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

水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

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

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

水電站；控制系統(tǒng)；自動(dòng)化

目前，國(guó)家對(duì)小水站擴(kuò)能增效出臺(tái)了相關(guān)政策，目的是提高水電站對(duì)電網(wǎng)的供電質(zhì)量，提高水電站自動(dòng)化水平和提高用戶的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)有的水電站庫(kù)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(dòng)控制模式，造成自動(dòng)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(hù)停機(jī)的現(xiàn)象。因此，本文設(shè)計(jì)了水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)改造方案，這對(duì)于減人增效，改善工作條件，提高水電站的經(jīng)濟(jì)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(jī)、變壓器、各類開關(guān)設(shè)備、輸電線路等機(jī)電設(shè)備。系統(tǒng)根據(jù)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效的原則，通過改造，降低設(shè)備故障率，提高機(jī)組運(yùn)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(jì)效益。

詳細(xì)的改造目標(biāo)如下：

（1）根據(jù)前池水位的變化趨勢(shì)和變化量自動(dòng)、精確調(diào)節(jié)機(jī)組的導(dǎo)葉開度和機(jī)組運(yùn)行數(shù)量，使電站維持運(yùn)行在一個(gè)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(jì)效益。

（2）自動(dòng)精確調(diào)節(jié)水輪機(jī)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(fù)載變化情況和機(jī)組狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁。實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)自動(dòng)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(cè)系統(tǒng)示意圖

圖2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)示意圖

（4）智能化監(jiān)控儀表，使得機(jī)組運(yùn)行參數(shù)采集能精確、快速，并通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。智能監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)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(dòng)強(qiáng)度，并實(shí)現(xiàn)機(jī)組采集數(shù)據(jù)的記錄與查詢，為電站的運(yùn)行、維護(hù)及進(jìn)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(tái)機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間，使得兩臺(tái)機(jī)組設(shè)備運(yùn)行在相同的經(jīng)濟(jì)使用壽命內(nèi)，降低電站的單臺(tái)維護(hù)費(fèi)用，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。

（7）監(jiān)測(cè)勵(lì)磁系統(tǒng)回路、負(fù)荷變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速劇變的緊急情況時(shí)，能夠快速關(guān)閉導(dǎo)葉防飛車，為機(jī)組的安全提供更好的保護(hù)。

一、水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

對(duì)于發(fā)電廠來說，除了電氣數(shù)據(jù)以外，還需要傳感器測(cè)量其他數(shù)據(jù)。原水電站的控制站沒有遠(yuǎn)程前池水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，且未與導(dǎo)葉開度實(shí)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(shí)，發(fā)電機(jī)組單位水量的發(fā)電量下降；來水量超過發(fā)電用水量時(shí)，發(fā)電機(jī)組沒有全負(fù)荷運(yùn)行，多余的水被丟棄，從而導(dǎo)致用戶經(jīng)濟(jì)效益下降。水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用高可靠、高分辨率的智能化儀表，能夠?qū)崟r(shí)的、不間斷的采集前池液位的變化值，通過通訊或遠(yuǎn)傳信號(hào)送至自動(dòng)化控制系統(tǒng)完成量化和智能化計(jì)算。為導(dǎo)葉的開度、機(jī)組的運(yùn)行數(shù)量提供重要不可缺的數(shù)據(jù)支撐。

二、水輪機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)

原控制站無水輪機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)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(lì)磁系統(tǒng)為恒磁場(chǎng)運(yùn)行模式，造成供電質(zhì)量低。水輪轉(zhuǎn)速未檢測(cè)，在失磁和電網(wǎng)負(fù)荷劇變的情況下，不能及時(shí)反映轉(zhuǎn)速，帶來很大的安全隱患。

我國(guó)規(guī)定電力系統(tǒng)正常的頻率標(biāo)準(zhǔn)為50Hz±0.2Hz。水輪機(jī)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(cè)量為穩(wěn)定電網(wǎng)質(zhì)量提供強(qiáng)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(dòng)、停機(jī)、運(yùn)行各個(gè)環(huán)節(jié)都非常重要。在啟動(dòng)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(yùn)行階段可間接反應(yīng)負(fù)荷的變化情況，防止飛車現(xiàn)象的發(fā)生。在停機(jī)階段，轉(zhuǎn)速測(cè)量值為手動(dòng)制動(dòng)飛輪提供數(shù)據(jù)支撐，控制導(dǎo)葉控制機(jī)構(gòu)自動(dòng)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(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)

原控制站無自動(dòng)勵(lì)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(jī)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(duì)用戶的考核不達(dá)標(biāo)。

勵(lì)磁系統(tǒng)作為發(fā)電機(jī)機(jī)組最為重要的調(diào)節(jié)設(shè)備之一。其技術(shù)重點(diǎn)在于選擇與發(fā)電機(jī)相適應(yīng)的技術(shù)上先進(jìn)、工作可靠的勵(lì)磁裝置。改原恒磁場(chǎng)勵(lì)磁方式為變磁場(chǎng)自動(dòng)勵(lì)磁。勵(lì)磁控制器只需要一鍵啟動(dòng)后，即可實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁控制全自動(dòng)，無人值守也可以運(yùn)行。

1 主要特別功能：

（1）發(fā)電機(jī)起勵(lì)后自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)電壓；

（2）并網(wǎng)后按設(shè)定的功率因數(shù)值運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)恒功率因數(shù)；

