浙江龍泉梅村水庫電站自動化改造研究

周偉彬

（浙江省水電管理中心，浙江 杭州 310009）

1 梅村水庫電站概況

梅村水庫電站位于浙江龍泉市安仁鎮(zhèn)安仁溪上，距龍泉市城區(qū)45公里。水庫1994年建成，壩址上游集雨面積50.9平方公里，總庫容71.2萬立方米，正常庫容50萬立方米，為?。ǘ┬退畮?，梅村水庫電站擔任下游安仁畈3703畝農(nóng)田澆灌任務。配套電站于1996年建成并投入發(fā)電，電站裝機2×250千瓦，設計年平均發(fā)電量150萬千瓦時。受諸多因素影響，電站當時采用的水輪發(fā)電機組為舊機組，裝機容量偏小，控制系統(tǒng)為手動控制，經(jīng)過十多年運行，機組老化、效率低，存在較大安全隱患。

2 低壓機組智能控制系統(tǒng)特點及結(jié)構(gòu)

2.1 智能控制系統(tǒng)特點

梅村電站更新改造中的控制系統(tǒng)原來為手動，在改造中增加了自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了機組的自動開機、自動停機、自動調(diào)頻、自動調(diào)壓、自動準同期并網(wǎng)、自動調(diào)節(jié)機組的有功無功功率，實現(xiàn)了機組的電氣及水機保護，實現(xiàn)了機組各種運行參數(shù)的測量，實現(xiàn)了與上位機的通信。增容改造后裝機為2×320千瓦，年設計平均發(fā)電量為193萬千瓦時。

在梅村電站的更新改造中，新增加的自動控制系統(tǒng)有別于通常采用的微機自動控制系統(tǒng)。通常的微機自動控制系統(tǒng)開停機邏輯控制、頻率調(diào)節(jié)、自動準同期、發(fā)電機保護、發(fā)電機電氣參數(shù)的測量、溫度測量等都分別采用專用的微機裝置來實現(xiàn)，系統(tǒng)構(gòu)成復雜，裝置多，費用高，后期運行維護管理要求高，一般來講，通常的微機自動控制系統(tǒng)較適用于容量1000kW以上的高壓機組，類似梅村電站這樣機組容量為幾百kW的0.4kV的低壓機組適用性并不理想。

梅村電站更新改造中采用的NDK-2001低壓機組智能控制系統(tǒng)是專門針對機組容量為幾百kW的0.4kV的低壓機組開發(fā)的自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用工控單片機系統(tǒng)，將數(shù)字處理技術(shù)和模擬處理技術(shù)相結(jié)合，系統(tǒng)高度集成，一套控制系統(tǒng)就能實現(xiàn)機組自動開停機控制、頻率調(diào)節(jié)、自動準同期、發(fā)電機保護、發(fā)電機電氣參數(shù)測量、溫度測量等功能，具有控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運行維護容易的特點。

2.2 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

梅村電站自動化改造的低壓機組智能控制系統(tǒng)采用工業(yè)級微機系統(tǒng)，模塊化插卡結(jié)構(gòu)。所有的模塊安裝在機箱中，有電源模塊1塊、CPU主處理模塊1塊、24路開關量輸入模塊2塊、24路開關量輸出模塊2塊、12路溫度測量模塊1塊、8路模擬量輸入模塊1塊、同期模塊1塊、交流電參數(shù)測量模塊1塊，結(jié)構(gòu)類似PLC，可將低壓機組智能控制系統(tǒng)認為是專門用于低壓機組控制的定制PLC（包括下面編程方式的研究），見圖1。

低壓機組智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、功能全，一個機箱就代替了通常的微機控制系統(tǒng)的多個裝置。系統(tǒng)在CPU主處理模塊上，有2個通信接口，其中一個用于與觸摸顯示屏相連，通過觸摸顯示屏可實現(xiàn)對機組的操作和控制，同時顯示機組的各種狀態(tài)和參數(shù)，另一個通信接口用于與上位計算機相連。

