浙江龙泉梅村水库电站自动化改造研究

周伟彬

（浙江省水电管理中心，浙江 杭州 310009）

1 梅村水库电站概况

梅村水库电站位于浙江龙泉市安仁镇安仁溪上，距龙泉市城区45公里。水库1994年建成，坝址上游集雨面积50.9平方公里，总库容71.2万立方米，正常库容50万立方米，为小（二）型水库，梅村水库电站担任下游安仁畈3703亩农田浇灌任务。配套电站于1996年建成并投入发电，电站装机2×250千瓦，设计年平均发电量150万千瓦时。受诸多因素影响，电站当时采用的水轮发电机组为旧机组，装机容量偏小，控制系统为手动控制，经过十多年运行，机组老化、效率低，存在较大安全隐患。

2 低压机组智能控制系统特点及结构

2.1 智能控制系统特点

梅村电站更新改造中的控制系统原来为手动，在改造中增加了自动控制系统，实现了机组的自动开机、自动停机、自动调频、自动调压、自动准同期并网、自动调节机组的有功无功功率，实现了机组的电气及水机保护，实现了机组各种运行参数的测量，实现了与上位机的通信。增容改造后装机为2×320千瓦，年设计平均发电量为193万千瓦时。

在梅村电站的更新改造中，新增加的自动控制系统有别于通常采用的微机自动控制系统。通常的微机自动控制系统开停机逻辑控制、频率调节、自动准同期、发电机保护、发电机电气参数的测量、温度测量等都分别采用专用的微机装置来实现，系统构成复杂，装置多，费用高，后期运行维护管理要求高，一般来讲，通常的微机自动控制系统较适用于容量1000kW以上的高压机组，类似梅村电站这样机组容量为几百kW的0.4kV的低压机组适用性并不理想。

梅村电站更新改造中采用的NDK-2001低压机组智能控制系统是专门针对机组容量为几百kW的0.4kV的低压机组开发的自动控制系统。该系统采用工控单片机系统，将数字处理技术和模拟处理技术相结合，系统高度集成，一套控制系统就能实现机组自动开停机控制、频率调节、自动准同期、发电机保护、发电机电气参数测量、温度测量等功能，具有控制系统结构简单紧凑、运行维护容易的特点。

2.2 智能控制系统结构

梅村电站自动化改造的低压机组智能控制系统采用工业级微机系统，模块化插卡结构。所有的模块安装在机箱中，有电源模块1块、CPU主处理模块1块、24路开关量输入模块2块、24路开关量输出模块2块、12路温度测量模块1块、8路模拟量输入模块1块、同期模块1块、交流电参数测量模块1块，结构类似PLC，可将低压机组智能控制系统认为是专门用于低压机组控制的定制PLC（包括下面编程方式的研究），见图1。

低压机组智能控制系统结构紧凑、功能全，一个机箱就代替了通常的微机控制系统的多个装置。系统在CPU主处理模块上，有2个通信接口，其中一个用于与触摸显示屏相连，通过触摸显示屏可实现对机组的操作和控制，同时显示机组的各种状态和参数，另一个通信接口用于与上位计算机相连。

3 低压机组智能控制系统功能

从图1低压机组智能控制系统结构可看出，该系统将机组的控制、调节、同期并网、测量、保护、显示、操作与参数设置、编程等功能都集于一体，具有结构紧凑、功能齐全、安装调试容易、使用方便的特点。

（1）控制

控制功能是低压机组智能控制系统的基本功能，具有自动开机、自动停机、事故停机等控制功能。在自动开机过程中，智能控制系统检测开机条件，机组符合开机条件，智能控制系统开始技术供水，开启水轮机导叶，启动机组，机组起励建压，控制机组同期并网发电。

在自动停机过程中，机组智能控制系统先给机组卸负荷至空载，分发电机空气断路器，将水轮机导叶关至全关，机组转速降到额定转速35%以下时，机组制动，切除技术供水，完成停机，或在事故停机过程中完成停机。

