)計(jì)自行施工的大型水閘。三河閘工程的建成，極大地減輕了淮河下游的防洪壓力，保證里下河地區(qū)不再受到淮河洪水災(zāi)害之苦。

三河閘水電站興建于1972年，利用左、右岸墻空箱各安裝一臺(tái)小型水輪發(fā)電機(jī)組，分別于2013年、2015年對(duì)機(jī)組進(jìn)行了升級(jí)改造，目前每臺(tái)裝機(jī)容量為200kw，水輪機(jī)型號(hào)ZDT03-LM-120，為發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF200-20/990，控制系統(tǒng)為WPET8000低壓機(jī)組化綜合控制系統(tǒng)。

3 WPET8000低壓機(jī)組化綜合控制系統(tǒng)的構(gòu)成

目前小水電站低壓機(jī)組的自動(dòng)化設(shè)備大約可劃為三類。第一類配置較高，基本采用高壓機(jī)組的配置模式。第二類配置最簡(jiǎn)單，此裝置具有簡(jiǎn)單的調(diào)頻功能、甩負(fù)荷自動(dòng)關(guān)機(jī)功能、按水位調(diào)節(jié)有功的功能、半自動(dòng)同期功能等。但是由于不能調(diào)節(jié)勵(lì)磁，不能控制無(wú)功，并且不能進(jìn)行編程和順序控制。第三類配置，采用8位或16普通單片機(jī)，以功能儀表的方式組合，只能做到微機(jī)保護(hù)的部分功能，如自同期數(shù)字儀表，勵(lì)磁調(diào)節(jié)數(shù)字儀表、調(diào)功數(shù)字儀表等組成。

WPET8000低壓機(jī)組化綜合控制系統(tǒng)可歸納為：高壓機(jī)組的配置，低壓機(jī)組的價(jià)格，技術(shù)含量高，集成度高，含微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期功能、勵(lì)磁調(diào)節(jié)功能、微機(jī)保護(hù)功能、調(diào)速功能、調(diào)有功/無(wú)功功能（AVQC）、測(cè)溫制動(dòng)等。系統(tǒng)采用完全新的設(shè)計(jì)理念，建立DSP設(shè)計(jì)平臺(tái)，2*32位的DSP處理器，19〞的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，5U高，插板式結(jié)構(gòu)。一個(gè)屏柜包含了整個(gè)系統(tǒng)，上部有勵(lì)磁部件，中部是19〞的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱和大屏幕點(diǎn)陣液晶160*128屏，下部是交直流電源等系統(tǒng)的引線端。屏柜前后開(kāi)門，整個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、合理、維護(hù)方便。機(jī)箱有12個(gè)插槽：電源單元1個(gè)、DSP處理單元2個(gè)、勵(lì)磁控制（PWM）單元1個(gè)、交流采樣單元1個(gè)、直流采樣單元1個(gè)、開(kāi)關(guān)量輸出單元2個(gè)和開(kāi)關(guān)量輸入單元4個(gè)。

4 WPET8000低壓機(jī)組化綜合控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

4.1勵(lì)磁調(diào)節(jié)功能

要使發(fā)電機(jī)穩(wěn)定的運(yùn)行，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的性能是關(guān)鍵。在系統(tǒng)中，勵(lì)磁調(diào)節(jié)有專用的32位DSP處理器承擔(dān)控制與運(yùn)算任務(wù)。信號(hào)采樣為交流采樣，提高了信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性和有效性，通過(guò)控制算法能實(shí)時(shí)有效地對(duì)發(fā)電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。同時(shí)，對(duì)勵(lì)磁的接地保護(hù)等功能。為實(shí)現(xiàn)機(jī)組自動(dòng)控制，要求勵(lì)磁調(diào)節(jié)至少具有以下功能：自動(dòng)起勵(lì)、電壓調(diào)節(jié)帶有遠(yuǎn)動(dòng)增減，帶有增、減按鈕、帶有勵(lì)磁開(kāi)關(guān)。

系統(tǒng)采用可控硅自并激勵(lì)磁方式。它具有調(diào)節(jié)范圍寬、電壓和無(wú)功調(diào)整方便、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，將取代老式的勵(lì)磁機(jī)、三次諧波、電抗分流、相復(fù)勵(lì)等勵(lì)磁方式，特別對(duì)于需要上網(wǎng)的小型發(fā)電機(jī)組尤為迫切，因?yàn)榭煽毓鑴?lì)磁可以克服老式勵(lì)磁的上網(wǎng)困難、無(wú)功發(fā)不足所造成的經(jīng)濟(jì)損失問(wèn)題，對(duì)提高電站經(jīng)濟(jì)效益有明顯的作用，因此也吸引著老電站的更新改造。

調(diào)差功能是為了并列運(yùn)行機(jī)組的合理分配無(wú)功而設(shè)置的。起勵(lì)采用殘壓起勵(lì)和它勵(lì)起勵(lì)。殘壓起勵(lì)不需要外設(shè)輔助電源，它是通過(guò)起勵(lì)開(kāi)關(guān)投入，利用機(jī)組殘壓（約1.5%）直接經(jīng)半波整流加入轉(zhuǎn)子。它勵(lì)起勵(lì)為當(dāng)機(jī)組失磁時(shí)可通過(guò)它勵(lì)起勵(lì)充磁并起勵(lì)。利用外部廠用電源AC220V經(jīng)半波整流后加入轉(zhuǎn)子，使裝置起勵(lì)。