（3）跳閘后電壓自動(dòng)回復(fù)到設(shè)定值，防止過電壓；

（4）自動(dòng)識(shí)別停機(jī)過程并進(jìn)行滅磁控制；

（5）“單機(jī)運(yùn)行”運(yùn)行時(shí)自動(dòng)按設(shè)定電壓運(yùn)行，能保持發(fā)電機(jī)電壓恒定；

（6）可以特別針對(duì)勵(lì)磁運(yùn)行不穩(wěn)定的機(jī)組進(jìn)行參數(shù)設(shè)定；

（7）發(fā)電機(jī)過電流時(shí)自動(dòng)減少勵(lì)磁，防止發(fā)電機(jī)過電流；

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

（9）配備上位機(jī)通訊接口，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。

2 技術(shù)參數(shù)

（1）適用范圍

①適用于機(jī)端電壓為400V的無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)。

②勵(lì)磁控制器適用：勵(lì)磁電壓0～180V勵(lì)磁電流0～20A。

（2）輸入信號(hào)

電流：額定電流5A，經(jīng)電流互感器接入。

電壓：發(fā)電機(jī)電壓400V，電網(wǎng)線電壓400V。

并網(wǎng)識(shí)別：用并網(wǎng)斷路器輔助常開接點(diǎn)。

勵(lì)磁輸出：勵(lì)磁電壓0～180V，勵(lì)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(dòng)操作，調(diào)節(jié)不及時(shí)，不準(zhǔn)確，機(jī)組發(fā)電量受影響。在水輪轉(zhuǎn)速劇變的情況下，不能自動(dòng)控制導(dǎo)葉。

導(dǎo)葉的開度控制系統(tǒng)與水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能采集系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)共同聯(lián)動(dòng)。在水頭變化、負(fù)載變化、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)變化，如失磁時(shí)，及時(shí)準(zhǔn)確的調(diào)整導(dǎo)葉開度，使得機(jī)組在安全、穩(wěn)定、高效的狀態(tài)下運(yùn)行。本著經(jīng)濟(jì)的原則，仍采用原控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三相異步交流電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其三相電源通過電源切換開關(guān)來判斷實(shí)用電網(wǎng)電源還是發(fā)電機(jī)組自身電，通過安裝在變速箱上的角度反饋測(cè)得導(dǎo)葉角度。也可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉的開關(guān)手動(dòng)動(dòng)作，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)葉開度。

五、智能監(jiān)測(cè)及自動(dòng)化系統(tǒng)

原控制采用機(jī)械式現(xiàn)場(chǎng)儀表，不帶遠(yuǎn)傳、控制，無法做到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄、報(bào)警和機(jī)組關(guān)鍵部件自動(dòng)調(diào)節(jié)。自動(dòng)化水平低，控制精度低、控制不及時(shí)、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)人員要求高，投入高。并且設(shè)備老化，機(jī)組安全運(yùn)行水平低，在非正常狀態(tài)下不能及時(shí)有效的對(duì)機(jī)組和電網(wǎng)設(shè)備提供可靠地保護(hù)。

智能化儀表采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)MODBUS規(guī)約，進(jìn)行通訊，抗干擾強(qiáng)，接線簡(jiǎn)單，通訊方便。儀表采用通用的4-20級(jí)的電流信號(hào)，具有接線簡(jiǎn)單，傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)。

自動(dòng)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(yùn)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(shí)時(shí)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)并顯示在友好的人機(jī)界面上?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的歸檔，能查詢歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)趨勢(shì)等功能。部分設(shè)備可以遠(yuǎn)程操作，對(duì)重要機(jī)組參數(shù)實(shí)現(xiàn)高低限報(bào)警，并實(shí)現(xiàn)報(bào)警文本記錄。

人機(jī)界面主界面主要監(jiān)測(cè)機(jī)組各采集點(diǎn)數(shù)據(jù)并顯示，在遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行一覽可視，簡(jiǎn)介美觀的圖形化設(shè)計(jì)。在此界面可以遠(yuǎn)程操作現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。自動(dòng)狀態(tài)：設(shè)備動(dòng)作交由PLC程序邏輯自動(dòng)完成。手動(dòng)狀態(tài)：可單獨(dú)對(duì)某一設(shè)備進(jìn)行操作。

歷史趨勢(shì)查詢界面可以對(duì)過往一段時(shí)間的機(jī)組參數(shù)自動(dòng)進(jìn)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(bào)警畫面實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)就行報(bào)警歸檔，并提供報(bào)警分級(jí)和聲音報(bào)警服務(wù)，讓用戶第一時(shí)間知道當(dāng)前狀態(tài)并處理響應(yīng)報(bào)警。為機(jī)組的安全可靠運(yùn)行提供保障。

改造后實(shí)時(shí)采集各個(gè)智能化儀表參數(shù)，在機(jī)組狀態(tài)改變的情況下由自動(dòng)化控制系統(tǒng)自動(dòng)動(dòng)作、保護(hù)或發(fā)出操作指令。因此，極大的降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)可根據(jù)電網(wǎng)負(fù)載變化情況和機(jī)組狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁，通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。智能監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)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(jī)組運(yùn)行的安全系數(shù)，同時(shí)，提高了綜合經(jīng)濟(jì)效益。

[1]黃維.計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在中小型水電的應(yīng)用[J].創(chuàng)新科技與應(yīng)用，2014（19）：191-192.

[2]陳釋.水電站設(shè)備智能化改造項(xiàng)目投資可行性分析[D].西南財(cái)經(jīng)大學(xué)，2013：2-14.

[3]李忠明，龐敏，等. 基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)水電站智能化改造關(guān)鍵技術(shù)研究[J].華電技術(shù)，2012，34（12）：21-23.

[4]喻榮華.花涼亭水電站自動(dòng)化改造技術(shù)方案[N].安微電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，16（01）：57-58.

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