永定獅象潭水電站增效擴(kuò)容中自動(dòng)化系統(tǒng)改造的應(yīng)用

簡萬富

（龍巖市永定區(qū)河道管理中心，福建 龍巖 364100）

1 水電站概況

永定獅象潭水電站座落于龍巖市永定區(qū)岐嶺鄉(xiāng)豐村，于1981年12月動(dòng)工興建，1983年投產(chǎn)發(fā)電，壩址位于金豐溪中游兩條支流的匯合處，壩址以上集雨面積347 km2，流量10.5 m3/s，水頭29.5 m，電站安裝3×800 kW的水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)年發(fā)電量1076萬kW·h。由于電站運(yùn)行了30多年，水電站的建筑物、機(jī)電設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)不同程度的老化失修，機(jī)組效率低，故障率高，自動(dòng)化程度低，設(shè)備協(xié)聯(lián)性能差，嚴(yán)重影響機(jī)組出力和安全運(yùn)行。根據(jù)相關(guān)部門批復(fù)，將獅象潭水電站列為永定區(qū)增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目。通過增效擴(kuò)容改造后，機(jī)組裝機(jī)容量為3×1000 kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量增加到1610萬kW·h。3臺(tái)發(fā)電機(jī)與1臺(tái)容量4000 kVA主變壓器采用發(fā)電機(jī)-變壓器擴(kuò)大單元接線方式，經(jīng)升壓后與35 kV電網(wǎng)相聯(lián)。

2 水電站現(xiàn)狀及存在的問題

2.1 水輪機(jī)

電站現(xiàn)安裝的二臺(tái)HL240混流式水輪機(jī)為老型號(hào)水輪機(jī)，由于水輪機(jī)已運(yùn)行30多年，雖每年都有檢修維護(hù)，但存在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、主軸密封漏水嚴(yán)重，軸承瓦溫高，機(jī)組效率低等問題，給機(jī)組運(yùn)行帶來安全隱患。

2.2 調(diào)速系統(tǒng)

電站機(jī)組現(xiàn)調(diào)速器為XT-600型自動(dòng)調(diào)速器，屬于老型的機(jī)械液壓式調(diào)速器，限于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平，所以調(diào)速器的自動(dòng)化程度低，開停機(jī)、負(fù)荷調(diào)節(jié)跟不上電網(wǎng)的一些參數(shù)變化，調(diào)速器動(dòng)作反饋速度緩慢，可靠性和靈敏性差，設(shè)備故障率高，影響到機(jī)組的出力和正常運(yùn)行。

2.3 發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)目前存在定子、磁極等絕緣老化，定子鐵芯銹蝕嚴(yán)重，整體絕緣水平下降，發(fā)電機(jī)定子溫升較高、使發(fā)電機(jī)不能長期連續(xù)運(yùn)行?；诋?dāng)時(shí)小型發(fā)電機(jī)制造水平的限制、本發(fā)電機(jī)的效率較低，由于發(fā)電機(jī)采用同軸的勵(lì)磁方式、受勵(lì)磁機(jī)整流環(huán)和炭刷影響、經(jīng)常發(fā)生整流環(huán)燒壞的現(xiàn)象，機(jī)組的無功負(fù)荷帶不上、影響水電站的發(fā)電效率。因受勵(lì)磁機(jī)的影響、發(fā)電機(jī)的維護(hù)工作量大，造成電站的運(yùn)行費(fèi)用高。

2.4 主變壓器

本電站現(xiàn)有的主變型號(hào)為SL7-3150/35，系福州變壓器廠于1985年生產(chǎn)。變壓器為雙卷鋁芯線圈，變壓器鐵芯渦流、發(fā)熱量大，造成變壓器的空載損耗大。由于為鋁線圈變壓器的負(fù)載功率損耗大，所以變壓器總體效率低。是目前國家行業(yè)部門明文規(guī)定為高耗能必需更新?lián)Q代的產(chǎn)品。

2.5 其它電氣設(shè)備

2.5.1 廠用變

原廠用變兩臺(tái)，一臺(tái)型號(hào)為SL-100/6（福州變壓器廠1985年出廠），一臺(tái)型號(hào)為SL-100/35（上海變壓器廠1984年出廠），均為油浸式配電變壓器，屬高耗能必需更新?lián)Q代的產(chǎn)品。

2.5.2 高壓開關(guān)設(shè)備

原廠內(nèi)6 kV配電裝置柜型采用GG-1A（F），開關(guān)配用SN10-10型少油斷路器。6 kV高壓開關(guān)柜設(shè)備已投運(yùn)多年，柜內(nèi)設(shè)備老化嚴(yán)重，斷路器開斷容量已達(dá)不到額定值，五防機(jī)構(gòu)有些損壞不能修復(fù)，存在一定安全隱患，而且油斷路器和互感器存在一定的滲油，維護(hù)工作量大。

