聶旭旺，楊 沐

(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司,江蘇 南京 211106)

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低壓機(jī)組一體化控制屏在農(nóng)村水電中的應(yīng)用

聶旭旺，楊 沐

(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司,江蘇 南京 211106)

在我國(guó)，低壓機(jī)組水電站約占全國(guó)農(nóng)村水電的70%～80%，電站的自動(dòng)化水平較低，危及到電站設(shè)備的運(yùn)行安全和人身安全，降低了低壓機(jī)組電站的市場(chǎng)效益和競(jìng)爭(zhēng)力。介紹一款由南京南瑞集團(tuán)公司自主研發(fā)的低壓機(jī)組一體化控制屏，詳細(xì)敘述了該產(chǎn)品的研發(fā)背景、產(chǎn)品構(gòu)成和功能，并通過(guò)實(shí)際案例介紹了該產(chǎn)品的應(yīng)用，為提升此類電站的自動(dòng)化水平提供了重要的參考。圖3幅，表1個(gè)。

農(nóng)村水電；低壓機(jī)組；一體化控制屏；自動(dòng)化

0 引 言

我國(guó)小水電資源極其豐富，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，可開發(fā)量約為1.3億kW，居世界首位，開發(fā)前景廣闊。目前我國(guó)農(nóng)村小水電站有5萬(wàn)多座，在農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重大作用。這些小水電站70%～80%都是400 V的低壓機(jī)組，大多在山區(qū)條件惡劣的地方，生活條件相對(duì)艱苦。

由于低壓機(jī)組水電站機(jī)組單機(jī)容量很小，電站職工素質(zhì)普遍不高，整體的自動(dòng)化水平一直得不到提高，電站的各項(xiàng)控制、調(diào)節(jié)基本都是按照人工操作來(lái)設(shè)計(jì)。這種落后的設(shè)備配置方式和技術(shù)裝備設(shè)計(jì)思想一直延續(xù)到現(xiàn)在，造成低壓機(jī)組水電站的勞動(dòng)生產(chǎn)效率無(wú)法提高，電能質(zhì)量很不穩(wěn)定，各種事故頻繁發(fā)生，已嚴(yán)重危及到電站設(shè)備的運(yùn)行安全和人身安全；使得低壓機(jī)組水電站在運(yùn)行、融資、上網(wǎng)等方面遇到困難，影響到電站的效益與生存，使得電站在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的環(huán)境下缺乏應(yīng)有的競(jìng)爭(zhēng)力。

南京南瑞集團(tuán)公司正是在這種背景下，經(jīng)過(guò)多方調(diào)研，發(fā)揮自身長(zhǎng)處，總結(jié)低壓機(jī)組的特點(diǎn)，憑借在自動(dòng)控制領(lǐng)域多年的工程經(jīng)驗(yàn)，自主研發(fā)了NSLD13003低壓機(jī)組一體化控制屏。該產(chǎn)品適用于單機(jī)1 000 kW及以下、發(fā)電機(jī)出口電壓為400 V的低壓水輪發(fā)電機(jī)組，集低壓機(jī)組的測(cè)量、控制、保護(hù)、勵(lì)磁、同期等功能于一身，提高了低壓機(jī)組電站的自動(dòng)化水平，增強(qiáng)了低壓機(jī)組電站在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 實(shí)現(xiàn)條件

(1)優(yōu)良的一次設(shè)備。優(yōu)良的一次設(shè)備是指經(jīng)過(guò)預(yù)試及運(yùn)行鑒定，技術(shù)狀況良好，技術(shù)檔案資料齊全，能達(dá)到銘牌出力且可以確保安全、經(jīng)濟(jì)、可靠供電的完好設(shè)備；還應(yīng)能夠正確的接受二次設(shè)備的控制指令，且不會(huì)誤動(dòng)。

(2)合理設(shè)計(jì)的二次設(shè)備。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)上二次設(shè)備種類齊全。根據(jù)低壓機(jī)組水電站的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，既可保證設(shè)備可靠工作，又不需投資過(guò)大。

(3)可靠的通訊技術(shù)。通訊技術(shù)的發(fā)展完成了設(shè)備之間的軟連接，一次設(shè)備與二次設(shè)備之間、二次設(shè)備與二次設(shè)備之間通過(guò)可靠的通訊總線高速、精準(zhǔn)的完成數(shù)據(jù)交換。

