辽宁新宾穆家电站微机自动化改造及实际应用

宋 涛 杨洪胜 辛培和 谭云广

（1.辽宁省申窝水库管理局，辽宁 辽阳 110003；2.辽宁省观音阁水库管理局，辽宁 本溪117100；3.辽宁省农村水电及电气化发展中心，辽宁 沈阳 110003）

一、辽宁新宾穆家电站未改造前的概况

穆家水电站以发电为主，其装机容量为6200kW（2100kW×2台 +1600kW+400kW），共计四台机。原来水轮机型号大机为LH300-LJ-120，发电机型号为TSL-260/35-20，小机水轮机型号LH240-WJ-60、发电机型号SFW400-10/990，机端电压均为6300V，通过一台7500kVA的变压器升压至66kV送入电网。该电站是1983年投产发电的老电站，原来的常规控制设备已出现老化、失控、漏油等现象，如：水轮机调速器（YDT-1800）失控、漏油，经常导致水轮发电机在出口开关跳闸后飞车，发电机模拟励磁系统以及控制设备等（包括自动化元件）经常失灵或失控，机电设备经常损坏，甚至不能正常发电，直接影响电站的安全运行，因此，对穆家电站所有辅助设备及控制设备进行微机自动化改造势在必行。

二、微机自动化改造方案的确定

水电站运行要实现完全微机自动化，要求如下设备微机化：1、水轮机调速器的微机化；2、发电机励磁系统的微机化；3、电站所有控制保护系统微机化；4、电站所有辅助设备及自动化元件均能可靠动作自动化，如图1。

1.微机调速器的改造

穆家电站微机自动化改造，目标是全电站的微机自动化，所涉及各微机自动化设备较多，为了不长时间影响机组发电，决定分两个阶段进行，第一阶段分别对原来的三台YDT-1800调速器及一台电手动调速器进行改造。为了降低费用，将原来三台（YDT-1800）的接力器、压油罐、油泵、集油箱等保留不变，把主接力器以上的所有部件及柜体全部拆除，更换成PLC步进电机式微机调速器（TDBYWT-1800），另一台400kW的小机组电手动调速器，完全更换一台全新的PLC步进电机式微机调速器（TDBYWT-600）。

图1 总的微机原理控制框

(1) PLC步进电机式微机调速器的简单原理

目前对电动机来说,有一种电机是用数字量来控制的电机叫步进电机，该电机的输入是方形脉冲，不是模拟量。步进电机的原理是把电机定子圆周的360°分成几万份，其精度能满足各种工况下运行。输入到步进电机的是两路脉冲，即A路脉冲和B路脉冲，其脉冲的先后顺序由控制环节来完成，大小由功率驱动模块完成。当A路脉冲超前B路脉冲时，步进电机正转达；当B路脉冲超前A路脉冲时，步进电机反转。通过发电机电压互感器二次测量机组频率的变化，来控制A、B的脉冲先后，使步进电机正反转，控制调器主配压阀上下移动，完成水轮机调速器接力器的开与关，使水轮发电机在开机过程中转速在50Hz±5%范围内变化，这就是该种调速器的原理。

(2）PLC步进电机式微机调速器的主要部件及功能

① 调速器电源环节

调速器的工作电源必须可靠，所以选择交直流两用电源，且互热备用，交流电压在85V～264V范围内可以稳定可靠的连续工作，具有较强的抗干扰能力、无干扰切换等特点。

② 信号处理模块

信号处理模块接收的信号有：A、机频信号；B、网频信号；C、返馈信号，经过A/D转换模块处理，送入PLC基本单元进行运算处理。该种PLC由两片超大模集成电路构成，一片为16位CPU用数字信号运算处理；另一片为专用逻辑信号处理。输入、输出信号全部经过光电隔离后与CPU相连接，所有经CPU计算输出的数字信号，全部经过定位控制模块，再送到步进电机功率驱动模块，直接控制步进电机转动从而带动主配压阀动作。其PLC内部的调节规律是按并联PID调节原理来完成的，其传递函数为：Y（S）/X（S）=Kp+Ki/S+KdS，其中Kp为比例增益、Ki为积分增益、Kd为微分增益。