（2）调节

机组的调节分为机组并网前的频率、电压调节和机组并网后的有功功率、无功功率调节。

①机组并网前的频率、电压调节

梅村电站机组并网前的频率调节是低压机组智能控制系统重点调节的参数。许多低压机组为节约成本，都不配置自动液压调速器，仅采用手电两用调速器来控制水轮机导叶，无法实现机组频率的自动调节。梅村电站的水轮机也同样采用手电两用调速器，要完成机组频率自动调节，必须由低压机组智能控制系统控制手电两用调速器来实现。对低压机组智能控制系统来讲，必须具有机组频率调节功能，低压机组智能控制系统与手电两用调速器相配合应具有自动液压调速器的功能，使机组的频率稳定在额定频率。

但是手电两用调速器与自动液压调速器比较，性能差异较大，机构动作精度低、死区大，电机惯性不易控制，电机正反转有间隙且不对称，超调量较难控制，调节精度差、时间长，如要求机组频率调节精度高，则电动机正反转频繁，操作机构的磨损加大。而低压机组智能控制系统提供的机组频率能接近额定频率，电动机的调节次数少，超调量及超调次数少，将机组的频率调节误差控制在±0.3Hz～±0.5Hz实用范围内，满足低压小机组的实际使用要求。

为达到上述频率调节的实际使用要求，低压机组智能控制系统采用比例加微分的调节规律，与自动液压调速器不同的是，其比例系数和微分系数在频率增减两个方向是有差异的。这是因为电动机在正反转动作过程中，它的间隙、惯性等具有不对称性，手电动操作器的调节量由下式表达：

式中：Δy—手电动操作器调节量；

Δf—频率偏差；

K1—比例系数；

K2—微分系数。

低压机组并网前的电压调节相对简单，低压0.4kV发电机一般都有电抗分流励磁系统或静止可控硅励磁系统。发电机的电压由电抗分流励磁系统的调节装置或静止可控硅励磁系统的调节装置调节，梅村电站采用电抗分流励磁系统，在机组并网前，机组电压由电抗分流励磁系统调节装置调节。

②机组并网后的有功功率、无功功率调节

机组并网后，低压机组智能控制系统将按给定的有功功率、无功功率，对水轮机的手电两用操作器、发电机的励磁系统进行调节，使机组的有功功率、无功功率稳定在规定的误差范围内，从而实现机组有功功率、无功功率的自动调节。低压机组智能控制系统除能实现机组有功功率、无功功率的自动调节外，还能由运行人员在触摸屏上对机组的有功功率、无功功率进行手动增减操作。

（3）同期并网

低压机组智能控制系统具有自动同期并网的功能。当机组在并网运行模式时，低压机组智能控制系统将控制机组的频率、电压跟踪电网的频率、电压，对机组的频率、电压进行调节，当机组的频率差、电压差、相位差等符合同期要求时，低压机组智能控制系统将发出同期合闸命令，控制机组完成同期合闸。同时，在达到同期条件时，也将给出频率差、电压差、相位差相应的指示，以便于操作人员监视。

（4）测量

低压机组的测量主要有电气量参数的测量和非电气量参数的测量，梅村电站的参数测量也不例外。

①电气量参数测量

低压发电机的电气量参数主要有发电机的三相交流电气参数和励磁电流、励磁电压等直流电气参数。

发电机的三相交流电气参数的测量通过低压机组智能控制系统电参数采样模块实现的，电参数采样模块采用交流采样方式，采集发电机的三相电流、三相电压、频率、电流和电压的相位等参数，通过内部计算的方式计算出有功功率、无功功率、功率因数等参数。励磁电流、励磁电压等直流参数通过变送器将其变成4～20mA的模拟量，送至低压机组智能控制系统模拟量采集模块，实现励磁电流、励磁电压的测量。

