遼寧新賓穆家電站微機(jī)自動(dòng)化改造及實(shí)際應(yīng)用

宋 濤 楊洪勝 辛培和 譚云廣

（1.遼寧省申窩水庫管理局，遼寧 遼陽 110003；2.遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧 本溪117100；3.遼寧省農(nóng)村水電及電氣化發(fā)展中心，遼寧 沈陽 110003）

一、遼寧新賓穆家電站未改造前的概況

穆家水電站以發(fā)電為主，其裝機(jī)容量為6200kW（2100kW×2臺(tái) +1600kW+400kW），共計(jì)四臺(tái)機(jī)。原來水輪機(jī)型號大機(jī)為LH300-LJ-120，發(fā)電機(jī)型號為TSL-260/35-20，小機(jī)水輪機(jī)型號LH240-WJ-60、發(fā)電機(jī)型號SFW400-10/990，機(jī)端電壓均為6300V，通過一臺(tái)7500kVA的變壓器升壓至66kV送入電網(wǎng)。該電站是1983年投產(chǎn)發(fā)電的老電站，原來的常規(guī)控制設(shè)備已出現(xiàn)老化、失控、漏油等現(xiàn)象，如：水輪機(jī)調(diào)速器（YDT-1800）失控、漏油，經(jīng)常導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)在出口開關(guān)跳閘后飛車，發(fā)電機(jī)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)以及控制設(shè)備等（包括自動(dòng)化元件）經(jīng)常失靈或失控，機(jī)電設(shè)備經(jīng)常損壞，甚至不能正常發(fā)電，直接影響電站的安全運(yùn)行，因此，對穆家電站所有輔助設(shè)備及控制設(shè)備進(jìn)行微機(jī)自動(dòng)化改造勢在必行。

二、微機(jī)自動(dòng)化改造方案的確定

水電站運(yùn)行要實(shí)現(xiàn)完全微機(jī)自動(dòng)化，要求如下設(shè)備微機(jī)化：1、水輪機(jī)調(diào)速器的微機(jī)化；2、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的微機(jī)化；3、電站所有控制保護(hù)系統(tǒng)微機(jī)化；4、電站所有輔助設(shè)備及自動(dòng)化元件均能可靠動(dòng)作自動(dòng)化，如圖1。

1.微機(jī)調(diào)速器的改造

穆家電站微機(jī)自動(dòng)化改造，目標(biāo)是全電站的微機(jī)自動(dòng)化，所涉及各微機(jī)自動(dòng)化設(shè)備較多，為了不長時(shí)間影響機(jī)組發(fā)電，決定分兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段分別對原來的三臺(tái)YDT-1800調(diào)速器及一臺(tái)電手動(dòng)調(diào)速器進(jìn)行改造。為了降低費(fèi)用，將原來三臺(tái)（YDT-1800）的接力器、壓油罐、油泵、集油箱等保留不變，把主接力器以上的所有部件及柜體全部拆除，更換成PLC步進(jìn)電機(jī)式微機(jī)調(diào)速器（TDBYWT-1800），另一臺(tái)400kW的小機(jī)組電手動(dòng)調(diào)速器，完全更換一臺(tái)全新的PLC步進(jìn)電機(jī)式微機(jī)調(diào)速器（TDBYWT-600）。

圖1 總的微機(jī)原理控制框

(1) PLC步進(jìn)電機(jī)式微機(jī)調(diào)速器的簡單原理

目前對電動(dòng)機(jī)來說,有一種電機(jī)是用數(shù)字量來控制的電機(jī)叫步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)的輸入是方形脈沖，不是模擬量。步進(jìn)電機(jī)的原理是把電機(jī)定子圓周的360°分成幾萬份，其精度能滿足各種工況下運(yùn)行。輸入到步進(jìn)電機(jī)的是兩路脈沖，即A路脈沖和B路脈沖，其脈沖的先后順序由控制環(huán)節(jié)來完成，大小由功率驅(qū)動(dòng)模塊完成。當(dāng)A路脈沖超前B路脈沖時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)達(dá)；當(dāng)B路脈沖超前A路脈沖時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。通過發(fā)電機(jī)電壓互感器二次測量機(jī)組頻率的變化，來控制A、B的脈沖先后，使步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，控制調(diào)器主配壓閥上下移動(dòng)，完成水輪機(jī)調(diào)速器接力器的開與關(guān)，使水輪發(fā)電機(jī)在開機(jī)過程中轉(zhuǎn)速在50Hz±5%范圍內(nèi)變化，這就是該種調(diào)速器的原理。