③ 定位模块

定位模块用来设定步进电机本体的有关参数。例如设定步进电机转1周为1万步，如果主配压阀上下移动范围为±4mm对应步进电机零点为±120º，那么对应步进电机大约±3000步；同时定位模块接收步进电机同轴联结的编码器的反馈信号，作为步进电机回到平衡位置的后备校正信号，即当步进电机转达动后调节过程结束时，还要回到原来的平衡位置，如果不回到平衡位置，那么就由编码器输出的信号经定位模块来校正，以确保步进电机回到中间的平衡位置，即主配压阀回到中间位置，主配压阀的开腔和关腔同时被封住，调速器接力器停止移动，本次调节过程结束。如果频率有偏差就再进行动态调节，直到频率在允许机组并网的范围内。

④ 功率驱动模块

功率驱动模块就是提供步进电机的功率源，在正常的电压为24～75V范围内可连续工作，实际设定为50V。

⑤ 步进电机付动装置

步进电机付动装置是将电信号转换成机械位移装置，该装置由编码器、步进电机、传动轴和凸轮组成。当步进电机接收脉冲信号后，将带动凸轮转动，直接控制主配压阀针塞上下移动，实现对接力器的控制，具有速动性好、动态性能优良的特点。

⑥ 现地人机对话单元

现地人机对话单元是用触摸显示屏来完成的。触摸显示屏是以数字、棒状产等多种方式来显示各种参数，设有初始屏及说明书屏等多个画面。

调速器的参数设置、各种显示、手自动操作、故障处理等，都是通过触摸显示屏来完成的，极大的增加了运行的可靠性。

⑦ 远程通讯模块

远程通讯模块该种调速器带有RS(422)或RS(485)通讯接口,可以和工控机或上微机直接通讯和操作，该种调速器在国内应用也是比较多的。调速器改造是穆家电站自动化改造的第一阶段。2004年汛期过后，从2004年10月10日～30日期间，对调速器逐一进行改造，完成一台并投入实际运行后再进行下一台的改造。只是调速器不能和本台水轮发电机的控制系统的通讯管理机及上微机进行通讯，待全站微机自动化改造完毕，并确定通讯规约后再进行统一的联调。

2.全站微机自动化改造

第二阶段是全电站所有设备的微监控及微机保护的安装与调试。2004年12月正处于冬季，来水量很少，全站四台机组全部停机，厂区用电采用另一路10kV备用电源。穆家电站微机自动化改造工程于2004年12月10日开始进行，设备于2005年1月22日全部安装完毕，进入全面调试及模拟试验阶段。第二阶段微机自动化改造主要实现了以下功能：

（1）全厂监控系统具体的功能如下：

① 人机接口功能强，人机界面采用中文，主机兼操作员工作站采用Windows 2000开放式操作系统平台，全图形化操作，操作控制简洁、方便、灵活。

② 系统配置和设备选型符合计算机更新换代快的特点，硬件采用标准模块化，以便于硬件设备的更新，适应功能的增加和系统规模的扩展。软件采用通用的标准化组态模块，使系统更能适应功能的增加和规模的扩充。

③ 具有丰富的开发软件和通讯规约，使系统维护扩充和联网通讯非常方便，并可实现远程监视、诊断与维护等功能。

所有计算机系统在失电被动停机时，存储器的数据不会丢失。现地控制单元LCU控制权限（现地/调试/远方）的闭锁。机组不同运行工况（停机、空转、空载和发电）的定义和任意转换。机组有功率开、闭环调节和无扰动切换。机组功率闭环调节时的功率突变检测，并自动切至开环，有效防止机组过速或过压，有完善的PLC工作/通信指示（闪亮/常亮/熄灭）。

④ 监控保护装置具有保护启动的分散式故障录波功能，同时保护单元具有现场可编程逻辑功能。

⑤ GPS卫星对时系统

系统设置GPS时钟装置，用于完成与监控系统对时。可与调度层和现地层对时均采用串行口。GPS时钟系统还给其他如保护、故障录波等提供对时脉冲信号, GPS时钟系统时钟误差为24小时不超过±0.001秒。保证电站控制层和LCU时钟与卫星时钟同步，时钟精度满足事件分辨率记录的要求。

