永定狮象潭水电站增效扩容中自动化系统改造的应用

简万富

（龙岩市永定区河道管理中心，福建 龙岩 364100）

1 水电站概况

永定狮象潭水电站座落于龙岩市永定区岐岭乡丰村，于1981年12月动工兴建，1983年投产发电，坝址位于金丰溪中游两条支流的汇合处，坝址以上集雨面积347 km2，流量10.5 m3/s，水头29.5 m，电站安装3×800 kW的水轮发电机组，设计年发电量1076万kW·h。由于电站运行了30多年，水电站的建筑物、机电设备和金属结构不同程度的老化失修，机组效率低，故障率高，自动化程度低，设备协联性能差，严重影响机组出力和安全运行。根据相关部门批复，将狮象潭水电站列为永定区增效扩容改造项目。通过增效扩容改造后，机组装机容量为3×1000 kW，设计年发电量增加到1610万kW·h。3台发电机与1台容量4000 kVA主变压器采用发电机-变压器扩大单元接线方式，经升压后与35 kV电网相联。

2 水电站现状及存在的问题

2.1 水轮机

电站现安装的二台HL240混流式水轮机为老型号水轮机，由于水轮机已运行30多年，虽每年都有检修维护，但存在导水机构、主轴密封漏水严重，轴承瓦温高，机组效率低等问题，给机组运行带来安全隐患。

2.2 调速系统

电站机组现调速器为XT-600型自动调速器，属于老型的机械液压式调速器，限于当时技术水平，所以调速器的自动化程度低，开停机、负荷调节跟不上电网的一些参数变化，调速器动作反馈速度缓慢，可靠性和灵敏性差，设备故障率高，影响到机组的出力和正常运行。

2.3 发电机

发电机目前存在定子、磁极等绝缘老化，定子铁芯锈蚀严重，整体绝缘水平下降，发电机定子温升较高、使发电机不能长期连续运行。基于当时小型发电机制造水平的限制、本发电机的效率较低，由于发电机采用同轴的励磁方式、受励磁机整流环和炭刷影响、经常发生整流环烧坏的现象，机组的无功负荷带不上、影响水电站的发电效率。因受励磁机的影响、发电机的维护工作量大，造成电站的运行费用高。

2.4 主变压器

本电站现有的主变型号为SL7-3150/35，系福州变压器厂于1985年生产。变压器为双卷铝芯线圈，变压器铁芯涡流、发热量大，造成变压器的空载损耗大。由于为铝线圈变压器的负载功率损耗大，所以变压器总体效率低。是目前国家行业部门明文规定为高耗能必需更新换代的产品。

2.5 其它电气设备

2.5.1 厂用变

原厂用变两台，一台型号为SL-100/6（福州变压器厂1985年出厂），一台型号为SL-100/35（上海变压器厂1984年出厂），均为油浸式配电变压器，属高耗能必需更新换代的产品。

2.5.2 高压开关设备

原厂内6 kV配电装置柜型采用GG-1A（F），开关配用SN10-10型少油断路器。6 kV高压开关柜设备已投运多年，柜内设备老化严重，断路器开断容量已达不到额定值，五防机构有些损坏不能修复，存在一定安全隐患，而且油断路器和互感器存在一定的渗油，维护工作量大。

本电站为户外35 kV变电所，原断路器采用DW-35多油断路器，隔离开关采用GW5-35/630手动型，设备老化严重，操作故障率高，维护工作较为频繁，另避雷设备和绝缘子已经严重老化，危及线路的安全运行。

2.5.3 低压配电系统设备

原厂用配电主屏采用BSL-1型低压配电柜，主进线开关为老式DW空气开关，馈线回路为熔断器保护，元器件老化严重，敞开式屏柜，易受到灰尘和潮气的影响而降低绝缘水平，柜体防护等级低，不利于安全生产。其余配电分屏均采用XL（F）-21配电箱，馈线均采用熔断器保护，动力柜的电气元件也已经严重老化，无法满足回路正常工作要求，经常发生误跳,而且馈线回路采用熔断器在实际应用中操作繁琐。