本電站為戶外35 kV變電所，原斷路器采用DW-35多油斷路器，隔離開關(guān)采用GW5-35/630手動(dòng)型，設(shè)備老化嚴(yán)重，操作故障率高，維護(hù)工作較為頻繁，另避雷設(shè)備和絕緣子已經(jīng)嚴(yán)重老化，危及線路的安全運(yùn)行。

2.5.3 低壓配電系統(tǒng)設(shè)備

原廠用配電主屏采用BSL-1型低壓配電柜，主進(jìn)線開關(guān)為老式DW空氣開關(guān)，饋線回路為熔斷器保護(hù)，元器件老化嚴(yán)重，敞開式屏柜，易受到灰塵和潮氣的影響而降低絕緣水平，柜體防護(hù)等級(jí)低，不利于安全生產(chǎn)。其余配電分屏均采用XL（F）-21配電箱，饋線均采用熔斷器保護(hù)，動(dòng)力柜的電氣元件也已經(jīng)嚴(yán)重老化，無法滿足回路正常工作要求，經(jīng)常發(fā)生誤跳,而且饋線回路采用熔斷器在實(shí)際應(yīng)用中操作繁瑣。

2.6 繼電保護(hù)系統(tǒng)

電站保護(hù)為分體獨(dú)立繼電器型，設(shè)備故障率高，保護(hù)配置不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，現(xiàn)在繼電保護(hù)系統(tǒng)更新?lián)Q代，原系統(tǒng)檢修困難，不能滿足電站自動(dòng)化要求。

2.7 集中控制系統(tǒng)

中央控制臺(tái)采用JTL-5-1,公用屏、順控屏型號(hào)為PK-2型，采用繼電器型自動(dòng)化設(shè)備，設(shè)備老化嚴(yán)重，故障率較高，運(yùn)行單位于2005年10月對(duì)原有控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，在保留原設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加了微機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)，但由于老設(shè)備接口及驅(qū)動(dòng)問題，微機(jī)系統(tǒng)只監(jiān)視，沒有控制功能，運(yùn)行人員工作強(qiáng)度較大。

3 水電站自動(dòng)化系統(tǒng)改造的必要性

從獅象潭水電站設(shè)備運(yùn)行情況可以看出，該電站存在機(jī)電設(shè)備運(yùn)行工況差、設(shè)備故障率高、設(shè)備老化嚴(yán)重（許多設(shè)備屬國家公布的淘汰機(jī)電產(chǎn)品目錄中的設(shè)備）、設(shè)備效率低下、自動(dòng)化程度低等不良現(xiàn)狀，已經(jīng)嚴(yán)重影響電站的安全運(yùn)行。

為了提高電站運(yùn)行的安全性、可靠性，增加機(jī)組出力，提高自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)微機(jī)監(jiān)控，確保環(huán)保、低能耗、高質(zhì)量電能，有必要對(duì)電站進(jìn)行全面的增效擴(kuò)容自動(dòng)化系統(tǒng)改造。在提升水力資源利用效能的同時(shí)，提高設(shè)備效率，保證電站機(jī)電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高運(yùn)行管理水平。

4 水電站增效擴(kuò)容自動(dòng)化系統(tǒng)改造應(yīng)用

4.1 為使水電站自動(dòng)化系統(tǒng)能可靠控制操作，結(jié)合增效擴(kuò)容對(duì)一些主設(shè)備進(jìn)行更換

（1）將原水輪機(jī)型號(hào)為HL240-WJ-71更換為HLJF3635D-WJ-73水輪機(jī)；（2）將原發(fā)電機(jī)SFW800-10/1430更換為SFW1000-10/1430發(fā)電機(jī)；（3）將現(xiàn)有的主變型號(hào)為SL9-3150/35更換為S11-4000/35型變壓器作為本電站的升壓變壓器。（4）更換廠用變壓器、6 kV高壓開關(guān)柜及35 kV開關(guān)設(shè)備：原有的老式SL7型高損耗的1#廠用變壓器更換為新型的SC11型干式變壓器,近區(qū)電源的2#主變采用戶外S11的低損耗戶外油浸變壓器;將6 kV高壓開關(guān)柜改為XGN2-12型的固定式金屬封閉開關(guān)柜，內(nèi)置真空斷路器，運(yùn)行和檢修維護(hù)方便快速，滿足供電安全和可靠性；原有戶外35 kV斷路器是DW6型多油斷路器，更換為無油型的戶外真空斷路器，方便運(yùn)行維護(hù)；原有的35 kV戶外避雷器更換為放電特性較好的氧化鋅避雷器；同時(shí)重新核對(duì)擴(kuò)容后電氣設(shè)備和導(dǎo)線的技術(shù)參數(shù)，將原有鋁心電纜改為損耗較小的銅芯電纜，電流、電壓互感器和母線設(shè)備根據(jù)二次繼電保護(hù)、測(cè)量及計(jì)量的要求重新技術(shù)選型配置，以保證整個(gè)電站的可靠運(yùn)行。