⑥ 监控网络系统中具有先进的网络通讯，采用高性能（以太网）的网络交换机进行连接，具有较高的传输速率和良好的抗电磁干扰能力，各设备之间均有标准的通讯接口能力。

⑦ 系统软件系统

计算机监控系统软件包括四大部分，即计算机系统软件、基本软件、应用软件以及工具软件。

a、系统软件是监控系统其他软件运行的平台，也是用户软件的开发平台，如用户程序的编辑、编译、连接、任务的插入、运行、退出等，其中包括：用户编程开发软件、网络通讯及网络管理软件、实时数据库管理软件、历史数据库管理软件。

b、基本软件是实现监控系统监控功能所必须的软件，如数据采集，数据处理，数据库管理，图形显示，报表生成，语音报警等软件。

c、应用软件是实现生产过程操作或控制功能的软件，如数据库管理软件、操作票软件等，其中包括：人机联系软件、通讯软件、双机切换软件、LCU主要软件、系统实时时钟管理软件等。

d、工具软件是为了使监控系统进一步向最终用户开放，为用户提供先进方便的支持工具软件系统，提高系统的可维护性,其主要包括以下软件：交互式图形开发软件、数据库开发管理软件、数据库备份恢复软件、报表打印管理软件、曲线棒图软件、系统配置文件、第三方设备接口软件、PLC编程软件、远方诊断软件等。

⑧ 系统可靠性及微机保护过载能力等。

a、系统可靠性，计算机监控系统：＞50000h；现地控制单元：＞100000h；微机保护：＞100000h。

b、微机保护过载能力等。

微机保护过载能力，交流电流回路：2倍额定电流，允许连续工作；10倍额定电流，允许10S；40倍额定电流，允许1S。交流电压回路：1.9倍额定电压，允许连续工作，同时故障录波功能，录波的长度可整定。录波数据可自动上传到监控主机。针对线路保护有振荡闭锁功能和低频、低压保护功能等等。

（2）发电机微机励磁系统

发电机励磁系统同调速器一样是发电机能否正常发电的一个重要设备，质量好坏直接影响水轮发电机的正常运行以及电站整套微机监控系统能否顺利完成，针对监控系统来讲，选择微机励磁系统必须有以下功能：

①有恒电压/恒电流/恒COSΦ/恒无功四种运行方式选择的功能；

②有逆变环节及励磁系统在≤15%机组额定电压下，就可以自励闭环运行的功能；

③有低转速自动截止励磁电流的功能等；

④微机励磁系统除了满足正常励磁各种功能之外，微机励磁系统的通讯的接口方式采用常规硬布线和数据通讯两种方式来对其进行控制。

三、辽宁新宾穆家电站微机自动化实际应用工况

四台机组在2005年2月1日前分别经过各环节的单项调试（调速器同上微机的调试、微机励磁的静态及动态以及与上微机的调联调、各种微机保护的调试、测温及同期系统等的调试），单机的综合摸拟调试以及并网试运行调试，从上微机发各种控制命令，机组均能按要求进行自动调节，从上微机下达开机命令到机组并网发电的整个过程全部实现了微机自动化。从下达开机命令到机组并网发电，最长时间3分49秒，最短2分28秒。四台机组投入运行后正常。

四、结束语

辽宁新宾穆家电站微机自动化改造实际应用的经验，总结如下：计算机本身以及PLC、微机保护、微机励磁系统等设备上的电子元器件的质量是比较过关的，但就自动化设备本身来说，还存在一些质量问题，如机组加闸电磁阀不复归或风闸停机后不复归、示流信号器动作不可靠等，所以在选择自动化设备时一定保证其可靠性。目前针对中小型调速器最好选择没有主配阀的调速器，如PCC（program computer control）数字阀式调速器，具备步进电机调速的所有优点同时该种调速器在接力器不动时基本不耗油，水轮发电机在正常运行带一定负荷时（水轮机导叶不动在一定开度），压油泵的平均启动时间间隔大于5小时，大大的降低了压油泵的能量消耗。