(2）PLC步進(jìn)電機(jī)式微機(jī)調(diào)速器的主要部件及功能

① 調(diào)速器電源環(huán)節(jié)

調(diào)速器的工作電源必須可靠，所以選擇交直流兩用電源，且互熱備用，交流電壓在85V～264V范圍內(nèi)可以穩(wěn)定可靠的連續(xù)工作，具有較強(qiáng)的抗干擾能力、無干擾切換等特點(diǎn)。

② 信號處理模塊

信號處理模塊接收的信號有：A、機(jī)頻信號；B、網(wǎng)頻信號；C、返饋信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊處理，送入PLC基本單元進(jìn)行運(yùn)算處理。該種PLC由兩片超大模集成電路構(gòu)成，一片為16位CPU用數(shù)字信號運(yùn)算處理；另一片為專用邏輯信號處理。輸入、輸出信號全部經(jīng)過光電隔離后與CPU相連接，所有經(jīng)CPU計(jì)算輸出的數(shù)字信號，全部經(jīng)過定位控制模塊，再送到步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊，直接控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)主配壓閥動(dòng)作。其PLC內(nèi)部的調(diào)節(jié)規(guī)律是按并聯(lián)PID調(diào)節(jié)原理來完成的，其傳遞函數(shù)為：Y（S）/X（S）=Kp+Ki/S+KdS，其中Kp為比例增益、Ki為積分增益、Kd為微分增益。

③ 定位模塊

定位模塊用來設(shè)定步進(jìn)電機(jī)本體的有關(guān)參數(shù)。例如設(shè)定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)1周為1萬步，如果主配壓閥上下移動(dòng)范圍為±4mm對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)零點(diǎn)為±120o，那么對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)大約±3000步；同時(shí)定位模塊接收步進(jìn)電機(jī)同軸聯(lián)結(jié)的編碼器的反饋信號，作為步進(jìn)電機(jī)回到平衡位置的后備校正信號，即當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)達(dá)動(dòng)后調(diào)節(jié)過程結(jié)束時(shí)，還要回到原來的平衡位置，如果不回到平衡位置，那么就由編碼器輸出的信號經(jīng)定位模塊來校正，以確保步進(jìn)電機(jī)回到中間的平衡位置，即主配壓閥回到中間位置，主配壓閥的開腔和關(guān)腔同時(shí)被封住，調(diào)速器接力器停止移動(dòng)，本次調(diào)節(jié)過程結(jié)束。如果頻率有偏差就再進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，直到頻率在允許機(jī)組并網(wǎng)的范圍內(nèi)。

④ 功率驅(qū)動(dòng)模塊

功率驅(qū)動(dòng)模塊就是提供步進(jìn)電機(jī)的功率源，在正常的電壓為24～75V范圍內(nèi)可連續(xù)工作，實(shí)際設(shè)定為50V。

⑤ 步進(jìn)電機(jī)付動(dòng)裝置

步進(jìn)電機(jī)付動(dòng)裝置是將電信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移裝置，該裝置由編碼器、步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)軸和凸輪組成。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收脈沖信號后，將帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，直接控制主配壓閥針塞上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對接力器的控制，具有速動(dòng)性好、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良的特點(diǎn)。

⑥ 現(xiàn)地人機(jī)對話單元

現(xiàn)地人機(jī)對話單元是用觸摸顯示屏來完成的。觸摸顯示屏是以數(shù)字、棒狀產(chǎn)等多種方式來顯示各種參數(shù)，設(shè)有初始屏及說明書屏等多個(gè)畫面。

調(diào)速器的參數(shù)設(shè)置、各種顯示、手自動(dòng)操作、故障處理等，都是通過觸摸顯示屏來完成的，極大的增加了運(yùn)行的可靠性。

⑦ 遠(yuǎn)程通訊模塊

遠(yuǎn)程通訊模塊該種調(diào)速器帶有RS(422)或RS(485)通訊接口,可以和工控機(jī)或上微機(jī)直接通訊和操作，該種調(diào)速器在國內(nèi)應(yīng)用也是比較多的。調(diào)速器改造是穆家電站自動(dòng)化改造的第一階段。2004年汛期過后，從2004年10月10日～30日期間，對調(diào)速器逐一進(jìn)行改造，完成一臺(tái)并投入實(shí)際運(yùn)行后再進(jìn)行下一臺(tái)的改造。只是調(diào)速器不能和本臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)的通訊管理機(jī)及上微機(jī)進(jìn)行通訊，待全站微機(jī)自動(dòng)化改造完畢，并確定通訊規(guī)約后再進(jìn)行統(tǒng)一的聯(lián)調(diào)。