2.6 继电保护系统

电站保护为分体独立继电器型，设备故障率高，保护配置不满足现行规范要求，现在继电保护系统更新换代，原系统检修困难，不能满足电站自动化要求。

2.7 集中控制系统

中央控制台采用JTL-5-1,公用屏、顺控屏型号为PK-2型，采用继电器型自动化设备，设备老化严重，故障率较高，运行单位于2005年10月对原有控制系统进行改造，在保留原设备的基础上，增加了微机监视系统，但由于老设备接口及驱动问题，微机系统只监视，没有控制功能，运行人员工作强度较大。

3 水电站自动化系统改造的必要性

从狮象潭水电站设备运行情况可以看出，该电站存在机电设备运行工况差、设备故障率高、设备老化严重（许多设备属国家公布的淘汰机电产品目录中的设备）、设备效率低下、自动化程度低等不良现状，已经严重影响电站的安全运行。

为了提高电站运行的安全性、可靠性，增加机组出力，提高自动化程度，实现微机监控，确保环保、低能耗、高质量电能，有必要对电站进行全面的增效扩容自动化系统改造。在提升水力资源利用效能的同时，提高设备效率，保证电站机电设备安全稳定运行，提高运行管理水平。

4 水电站增效扩容自动化系统改造应用

4.1 为使水电站自动化系统能可靠控制操作，结合增效扩容对一些主设备进行更换

（1）将原水轮机型号为HL240-WJ-71更换为HLJF3635D-WJ-73水轮机；（2）将原发电机SFW800-10/1430更换为SFW1000-10/1430发电机；（3）将现有的主变型号为SL9-3150/35更换为S11-4000/35型变压器作为本电站的升压变压器。（4）更换厂用变压器、6 kV高压开关柜及35 kV开关设备：原有的老式SL7型高损耗的1#厂用变压器更换为新型的SC11型干式变压器,近区电源的2#主变采用户外S11的低损耗户外油浸变压器;将6 kV高压开关柜改为XGN2-12型的固定式金属封闭开关柜，内置真空断路器，运行和检修维护方便快速，满足供电安全和可靠性；原有户外35 kV断路器是DW6型多油断路器，更换为无油型的户外真空断路器，方便运行维护；原有的35 kV户外避雷器更换为放电特性较好的氧化锌避雷器；同时重新核对扩容后电气设备和导线的技术参数，将原有铝心电缆改为损耗较小的铜芯电缆，电流、电压互感器和母线设备根据二次继电保护、测量及计量的要求重新技术选型配置，以保证整个电站的可靠运行。

4.2 调速控制系统改造

狮象潭水电站1#、2#、3#机组调速器为机械液压式，已使用30余年，调速器的自动化程度低，开停机、负荷调节不适应电站自动控制及电网调度的需要。为确保增效扩容改造后机组的运行安全，经计算每台机组配一台GYWT-600微机型调速器，额定工作油压16.0 MPa。该调速器为电气柜、机械柜、油压装置三位一体组合式结构。具有保证机组在空载、孤网及并网运行工况下稳定运行，自动开停机、增减负荷及带负荷，并网后能根据永态差转率与频差自动调整出力，能采集并显示机频、网频、接力器开度、手动、自动等主要参数及运行状态，电气故障时能自动地切换为手动工况，并发出故障报警信号等功能。

4.3 对发电机励磁系统的改造

为改变原发电机采用同轴的励磁方式、受励磁机整流环和炭刷影响、经常发生整流环烧坏的现象，经过水轮机机型的选型后，选用与之配套的型号为SFW1000-10/1430发电机及与其配套的微机静止可控硅励磁装置，实现励磁顶值电压倍数不低于1.8倍，励磁响应时间不大于0.08 s，自动励磁调节器保证发电机机端调压精度优于0.5%，且能在空载电压70%～110%额定值范围内稳定、平滑的调节。

