水电厂电气二次设备物理仿真实训系统

付忠林 赵万明

(国家电投云南国际云南滇能禄劝电磷开发有限公司，云南 昆明 650206)

水电厂运行的自动化程度越来越高，涉及的知识面也越来越广，因而，对水电厂运行维护人员的专业技术知识、操作水平等提出了更高要求。如何快速和高效培养运行维护人员能力和水平，成为很多水力发电企业十分关注的问题[1-2]。

目前，水力发电实训中心一般采用软件仿真或者硬件设备与软件仿真相结合的方式，由专业厂家设计安装，该种方式价格昂贵，培训时，对于水电厂基层运行维护人员不容易理解，另外，有很多水力发电企业利用技改后更换下的旧设备独立安装至固定的地点用于培训、实训，但仅是将设备接通电源，各设备之间完全独立；该种方式的设备仅能实现静态功能的学习，功能单一，不便于系统化培训[3-6]。

本实训系统进行基于水力发电全过程的物理仿真。仿真水轮发电机组采用一台微型同步发电机，发电机通过三相异步电动机拖动，其他主要设备采用水电厂设备技改后更换下的旧设备，并将所有的设备按照与水电厂现场一致的方式设计安装，能全面实现水力发电全过程中电气二次设备的各种运行工况、故障模拟及故障查找分析。同时给培训人员营造出与真实水电厂一致的环境，使培训人员感觉自己就在水电厂现场进行实际操作[7]。用于水电厂运行维护人员实操培训简单、直观，非常便于运行维护人员系统化的培训，能高效地提高员工运行、维护、检修技能水平，对夯实“三基”建设具有较大意义。

1 系统总体结构

系统主要设备(见图1)包括仿真用水轮发电机组、发电机出口断路器、主变压器、主变高压侧断路器、模拟输电线路的电缆、负载端断路器、模拟负载用电设备、水轮机调速器、发电机励磁系统、发电机保护、主变保护、线路保护、监控系统、电压互感器、电流互感器。

图1 系统总结构

2 主要设备构成

2.1 电源设备

为了确保原动机、水轮机调速器、发电机励磁系统、继电保护系统、监控系统等正常工作，全面实现各功能，必须配有交流400V电源、交流220V电源、直流220V电源，所有的电源设备均采用水电厂直流系统和逆变电源系统技改留下的旧设备。电源系统结构见图2。

图2 电源系统结构

2.2 一次设备

综合考虑经济性、采购的方便性，改造为水电厂实际机组励磁系统励磁后控制的稳定性、整个系统的合理性，选用10kW柴油发电机组的发电机单机，采用谐波励磁系统，并引出定子绕组尾端至接线盒，原动机选用15kW的三相异步电动机。发电机主要参数见表1。

表1 发电机主要参数

发电机出口断路器、主变高压侧断路器、负载端断路器采用水电厂发电机励磁系统技改留下的灭磁开关。综合考虑经济性、采购的方便性及安全性，主变压器采用TSGC2型15kVA调压器代替，输电线路用电缆代替，负载用电设备选用2台4kW的三相异步电动机。

3 主要系统构成

3.1 原动机控制系统

仿真水轮发电机组原动机是一台三相异步电动机，原本可以直接采用软启动器控制，但是由于发电机的额定转速为1500r/min，而异步电机的额定转速为1460r/min，因此，在额定工况下发电机发出的电源频率仅为48.87Hz，并且采用软启动器控制无法调整机组的转速，从而无法模拟实现同期并网、机组过速等功能，故采用变频器控制。

原动机采用变频器控制，可实现五种功能：一是将变频器的频率给定设置为51.37Hz，控制异步电机的转速为1500r/min，从而保证在额定工况下发电机发出的电源频率为50Hz；二是将变频器的“加速时间”设置为“水轮发电机组开机过程的实际时间”，即可模拟发电机组的开机过程工况；三是将变频器的“减速时间”设置为“水轮发电机组停机过程的实际时间”，即可模拟发电机组的停机过程工况；四是在机组空载运行后，改变变频器的频率给定任意调整机组转速，将变频器的频率给定设置为59.08Hz，控制异步电机的转速为1725r/min，从而控制发电机115%过速，配合水轮机调速器、监控系统可模拟水轮发电机组115%电气过速紧急事故停机工况；同理可真实模拟水轮发电机组140%电气过速紧急事故停机工况；五是同期并网及有功负荷的调整，若并上电网，将变频器的控制方式调整为“矢量控制方式”，改变变频器的给定值调整发电机组的有功负荷。