機(jī)組需要停機(jī)時(shí)的使轉(zhuǎn)子能量盡快釋放所采取的措施稱為滅磁。滅磁方式很多，根據(jù)目前先進(jìn)的滅磁方式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的最佳方式為逆變滅磁或線性電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)可控硅使轉(zhuǎn)子能量較塊地消失。滅磁時(shí)間短而安全可靠。

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，勵(lì)磁調(diào)整主要是調(diào)整無(wú)功功率，一般不希望功率因數(shù)太低（調(diào)相運(yùn)行除外）和勵(lì)磁電流超過(guò)額定值。

4.2發(fā)電機(jī)保護(hù)功能

發(fā)電機(jī)的保護(hù)也是系統(tǒng)的重要組成部分，使用32位DSP處理器作為控制核心。保護(hù)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或485通訊接口與其他設(shè)備連接。具有記憶最新8套故障波形，記錄故障前2個(gè)周波，故障后4個(gè)周波，可在裝置上查看、顯示故障波數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障分析，也可上傳當(dāng)?shù)乇O(jiān)控或調(diào)度和“四遙”功能。中文漢化液晶顯示，人機(jī)界面友善，操作方便。 保護(hù)可通過(guò)液晶屏設(shè)定需要保護(hù)的各種參數(shù)值，包括時(shí)間、頻率、電流等等，靈活性和可靠性于一體。其數(shù)據(jù)通過(guò)通訊接口上傳到上位機(jī)或中控室。

4.3調(diào)速器電氣控制功能

水輪機(jī)的調(diào)速，可根據(jù)機(jī)組頻率和網(wǎng)頻的情況，控制導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的開(kāi)度。主要功能是測(cè)量機(jī)組和電網(wǎng)的頻率，按PID規(guī)律對(duì)頻差進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生具有PID規(guī)律的調(diào)節(jié)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)頻率、開(kāi)度和功率多種調(diào)節(jié)模式，實(shí)現(xiàn)開(kāi)停機(jī)操作和電氣開(kāi)限等功能。

1）液壓隨動(dòng)系統(tǒng)：其功能是將DSP的輸出電氣信號(hào)，通過(guò)數(shù)字閥及油缸成比例地轉(zhuǎn)換機(jī)械位移信號(hào)；推動(dòng)水輪機(jī)導(dǎo)水葉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，控制進(jìn)入水輪機(jī)水量，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速和負(fù)載的調(diào)節(jié)，是調(diào)速器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2）壓力油源：它由油泵、電機(jī)、皮囊式蓄能器組成。是調(diào)速器的壓力油源，與常規(guī)調(diào)速器的油壓裝置不同，不僅油壓高，而且油與氣分離的。

4.4自動(dòng)準(zhǔn)同期功能

發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)需對(duì)機(jī)組、電網(wǎng)的頻率、電壓、相位進(jìn)行交流的測(cè)量，在達(dá)到一定的條件時(shí)才能進(jìn)行，否則，會(huì)造成沖擊電流過(guò)大，并列點(diǎn)的電網(wǎng)電壓瞬間下降可造成機(jī)組的損壞。系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)和機(jī)組的頻率、電壓、相位進(jìn)行交流采樣測(cè)量，根據(jù)偏差的情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制合閘時(shí)間。

5 WPET8000低壓機(jī)組化綜合控制系統(tǒng)的實(shí)施效果

WPET8000低壓機(jī)組化綜合控制系統(tǒng)在三河閘水電站投入運(yùn)行以來(lái)，該系統(tǒng)一直運(yùn)行，在創(chuàng)造可觀經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，該系統(tǒng)減少了值班人員的數(shù)量，減輕了值班和管理人員的工作強(qiáng)度。值班人員由以前的每班5人減少到每班3人，而且不需要手動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)一鍵開(kāi)機(jī)、停機(jī)，結(jié)束了原先手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)速器及手動(dòng)并網(wǎng)時(shí)間長(zhǎng)的歷史。

6 結(jié)語(yǔ)

WPET8000低壓機(jī)組自動(dòng)化綜合控制系統(tǒng)，涉及小水電站的機(jī)斷電壓在400V，功率小于等于800KW的水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的自動(dòng)化控制。綜合了調(diào)速器的控制、勵(lì)磁調(diào)節(jié)與控制、發(fā)電機(jī)的保護(hù)、自動(dòng)準(zhǔn)同期的并網(wǎng)控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等，對(duì)整個(gè)小水電設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成順控、測(cè)量、操作、調(diào)整等主要任務(wù)和有功和無(wú)功的自動(dòng)調(diào)節(jié)，提供交、直流二種操作電源供用戶自由選擇。由于從根本上解決了低壓機(jī)組水電站數(shù)據(jù)采集和操作控制的重復(fù)現(xiàn)象發(fā)生，使設(shè)備可靠性的提高和成本的降低成為可能。三河閘水電站改造成功的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其他類似小水電站的改造具有借鑒作用，在新建電站中也可廣泛采用。

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