2.全站微機(jī)自動(dòng)化改造

第二階段是全電站所有設(shè)備的微監(jiān)控及微機(jī)保護(hù)的安裝與調(diào)試。2004年12月正處于冬季，來水量很少，全站四臺(tái)機(jī)組全部停機(jī)，廠區(qū)用電采用另一路10kV備用電源。穆家電站微機(jī)自動(dòng)化改造工程于2004年12月10日開始進(jìn)行，設(shè)備于2005年1月22日全部安裝完畢，進(jìn)入全面調(diào)試及模擬試驗(yàn)階段。第二階段微機(jī)自動(dòng)化改造主要實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）全廠監(jiān)控系統(tǒng)具體的功能如下：

① 人機(jī)接口功能強(qiáng)，人機(jī)界面采用中文，主機(jī)兼操作員工作站采用Windows 2000開放式操作系統(tǒng)平臺(tái)，全圖形化操作，操作控制簡潔、方便、靈活。

② 系統(tǒng)配置和設(shè)備選型符合計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代快的特點(diǎn)，硬件采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化，以便于硬件設(shè)備的更新，適應(yīng)功能的增加和系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展。軟件采用通用的標(biāo)準(zhǔn)化組態(tài)模塊，使系統(tǒng)更能適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴(kuò)充。

③ 具有豐富的開發(fā)軟件和通訊規(guī)約，使系統(tǒng)維護(hù)擴(kuò)充和聯(lián)網(wǎng)通訊非常方便，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、診斷與維護(hù)等功能。

所有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在失電被動(dòng)停機(jī)時(shí)，存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失?，F(xiàn)地控制單元LCU控制權(quán)限（現(xiàn)地/調(diào)試/遠(yuǎn)方）的閉鎖。機(jī)組不同運(yùn)行工況（停機(jī)、空轉(zhuǎn)、空載和發(fā)電）的定義和任意轉(zhuǎn)換。機(jī)組有功率開、閉環(huán)調(diào)節(jié)和無擾動(dòng)切換。機(jī)組功率閉環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)的功率突變檢測，并自動(dòng)切至開環(huán)，有效防止機(jī)組過速或過壓，有完善的PLC工作/通信指示（閃亮/常亮/熄滅）。

④ 監(jiān)控保護(hù)裝置具有保護(hù)啟動(dòng)的分散式故障錄波功能，同時(shí)保護(hù)單元具有現(xiàn)場可編程邏輯功能。

⑤ GPS衛(wèi)星對時(shí)系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)置GPS時(shí)鐘裝置，用于完成與監(jiān)控系統(tǒng)對時(shí)。可與調(diào)度層和現(xiàn)地層對時(shí)均采用串行口。GPS時(shí)鐘系統(tǒng)還給其他如保護(hù)、故障錄波等提供對時(shí)脈沖信號, GPS時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘誤差為24小時(shí)不超過±0.001秒。保證電站控制層和LCU時(shí)鐘與衛(wèi)星時(shí)鐘同步，時(shí)鐘精度滿足事件分辨率記錄的要求。

⑥ 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中具有先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通訊，采用高性能（以太網(wǎng)）的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行連接，具有較高的傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力，各設(shè)備之間均有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口能力。

⑦ 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件包括四大部分，即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件、基本軟件、應(yīng)用軟件以及工具軟件。

a、系統(tǒng)軟件是監(jiān)控系統(tǒng)其他軟件運(yùn)行的平臺(tái)，也是用戶軟件的開發(fā)平臺(tái)，如用戶程序的編輯、編譯、連接、任務(wù)的插入、運(yùn)行、退出等，其中包括：用戶編程開發(fā)軟件、網(wǎng)絡(luò)通訊及網(wǎng)絡(luò)管理軟件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理軟件、歷史數(shù)據(jù)庫管理軟件。

b、基本軟件是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控功能所必須的軟件，如數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)庫管理，圖形顯示，報(bào)表生成，語音報(bào)警等軟件。

c、應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程操作或控制功能的軟件，如數(shù)據(jù)庫管理軟件、操作票軟件等，其中包括：人機(jī)聯(lián)系軟件、通訊軟件、雙機(jī)切換軟件、LCU主要軟件、系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理軟件等。

d、工具軟件是為了使監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)一步向最終用戶開放，為用戶提供先進(jìn)方便的支持工具軟件系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性,其主要包括以下軟件：交互式圖形開發(fā)軟件、數(shù)據(jù)庫開發(fā)管理軟件、數(shù)據(jù)庫備份恢復(fù)軟件、報(bào)表打印管理軟件、曲線棒圖軟件、系統(tǒng)配置文件、第三方設(shè)備接口軟件、PLC編程軟件、遠(yuǎn)方診斷軟件等。

