贯流式水轮发电机组综合自动化系统技术改造探讨

李一平

（湖南省永州市潇湘水电站，湖南 永州425000）

1 引言

潇湘水电站是湖南湘江干流上规划建设的第二个梯级水电站，地处永州市城市中心。该电站属于径流式低水头电站，控制流域面积21590km2，总库容1.82亿m3，为国家大II类水库。电站设计安装4台灯泡贯流式水轮发电机组，装机容量为4×13MW，年设计发电量2.15亿kW·h。工程于1993年8月动工，是当时湖南省引用外资的最大的一座水电站，2002年5月开始投产发电，取得了良好的经济效益和社会效益，同时也改善了当地的生态和社会发展环境，该工程具有航运、灌溉、城市供水、改善城市交通条件、促进土地及房地产开发，旅游等一系列综合利用效益。

2 实施机组综合自动化技术改造的必要性

潇湘水电站1号机组是电站最早投运的1台机组，为20世纪90年代初设计，机组计算机监控、调速器、励磁装置、继电保护、自动化元器件等电气综合自动化控制设备订货时间较早，经过10多年的运行，有的设备逐步老化，在调节性能和品质方面已不能满足目前电力系统的要求。该机组的自动化控制水平较低，需要手动操作的设备较多，开、停机需要将近30min左右的时间，造成了较大水能损失，不能满足机组经济运行的要求，急需进行自动化设备的升级改造工作：

（1）提升机组运行的可靠性。水电站电气设备自动化升级改造对各个系统的检测工作可以通过自动控制系统精确、快速、及时的实现。可以实时监控机组的各项运行数据及对故障的准确判断，实现智能化控制，有效提升了水电站发电机组运行的可靠性。

（2）保证机组输出电能的质量。水电站机组并入电网运行，电网系统的运行状况实时发生改变，发电机组只有在调速器和励磁等自动装置的控制下才能实现及时、准确调节工作状态，进而在规定的范围内维持发电机组所发电能的电压和工频等参数的品质。

（3）提高水电站机组运行的管理效率。水电站机组电气综合自动化设备升级改造，使水电站日常运行中的工作量大幅降低，运行、管理水平也获得了大幅提升。这样水电站的电能生产成本和运行成本就得到降低，最终实现水电站劳动生产率的提升。

（4）提高水电站运行的经济性。水电站机组电气综合自动化设备升级改造可以实现自动保持机组始终运行在最佳工况下，确保机组发电效益最大化，充分提升了水电站机组运行的经济性。

3 实施机组综合自动化技术改造的难点

（1）潇湘水电站1号机组综合自动化系统设计图纸为90年代初设计，设计理念已满足不了现代电网对机组控制的要求，需要设计人员全面梳理设计图纸，核对现场，结合实际，按“少人值守”的原则进行总体思考和系统配置，完成新图纸的设计工作。

（2）整台机组电气设备关联的动力、控制和信号等电缆有上千根，本着经济节省的原则，能继续利用的电缆需要利用起来，要求分系统点对点清理、核实原电缆去向，根据改造图纸进行重新调整、配线，工作量大。

（3）工期较短，要利用枯水期3个月时间，依靠电站技术力量，完成整个电气设备自动化改造的产品选型、图纸设计、安装、施工、调试等全部工作。

4 实施机组综合自动化系统技术改造的方案

4.1 对计算机监控系统的技术改造

机组计算机监控系统是集开、停机流程控制、辅机控制、数据采集处理、实时数据监控、事件记录等于一体的自动监测控制系统。90年代初，由于对计算机可靠性的顾虑，潇湘水电站1号机组的控制功能仍由常规控制装置来完成，计算机只起到数据采集和监测作用，并且实时数据采集误差较大，中央控制室的操作员工作站只能起到基本电量的监视作用，不能完成对机组的控制和详细监视。因此我们通过现场分析，采用中国水科院研发的H9000水电站计算机监控系统，该系统具有良好的可靠性、可扩充性和可移植性。

4.1.1 现地控制单元的改造

（1）针对贯流式机组辅助设备及控制回路较多的实际情况，我们设计了由触摸屏和数据采集主要设备组成的现地控制单元。并且采用性能可靠、稳定的美国GE-Rx3i的可编程控制器（PLC），对触摸屏进行单独编程和画面制作，作为现地的人机联系的接口。可直接实时显示机组所有的数据，包括电气量与非电气量（温度、流量、压力、液位等），并且能显示所有现场设备的开关、触点状态，彻底解决了原来在现场不能实时监视主机和辅助设备相关运行参数的问题。

（2）针对电气量数据采集不准的问题，我们采用了交流综合采集模块。原来对机组电气量的采集是通过电压、电流、功率、频率等变送器将相关电气量变成 4～20mA（0～10V）信号再送至计算机，这样不但数据不准确，而且接线复杂，占用很大的屏内空间。针对这一情况，我们采用了专门的电气量的交流综合采集模块，取消了所有的电气量变送器。将现场PT、CT的信号直接接入交流采集装置，再换算出三相电压、三相电流、有功、无功、频率和功率因素等参数，减少了PLC模拟量的通道。PLC可与该模块直接通信，实现闭环调节。

