水電廠電氣二次設(shè)備物理仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

付忠林 趙萬明

(國家電投云南國際云南滇能祿勸電磷開發(fā)有限公司，云南 昆明 650206)

水電廠運(yùn)行的自動化程度越來越高，涉及的知識面也越來越廣，因而，對水電廠運(yùn)行維護(hù)人員的專業(yè)技術(shù)知識、操作水平等提出了更高要求。如何快速和高效培養(yǎng)運(yùn)行維護(hù)人員能力和水平，成為很多水力發(fā)電企業(yè)十分關(guān)注的問題[1-2]。

目前，水力發(fā)電實(shí)訓(xùn)中心一般采用軟件仿真或者硬件設(shè)備與軟件仿真相結(jié)合的方式，由專業(yè)廠家設(shè)計(jì)安裝，該種方式價格昂貴，培訓(xùn)時，對于水電廠基層運(yùn)行維護(hù)人員不容易理解，另外，有很多水力發(fā)電企業(yè)利用技改后更換下的舊設(shè)備獨(dú)立安裝至固定的地點(diǎn)用于培訓(xùn)、實(shí)訓(xùn)，但僅是將設(shè)備接通電源，各設(shè)備之間完全獨(dú)立；該種方式的設(shè)備僅能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)功能的學(xué)習(xí)，功能單一，不便于系統(tǒng)化培訓(xùn)[3-6]。

本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行基于水力發(fā)電全過程的物理仿真。仿真水輪發(fā)電機(jī)組采用一臺微型同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)通過三相異步電動機(jī)拖動，其他主要設(shè)備采用水電廠設(shè)備技改后更換下的舊設(shè)備，并將所有的設(shè)備按照與水電廠現(xiàn)場一致的方式設(shè)計(jì)安裝，能全面實(shí)現(xiàn)水力發(fā)電全過程中電氣二次設(shè)備的各種運(yùn)行工況、故障模擬及故障查找分析。同時給培訓(xùn)人員營造出與真實(shí)水電廠一致的環(huán)境，使培訓(xùn)人員感覺自己就在水電廠現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)際操作[7]。用于水電廠運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)操培訓(xùn)簡單、直觀，非常便于運(yùn)行維護(hù)人員系統(tǒng)化的培訓(xùn)，能高效地提高員工運(yùn)行、維護(hù)、檢修技能水平，對夯實(shí)“三基”建設(shè)具有較大意義。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要設(shè)備(見圖1)包括仿真用水輪發(fā)電機(jī)組、發(fā)電機(jī)出口斷路器、主變壓器、主變高壓側(cè)斷路器、模擬輸電線路的電纜、負(fù)載端斷路器、模擬負(fù)載用電設(shè)備、水輪機(jī)調(diào)速器、發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)保護(hù)、主變保護(hù)、線路保護(hù)、監(jiān)控系統(tǒng)、電壓互感器、電流互感器。

圖1 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)

2 主要設(shè)備構(gòu)成

2.1 電源設(shè)備

為了確保原動機(jī)、水輪機(jī)調(diào)速器、發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等正常工作，全面實(shí)現(xiàn)各功能，必須配有交流400V電源、交流220V電源、直流220V電源，所有的電源設(shè)備均采用水電廠直流系統(tǒng)和逆變電源系統(tǒng)技改留下的舊設(shè)備。電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 一次設(shè)備

綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、采購的方便性，改造為水電廠實(shí)際機(jī)組勵磁系統(tǒng)勵磁后控制的穩(wěn)定性、整個系統(tǒng)的合理性，選用10kW柴油發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)單機(jī)，采用諧波勵磁系統(tǒng)，并引出定子繞組尾端至接線盒，原動機(jī)選用15kW的三相異步電動機(jī)。發(fā)電機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

發(fā)電機(jī)出口斷路器、主變高壓側(cè)斷路器、負(fù)載端斷路器采用水電廠發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)技改留下的滅磁開關(guān)。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、采購的方便性及安全性，主變壓器采用TSGC2型15kVA調(diào)壓器代替，輸電線路用電纜代替，負(fù)載用電設(shè)備選用2臺4kW的三相異步電動機(jī)。

3 主要系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 原動機(jī)控制系統(tǒng)

仿真水輪發(fā)電機(jī)組原動機(jī)是一臺三相異步電動機(jī)，原本可以直接采用軟啟動器控制，但是由于發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，而異步電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1460r/min，因此，在額定工況下發(fā)電機(jī)發(fā)出的電源頻率僅為48.87Hz，并且采用軟啟動器控制無法調(diào)整機(jī)組的轉(zhuǎn)速，從而無法模擬實(shí)現(xiàn)同期并網(wǎng)、機(jī)組過速等功能，故采用變頻器控制。

原動機(jī)采用變頻器控制，可實(shí)現(xiàn)五種功能：一是將變頻器的頻率給定設(shè)置為51.37Hz，控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1500r/min，從而保證在額定工況下發(fā)電機(jī)發(fā)出的電源頻率為50Hz；二是將變頻器的“加速時間”設(shè)置為“水輪發(fā)電機(jī)組開機(jī)過程的實(shí)際時間”，即可模擬發(fā)電機(jī)組的開機(jī)過程工況；三是將變頻器的“減速時間”設(shè)置為“水輪發(fā)電機(jī)組停機(jī)過程的實(shí)際時間”，即可模擬發(fā)電機(jī)組的停機(jī)過程工況；四是在機(jī)組空載運(yùn)行后，改變變頻器的頻率給定任意調(diào)整機(jī)組轉(zhuǎn)速，將變頻器的頻率給定設(shè)置為59.08Hz，控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1725r/min，從而控制發(fā)電機(jī)115%過速，配合水輪機(jī)調(diào)速器、監(jiān)控系統(tǒng)可模擬水輪發(fā)電機(jī)組115%電氣過速緊急事故停機(jī)工況；同理可真實(shí)模擬水輪發(fā)電機(jī)組140%電氣過速緊急事故停機(jī)工況；五是同期并網(wǎng)及有功負(fù)荷的調(diào)整，若并上電網(wǎng)，將變頻器的控制方式調(diào)整為“矢量控制方式”，改變變頻器的給定值調(diào)整發(fā)電機(jī)組的有功負(fù)荷。