4.4 控制系统改造

原水电站的自动化控制元件都采用传统电磁式继电器和集控台控制电站的发电运行，经过多年的运行，屏柜及继电器老化、控制线路繁多，可靠性低，自动化水平低，很多二次保护控制元件已退出工作，已不适合现在新型的微机型辅机设备技术的要求，也不适用现代发电企业的管理，在本次增效扩容自动化系统改造中，整个电站的设备控制方式采用计算机监控系统，达到“无人值班（少人值守）”的自动化要求。全厂计算机监控系统采用分层分布式网络结构，由主控级计算机层和现地控制单元层组成，主控级计算机层设工作站两套，双机热备用，并配置一套通讯服务器，能实现与上级调度部门数据通讯及对外通讯功能，同时设有打印机、显示器、操作键盘等设备。操作员工作站、通讯服务器及各机组LCU和公用LCU、打印机等单元通过网络交换机组成100 M光纤以太网。

现地控制单元层为现地机组LCU单元和公用LCU单元，采用可靠的高性能的PLC及触摸屏。全厂共设置机组LCU三套，完成数据的采集及数据预处理功能，具备机组的自动开停机、励磁、调速器控制、同期并网、机组状态及参数的监视等功能；开关站及公用设备LCU单元一套，完成对公用设备、直流系统、电能装置和开关站设备的测量通讯、控制及监视。主控级实现全站设备的远方控制和操作，并显示和记录全厂设备的信号系统，完成对全站设备的监控、显示、巡检，数据的处理和打印等功能，现地控制单元正常情况下与主控级机联网运行，实现集中控制，也可离线就地实现控制和调节机组运行任务。

机组的自动化元件是机组实现自动控制和安全运行的基础[1]，要求其反应准确灵敏、动作可靠、性能稳定。整个电站的自动化元件均重新更换为智能式的新型自动化元件；为保证计算机监控系统的可靠运行，系统工作电源均采用交直流双电源供电方式，其中上位机系统采用在线式UPS，UPS的直流电源由电站的220 V直流系统提供。

由于监控装置采用了液晶显示器、人机界面操作方便，能够随时跟踪设备的运行状况，监控系统具有通讯接口，完善灵活的分析软件，便于事故的分析，提高了整个电站的发电运行的技术水平，也可以根据系统的AGC、AVC功能提高整个电站的水能利用效率。见图1。

图1 永定狮象潭水电站增效扩容工程计算机控制系统框图

4.5 继电保护及二次接线改造

原有电站发电机组、变压器和线路的保护装置是采用传统电磁式继电器保护形式，元件老化严重，部分继电器触点烧结严重，整个保护、测量二次接线复杂。在此次的增效扩容改造中，电气设备的二次保护采用微机型保护和安全自动装置，微机型装置集成紧凑，高性能的CPU，数据处理能力强，可靠性高、运行速度快。同时测量的精度也提高，分别设置发电机保护屏、变压器保护屏以及线路保护屏。

4.6 直流系统改造及其它设备改造

本电站原有的直流系统电源技术落后，电池老化，经常出现接地故障，此次改造中，为保证电站的计算机监控系统和微机保护装置工作电源可靠，重新配置直流系统[2]，设置一套100 AH220 V的微机自控高频开关电源直流系统，选用18只单体12 V的成套免维护铅酸蓄电池，高频模块采用智能型，按N+1原则设置，并配置蓄电池智能监测和微机型绝缘监测模块。所有数据就地处理，通过RS485通信接口与上位机系统通讯。直流系统作为断路器、机组自动化、继电保护等设备的操作电源及自动化元件的工作电源和事故照明电源。

5 结语

永定狮象潭水电站通过更换水轮发电机组、变压器等主设备，将电站原来的自动化元件更换为智能式的新型自动化元件，整个电站的设备控制采用了计算机监控系统，彻底改变电站原来存在的水资源浪费大、设备老化严重、效率低下、机电设备运行工况差、故障率高、自动化程度低等问题。电站装机容量由3×800 kW增大到3×1000 kW，水量利用率将由原来的67.91%提高至72.1%，设计年发电量由原来的1339万kW·h增加到1610万kW·h。在提升水力资源利用效能的同时，提高设备效率及电站自动化控制水平，电站实现了“无人值班（少人值守）”的目标。