貫流式水輪發(fā)電機組綜合自動化系統(tǒng)技術改造探討

李一平

（湖南省永州市瀟湘水電站，湖南 永州425000）

1 引言

瀟湘水電站是湖南湘江干流上規(guī)劃建設的第二個梯級水電站，地處永州市城市中心。該電站屬于徑流式低水頭電站，控制流域面積21590km2，總庫容1.82億m3，為國家大II類水庫。電站設計安裝4臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，裝機容量為4×13MW，年設計發(fā)電量2.15億kW·h。工程于1993年8月動工，是當時湖南省引用外資的最大的一座水電站，2002年5月開始投產(chǎn)發(fā)電，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，同時也改善了當?shù)氐纳鷳B(tài)和社會發(fā)展環(huán)境，該工程具有航運、灌溉、城市供水、改善城市交通條件、促進土地及房地產(chǎn)開發(fā)，旅游等一系列綜合利用效益。

2 實施機組綜合自動化技術改造的必要性

瀟湘水電站1號機組是電站最早投運的1臺機組，為20世紀90年代初設計，機組計算機監(jiān)控、調(diào)速器、勵磁裝置、繼電保護、自動化元器件等電氣綜合自動化控制設備訂貨時間較早，經(jīng)過10多年的運行，有的設備逐步老化，在調(diào)節(jié)性能和品質(zhì)方面已不能滿足目前電力系統(tǒng)的要求。該機組的自動化控制水平較低，需要手動操作的設備較多，開、停機需要將近30min左右的時間，造成了較大水能損失，不能滿足機組經(jīng)濟運行的要求，急需進行自動化設備的升級改造工作：

（1）提升機組運行的可靠性。水電站電氣設備自動化升級改造對各個系統(tǒng)的檢測工作可以通過自動控制系統(tǒng)精確、快速、及時的實現(xiàn)?？梢詫崟r監(jiān)控機組的各項運行數(shù)據(jù)及對故障的準確判斷，實現(xiàn)智能化控制，有效提升了水電站發(fā)電機組運行的可靠性。

（2）保證機組輸出電能的質(zhì)量。水電站機組并入電網(wǎng)運行，電網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀況實時發(fā)生改變，發(fā)電機組只有在調(diào)速器和勵磁等自動裝置的控制下才能實現(xiàn)及時、準確調(diào)節(jié)工作狀態(tài)，進而在規(guī)定的范圍內(nèi)維持發(fā)電機組所發(fā)電能的電壓和工頻等參數(shù)的品質(zhì)。

（3）提高水電站機組運行的管理效率。水電站機組電氣綜合自動化設備升級改造，使水電站日常運行中的工作量大幅降低，運行、管理水平也獲得了大幅提升。這樣水電站的電能生產(chǎn)成本和運行成本就得到降低，最終實現(xiàn)水電站勞動生產(chǎn)率的提升。

（4）提高水電站運行的經(jīng)濟性。水電站機組電氣綜合自動化設備升級改造可以實現(xiàn)自動保持機組始終運行在最佳工況下，確保機組發(fā)電效益最大化，充分提升了水電站機組運行的經(jīng)濟性。

3 實施機組綜合自動化技術改造的難點

（1）瀟湘水電站1號機組綜合自動化系統(tǒng)設計圖紙為90年代初設計，設計理念已滿足不了現(xiàn)代電網(wǎng)對機組控制的要求，需要設計人員全面梳理設計圖紙，核對現(xiàn)場，結(jié)合實際，按“少人值守”的原則進行總體思考和系統(tǒng)配置，完成新圖紙的設計工作。

（2）整臺機組電氣設備關聯(lián)的動力、控制和信號等電纜有上千根，本著經(jīng)濟節(jié)省的原則，能繼續(xù)利用的電纜需要利用起來，要求分系統(tǒng)點對點清理、核實原電纜去向，根據(jù)改造圖紙進行重新調(diào)整、配線，工作量大。

（3）工期較短，要利用枯水期3個月時間，依靠電站技術力量，完成整個電氣設備自動化改造的產(chǎn)品選型、圖紙設計、安裝、施工、調(diào)試等全部工作。

4 實施機組綜合自動化系統(tǒng)技術改造的方案

4.1 對計算機監(jiān)控系統(tǒng)的技術改造

機組計算機監(jiān)控系統(tǒng)是集開、停機流程控制、輔機控制、數(shù)據(jù)采集處理、實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、事件記錄等于一體的自動監(jiān)測控制系統(tǒng)。90年代初，由于對計算機可靠性的顧慮，瀟湘水電站1號機組的控制功能仍由常規(guī)控制裝置來完成，計算機只起到數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測作用，并且實時數(shù)據(jù)采集誤差較大，中央控制室的操作員工作站只能起到基本電量的監(jiān)視作用，不能完成對機組的控制和詳細監(jiān)視。因此我們通過現(xiàn)場分析，采用中國水科院研發(fā)的H9000水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的可靠性、可擴充性和可移植性。