4.2 調(diào)速控制系統(tǒng)改造

獅象潭水電站1#、2#、3#機(jī)組調(diào)速器為機(jī)械液壓式，已使用30余年，調(diào)速器的自動(dòng)化程度低，開停機(jī)、負(fù)荷調(diào)節(jié)不適應(yīng)電站自動(dòng)控制及電網(wǎng)調(diào)度的需要。為確保增效擴(kuò)容改造后機(jī)組的運(yùn)行安全，經(jīng)計(jì)算每臺(tái)機(jī)組配一臺(tái)GYWT-600微機(jī)型調(diào)速器，額定工作油壓16.0 MPa。該調(diào)速器為電氣柜、機(jī)械柜、油壓裝置三位一體組合式結(jié)構(gòu)。具有保證機(jī)組在空載、孤網(wǎng)及并網(wǎng)運(yùn)行工況下穩(wěn)定運(yùn)行，自動(dòng)開停機(jī)、增減負(fù)荷及帶負(fù)荷，并網(wǎng)后能根據(jù)永態(tài)差轉(zhuǎn)率與頻差自動(dòng)調(diào)整出力，能采集并顯示機(jī)頻、網(wǎng)頻、接力器開度、手動(dòng)、自動(dòng)等主要參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)，電氣故障時(shí)能自動(dòng)地切換為手動(dòng)工況，并發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)等功能。

4.3 對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的改造

為改變?cè)l(fā)電機(jī)采用同軸的勵(lì)磁方式、受勵(lì)磁機(jī)整流環(huán)和炭刷影響、經(jīng)常發(fā)生整流環(huán)燒壞的現(xiàn)象，經(jīng)過水輪機(jī)機(jī)型的選型后，選用與之配套的型號(hào)為SFW1000-10/1430發(fā)電機(jī)及與其配套的微機(jī)靜止可控硅勵(lì)磁裝置，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁頂值電壓倍數(shù)不低于1.8倍，勵(lì)磁響應(yīng)時(shí)間不大于0.08 s，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%，且能在空載電壓70%～110%額定值范圍內(nèi)穩(wěn)定、平滑的調(diào)節(jié)。

4.4 控制系統(tǒng)改造

原水電站的自動(dòng)化控制元件都采用傳統(tǒng)電磁式繼電器和集控臺(tái)控制電站的發(fā)電運(yùn)行，經(jīng)過多年的運(yùn)行，屏柜及繼電器老化、控制線路繁多，可靠性低，自動(dòng)化水平低，很多二次保護(hù)控制元件已退出工作，已不適合現(xiàn)在新型的微機(jī)型輔機(jī)設(shè)備技術(shù)的要求，也不適用現(xiàn)代發(fā)電企業(yè)的管理，在本次增效擴(kuò)容自動(dòng)化系統(tǒng)改造中，整個(gè)電站的設(shè)備控制方式采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到“無人值班（少人值守）”的自動(dòng)化要求。全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由主控級(jí)計(jì)算機(jī)層和現(xiàn)地控制單元層組成，主控級(jí)計(jì)算機(jī)層設(shè)工作站兩套，雙機(jī)熱備用，并配置一套通訊服務(wù)器，能實(shí)現(xiàn)與上級(jí)調(diào)度部門數(shù)據(jù)通訊及對(duì)外通訊功能，同時(shí)設(shè)有打印機(jī)、顯示器、操作鍵盤等設(shè)備。操作員工作站、通訊服務(wù)器及各機(jī)組LCU和公用LCU、打印機(jī)等單元通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組成100 M光纖以太網(wǎng)。