3 低壓機組智能控制系統(tǒng)功能

從圖1低壓機組智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可看出，該系統(tǒng)將機組的控制、調(diào)節(jié)、同期并網(wǎng)、測量、保護、顯示、操作與參數(shù)設置、編程等功能都集于一體，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全、安裝調(diào)試容易、使用方便的特點。

（1）控制

控制功能是低壓機組智能控制系統(tǒng)的基本功能，具有自動開機、自動停機、事故停機等控制功能。在自動開機過程中，智能控制系統(tǒng)檢測開機條件，機組符合開機條件，智能控制系統(tǒng)開始技術(shù)供水，開啟水輪機導葉，啟動機組，機組起勵建壓，控制機組同期并網(wǎng)發(fā)電。

在自動停機過程中，機組智能控制系統(tǒng)先給機組卸負荷至空載，分發(fā)電機空氣斷路器，將水輪機導葉關至全關，機組轉(zhuǎn)速降到額定轉(zhuǎn)速35%以下時，機組制動，切除技術(shù)供水，完成停機，或在事故停機過程中完成停機。

（2）調(diào)節(jié)

機組的調(diào)節(jié)分為機組并網(wǎng)前的頻率、電壓調(diào)節(jié)和機組并網(wǎng)后的有功功率、無功功率調(diào)節(jié)。

①機組并網(wǎng)前的頻率、電壓調(diào)節(jié)

梅村電站機組并網(wǎng)前的頻率調(diào)節(jié)是低壓機組智能控制系統(tǒng)重點調(diào)節(jié)的參數(shù)。許多低壓機組為節(jié)約成本，都不配置自動液壓調(diào)速器，僅采用手電兩用調(diào)速器來控制水輪機導葉，無法實現(xiàn)機組頻率的自動調(diào)節(jié)。梅村電站的水輪機也同樣采用手電兩用調(diào)速器，要完成機組頻率自動調(diào)節(jié)，必須由低壓機組智能控制系統(tǒng)控制手電兩用調(diào)速器來實現(xiàn)。對低壓機組智能控制系統(tǒng)來講，必須具有機組頻率調(diào)節(jié)功能，低壓機組智能控制系統(tǒng)與手電兩用調(diào)速器相配合應具有自動液壓調(diào)速器的功能，使機組的頻率穩(wěn)定在額定頻率。

但是手電兩用調(diào)速器與自動液壓調(diào)速器比較，性能差異較大，機構(gòu)動作精度低、死區(qū)大，電機慣性不易控制，電機正反轉(zhuǎn)有間隙且不對稱，超調(diào)量較難控制，調(diào)節(jié)精度差、時間長，如要求機組頻率調(diào)節(jié)精度高，則電動機正反轉(zhuǎn)頻繁，操作機構(gòu)的磨損加大。而低壓機組智能控制系統(tǒng)提供的機組頻率能接近額定頻率，電動機的調(diào)節(jié)次數(shù)少，超調(diào)量及超調(diào)次數(shù)少，將機組的頻率調(diào)節(jié)誤差控制在±0.3Hz～±0.5Hz實用范圍內(nèi)，滿足低壓小機組的實際使用要求。

為達到上述頻率調(diào)節(jié)的實際使用要求，低壓機組智能控制系統(tǒng)采用比例加微分的調(diào)節(jié)規(guī)律，與自動液壓調(diào)速器不同的是，其比例系數(shù)和微分系數(shù)在頻率增減兩個方向是有差異的。這是因為電動機在正反轉(zhuǎn)動作過程中，它的間隙、慣性等具有不對稱性，手電動操作器的調(diào)節(jié)量由下式表達：