⑧ 系統(tǒng)可靠性及微機(jī)保護(hù)過載能力等。

a、系統(tǒng)可靠性，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)：＞50000h；現(xiàn)地控制單元：＞100000h；微機(jī)保護(hù)：＞100000h。

b、微機(jī)保護(hù)過載能力等。

微機(jī)保護(hù)過載能力，交流電流回路：2倍額定電流，允許連續(xù)工作；10倍額定電流，允許10S；40倍額定電流，允許1S。交流電壓回路：1.9倍額定電壓，允許連續(xù)工作，同時(shí)故障錄波功能，錄波的長度可整定。錄波數(shù)據(jù)可自動(dòng)上傳到監(jiān)控主機(jī)。針對線路保護(hù)有振蕩閉鎖功能和低頻、低壓保護(hù)功能等等。

（2）發(fā)電機(jī)微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)同調(diào)速器一樣是發(fā)電機(jī)能否正常發(fā)電的一個(gè)重要設(shè)備，質(zhì)量好壞直接影響水輪發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行以及電站整套微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能否順利完成，針對監(jiān)控系統(tǒng)來講，選擇微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)必須有以下功能：

①有恒電壓/恒電流/恒COSΦ/恒無功四種運(yùn)行方式選擇的功能；

②有逆變環(huán)節(jié)及勵(lì)磁系統(tǒng)在≤15%機(jī)組額定電壓下，就可以自勵(lì)閉環(huán)運(yùn)行的功能；

③有低轉(zhuǎn)速自動(dòng)截止勵(lì)磁電流的功能等；

④微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)除了滿足正常勵(lì)磁各種功能之外，微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的通訊的接口方式采用常規(guī)硬布線和數(shù)據(jù)通訊兩種方式來對其進(jìn)行控制。

三、遼寧新賓穆家電站微機(jī)自動(dòng)化實(shí)際應(yīng)用工況

四臺(tái)機(jī)組在2005年2月1日前分別經(jīng)過各環(huán)節(jié)的單項(xiàng)調(diào)試（調(diào)速器同上微機(jī)的調(diào)試、微機(jī)勵(lì)磁的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)以及與上微機(jī)的調(diào)聯(lián)調(diào)、各種微機(jī)保護(hù)的調(diào)試、測溫及同期系統(tǒng)等的調(diào)試），單機(jī)的綜合摸擬調(diào)試以及并網(wǎng)試運(yùn)行調(diào)試，從上微機(jī)發(fā)各種控制命令，機(jī)組均能按要求進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從上微機(jī)下達(dá)開機(jī)命令到機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電的整個(gè)過程全部實(shí)現(xiàn)了微機(jī)自動(dòng)化。從下達(dá)開機(jī)命令到機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，最長時(shí)間3分49秒，最短2分28秒。四臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行后正常。

四、結(jié)束語

遼寧新賓穆家電站微機(jī)自動(dòng)化改造實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)如下：計(jì)算機(jī)本身以及PLC、微機(jī)保護(hù)、微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)等設(shè)備上的電子元器件的質(zhì)量是比較過關(guān)的，但就自動(dòng)化設(shè)備本身來說，還存在一些質(zhì)量問題，如機(jī)組加閘電磁閥不復(fù)歸或風(fēng)閘停機(jī)后不復(fù)歸、示流信號器動(dòng)作不可靠等，所以在選擇自動(dòng)化設(shè)備時(shí)一定保證其可靠性。目前針對中小型調(diào)速器最好選擇沒有主配閥的調(diào)速器，如PCC（program computer control）數(shù)字閥式調(diào)速器，具備步進(jìn)電機(jī)調(diào)速的所有優(yōu)點(diǎn)同時(shí)該種調(diào)速器在接力器不動(dòng)時(shí)基本不耗油，水輪發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行帶一定負(fù)荷時(shí)（水輪機(jī)導(dǎo)葉不動(dòng)在一定開度），壓油泵的平均啟動(dòng)時(shí)間間隔大于5小時(shí)，大大的降低了壓油泵的能量消耗。