現(xiàn)地控制單元層為現(xiàn)地機(jī)組LCU單元和公用LCU單元，采用可靠的高性能的PLC及觸摸屏。全廠共設(shè)置機(jī)組LCU三套，完成數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，具備機(jī)組的自動(dòng)開停機(jī)、勵(lì)磁、調(diào)速器控制、同期并網(wǎng)、機(jī)組狀態(tài)及參數(shù)的監(jiān)視等功能；開關(guān)站及公用設(shè)備LCU單元一套，完成對(duì)公用設(shè)備、直流系統(tǒng)、電能裝置和開關(guān)站設(shè)備的測(cè)量通訊、控制及監(jiān)視。主控級(jí)實(shí)現(xiàn)全站設(shè)備的遠(yuǎn)方控制和操作，并顯示和記錄全廠設(shè)備的信號(hào)系統(tǒng)，完成對(duì)全站設(shè)備的監(jiān)控、顯示、巡檢，數(shù)據(jù)的處理和打印等功能，現(xiàn)地控制單元正常情況下與主控級(jí)機(jī)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)集中控制，也可離線就地實(shí)現(xiàn)控制和調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行任務(wù)。

機(jī)組的自動(dòng)化元件是機(jī)組實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和安全運(yùn)行的基礎(chǔ)[1]，要求其反應(yīng)準(zhǔn)確靈敏、動(dòng)作可靠、性能穩(wěn)定。整個(gè)電站的自動(dòng)化元件均重新更換為智能式的新型自動(dòng)化元件；為保證計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，系統(tǒng)工作電源均采用交直流雙電源供電方式，其中上位機(jī)系統(tǒng)采用在線式UPS，UPS的直流電源由電站的220 V直流系統(tǒng)提供。

由于監(jiān)控裝置采用了液晶顯示器、人機(jī)界面操作方便，能夠隨時(shí)跟蹤設(shè)備的運(yùn)行狀況，監(jiān)控系統(tǒng)具有通訊接口，完善靈活的分析軟件，便于事故的分析，提高了整個(gè)電站的發(fā)電運(yùn)行的技術(shù)水平，也可以根據(jù)系統(tǒng)的AGC、AVC功能提高整個(gè)電站的水能利用效率。見圖1。

圖1 永定獅象潭水電站增效擴(kuò)容工程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖

4.5 繼電保護(hù)及二次接線改造

原有電站發(fā)電機(jī)組、變壓器和線路的保護(hù)裝置是采用傳統(tǒng)電磁式繼電器保護(hù)形式，元件老化嚴(yán)重，部分繼電器觸點(diǎn)燒結(jié)嚴(yán)重，整個(gè)保護(hù)、測(cè)量二次接線復(fù)雜。在此次的增效擴(kuò)容改造中，電氣設(shè)備的二次保護(hù)采用微機(jī)型保護(hù)和安全自動(dòng)裝置，微機(jī)型裝置集成緊湊，高性能的CPU，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，可靠性高、運(yùn)行速度快。同時(shí)測(cè)量的精度也提高，分別設(shè)置發(fā)電機(jī)保護(hù)屏、變壓器保護(hù)屏以及線路保護(hù)屏。

4.6 直流系統(tǒng)改造及其它設(shè)備改造

本電站原有的直流系統(tǒng)電源技術(shù)落后，電池老化，經(jīng)常出現(xiàn)接地故障，此次改造中，為保證電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和微機(jī)保護(hù)裝置工作電源可靠，重新配置直流系統(tǒng)[2]，設(shè)置一套100 AH220 V的微機(jī)自控高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng)，選用18只單體12 V的成套免維護(hù)鉛酸蓄電池，高頻模塊采用智能型，按N+1原則設(shè)置，并配置蓄電池智能監(jiān)測(cè)和微機(jī)型絕緣監(jiān)測(cè)模塊。所有數(shù)據(jù)就地處理，通過RS485通信接口與上位機(jī)系統(tǒng)通訊。直流系統(tǒng)作為斷路器、機(jī)組自動(dòng)化、繼電保護(hù)等設(shè)備的操作電源及自動(dòng)化元件的工作電源和事故照明電源。

5 結(jié)語

永定獅象潭水電站通過更換水輪發(fā)電機(jī)組、變壓器等主設(shè)備，將電站原來的自動(dòng)化元件更換為智能式的新型自動(dòng)化元件，整個(gè)電站的設(shè)備控制采用了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，徹底改變電站原來存在的水資源浪費(fèi)大、設(shè)備老化嚴(yán)重、效率低下、機(jī)電設(shè)備運(yùn)行工況差、故障率高、自動(dòng)化程度低等問題。電站裝機(jī)容量由3×800 kW增大到3×1000 kW，水量利用率將由原來的67.91%提高至72.1%，設(shè)計(jì)年發(fā)電量由原來的1339萬kW·h增加到1610萬kW·h。在提升水力資源利用效能的同時(shí)，提高設(shè)備效率及電站自動(dòng)化控制水平，電站實(shí)現(xiàn)了“無人值班（少人值守）”的目標(biāo)。