式中：Δy—手電動操作器調(diào)節(jié)量；

Δf—頻率偏差；

K1—比例系數(shù)；

K2—微分系數(shù)。

低壓機組并網(wǎng)前的電壓調(diào)節(jié)相對簡單，低壓0.4kV發(fā)電機一般都有電抗分流勵磁系統(tǒng)或靜止可控硅勵磁系統(tǒng)。發(fā)電機的電壓由電抗分流勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)裝置或靜止可控硅勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)，梅村電站采用電抗分流勵磁系統(tǒng)，在機組并網(wǎng)前，機組電壓由電抗分流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)。

②機組并網(wǎng)后的有功功率、無功功率調(diào)節(jié)

機組并網(wǎng)后，低壓機組智能控制系統(tǒng)將按給定的有功功率、無功功率，對水輪機的手電兩用操作器、發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，使機組的有功功率、無功功率穩(wěn)定在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)機組有功功率、無功功率的自動調(diào)節(jié)。低壓機組智能控制系統(tǒng)除能實現(xiàn)機組有功功率、無功功率的自動調(diào)節(jié)外，還能由運行人員在觸摸屏上對機組的有功功率、無功功率進行手動增減操作。

（3）同期并網(wǎng)

低壓機組智能控制系統(tǒng)具有自動同期并網(wǎng)的功能。當機組在并網(wǎng)運行模式時，低壓機組智能控制系統(tǒng)將控制機組的頻率、電壓跟蹤電網(wǎng)的頻率、電壓，對機組的頻率、電壓進行調(diào)節(jié)，當機組的頻率差、電壓差、相位差等符合同期要求時，低壓機組智能控制系統(tǒng)將發(fā)出同期合閘命令，控制機組完成同期合閘。同時，在達到同期條件時，也將給出頻率差、電壓差、相位差相應的指示，以便于操作人員監(jiān)視。

（4）測量

低壓機組的測量主要有電氣量參數(shù)的測量和非電氣量參數(shù)的測量，梅村電站的參數(shù)測量也不例外。

①電氣量參數(shù)測量

低壓發(fā)電機的電氣量參數(shù)主要有發(fā)電機的三相交流電氣參數(shù)和勵磁電流、勵磁電壓等直流電氣參數(shù)。

發(fā)電機的三相交流電氣參數(shù)的測量通過低壓機組智能控制系統(tǒng)電參數(shù)采樣模塊實現(xiàn)的，電參數(shù)采樣模塊采用交流采樣方式，采集發(fā)電機的三相電流、三相電壓、頻率、電流和電壓的相位等參數(shù)，通過內(nèi)部計算的方式計算出有功功率、無功功率、功率因數(shù)等參數(shù)。勵磁電流、勵磁電壓等直流參數(shù)通過變送器將其變成4～20mA的模擬量，送至低壓機組智能控制系統(tǒng)模擬量采集模塊，實現(xiàn)勵磁電流、勵磁電壓的測量。

②非電氣量參數(shù)測量

梅村電站的非電氣量參數(shù)主要有機組軸承和繞組的溫度量，溫度量測量的PT100熱電阻直接接至低壓機組智能控制系統(tǒng)的溫度量測量模塊，完成機組的溫度測量。其他電站的水壓、油壓、水位等參數(shù)可通過變送器轉(zhuǎn)換成4～20mA參數(shù)，送至低壓機組智能控制系統(tǒng)模擬量采集模塊，完成這些參數(shù)的模擬量采集。

（5）保護

低壓發(fā)電機的容量一般小于800kW，因此其保護配置也較簡單，僅配置過電流、過電壓、欠電壓、頻率過高、頻率過低的保護。梅村電站也同樣配置了上述幾種電氣保護，當某一保護啟動時，發(fā)出相應的事故停機信號或故障報警信號，保護的電流、電壓、頻率信號來自于電壓機組智能控制系統(tǒng)的電參數(shù)測量模塊。