4.1.1 現(xiàn)地控制單元的改造

（1）針對貫流式機組輔助設備及控制回路較多的實際情況，我們設計了由觸摸屏和數(shù)據(jù)采集主要設備組成的現(xiàn)地控制單元。并且采用性能可靠、穩(wěn)定的美國GE-Rx3i的可編程控制器（PLC），對觸摸屏進行單獨編程和畫面制作，作為現(xiàn)地的人機聯(lián)系的接口?？芍苯訉崟r顯示機組所有的數(shù)據(jù)，包括電氣量與非電氣量（溫度、流量、壓力、液位等），并且能顯示所有現(xiàn)場設備的開關、觸點狀態(tài)，徹底解決了原來在現(xiàn)場不能實時監(jiān)視主機和輔助設備相關運行參數(shù)的問題。

（2）針對電氣量數(shù)據(jù)采集不準的問題，我們采用了交流綜合采集模塊。原來對機組電氣量的采集是通過電壓、電流、功率、頻率等變送器將相關電氣量變成 4～20mA（0～10V）信號再送至計算機，這樣不但數(shù)據(jù)不準確，而且接線復雜，占用很大的屏內(nèi)空間。針對這一情況，我們采用了專門的電氣量的交流綜合采集模塊，取消了所有的電氣量變送器。將現(xiàn)場PT、CT的信號直接接入交流采集裝置，再換算出三相電壓、三相電流、有功、無功、頻率和功率因素等參數(shù)，減少了PLC模擬量的通道。PLC可與該模塊直接通信，實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。

（3）針對機組測速和導葉開度測量不準確的問題，我們采用齒盤測速裝置和開度儀代替殘壓測頻裝置和主令開關。水輪機在電氣制動時，發(fā)電機出口三相短路，機端相電壓為零，不能測到機組的轉(zhuǎn)速，這使得發(fā)電機不能準確停機，原來我們采用從二次電流回路取電壓的方法，但增加了1套測速裝置，為此我們將測速裝置改造成齒盤測速裝置——直接測量機組的機械轉(zhuǎn)速，這樣就只需1套測速裝置可解決所有問題。而原來用來反映水輪機導葉開度的控制元件是1個主令開關，由于機組的振動經(jīng)常動作不可靠導致不能自動開、停機，所以我們采用目前最先進的用PLC測量與控制的開度儀，能有效解決以上問題，為實現(xiàn)機組開、停機的順序控制提供了有力的保障。

（4）針對原機組采用手動準同期并網(wǎng)的現(xiàn)狀，我們增加了單對象的微機自動準同期裝置。采用手動準同期并網(wǎng)不但對操作人員的技術水平和經(jīng)驗要求較高，而且影響機組的安全運行。為此，我們配置了國電南瑞的WX-98G/X型的微機自動準同期裝置，它不但同期快、精度高，而且穩(wěn)定性和抗干擾能力強，且具有電壓回路斷線、低壓和過壓保護、低頻和過頻保護。我們通過對現(xiàn)地控制單元中PLC編程，讓同期裝置在機組達到額定轉(zhuǎn)速和額定機端電壓時立刻投入，而調(diào)頻、調(diào)壓脈沖的寬度則根據(jù)調(diào)速器和勵磁調(diào)節(jié)器的響應速度現(xiàn)場調(diào)整，每次能確保在出現(xiàn)第1個同期點時精確無誤的將發(fā)電機出口斷路器（同期點）合上，完成并網(wǎng)工作。

4.1.2 中控室操作員工作站的改造

（1）中央控制室操作員工作站（廠級控制計算機）采用惠普工控機，原為1套設備，此次改造增加1套工作站互為備用，顯示器改用2臺34寸顯示器并應用一卡多顯技術，具有顯示、互交作圖、多窗口、圖形縮放等功能。操作員工作站完成對機組的運行監(jiān)視和閉環(huán)控制，發(fā)布操作命令，實現(xiàn)對整個機組的計算機監(jiān)控系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)庫管理，在線及離線計算，各圖表曲線的生成以及事故、故障信號的分析處理等功能。同時工作站還配置有多媒體，可完成事故報警功能，當機組發(fā)生故障或事故時，立即實現(xiàn)多媒體語音報警。

（2）網(wǎng)絡設備選用為美國3COM公司的交換機形成中心主干網(wǎng)，通過RJ45口以高屏蔽雙絞線為介質(zhì)連接主控層的各個計算機，另通過多膜光纖與光纖收發(fā)器分別與現(xiàn)地控制單元LCU構成以太網(wǎng)。

