水電站自動控制系統的改造設計

黃雪花（西南科技大學城市學院，四川 綿陽 621010）

水電站自動控制系統的改造設計

黃雪花
（西南科技大學城市學院，四川 綿陽 621010）

隨著科技的發展，人們對電力系統的可靠性和自動化程度的要求也越來越高，因此，本文對傳統的水電站自動控制系統進行了一定的改造。在水位檢測系統、水輪機轉速測量系統、勵磁調節系統、導葉開度控制系統、智能監測及自動化系統方面提出了新的設計方案，設計出高穩定性、高可靠性、高安全性及高效益的水電站自動控制系統。

水電站；控制系統；自動化

目前，國家對小水站擴能增效出臺了相關政策，目的是提高水電站對電網的供電質量，提高水電站自動化水平和提高用戶的經濟效益。同時有的水電站庫容較小，水流量隨季節和氣候變化較大，原有控制設備采用全手動控制模式，造成自動化程度低、無智能采集儀表、在設備和電網異常情況下，不能快速保護停機的現象。因此，本文設計了水電站自動控制系統改造方案，這對于減人增效，改善工作條件，提高水電站的經濟性和安全性都起到了較佳的效果。

水電站內的設備包括利用水能生產電能而興建的一系列水電站建筑物及裝設的各種引水系統、發電廠房、發電機、變壓器、各類開關設備、輸電線路等機電設備。系統根據安全、可靠、經濟、高效的原則，通過改造，降低設備故障率，提高機組運行安全系數，提高單位水量的發電量，使得在枯水期和豐水期水電站的綜合發電效益最大，從而提高綜合經濟效益。

詳細的改造目標如下：

（1）根據前池水位的變化趨勢和變化量自動、精確調節機組的導葉開度和機組運行數量，使電站維持運行在一個比較高的水頭，提高單位水量的發電量。使得電站在枯水季和豐水季綜合發電效益最大，提高用戶經濟效益。

（2）自動精確調節水輪機轉速，提高電站供電質量，滿足電網要求。提高電站效益。

（3）根據電網負載變化情況和機組狀態自動調節勵磁。實現功率因數自動調節，使得功率因數穩定在電網規定值，降低電網罰款，提高電站效益。

圖1 水位檢測系統示意圖

圖2 水輪機轉速測量系統示意圖

（4）智能化監控儀表，使得機組運行參數采集能精確、快速，并通過自動化控制系統實現自動化控制。智能監測發電機輸出電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、軸瓦溫度、蝸殼水壓力、尾水真空度、前池液位等。

（5）使用監控，降低工作人員勞動強度，并實現機組采集數據的記錄與查詢，為電站的運行、維護及進一步增加發電量，提供了有利的數據支撐。

（6）記錄兩臺機組的運行時間，使得兩臺機組設備運行在相同的經濟使用壽命內，降低電站的單臺維護費用，提高綜合經濟效益。

（7）監測勵磁系統回路、負荷變化，當轉速劇變的緊急情況時，能夠快速關閉導葉防飛車，為機組的安全提供更好的保護。

一、水位監測系統

對于發電廠來說，除了電氣數據以外，還需要傳感器測量其他數據。原水電站的控制站沒有遠程前池水位監測系統，且未與導葉開度實現聯控。在電網允許的情況下，來水量少于發電用水量時，發電機組單位水量的發電量下降；來水量超過發電用水量時，發電機組沒有全負荷運行，多余的水被丟棄，從而導致用戶經濟效益下降。水位監測系統采用高可靠、高分辨率的智能化儀表，能夠實時的、不間斷的采集前池液位的變化值，通過通訊或遠傳信號送至自動化控制系統完成量化和智能化計算。為導葉的開度、機組的運行數量提供重要不可缺的數據支撐。

二、水輪機轉速測量系統

原控制站無水輪機轉速測量控制系統，造成轉速未穩定在最優狀態，加之勵磁系統為恒磁場運行模式，造成供電質量低。水輪轉速未檢測，在失磁和電網負荷劇變的情況下，不能及時反映轉速，帶來很大的安全隱患。

我國規定電力系統正常的頻率標準為50Hz±0.2Hz。水輪機的轉速直接與發電頻率相關，可靠、高精度的轉速測量為穩定電網質量提供強力的支撐。轉速作為發電系統最重要參數之一，在發電系統的啟動、停機、運行各個環節都非常重要。在啟動階段，合適的轉速產生穩定的電壓，為穩定可靠地投入電網提供基礎。在運行階段可間接反應負荷的變化情況，防止飛車現象的發生。在停機階段，轉速測量值為手動制動飛輪提供數據支撐，控制導葉控制機構自動關閉導葉，使得轉輪速度下降到安全范圍，使操作更安全。