2 低壓機(jī)組一體化控制屏的組成

低壓機(jī)組一體化控制屏主要由智能控制器單元、發(fā)電機(jī)出口斷路器、隔離開關(guān)、互感器、勵(lì)磁組件、勵(lì)磁變壓器(有刷勵(lì)磁方式)等組成，將一臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組的一、二次設(shè)備優(yōu)化配置在一面屏中。屏體采用全封閉結(jié)構(gòu)，具有較高的防護(hù)等級(jí)(見圖1)。具體組成如下：

圖1 低壓機(jī)組一體化控制屏

(1)智能控制器。采用南瑞自主研發(fā)的NSLD13601低壓機(jī)組智能控制器，該控制器采用標(biāo)準(zhǔn)4U19″機(jī)箱，機(jī)架式安裝。機(jī)箱正面為人機(jī)顯示部分，采用高性能輕觸按鍵及液晶顯示屏，機(jī)箱背面為接線端子，主要完成發(fā)電機(jī)組各設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制功能，繼電保護(hù)功能，勵(lì)磁調(diào)節(jié)與控制功能(見圖2)。

(2)一次設(shè)備。主要包括發(fā)電機(jī)出口斷路器、隔離開關(guān)、互感器等。

(3)勵(lì)磁設(shè)備。主要包括可控硅整流器、滅磁及過(guò)壓保護(hù)回路、勵(lì)磁變等。

圖2 低壓機(jī)組智能控制器

(4)儀表和操作按鈕。主要包括電流表、電壓表、功率表、頻率表、開停機(jī)按鈕及把手等，實(shí)現(xiàn)機(jī)組狀態(tài)的監(jiān)視和手動(dòng)控制操作。

(5)電源系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)低壓機(jī)組一體化控制屏內(nèi)各設(shè)備的供電及部分外部回路的供電。

(6)柜體。采用2260×800×800標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜。

3 低壓機(jī)組一體化控制屏的功能

(1)機(jī)組流程控制。低壓機(jī)組一體化控制屏能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組的自動(dòng)開機(jī)、停機(jī)、事故停機(jī)等順序流程控制，以及手動(dòng)一鍵開機(jī)、一鍵停機(jī)功能，實(shí)現(xiàn)一鍵式操作，簡(jiǎn)化了操作流程。

(2)測(cè)量功能。能夠測(cè)量發(fā)電機(jī)機(jī)端三相電壓、三相電流、頻率、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流等電氣量參數(shù)；提供8路RTD通道，實(shí)時(shí)測(cè)量水輪機(jī)軸承、發(fā)電機(jī)定子等部位溫度，將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成溫度值實(shí)時(shí)顯示；并且每路通道能設(shè)置兩級(jí)溫度定值，動(dòng)作于告警和停機(jī)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)電站配置的溫度巡檢儀。可直接測(cè)量水位變送器送來(lái)的模擬量信號(hào)，并可根據(jù)設(shè)定值和優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)機(jī)組的全自動(dòng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行功能。可采集機(jī)端電壓信號(hào)，采用殘壓測(cè)頻的方式測(cè)量機(jī)組轉(zhuǎn)速，并根據(jù)設(shè)定值完成開、停機(jī)操作中的相關(guān)操作，代替?zhèn)鹘y(tǒng)電站配置中的轉(zhuǎn)速測(cè)控儀；提供32路開關(guān)量輸入和18路開關(guān)量輸出，可滿足現(xiàn)場(chǎng)I/O采集的需求。

(3)繼電保護(hù)功能。電流速斷保護(hù)，過(guò)電流保護(hù)，過(guò)負(fù)荷保護(hù)，過(guò)電壓保護(hù)，低電壓保護(hù)，頻率保護(hù)，失磁保護(hù)，逆功率保護(hù)，非電量保護(hù)，零序過(guò)壓保護(hù)，零序過(guò)流保護(hù)。

(4)勵(lì)磁功能。機(jī)組并網(wǎng)后有下列運(yùn)行方式：恒電壓有差運(yùn)行方式，恒勵(lì)磁電流運(yùn)行方式，恒無(wú)功功率運(yùn)行方式。

具有良好的動(dòng)態(tài)特性，發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷時(shí)，能迅速將機(jī)端電壓穩(wěn)定在額定電壓水平。

