KLSF—01型可編程微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)在瓦房城水電站的應(yīng)用

針對(duì)電站老舊勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)陳舊、設(shè)備老化，性能和可靠性差等問題，在項(xiàng)目建設(shè)中提出用KLSF-01型可編程微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)替代原勵(lì)磁系統(tǒng)的改造方案；并簡(jiǎn)要介紹了KLSF-01型可編程微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的構(gòu)成、功能、性能和特點(diǎn)。實(shí)踐證明，微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完善、可靠性高，大大提高了水電站自動(dòng)化運(yùn)行和控制水平。

【關(guān)鍵詞】KLSF-01型 可編程微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 水電站 應(yīng)用

瓦房城水電站地處甘肅省民樂縣南古鎮(zhèn)，座落于黑河流域東部支流的大堵麻河上，該河流發(fā)源于祁連山北麓的野牛山，多年平均流量2.62m3/s，多年平均年徑流量8310萬(wàn)m3，水能蘊(yùn)藏量3.78萬(wàn)kw。電站始建于1978年，屬水庫(kù)壩后式電站，總裝機(jī)容量3×500kw，設(shè)計(jì)年發(fā)電量620萬(wàn)kw.h，架設(shè)SJ1型主變1臺(tái)，10kv并網(wǎng)線路1回，發(fā)電機(jī)出口電壓6.3kv。其3臺(tái)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)均采用TKL-11型晶閘管自并激靜止勵(lì)磁裝置，乃上世紀(jì)90年代逐漸更新改造后的產(chǎn)品，至今已運(yùn)行20多年，技術(shù)相對(duì)落后，元部件老化嚴(yán)重，運(yùn)行中穩(wěn)定性差、故障率高，安全無保障。

1 原勵(lì)磁系統(tǒng)存在的問題

瓦房城水電站的勵(lì)磁系統(tǒng)經(jīng)過多年運(yùn)行，存在著技術(shù)陳舊、設(shè)備老化、性能和可靠性差， 以及自動(dòng)化水平低等問題，影響了水電站的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益。原勵(lì)磁系統(tǒng)主要存在以下問題：

（1）發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)由于運(yùn)行年久，設(shè)備逐日老化，造成勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能不穩(wěn)定，故障查找困難。特別是晶閘管整流勵(lì)磁是比較復(fù)雜的技術(shù)，在發(fā)生故障時(shí)，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的資深技術(shù)人員和完備儀器，故障排除效果難以保證，有時(shí)甚至擴(kuò)大故障。

（2）勵(lì)磁元件、部件易發(fā)熱損壞，多次導(dǎo)致可控硅燒壞，導(dǎo)致事故停機(jī)。勵(lì)磁脈沖、過壓、測(cè)量放大集成電路插板插腳及勵(lì)磁調(diào)整電位器觸頭磨損老化嚴(yán)重，時(shí)常發(fā)生接觸不良、勵(lì)磁失控、調(diào)節(jié)失靈、滅磁開關(guān)不動(dòng)作、誤動(dòng)作等問題，使機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定、不可靠。

（3）TKL-11型產(chǎn)品出廠時(shí)隔多年，隨著新興技術(shù)的推廣，原來的電路板和元配件已淘汰，其備品備件不易購(gòu)置。

（4）勵(lì)磁系統(tǒng)中復(fù)雜的勵(lì)磁控制部分電路，故障發(fā)生率很高，經(jīng)常因?yàn)槟骋粋€(gè)小小的元器件損壞而被迫停機(jī)，影響了發(fā)電運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)效益。

為了改善電站運(yùn)行條件，提高水電站自動(dòng)化水平，提高電站綜合經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)老的勵(lì)磁系統(tǒng)改造已成為當(dāng)務(wù)之急。

2 改造方案

2010年瓦房城水電站被國(guó)家水利部、發(fā)改委列入小水電代燃料建設(shè)項(xiàng)目，裝機(jī)容量擴(kuò)大至2060kw（2*630+800kw）。為保證電站機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)水電站“無人值班、少人值守”的建設(shè)目標(biāo)，提高小水電代燃料電站的經(jīng)濟(jì)效益，根據(jù)瓦房城水電站機(jī)組參數(shù)配置，經(jīng)多方研究論證，本著經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，決定選用KLSF-01型可編程微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)替代原勵(lì)磁系統(tǒng)。改造方案如下：

