水电站自动控制系统的改造设计

黄雪花（西南科技大学城市学院，四川 绵阳 621010）

水电站自动控制系统的改造设计

黄雪花
（西南科技大学城市学院，四川 绵阳 621010）

随着科技的发展，人们对电力系统的可靠性和自动化程度的要求也越来越高，因此，本文对传统的水电站自动控制系统进行了一定的改造。在水位检测系统、水轮机转速测量系统、励磁调节系统、导叶开度控制系统、智能监测及自动化系统方面提出了新的设计方案，设计出高稳定性、高可靠性、高安全性及高效益的水电站自动控制系统。

水电站；控制系统；自动化

目前，国家对小水站扩能增效出台了相关政策，目的是提高水电站对电网的供电质量，提高水电站自动化水平和提高用户的经济效益。同时有的水电站库容较小，水流量随季节和气候变化较大，原有控制设备采用全手动控制模式，造成自动化程度低、无智能采集仪表、在设备和电网异常情况下，不能快速保护停机的现象。因此，本文设计了水电站自动控制系统改造方案，这对于减人增效，改善工作条件，提高水电站的经济性和安全性都起到了较佳的效果。

水电站内的设备包括利用水能生产电能而兴建的一系列水电站建筑物及装设的各种引水系统、发电厂房、发电机、变压器、各类开关设备、输电线路等机电设备。系统根据安全、可靠、经济、高效的原则，通过改造，降低设备故障率，提高机组运行安全系数，提高单位水量的发电量，使得在枯水期和丰水期水电站的综合发电效益最大，从而提高综合经济效益。

详细的改造目标如下：

（1）根据前池水位的变化趋势和变化量自动、精确调节机组的导叶开度和机组运行数量，使电站维持运行在一个比较高的水头，提高单位水量的发电量。使得电站在枯水季和丰水季综合发电效益最大，提高用户经济效益。

（2）自动精确调节水轮机转速，提高电站供电质量，满足电网要求。提高电站效益。

（3）根据电网负载变化情况和机组状态自动调节励磁。实现功率因数自动调节，使得功率因数稳定在电网规定值，降低电网罚款，提高电站效益。

图1 水位检测系统示意图

图2 水轮机转速测量系统示意图

（4）智能化监控仪表，使得机组运行参数采集能精确、快速，并通过自动化控制系统实现自动化控制。智能监测发电机输出电压、电流、频率、有功功率、无功功率、轴瓦温度、蜗壳水压力、尾水真空度、前池液位等。

（5）使用监控，降低工作人员劳动强度，并实现机组采集数据的记录与查询，为电站的运行、维护及进一步增加发电量，提供了有利的数据支撑。

（6）记录两台机组的运行时间，使得两台机组设备运行在相同的经济使用寿命内，降低电站的单台维护费用，提高综合经济效益。

（7）监测励磁系统回路、负荷变化，当转速剧变的紧急情况时，能够快速关闭导叶防飞车，为机组的安全提供更好的保护。

一、水位监测系统

对于发电厂来说，除了电气数据以外，还需要传感器测量其他数据。原水电站的控制站没有远程前池水位监测系统，且未与导叶开度实现联控。在电网允许的情况下，来水量少于发电用水量时，发电机组单位水量的发电量下降；来水量超过发电用水量时，发电机组没有全负荷运行，多余的水被丢弃，从而导致用户经济效益下降。水位监测系统采用高可靠、高分辨率的智能化仪表，能够实时的、不间断的采集前池液位的变化值，通过通讯或远传信号送至自动化控制系统完成量化和智能化计算。为导叶的开度、机组的运行数量提供重要不可缺的数据支撑。

二、水轮机转速测量系统

原控制站无水轮机转速测量控制系统，造成转速未稳定在最优状态，加之励磁系统为恒磁场运行模式，造成供电质量低。水轮转速未检测，在失磁和电网负荷剧变的情况下，不能及时反映转速，带来很大的安全隐患。

我国规定电力系统正常的频率标准为50Hz±0.2Hz。水轮机的转速直接与发电频率相关，可靠、高精度的转速测量为稳定电网质量提供强力的支撑。转速作为发电系统最重要参数之一，在发电系统的启动、停机、运行各个环节都非常重要。在启动阶段，合适的转速产生稳定的电压，为稳定可靠地投入电网提供基础。在运行阶段可间接反应负荷的变化情况，防止飞车现象的发生。在停机阶段，转速测量值为手动制动飞轮提供数据支撑，控制导叶控制机构自动关闭导叶，使得转轮速度下降到安全范围，使操作更安全。