三、勵磁調節系統

原控制站無自動勵磁調節系統，原有系統老舊不能根據電網和機組狀態的變化而變化，不能保證有功功率與無功功率的功率比，造成供電功率因數不滿足電網規定，供電質量較低，造成電網對用戶的考核不達標。

勵磁系統作為發電機機組最為重要的調節設備之一。其技術重點在于選擇與發電機相適應的技術上先進、工作可靠的勵磁裝置。改原恒磁場勵磁方式為變磁場自動勵磁。勵磁控制器只需要一鍵啟動后，即可實現勵磁控制全自動，無人值守也可以運行。

1 主要特別功能：

（1）發電機起勵后自動跟蹤電網電壓；

（2）并網后按設定的功率因數值運行，實現恒功率因數；

（3）跳閘后電壓自動回復到設定值，防止過電壓；

（4）自動識別停機過程并進行滅磁控制；

（5）“單機運行”運行時自動按設定電壓運行，能保持發電機電壓恒定；

（6）可以特別針對勵磁運行不穩定的機組進行參數設定；

（7）發電機過電流時自動減少勵磁，防止發電機過電流；

（8）設定值密碼保護，防止參數被無關人員修改；

（9）配備上位機通訊接口，實現計算機控制。

2 技術參數

（1）適用范圍

①適用于機端電壓為400V的無刷勵磁同步發電機。

②勵磁控制器適用：勵磁電壓0～180V勵磁電流0～20A。

（2）輸入信號

電流：額定電流5A，經電流互感器接入。

電壓：發電機電壓400V，電網線電壓400V。

并網識別：用并網斷路器輔助常開接點。

勵磁輸出：勵磁電壓0～180V，勵磁電流0～18A（0～20A）。

四、導葉開度控制系統

原導葉控制采用人工手動操作，調節不及時，不準確，機組發電量受影響。在水輪轉速劇變的情況下，不能自動控制導葉。

導葉的開度控制系統與水位監測系統、智能采集系統、勵磁系統共同聯動。在水頭變化、負載變化、機組運行狀態變化，如失磁時，及時準確的調整導葉開度，使得機組在安全、穩定、高效的狀態下運行。本著經濟的原則，仍采用原控制系統設計的三相異步交流電動機作為執行機構，其三相電源通過電源切換開關來判斷實用電網電源還是發電機組自身電，通過安裝在變速箱上的角度反饋測得導葉角度。也可遠程實現導葉的開關手動動作，并實時監測導葉開度。

五、智能監測及自動化系統

原控制采用機械式現場儀表，不帶遠傳、控制，無法做到遠程實時監控、記錄、報警和機組關鍵部件自動調節。自動化水平低，控制精度低、控制不及時、人工勞動強度大，對人員要求高，投入高。并且設備老化，機組安全運行水平低，在非正常狀態下不能及時有效的對機組和電網設備提供可靠地保護。

智能化儀表采用國際標準MODBUS規約，進行通訊，抗干擾強，接線簡單，通訊方便。儀表采用通用的4-20級的電流信號，具有接線簡單，傳輸距離遠、抗干擾強等特點。

自動化控制系統就地部分改造，柜內元器件采用一流品牌，保證可靠運行。包含西門子控制器、控制模塊、開關電源等。

監控部分改造后能實時監視現場控制系統采集的數據并顯示在友好的人機界面上。可實現對數據的歸檔，能查詢歷史數據、實時趨勢等功能。部分設備可以遠程操作，對重要機組參數實現高低限報警，并實現報警文本記錄。

人機界面主界面主要監測機組各采集點數據并顯示，在遠程對現場數據進行一覽可視，簡介美觀的圖形化設計。在此界面可以遠程操作現場的設備動作。自動狀態：設備動作交由PLC程序邏輯自動完成。手動狀態：可單獨對某一設備進行操作。

歷史趨勢查詢界面可以對過往一段時間的機組參數自動進行歸檔記錄，為用戶的系統優化提供良好的數據支撐。報警畫面實現對現場數據就行報警歸檔，并提供報警分級和聲音報警服務，讓用戶第一時間知道當前狀態并處理響應報警。為機組的安全可靠運行提供保障。

改造后實時采集各個智能化儀表參數，在機組狀態改變的情況下由自動化控制系統自動動作、保護或發出操作指令。因此，極大的降低了人員勞動強度。

結語

本系統可根據電網負載變化情況和機組狀態自動調節勵磁，通過自動化控制系統實現自動化控制。智能監測發電機輸出電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、軸瓦溫度、蝸殼水壓力、尾水真空度和前池液位等。通過改造，降低了設備的故障率，提高了機組運行的安全系數，同時，提高了綜合經濟效益。

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