（3）系統(tǒng)操作員工作站還配有打印機用于報表及報警記錄打印，SANTAK 1KVA UPS 電源提高系統(tǒng)的可靠性。

4.2 對調(diào)速器和勵磁系統(tǒng)實施的自動化改造

4.2.1 調(diào)速器系統(tǒng)的自動化改造

機組調(diào)速器是進行發(fā)電機組有功自動調(diào)節(jié)的設備，瀟湘水電站1號機組原來使用的是有油式步進電機電液轉(zhuǎn)換的調(diào)速器，投運以來，經(jīng)常出現(xiàn)電液轉(zhuǎn)換器卡死、步進電機燒壞等現(xiàn)象，而且還經(jīng)常出現(xiàn)主配壓閥竄動溜負荷故障，已完全不能滿足自動控制的要求。

為保證機組調(diào)速系統(tǒng)性能達標、功能齊全、運行可靠，這次改造選擇了武漢三聯(lián)公司最新研發(fā)的PBWST-100/80比例閥+步進伺服電機式水輪機調(diào)速器。取消了原來調(diào)速器的機械開限及定位手操機構、鋼絲繩回復機構、托起裝置、導槳葉主配壓閥、所有電控部分及有油式步進電機電液轉(zhuǎn)換器，保留調(diào)速器基座底板，將原有的油管路重新進行裝配，將導、槳葉壓力供油管與開腔油管位置互換，而關腔與回油腔的管路則保持不變。

新型調(diào)速器電氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)以德國西門子（Siemens）公司的S7-300系列PLC為核心元件構成，主要采集水輪發(fā)電機組的運行數(shù)據(jù)，接收來自機組控制系統(tǒng)的命令，并對各數(shù)據(jù)和命令進行自動分析和運算，產(chǎn)生控制信號控制機械液壓系統(tǒng)，微機控制器完成對水輪發(fā)電機組的開機、停機、緊急停機、增減負荷、一次調(diào)頻、頻率調(diào)節(jié)和開度調(diào)節(jié)等操作。

4.2.2 勵磁系統(tǒng)的自動化改造

機組勵磁系統(tǒng)是進行機組無功自動調(diào)節(jié)的設備，1號機組原勵磁系統(tǒng)為90年代初廣州電科院研發(fā)的TKL-11型模擬調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)精度不高，響應時間慢，故障率較多，而近年來隨著電網(wǎng)容量的不斷擴大和電壓等級不斷提高，直接影響了機組的安全運行。

瀟湘水電站改造采用了中國電器科學研究院研發(fā)的EXC9100型第五代全數(shù)字式（微機）勵磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)核心控制單元采用主流ARM+新型FPGA的嵌入式精簡系統(tǒng)。實現(xiàn)了功能軟件化、系統(tǒng)數(shù)字化、檢測智能化，軟件、硬件結(jié)構簡明，響應速度快、運行效率高。采用數(shù)字/數(shù)字/數(shù)字三對等調(diào)節(jié)通道（A/B/C通道）架構，主/從工作方式，A/B通道間對等冗余、互為主備用，C通道做為A/B通道的后備備用通道。每個調(diào)節(jié)通道都含有自動方式/手動方式控制單元。三個通道從測量回路到脈沖輸出回路完全獨立?？扇我膺x取A/B通道中一個通道作為主運行通道。備用通道在脈沖輸出級跟蹤運行通道，保證通道間平穩(wěn)、無擾動切換。更重要的是實現(xiàn)了恒無功調(diào)節(jié)，這使得發(fā)電機并網(wǎng)后不會因系統(tǒng)負荷的變化而導致發(fā)電機無功大幅度的波動，進而保證了發(fā)電機端電壓的穩(wěn)定性。

4.3 對繼電保護系統(tǒng)的自動化改造

發(fā)電機繼電保護及安全自動裝置在電力系統(tǒng)中擔負著快速切除故障點，減少事故范圍的重要任務，是電力系統(tǒng)不可分割的重要組成部分。由于建站時間早，瀟湘水電站1號機組的繼電保護裝置為許昌繼電器廠的電磁型保護，且運行時間已10年以上，各項技術性能指標逐步下降，保護拒動、誤動的情況時有發(fā)生，嚴重影響了機組的安全可靠運行。