（3）针对机组测速和导叶开度测量不准确的问题，我们采用齿盘测速装置和开度仪代替残压测频装置和主令开关。水轮机在电气制动时，发电机出口三相短路，机端相电压为零，不能测到机组的转速，这使得发电机不能准确停机，原来我们采用从二次电流回路取电压的方法，但增加了1套测速装置，为此我们将测速装置改造成齿盘测速装置——直接测量机组的机械转速，这样就只需1套测速装置可解决所有问题。而原来用来反映水轮机导叶开度的控制元件是1个主令开关，由于机组的振动经常动作不可靠导致不能自动开、停机，所以我们采用目前最先进的用PLC测量与控制的开度仪，能有效解决以上问题，为实现机组开、停机的顺序控制提供了有力的保障。

（4）针对原机组采用手动准同期并网的现状，我们增加了单对象的微机自动准同期装置。采用手动准同期并网不但对操作人员的技术水平和经验要求较高，而且影响机组的安全运行。为此，我们配置了国电南瑞的WX-98G/X型的微机自动准同期装置，它不但同期快、精度高，而且稳定性和抗干扰能力强，且具有电压回路断线、低压和过压保护、低频和过频保护。我们通过对现地控制单元中PLC编程，让同期装置在机组达到额定转速和额定机端电压时立刻投入，而调频、调压脉冲的宽度则根据调速器和励磁调节器的响应速度现场调整，每次能确保在出现第1个同期点时精确无误的将发电机出口断路器（同期点）合上，完成并网工作。

4.1.2 中控室操作员工作站的改造

（1）中央控制室操作员工作站（厂级控制计算机）采用惠普工控机，原为1套设备，此次改造增加1套工作站互为备用，显示器改用2台34寸显示器并应用一卡多显技术，具有显示、互交作图、多窗口、图形缩放等功能。操作员工作站完成对机组的运行监视和闭环控制，发布操作命令，实现对整个机组的计算机监控系统的控制、数据库管理，在线及离线计算，各图表曲线的生成以及事故、故障信号的分析处理等功能。同时工作站还配置有多媒体，可完成事故报警功能，当机组发生故障或事故时，立即实现多媒体语音报警。

（2）网络设备选用为美国3COM公司的交换机形成中心主干网，通过RJ45口以高屏蔽双绞线为介质连接主控层的各个计算机，另通过多膜光纤与光纤收发器分别与现地控制单元LCU构成以太网。

（3）系统操作员工作站还配有打印机用于报表及报警记录打印，SANTAK 1KVA UPS 电源提高系统的可靠性。

4.2 对调速器和励磁系统实施的自动化改造

4.2.1 调速器系统的自动化改造

机组调速器是进行发电机组有功自动调节的设备，潇湘水电站1号机组原来使用的是有油式步进电机电液转换的调速器，投运以来，经常出现电液转换器卡死、步进电机烧坏等现象，而且还经常出现主配压阀窜动溜负荷故障，已完全不能满足自动控制的要求。

为保证机组调速系统性能达标、功能齐全、运行可靠，这次改造选择了武汉三联公司最新研发的PBWST-100/80比例阀+步进伺服电机式水轮机调速器。取消了原来调速器的机械开限及定位手操机构、钢丝绳回复机构、托起装置、导桨叶主配压阀、所有电控部分及有油式步进电机电液转换器，保留调速器基座底板，将原有的油管路重新进行装配，将导、桨叶压力供油管与开腔油管位置互换，而关腔与回油腔的管路则保持不变。

新型调速器电气调节系统以德国西门子（Siemens）公司的S7-300系列PLC为核心元件构成，主要采集水轮发电机组的运行数据，接收来自机组控制系统的命令，并对各数据和命令进行自动分析和运算，产生控制信号控制机械液压系统，微机控制器完成对水轮发电机组的开机、停机、紧急停机、增减负荷、一次调频、频率调节和开度调节等操作。

4.2.2 励磁系统的自动化改造

机组励磁系统是进行机组无功自动调节的设备，1号机组原励磁系统为90年代初广州电科院研发的TKL-11型模拟调节器，调节精度不高，响应时间慢，故障率较多，而近年来随着电网容量的不断扩大和电压等级不断提高，直接影响了机组的安全运行。