具有多種起勵(lì)方式：系統(tǒng)電源起勵(lì)、設(shè)定電壓起勵(lì)、跟蹤系統(tǒng)電壓起勵(lì)。

具有各種限制和保護(hù)功能，限制值可設(shè)定。

(5)微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期功能。具備微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期功能，能夠自動(dòng)調(diào)頻、調(diào)壓，實(shí)現(xiàn)快速無(wú)沖擊并網(wǎng)。

(6)遠(yuǎn)方功率調(diào)節(jié)。具備功率自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，并網(wǎng)成功后，可以通過(guò)遙控的方式，按照設(shè)定的有功功率、功率因數(shù)自動(dòng)完成功率調(diào)節(jié)。

(7)自動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)電功能。具備機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行與經(jīng)濟(jì)控制等智能功能，系統(tǒng)可根據(jù)前池水位完成自動(dòng)開機(jī)、停機(jī)、經(jīng)濟(jì)發(fā)電等功能。當(dāng)水位達(dá)到高水位時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開機(jī)，并網(wǎng)后自動(dòng)調(diào)整負(fù)荷，發(fā)電機(jī)按最大出力發(fā)電；當(dāng)水位達(dá)到低水位時(shí)，自動(dòng)調(diào)整發(fā)電機(jī)按照最小出力發(fā)電；當(dāng)水位達(dá)到停機(jī)水位時(shí)，發(fā)電機(jī)自動(dòng)停機(jī)。

(8)報(bào)警顯示功能。通過(guò)智能控制器面板的LED指示燈可指示機(jī)組運(yùn)行重要的故障信號(hào)，通過(guò)裝置液晶屏可查閱機(jī)組狀態(tài)、保護(hù)及控制的各項(xiàng)報(bào)警及事件信息。

(9)通信功能。通過(guò)智能控制器的通信接口，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)方后臺(tái)系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)機(jī)組遠(yuǎn)方開、停機(jī)操作及功率調(diào)節(jié)、報(bào)警查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

4 應(yīng)用實(shí)例

某水電站裝機(jī)容量為1 890 kW(3×630 kW),3臺(tái)機(jī)組采用出口電壓為400 V的低壓機(jī)組(見表1)。

表1 機(jī)組參數(shù)

業(yè)主反饋采用南京南瑞集團(tuán)公司的NSLD13003低壓機(jī)組一體化控制屏后，提高了電站的自動(dòng)化水平，減少了建設(shè)期間設(shè)備選型的工作量，降低了日常運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用，解放出的人力從事了其他崗位的工作，增加了公司的效益。

低壓機(jī)組一體化控制屏在該電站主接線的功能如下所示(見圖3)，圖框內(nèi)的設(shè)備均由低壓機(jī)組一體化控制屏提供，功能均由低壓機(jī)組一體化控制屏實(shí)現(xiàn)。大大簡(jiǎn)化了低壓機(jī)組電站的設(shè)計(jì)工作，提高了低壓機(jī)組電站的自動(dòng)化水平。

圖3 低壓機(jī)組一體化控制屏結(jié)構(gòu)功能示意

5 結(jié) 語(yǔ)

低壓機(jī)組一體化控制屏特點(diǎn)明顯突出：高度集成化，有效節(jié)省投資；運(yùn)行智能化，降低了運(yùn)行成本；高可靠性，保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行；結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)工作簡(jiǎn)化；模塊化設(shè)計(jì)，后期維護(hù)簡(jiǎn)單。

相比于人工操作，采用低壓機(jī)組一體化控制屏后提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率、提高了電能質(zhì)量、降低了生產(chǎn)事故發(fā)生的頻率、降低了投資和運(yùn)行成本、改善了職工的工作和生活環(huán)境、提高了低壓機(jī)組電站的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] 趙雪飛，謝傳萍.小水電一體化控制技術(shù)及其應(yīng)用[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè).2014,38(2)：64_66.

[2] 尹 剛，余少彬.低壓機(jī)組水電站安全自動(dòng)化技術(shù)的研究[J].農(nóng)村水電站安全保障技術(shù).2010(2)：78_81.

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責(zé)任編輯 吳 昊

2015-05-25

聶旭旺(1986-)，男，助理工程師，主要從事小水電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)及維護(hù)等工作。E_mail：niexuwang@sgepri.sgcc.com.cn