3.2 水轮机调速器

水轮机调速器采用水电厂调速器技改留下来的旧调速器，新配套NXQ型囊式蓄能器式(充氮气)油压装置，为了方便现场施工，整个液压系统各外部油口用高压软管连接。由于水电厂水轮机调速器的油管通径较大不方便用高压软管连接，因此，主配压阀和事故配压阀等应使用变径法兰与油管连接。水轮机调速器结构见图3。

图3 水轮机调速器结构

调速器采集仿真同步发电机的机端电压测频构成频率闭环，用导叶位移传感器采集接力器行程(导叶开度)构成开度闭环，基本可以实现实际水电厂水轮机调速器的全部功能。

3.3 发电机励磁系统

柴油发电机组的发电机单机自身带有励磁系统，励磁方式为谐波励磁。其接线原理见图4[8-9]。

图4 柴油发电机谐波励磁系统接线原理

由于柴油发电机励磁方式为谐波励磁，将其励磁方式改造为水电厂技改留下来的旧励磁设备励磁，并实现与水轮发电机相同的“自并励励磁系统”，应拆除该发电机谐波励磁系统的整流器输出端接线，并将旧励磁系统灭磁开关输出端接至该发电机转子绕组。改造后接线见图5，励磁系统结构见图6。

图5 柴油发电机励磁改造后的接线

图6 励磁系统结构

改造后可以实现与水轮发电机实际励磁系统一样的全部功能。但是由于水电厂现场实际的发电机及励磁系统参数值较大，改为该发电机的励磁系统必须调整机端PT变比、机端CT变比、分流器变比、起励限流电阻、励磁变变比、励磁变容量、励磁电流CT的参数。建议购买相应的元器件更换，起励限流电阻选用滑动变阻器，励磁变压器选用TSGC2型调压器，以方便该励磁系统的现场调试和试验。

3.4 继电保护系统

本继电保护系统包括有发电机保护、主变保护、线路保护，所有保护装置均采用水电厂技改留下来的旧保护装置，并且同现场一致双套配置。继电保护系统结构见图7。

图7 继电保护系统结构

本继电保护系统可实现水电厂的发电机保护、主变保护、线路保护的大多数保护功能的模拟和仿真。

3.5 监控系统

监控系统采用水电厂监控系统技改留下的旧设备，LCU系统采用发变组LCU屏。监控系统全面采集原动机控制系统、调速器、励磁系统、继电保护系统、油泵控制系统、各电源系统的状态，并控制各系统。监控系统结构见图8。

图8 监控系统结构

上位机、LCU系统程序采用水电厂现场实际运行程序，仅修改相应的I/O点表、相应的数据库、PLC的开机和停机流程相关的程序、上位机和LCU部分相关的组态画面，其他所有程序及组态画面均保持不变，以方便培训及故障模拟查找。

4 结 语

水电厂电气二次设备物理仿真实训系统，完全基于水力发电全过程的物理仿真，以水电厂为原型真实模拟水电厂的电力生产过程中各电气二次设备的工作原理，构建出与实际水电厂相一致的培训环境。能全面呈现水力发电全过程中电气二次设备的各种运行工况，可用于水电厂员工正常操作训练、异常及事故训练以及水电厂设备出现故障、事故查找复现。为水力发电企业建设培训、实训中心的设备规划设计提供了一种解决方案。实训系统可以完全呈现水电厂电力生产的全过程中电气二次设备的各种运行工况，在该系统上的操作如同在水电厂设备上的实际操作，能高效地提升培训人员运行、维护、检修技能水平。