3.2 水輪機(jī)調(diào)速器

水輪機(jī)調(diào)速器采用水電廠調(diào)速器技改留下來的舊調(diào)速器，新配套NXQ型囊式蓄能器式(充氮?dú)?油壓裝置，為了方便現(xiàn)場施工，整個液壓系統(tǒng)各外部油口用高壓軟管連接。由于水電廠水輪機(jī)調(diào)速器的油管通徑較大不方便用高壓軟管連接，因此，主配壓閥和事故配壓閥等應(yīng)使用變徑法蘭與油管連接。水輪機(jī)調(diào)速器結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 水輪機(jī)調(diào)速器結(jié)構(gòu)

調(diào)速器采集仿真同步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓測頻構(gòu)成頻率閉環(huán)，用導(dǎo)葉位移傳感器采集接力器行程(導(dǎo)葉開度)構(gòu)成開度閉環(huán)，基本可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際水電廠水輪機(jī)調(diào)速器的全部功能。

3.3 發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)

柴油發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)單機(jī)自身帶有勵磁系統(tǒng)，勵磁方式為諧波勵磁。其接線原理見圖4[8-9]。

圖4 柴油發(fā)電機(jī)諧波勵磁系統(tǒng)接線原理

由于柴油發(fā)電機(jī)勵磁方式為諧波勵磁，將其勵磁方式改造為水電廠技改留下來的舊勵磁設(shè)備勵磁，并實(shí)現(xiàn)與水輪發(fā)電機(jī)相同的“自并勵勵磁系統(tǒng)”，應(yīng)拆除該發(fā)電機(jī)諧波勵磁系統(tǒng)的整流器輸出端接線，并將舊勵磁系統(tǒng)滅磁開關(guān)輸出端接至該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組。改造后接線見圖5，勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖6。

圖5 柴油發(fā)電機(jī)勵磁改造后的接線

圖6 勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

改造后可以實(shí)現(xiàn)與水輪發(fā)電機(jī)實(shí)際勵磁系統(tǒng)一樣的全部功能。但是由于水電廠現(xiàn)場實(shí)際的發(fā)電機(jī)及勵磁系統(tǒng)參數(shù)值較大，改為該發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)必須調(diào)整機(jī)端PT變比、機(jī)端CT變比、分流器變比、起勵限流電阻、勵磁變變比、勵磁變?nèi)萘?、勵磁電流CT的參數(shù)。建議購買相應(yīng)的元器件更換，起勵限流電阻選用滑動變阻器，勵磁變壓器選用TSGC2型調(diào)壓器，以方便該勵磁系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試和試驗(yàn)。

3.4 繼電保護(hù)系統(tǒng)

本繼電保護(hù)系統(tǒng)包括有發(fā)電機(jī)保護(hù)、主變保護(hù)、線路保護(hù)，所有保護(hù)裝置均采用水電廠技改留下來的舊保護(hù)裝置，并且同現(xiàn)場一致雙套配置。繼電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 繼電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本繼電保護(hù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水電廠的發(fā)電機(jī)保護(hù)、主變保護(hù)、線路保護(hù)的大多數(shù)保護(hù)功能的模擬和仿真。

3.5 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)采用水電廠監(jiān)控系統(tǒng)技改留下的舊設(shè)備，LCU系統(tǒng)采用發(fā)變組LCU屏。監(jiān)控系統(tǒng)全面采集原動機(jī)控制系統(tǒng)、調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)、油泵控制系統(tǒng)、各電源系統(tǒng)的狀態(tài)，并控制各系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上位機(jī)、LCU系統(tǒng)程序采用水電廠現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行程序，僅修改相應(yīng)的I/O點(diǎn)表、相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫、PLC的開機(jī)和停機(jī)流程相關(guān)的程序、上位機(jī)和LCU部分相關(guān)的組態(tài)畫面，其他所有程序及組態(tài)畫面均保持不變，以方便培訓(xùn)及故障模擬查找。

4 結(jié) 語

水電廠電氣二次設(shè)備物理仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，完全基于水力發(fā)電全過程的物理仿真，以水電廠為原型真實(shí)模擬水電廠的電力生產(chǎn)過程中各電氣二次設(shè)備的工作原理，構(gòu)建出與實(shí)際水電廠相一致的培訓(xùn)環(huán)境。能全面呈現(xiàn)水力發(fā)電全過程中電氣二次設(shè)備的各種運(yùn)行工況，可用于水電廠員工正常操作訓(xùn)練、異常及事故訓(xùn)練以及水電廠設(shè)備出現(xiàn)故障、事故查找復(fù)現(xiàn)。為水力發(fā)電企業(yè)建設(shè)培訓(xùn)、實(shí)訓(xùn)中心的設(shè)備規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了一種解決方案。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可以完全呈現(xiàn)水電廠電力生產(chǎn)的全過程中電氣二次設(shè)備的各種運(yùn)行工況，在該系統(tǒng)上的操作如同在水電廠設(shè)備上的實(shí)際操作，能高效地提升培訓(xùn)人員運(yùn)行、維護(hù)、檢修技能水平。