三、励磁调节系统

原控制站无自动励磁调节系统，原有系统老旧不能根据电网和机组状态的变化而变化，不能保证有功功率与无功功率的功率比，造成供电功率因数不满足电网规定，供电质量较低，造成电网对用户的考核不达标。

励磁系统作为发电机机组最为重要的调节设备之一。其技术重点在于选择与发电机相适应的技术上先进、工作可靠的励磁装置。改原恒磁场励磁方式为变磁场自动励磁。励磁控制器只需要一键启动后，即可实现励磁控制全自动，无人值守也可以运行。

1 主要特别功能：

（1）发电机起励后自动跟踪电网电压；

（2）并网后按设定的功率因数值运行，实现恒功率因数；

（3）跳闸后电压自动回复到设定值，防止过电压；

（4）自动识别停机过程并进行灭磁控制；

（5）“单机运行”运行时自动按设定电压运行，能保持发电机电压恒定；

（6）可以特别针对励磁运行不稳定的机组进行参数设定；

（7）发电机过电流时自动减少励磁，防止发电机过电流；

（8）设定值密码保护，防止参数被无关人员修改；

（9）配备上位机通讯接口，实现计算机控制。

2 技术参数

（1）适用范围

①适用于机端电压为400V的无刷励磁同步发电机。

②励磁控制器适用：励磁电压0～180V励磁电流0～20A。

（2）输入信号

电流：额定电流5A，经电流互感器接入。

电压：发电机电压400V，电网线电压400V。

并网识别：用并网断路器辅助常开接点。

励磁输出：励磁电压0～180V，励磁电流0～18A（0～20A）。

四、导叶开度控制系统

原导叶控制采用人工手动操作，调节不及时，不准确，机组发电量受影响。在水轮转速剧变的情况下，不能自动控制导叶。

导叶的开度控制系统与水位监测系统、智能采集系统、励磁系统共同联动。在水头变化、负载变化、机组运行状态变化，如失磁时，及时准确的调整导叶开度，使得机组在安全、稳定、高效的状态下运行。本着经济的原则，仍采用原控制系统设计的三相异步交流电动机作为执行机构，其三相电源通过电源切换开关来判断实用电网电源还是发电机组自身电，通过安装在变速箱上的角度反馈测得导叶角度。也可远程实现导叶的开关手动动作，并实时监测导叶开度。

五、智能监测及自动化系统

原控制采用机械式现场仪表，不带远传、控制，无法做到远程实时监控、记录、报警和机组关键部件自动调节。自动化水平低，控制精度低、控制不及时、人工劳动强度大，对人员要求高，投入高。并且设备老化，机组安全运行水平低，在非正常状态下不能及时有效的对机组和电网设备提供可靠地保护。

智能化仪表采用国际标准MODBUS规约，进行通讯，抗干扰强，接线简单，通讯方便。仪表采用通用的4-20级的电流信号，具有接线简单，传输距离远、抗干扰强等特点。

自动化控制系统就地部分改造，柜内元器件采用一流品牌，保证可靠运行。包含西门子控制器、控制模块、开关电源等。

监控部分改造后能实时监视现场控制系统采集的数据并显示在友好的人机界面上。可实现对数据的归档，能查询历史数据、实时趋势等功能。部分设备可以远程操作，对重要机组参数实现高低限报警，并实现报警文本记录。

人机界面主界面主要监测机组各采集点数据并显示，在远程对现场数据进行一览可视，简介美观的图形化设计。在此界面可以远程操作现场的设备动作。自动状态：设备动作交由PLC程序逻辑自动完成。手动状态：可单独对某一设备进行操作。

历史趋势查询界面可以对过往一段时间的机组参数自动进行归档记录，为用户的系统优化提供良好的数据支撑。报警画面实现对现场数据就行报警归档，并提供报警分级和声音报警服务，让用户第一时间知道当前状态并处理响应报警。为机组的安全可靠运行提供保障。

改造后实时采集各个智能化仪表参数，在机组状态改变的情况下由自动化控制系统自动动作、保护或发出操作指令。因此，极大的降低了人员劳动强度。

结语

本系统可根据电网负载变化情况和机组状态自动调节励磁，通过自动化控制系统实现自动化控制。智能监测发电机输出电压、电流、频率、有功功率、无功功率、轴瓦温度、蜗壳水压力、尾水真空度和前池液位等。通过改造，降低了设备的故障率，提高了机组运行的安全系数，同时，提高了综合经济效益。

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