（1）保留勵(lì)磁回路全部一、二次電纜。

（2）更換3臺(tái)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁屏及與其相配套的勵(lì)磁變壓器（用油浸式或干式變壓器）。

（3）勵(lì)磁屏由核心部件PLC（日本進(jìn)口）可編程微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器及相應(yīng)的儀器儀表和繼電保護(hù)組成。

（4）配置機(jī)端PT（6300/380）9只（單相），機(jī)端CT（150/5） 9只。

（5）整流橋選用優(yōu)質(zhì)單個(gè)可控硅功率整流元件，組成全控橋，單個(gè)可控硅功率整流元件采用了熱管冷卻以及整個(gè)功率單元采取低噪聲風(fēng)機(jī)冷。

（6）滅磁裝置采用快速滅弧直流短路器。

3 KLSF-01型勵(lì)磁系統(tǒng)構(gòu)成

KLSF可控硅勵(lì)磁裝置主要由全控橋的勵(lì)磁功率單元和可編程勵(lì)磁調(diào)節(jié)器兩部分構(gòu)成。功率單元主要是勵(lì)磁變、可控硅整流裝置、外接電源起勵(lì)回路，滅磁開關(guān)和滅磁回路等組成。其核心部件是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的作用就是根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)功率單元輸出的勵(lì)磁電流，達(dá)到機(jī)組空載并網(wǎng)發(fā)電及負(fù)載無功的要求，并提供參數(shù)、儀表、指示燈等信號(hào)給運(yùn)行人員。

3.1 勵(lì)磁柜

勵(lì)磁柜由調(diào)節(jié)器及功率單元組成。勵(lì)磁柜內(nèi)安裝調(diào)節(jié)器、滅磁裝置及電阻、功率單元、控制信號(hào)設(shè)備和所有附件。勵(lì)磁柜采用通風(fēng)冷卻系統(tǒng)。儀表和操作開關(guān)布置在便于監(jiān)視和操作的位置。勵(lì)磁柜都設(shè)有出口勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流出口，在勵(lì)磁柜上也裝設(shè)勵(lì)磁電壓表和勵(lì)磁電流表，以及發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓表。勵(lì)磁屏外型尺寸為高2260mm，寬800 mm，深800 mm。

3.2 可編程控制器組成的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

可編程邏輯控制器簡(jiǎn)稱PLC，KLSF勵(lì)磁裝置采用原裝置日本三菱公司的FX1N系列PLC，其存儲(chǔ)介質(zhì)為EEPROM，程序和數(shù)據(jù)可在沒有電源的情況下長(zhǎng)時(shí)間保持，而不需要專用電池。

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器除了作為運(yùn)算控制核心的PLC外，還設(shè)有電源和信號(hào)變換模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊、移相觸發(fā)控制模塊。人機(jī)對(duì)話除設(shè)置了必要表計(jì)，指示燈，按鈕外，還配置了一臺(tái)漢字液晶觸摸屏。

3.3 勵(lì)磁變壓器

勵(lì)磁變壓器直接接于同步發(fā)電機(jī)機(jī)端，組成自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)。其高壓側(cè)配備隔離刀閘和熔斷器。勵(lì)磁變連接方式為Y/Δ-1，容量：63KVA，變比：6300V/120V。

3.4 可控硅整流裝置

整流橋?yàn)槿嗳卣鳂?。每一橋臂整流元件串?lián)快速熔斷器作為過電流保護(hù)，快速熔斷器配裝有熔斷信號(hào)器，該快熔熔斷時(shí)經(jīng)微動(dòng)開關(guān)發(fā)出熔斷器熔斷信號(hào)。在每一橋臂整流元件并聯(lián)電阻和電容，作為元件換相過電壓能量的吸收。功率整流元件采用自然風(fēng)冷，冷卻風(fēng)機(jī)裝于柜體的頂端，由功率屏的頂部排出熱空氣。

3.5 滅磁裝置與過電壓保護(hù)

勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)逆變滅磁和自動(dòng)滅磁裝置滅磁兩種方式，機(jī)組正常停機(jī)一般采用逆變滅磁，事故停機(jī)采用自動(dòng)滅磁裝置滅磁。在任何需要滅磁的情況下（包括發(fā)電機(jī)空載強(qiáng)勵(lì)）都將保證可靠快速滅磁。endprint

過電壓保護(hù)裝置保證發(fā)電機(jī)磁繞組兩端的電壓瞬時(shí)值不超過出廠耐壓試驗(yàn)時(shí)該繞組對(duì)地耐壓試驗(yàn)電壓幅值的70%。

自動(dòng)滅磁裝置，采用快速滅弧直流斷路器，最小斷流能力不大于額定勵(lì)磁電流的6%，最大分?jǐn)嚯娏鞑恍∮陬~定勵(lì)磁電流的200%，電壓大于強(qiáng)行勵(lì)磁時(shí)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的頂值電壓。其操作電源額定電壓為直流220V，操作機(jī)構(gòu)保證斷路器可靠合閘和分閘（采用雙跳閘線圈），并有電氣和機(jī)械防跳措施。

3.6 起勵(lì)裝置

起勵(lì)裝置采用殘壓起勵(lì)為主、直流起勵(lì)為輔的起勵(lì)方式。廠商提供直流起勵(lì)的成套設(shè)備，包括電源進(jìn)線、開關(guān)及內(nèi)部聯(lián)接的電線。采用直流起勵(lì)，電源來自廠用220V直流系統(tǒng)。設(shè)有起勵(lì)后自動(dòng)退出和起勵(lì)不成功的控制、信號(hào)、保護(hù)、閉鎖回路。起勵(lì)電源的電流為15%發(fā)電機(jī)空載勵(lì)磁電源。

4 KLSF-01型勵(lì)磁系統(tǒng)功能、特點(diǎn)及性能

KLSF-01型勵(lì)磁系統(tǒng)的核心部件是可編程觸摸屏微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，其主要功能及特點(diǎn)如下：

4.1 主要功能及要求

（1）發(fā)電機(jī)電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)規(guī)律采用P、PI、PID可選。

（2）勵(lì)磁電流自動(dòng)調(diào)節(jié)。按勵(lì)磁電流的給定值和實(shí)測(cè)值偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（3）手動(dòng)/自動(dòng)相互跟蹤及切換。正常運(yùn)行時(shí)，兩種方式可相互切換。自動(dòng)故障時(shí)自動(dòng)切換到手動(dòng)。自動(dòng)也可用手動(dòng)方式切換到手動(dòng)，所有切換均無擾動(dòng)。

（4）系統(tǒng)電壓跟蹤。為實(shí)現(xiàn)機(jī)組與系統(tǒng)的快速同步，勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)置發(fā)電機(jī)電壓跟蹤系統(tǒng)電壓環(huán)節(jié)。

（5）過勵(lì)磁限制及最大勵(lì)磁限制。應(yīng)根據(jù)磁場(chǎng)繞組的熱穩(wěn)定要求對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行限制，按反時(shí)限曲線經(jīng)過規(guī)定時(shí)間自動(dòng)將勵(lì)磁電流限制在額定勵(lì)磁電流。

（6）欠勵(lì)限制。根據(jù)機(jī)組實(shí)發(fā)有功功率，對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流最小值進(jìn)行限制，其限制曲線比發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的有功功率—?jiǎng)?lì)磁電壓判據(jù)留有一定裕度，以相互配合。

（7）V/Hz限制。根據(jù)發(fā)電機(jī)電壓、頻率的大小，調(diào)整勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)電壓不超過由頻率電壓關(guān)系所確定的數(shù)值，主要用來防止發(fā)電機(jī)和主變壓器過激勵(lì)、發(fā)電機(jī)不并網(wǎng)時(shí)空載誤強(qiáng)勵(lì)或勵(lì)磁誤調(diào)整造成的空載過電壓。V/Hz限制將發(fā)電機(jī)變壓器組的V/Hz保護(hù)配合，還與正常轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍內(nèi)的電壓調(diào)整的頻率特性配合，與電壓調(diào)節(jié)范圍相配合。