（6）顯示、操作與參數(shù)設置

梅村電站采用的低壓機組智能控制系統(tǒng)配有一塊液晶觸摸顯示屏，顯示、操作與參數(shù)設置等都是通過該液晶觸摸顯示屏來完成的。電站運行參數(shù)、狀態(tài)的顯示，機組自動同期的指示等都在液晶觸摸顯示屏上顯示；機組的開停機控制操作，自動空氣斷路器的合分控制操作等在液晶觸摸顯示屏上完成；參數(shù)設置包括初始參數(shù)的設置，如電流互感器、電壓互感器變比的設置，溫度測量熱電阻型號的設置，保護整定值的設置，此外還包括運行參數(shù)的設置，如有功功率、無功功率給定值的設置等，這些參數(shù)的設置都通過液晶觸摸顯示屏來完成。

（7）通信

梅村電站采用的低壓機組智能控制系統(tǒng)具有通信接口。梅村電站配置了上位機，機組的各種運行狀態(tài)、參數(shù)等可通過通信接口送至上位機，在上位機上顯示、儲存、查詢，上位機的開停機控制、功率調(diào)節(jié)命令也可通過通信送至低壓機組智能控制系統(tǒng)，由低壓機組智能控制系統(tǒng)完成相應的控制、調(diào)節(jié)。

（8）編程

低壓機組智能控制系統(tǒng)由工業(yè)微機系統(tǒng)構(gòu)成，采用工業(yè)級單片機及相應的外圍芯片。眾所周知，單片機的編程語言通常采用匯編語言或高級語言編譯后變成可執(zhí)行文件寫入芯片，在現(xiàn)場如需修改控制流程等，必須由專業(yè)開發(fā)人員完成。為此，我們在低壓機組智能控制系統(tǒng)中設置了軟PLC ，采用PLC的梯形圖編程方式來完成程序的編制、修改，這樣普通的技術(shù)人員就能編程，方便推廣使用。

4 自動控制系統(tǒng)可靠性

對于水電站自動控制系統(tǒng)來說，可靠性是第一位的。梅村電站采用的低壓機組智能控制系統(tǒng)同樣如此，提高低壓機組智能控制系統(tǒng)可靠性主要從硬件、軟件方面著手。

為了提高低壓機組智能控制系統(tǒng)硬件可靠性，在硬件上采用工業(yè)級芯片，采用隔離、濾波、布線、接地、看門狗等抗干擾技術(shù)，加強開關量、模擬量、溫度量等輸入輸出接口的抗干擾能力；在開關量接口上采用隔離技術(shù)；在模擬量輸入接口上采用濾波器；在印刷電路板設計中采用合理布線，減少器件間的相互干擾，保證整個系統(tǒng)良好的接地。利用看門狗電路防止系統(tǒng)死機，當出現(xiàn)死機時重啟系統(tǒng)。

除硬件外，還可通過軟件來提高低壓機組智能控制系統(tǒng)的可靠性，在軟件方面通過軟件濾波及軟件智能判別來提高可靠性。

5 結(jié)論

梅村電站于2009年3月改造完成投產(chǎn)運行，3年運行實踐表明，低壓機組智能控制系統(tǒng)運行可靠，功能完善，自動化程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)電站機組自動開停機操作，自動同期并網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)機組有功功率、無功功率自動調(diào)節(jié)，能與手電兩用調(diào)速器相配套實現(xiàn)頻率自動調(diào)節(jié)，保護動作作用于事故自動停機并報警，安裝調(diào)試方便，投資節(jié)省。

從NDK-2001低壓機組智能控制系統(tǒng)在梅村電站應用的實際來看，該系統(tǒng)具有針對性強，專門針對低壓機組研發(fā)，性能優(yōu)良，功能能夠滿足低壓機組的控制需要，是優(yōu)秀的低壓機組自動控制系統(tǒng)，適用于新建電站及老電站技術(shù)改造，具有一定的推廣應用價值。

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