為此我們采用了許繼電器公司的WFB-821A型微機發(fā)電機繼電保護裝置。微機保護利用數(shù)字信號處理技術，實現(xiàn)了傳統(tǒng)繼電保護設備通過硬件連接完成的復雜的邏輯判斷和計算等功能，傳統(tǒng)繼電保護的復雜硬件功能可由大規(guī)模的集成電路代替，各種保護和測控功能均可由程序軟件來實現(xiàn)。微機保護的智能化使得繼電保護的調(diào)試工作簡單易行，硬件維護環(huán)節(jié)大大減少，微機保護的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化和數(shù)字通信能力使得繼電保護在快速性、選擇性、靈敏性和可靠性等方面都得到很大的提高。促進了水電站管理和維護的信息化和遠程化，提高了機組的安全經(jīng)濟運行水平。

4.4 對自動化元器件的改造

瀟湘水電站1號機原自動化元器件均由主機廠家（天發(fā)）配備的20世紀90年代的產(chǎn)品。根據(jù)近些年來的運行情況，尤其是油、氣、水管路中，包括機組冷卻水、潤滑油及主軸密封水等使用的均是電磁配壓閥配合液壓操作閥完成開、關的操作，都存在漏油、滲油現(xiàn)象，且現(xiàn)在因使用年限已久，大部分電磁配壓閥、液壓操作閥內(nèi)部構件已磨損，故障頻率增加，維護力度也逐年加大。此次瀟湘水電站對1號機組自動化元器件進行升級改造，包括對壓力開關、流量開關、電接點壓力表等。尤其是原液壓操作閥，取而代之的是電動球閥，其優(yōu)點是無須從壓力油配接壓力操作油管，只需通過電氣回路控制，直接驅(qū)動，減少了機械故障點，動作安全可靠。

4.5 對其他控制設備的自動化改造

對機組以上主要自動控制系統(tǒng)進行改造后，我們還簡化了所有機組輔助設備的控制方式，將原來常規(guī)、自動和手動并存的控制方式改成自動和手動2種控制方式，使1號機組原來以常規(guī)控制裝置為主，計算機為輔的監(jiān)控方式（CASC）跨越到以計算機為基礎的監(jiān)控方式（CBSC），甚至全計算機的控制方式。同時將軟啟動裝置應用到電動機電路中，讓水泵、油泵的電機實現(xiàn)軟啟、軟停，有效地保護了機組輔助設備受到過大的沖擊，并通過通信實時監(jiān)測各個設備的工作狀態(tài)。

5 電氣綜合自動化系統(tǒng)改造后的投運效用

（1）對計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造以后，各項數(shù)據(jù)采集準確、機組狀態(tài)可實時監(jiān)控、故障自動判斷并切除及時，大大縮短了并網(wǎng)時間，有效的防止了誤操作和非同期合閘，真正實現(xiàn)了1min“一鍵開機”的目標。

（2）對調(diào)速器系統(tǒng)改造后，調(diào)速器調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，操作方便，調(diào)節(jié)精度較高，實現(xiàn)了無擾動切換，控制靈敏，維護方便，工作穩(wěn)定可靠，優(yōu)化了機組運行工況，提高了機組的發(fā)電效率，同水頭同流量下，機組出力較改造前提高了10%。

（3）對勵磁系統(tǒng)改造后，勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度大大提高，功能軟件化、系統(tǒng)數(shù)字化、檢測智能化。不僅保證了發(fā)電機無功調(diào)節(jié)的可靠性和穩(wěn)定性，而且可以有效地提高發(fā)電機與其相連的電力系統(tǒng)的技術經(jīng)濟指標。

（4）對發(fā)電機繼電保護改造后，大大提高了繼電保護的準確性，靈敏性和可靠性，保障了機組及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

（5）對機組自動化元器件改造后，自動開、停機程序執(zhí)行更流暢，對機組運行狀態(tài)和各參數(shù)的監(jiān)測更準確，自動調(diào)節(jié)能力更強了。

（6）對輔助設備采用自動軟啟控制后，軟啟自動控制安全、穩(wěn)定、簡便，可以消除機組油泵、水泵停泵時的水錘現(xiàn)象，提升機組整個油壓裝置系統(tǒng)的運行品質(zhì)，它的故障發(fā)生率幾近為零，為機組的長周期、高效益可靠運行提供了保障。

6 結(jié)語

瀟湘水電站通過對1號機組電氣綜合自動化系統(tǒng)的改造，取得了以下幾個主要的效益：

（1）提高了安全運行水平。計算機彌補了人的能力局限性，能迅速發(fā)現(xiàn)問題并及時采取措施，防止事故的發(fā)生。

（2）實現(xiàn)了經(jīng)濟運行。隨著自動化水平的提高，大大縮短開、停機時間，特別是在沒有調(diào)節(jié)能力的枯水季節(jié)，達到多發(fā)電，少耗水的目的。

（3）減少了運行值班人員、減輕了勞動強度。實現(xiàn)了“少人值班”和“少人值守”。