（8）控制參數(shù)的在線修改。可在線修改各種控制參數(shù)，進(jìn)行在線修改時(shí)，不影響勵(lì)磁系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（9）容錯(cuò)功能。對(duì)于自動(dòng)和手動(dòng)，當(dāng)發(fā)生被調(diào)量反饋信號(hào)丟失、各種給定指令信號(hào)丟失等故障時(shí)，首先考慮切換，在不能切換時(shí)將有容錯(cuò)功能。當(dāng)處于容錯(cuò)運(yùn)行時(shí)，仍保證安全運(yùn)行。

（10）保護(hù)功能設(shè)置。a.勵(lì)磁（功率整流）柜的過電流和過電壓保護(hù)；b.電壓互感器斷線保護(hù)；c.勵(lì)磁（功率）柜冷卻風(fēng)機(jī)故障、電源消失及斷相保護(hù)。

（11）現(xiàn)地人機(jī)聯(lián)系。在勵(lì)磁柜上除裝設(shè)測(cè)量?jī)x表和控制信號(hào)設(shè)備外，還可在線選擇顯示重要的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)、給定參數(shù)以及計(jì)算參數(shù)。

（12）通信。備有R485串行通信口，具有和上位計(jì)算機(jī)通訊的功能。另外，有現(xiàn)地調(diào)試、顯示通信接口。

（13）自診斷、自恢復(fù)。a.能診斷到包括過程通信在內(nèi)的每一個(gè)插件，并能提出故障性質(zhì)；當(dāng)硬件故障時(shí)，軟件可及時(shí)發(fā)現(xiàn)；b.當(dāng)電源消失和恢復(fù)供電，以及調(diào)節(jié)器停止后又起動(dòng)，能夠自動(dòng)按實(shí)時(shí)狀態(tài)恢復(fù)工作。

（14）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器具有限制起勵(lì)超調(diào)功能（采用可編程微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器）。

4.2 主要特點(diǎn)

（1）多通道模式，無擾動(dòng)切換。機(jī)旁設(shè)置雙通道模式，恒壓，恒流通道。通過與上位機(jī)通訊，配合計(jì)算機(jī)監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行模式。

（2）簡(jiǎn)潔的硬件結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)器由PLC，檢測(cè)模塊，觸發(fā)模塊，電源和信號(hào)變換模塊組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。

（3）操作簡(jiǎn)單。KLSF勵(lì)磁裝置設(shè)計(jì)了近方，遠(yuǎn)方操作方式，無論是在現(xiàn)場(chǎng)還是在中控室，均能實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)的全方位控制。

（4）標(biāo)準(zhǔn)通訊。配置了標(biāo)準(zhǔn)的RS232和RS485通訊接口，把PLC采集的發(fā)電機(jī)組參數(shù)，勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)實(shí)時(shí)傳送出來，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控。

（5）硬件“看門狗”。FX1N系列可編程控制器自帶硬件“看門狗”，實(shí)現(xiàn)PLC永不“死機(jī)”。

（6）美觀的人機(jī)操作界面。采用大屏幕的液晶觸摸屏，方便通過觸摸屏監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，在線更改參數(shù)。

4.3 主要性能及技術(shù)參數(shù)

（1）自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器保證發(fā)電機(jī)機(jī)端調(diào)壓精度優(yōu)于0.5%。

（2）自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器保證發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓調(diào)差率整定范圍不小于±10%，并按1%的檔距分檔，調(diào)差特性有較好的線性度。

（3）自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器能在發(fā)電機(jī)空載電壓40%～110%額定值范圍內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定、平滑的調(diào)節(jié)。

（4）在發(fā)電機(jī)空載狀態(tài)下，自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和手動(dòng)控制單元的整定電壓變化速度，不大于額定電壓1%/s，不小于額定電壓0.3%/s。

（5）自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器有自動(dòng)電壓跟蹤回路，在機(jī)組同期并網(wǎng)之前使機(jī)組電壓迅速跟蹤系統(tǒng)電壓。