②非电气量参数测量

梅村电站的非电气量参数主要有机组轴承和绕组的温度量，温度量测量的PT100热电阻直接接至低压机组智能控制系统的温度量测量模块，完成机组的温度测量。其他电站的水压、油压、水位等参数可通过变送器转换成4～20mA参数，送至低压机组智能控制系统模拟量采集模块，完成这些参数的模拟量采集。

（5）保护

低压发电机的容量一般小于800kW，因此其保护配置也较简单，仅配置过电流、过电压、欠电压、频率过高、频率过低的保护。梅村电站也同样配置了上述几种电气保护，当某一保护启动时，发出相应的事故停机信号或故障报警信号，保护的电流、电压、频率信号来自于电压机组智能控制系统的电参数测量模块。

（6）显示、操作与参数设置

梅村电站采用的低压机组智能控制系统配有一块液晶触摸显示屏，显示、操作与参数设置等都是通过该液晶触摸显示屏来完成的。电站运行参数、状态的显示，机组自动同期的指示等都在液晶触摸显示屏上显示；机组的开停机控制操作，自动空气断路器的合分控制操作等在液晶触摸显示屏上完成；参数设置包括初始参数的设置，如电流互感器、电压互感器变比的设置，温度测量热电阻型号的设置，保护整定值的设置，此外还包括运行参数的设置，如有功功率、无功功率给定值的设置等，这些参数的设置都通过液晶触摸显示屏来完成。

（7）通信

梅村电站采用的低压机组智能控制系统具有通信接口。梅村电站配置了上位机，机组的各种运行状态、参数等可通过通信接口送至上位机，在上位机上显示、储存、查询，上位机的开停机控制、功率调节命令也可通过通信送至低压机组智能控制系统，由低压机组智能控制系统完成相应的控制、调节。

（8）编程

低压机组智能控制系统由工业微机系统构成，采用工业级单片机及相应的外围芯片。众所周知，单片机的编程语言通常采用汇编语言或高级语言编译后变成可执行文件写入芯片，在现场如需修改控制流程等，必须由专业开发人员完成。为此，我们在低压机组智能控制系统中设置了软PLC ，采用PLC的梯形图编程方式来完成程序的编制、修改，这样普通的技术人员就能编程，方便推广使用。

4 自动控制系统可靠性

对于水电站自动控制系统来说，可靠性是第一位的。梅村电站采用的低压机组智能控制系统同样如此，提高低压机组智能控制系统可靠性主要从硬件、软件方面着手。

为了提高低压机组智能控制系统硬件可靠性，在硬件上采用工业级芯片，采用隔离、滤波、布线、接地、看门狗等抗干扰技术，加强开关量、模拟量、温度量等输入输出接口的抗干扰能力；在开关量接口上采用隔离技术；在模拟量输入接口上采用滤波器；在印刷电路板设计中采用合理布线，减少器件间的相互干扰，保证整个系统良好的接地。利用看门狗电路防止系统死机，当出现死机时重启系统。

除硬件外，还可通过软件来提高低压机组智能控制系统的可靠性，在软件方面通过软件滤波及软件智能判别来提高可靠性。

5 结论

梅村电站于2009年3月改造完成投产运行，3年运行实践表明，低压机组智能控制系统运行可靠，功能完善，自动化程度高，能够实现电站机组自动开停机操作，自动同期并网，能够实现机组有功功率、无功功率自动调节，能与手电两用调速器相配套实现频率自动调节，保护动作作用于事故自动停机并报警，安装调试方便，投资节省。

从NDK-2001低压机组智能控制系统在梅村电站应用的实际来看，该系统具有针对性强，专门针对低压机组研发，性能优良，功能能够满足低压机组的控制需要，是优秀的低压机组自动控制系统，适用于新建电站及老电站技术改造，具有一定的推广应用价值。

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[2]浙江省水电管理中心 水电站运行与管理[M]. 杭州: 浙江工商大学出版社, 2011.

[3]姜炳寅, 张晓光, 李惠. 农村公共物品供需矛盾及对策研究[J]. 农村财政与财务, 2005(3): 17-19.

[4]浙江省农村水电统计年鉴(2006-2010).