潇湘水电站改造采用了中国电器科学研究院研发的EXC9100型第五代全数字式（微机）励磁系统，该系统核心控制单元采用主流ARM+新型FPGA的嵌入式精简系统。实现了功能软件化、系统数字化、检测智能化，软件、硬件结构简明，响应速度快、运行效率高。采用数字/数字/数字三对等调节通道（A/B/C通道）架构，主/从工作方式，A/B通道间对等冗余、互为主备用，C通道做为A/B通道的后备备用通道。每个调节通道都含有自动方式/手动方式控制单元。三个通道从测量回路到脉冲输出回路完全独立。可任意选取A/B通道中一个通道作为主运行通道。备用通道在脉冲输出级跟踪运行通道，保证通道间平稳、无扰动切换。更重要的是实现了恒无功调节，这使得发电机并网后不会因系统负荷的变化而导致发电机无功大幅度的波动，进而保证了发电机端电压的稳定性。

4.3 对继电保护系统的自动化改造

发电机继电保护及安全自动装置在电力系统中担负着快速切除故障点，减少事故范围的重要任务，是电力系统不可分割的重要组成部分。由于建站时间早，潇湘水电站1号机组的继电保护装置为许昌继电器厂的电磁型保护，且运行时间已10年以上，各项技术性能指标逐步下降，保护拒动、误动的情况时有发生，严重影响了机组的安全可靠运行。

为此我们采用了许继电器公司的WFB-821A型微机发电机继电保护装置。微机保护利用数字信号处理技术，实现了传统继电保护设备通过硬件连接完成的复杂的逻辑判断和计算等功能，传统继电保护的复杂硬件功能可由大规模的集成电路代替，各种保护和测控功能均可由程序软件来实现。微机保护的智能化使得继电保护的调试工作简单易行，硬件维护环节大大减少，微机保护的数字化、智能化、网络化和数字通信能力使得继电保护在快速性、选择性、灵敏性和可靠性等方面都得到很大的提高。促进了水电站管理和维护的信息化和远程化，提高了机组的安全经济运行水平。

4.4 对自动化元器件的改造

潇湘水电站1号机原自动化元器件均由主机厂家（天发）配备的20世纪90年代的产品。根据近些年来的运行情况，尤其是油、气、水管路中，包括机组冷却水、润滑油及主轴密封水等使用的均是电磁配压阀配合液压操作阀完成开、关的操作，都存在漏油、渗油现象，且现在因使用年限已久，大部分电磁配压阀、液压操作阀内部构件已磨损，故障频率增加，维护力度也逐年加大。此次潇湘水电站对1号机组自动化元器件进行升级改造，包括对压力开关、流量开关、电接点压力表等。尤其是原液压操作阀，取而代之的是电动球阀，其优点是无须从压力油配接压力操作油管，只需通过电气回路控制，直接驱动，减少了机械故障点，动作安全可靠。

4.5 对其他控制设备的自动化改造

对机组以上主要自动控制系统进行改造后，我们还简化了所有机组辅助设备的控制方式，将原来常规、自动和手动并存的控制方式改成自动和手动2种控制方式，使1号机组原来以常规控制装置为主，计算机为辅的监控方式（CASC）跨越到以计算机为基础的监控方式（CBSC），甚至全计算机的控制方式。同时将软启动装置应用到电动机电路中，让水泵、油泵的电机实现软启、软停，有效地保护了机组辅助设备受到过大的冲击，并通过通信实时监测各个设备的工作状态。

5 电气综合自动化系统改造后的投运效用

（1）对计算机监控系统改造以后，各项数据采集准确、机组状态可实时监控、故障自动判断并切除及时，大大缩短了并网时间，有效的防止了误操作和非同期合闸，真正实现了1min“一键开机”的目标。

（2）对调速器系统改造后，调速器调节性能优良，操作方便，调节精度较高，实现了无扰动切换，控制灵敏，维护方便，工作稳定可靠，优化了机组运行工况，提高了机组的发电效率，同水头同流量下，机组出力较改造前提高了10%。

（3）对励磁系统改造后，励磁系统调节精度大大提高，功能软件化、系统数字化、检测智能化。不仅保证了发电机无功调节的可靠性和稳定性，而且可以有效地提高发电机与其相连的电力系统的技术经济指标。

（4）对发电机继电保护改造后，大大提高了继电保护的准确性，灵敏性和可靠性，保障了机组及电网的安全稳定运行。

（5）对机组自动化元器件改造后，自动开、停机程序执行更流畅，对机组运行状态和各参数的监测更准确，自动调节能力更强了。

（6）对辅助设备采用自动软启控制后，软启自动控制安全、稳定、简便，可以消除机组油泵、水泵停泵时的水锤现象，提升机组整个油压装置系统的运行品质，它的故障发生率几近为零，为机组的长周期、高效益可靠运行提供了保障。

6 结语

潇湘水电站通过对1号机组电气综合自动化系统的改造，取得了以下几个主要的效益：

（1）提高了安全运行水平。计算机弥补了人的能力局限性，能迅速发现问题并及时采取措施，防止事故的发生。

（2）实现了经济运行。随着自动化水平的提高，大大缩短开、停机时间，特别是在没有调节能力的枯水季节，达到多发电，少耗水的目的。

（3）减少了运行值班人员、减轻了劳动强度。实现了“少人值班”和“少人值守”。