（6）手動(dòng)控制單元的調(diào)節(jié)范圍，下限不得高于發(fā)電機(jī)空載勵(lì)磁電壓的40%，上限不得低于110%額定勵(lì)磁電壓。

（7）發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行，轉(zhuǎn)速在0.95～1.05額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的情況下，突然投入勵(lì)磁系統(tǒng)，使發(fā)電機(jī)端電壓從零上升至額定值時(shí)，電壓超調(diào)量不大于額定電壓的15%，振蕩次數(shù)不超過3～5次，調(diào)節(jié)時(shí)間不大于5s。

（8）當(dāng)發(fā)電機(jī)突然甩掉額定有功負(fù)載和額定無功負(fù)載后，發(fā)電機(jī)電壓超調(diào)量不大于15%～20%額定值，振蕩次數(shù)不超過3～5次，調(diào)節(jié)時(shí)間不大于5s。

5 KLSF-01型勵(lì)磁系統(tǒng)工作原理

KLSF-01型勵(lì)磁系統(tǒng)基于自并激勵(lì)磁方式，系統(tǒng)的勵(lì)磁電流取自發(fā)電機(jī)機(jī)端，經(jīng)過整流變壓器降壓、三相全控整流橋整流后向發(fā)電機(jī)供給勵(lì)磁電流。勵(lì)磁裝置由測(cè)量單元、同步單元、放大單元、調(diào)差單元、穩(wěn)定單元、限制單元及一些輔助單元構(gòu)成。被測(cè)量信號(hào)（如電壓、電流等），經(jīng)測(cè)量單元變換后與給定值相比較，然后將比較結(jié)果（偏差）經(jīng)前置放大單元和功率放大單元放大，并用于控制可控硅的導(dǎo)通角，以達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的目的。同步單元的作用是使移相部分輸出的觸發(fā)脈沖與可控硅整流器的交流勵(lì)磁電源同步，以保證可控硅的正確觸發(fā)，調(diào)差單元用于并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)能穩(wěn)定和合理地分配無功負(fù)荷，穩(wěn)定單元用于改善勵(lì)磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性，限制單元用于防止發(fā)電機(jī)在過勵(lì)磁或欠勵(lì)磁的條件下運(yùn)。

6 效益

由于瓦房城水電站屬于季節(jié)性發(fā)電的水電站，效益最大化是企業(yè)追求的最終目標(biāo)，爭(zhēng)分奪秒發(fā)好每一度電是企業(yè)員工的責(zé)任，再者電力調(diào)度對(duì)電站上網(wǎng)電能質(zhì)量考核標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，因此水電站系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定度和可靠度是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的法寶。使用微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，通過改善勵(lì)磁條件，合理調(diào)節(jié)有、無功比例，解決了電站上網(wǎng)電能質(zhì)量問題，有效提高了電站經(jīng)濟(jì)效益；因調(diào)節(jié)品質(zhì)的提高，調(diào)整時(shí)間縮短，并網(wǎng)更加迅速；節(jié)省了購(gòu)買維修電氣元件的材料費(fèi)和人工修理費(fèi)。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁技術(shù)也在不斷更新和升級(jí)，微機(jī)勵(lì)磁裝置的性價(jià)比逐漸降低，在新建或改擴(kuò)建小水電站已普遍推廣應(yīng)用。微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用先進(jìn)技術(shù)，按“無人值班、少人值守”的原則設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、使用維護(hù)方便、調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)良和功能完善等特點(diǎn)，人性化的人機(jī)交換界面，可減小運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度，為電站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行并提高經(jīng)濟(jì)效益奠定了良好基礎(chǔ)。實(shí)踐證明，微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完善、可靠性高，大大提高了水電站自動(dòng)化運(yùn)行和控制水平。

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[2]田煒.基于MSP430單片機(jī)中小型水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器的設(shè)計(jì)與研制[D].武漢大學(xué)，2005.

作者簡(jiǎn)介

李榮（1975-），男，大專學(xué)歷?，F(xiàn)為甘肅省民樂縣瓦房城水電站助理工程師，主要從事水電站生產(chǎn)運(yùn)行及技術(shù)處理工作。

作者單位

民樂縣瓦房城水電站 甘肅省民樂縣 734506endprint