宋 濤 楊洪勝 辛培和 譚云廣

（1.遼寧省申窩水庫管理局，遼寧 遼陽 110003；2.遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧 本溪117100；3.遼寧省農(nóng)村水電及電氣化發(fā)展中心，遼寧 沈陽 110003）

一、遼寧新賓穆家電站未改造前的概況

穆家水電站以發(fā)電為主，其裝機容量為6200kW（2100kW×2臺 +1600kW+400kW），共計四臺機。原來水輪機型號大機為LH300-LJ-120，發(fā)電機型號為TSL-260/35-20，小機水輪機型號LH240-WJ-60、發(fā)電機型號SFW400-10/990，機端電壓均為6300V，通過一臺7500kVA的變壓器升壓至66kV送入電網(wǎng)。該電站是1983年投產(chǎn)發(fā)電的老電站，原來的常規(guī)控制設(shè)備已出現(xiàn)老化、失控、漏油等現(xiàn)象，如：水輪機調(diào)速器（YDT-1800）失控、漏油，經(jīng)常導(dǎo)致水輪發(fā)電機在出口開關(guān)跳閘后飛車，發(fā)電機模擬勵磁系統(tǒng)以及控制設(shè)備等（包括自動化元件）經(jīng)常失靈或失控，機電設(shè)備經(jīng)常損壞，甚至不能正常發(fā)電，直接影響電站的安全運行，因此，對穆家電站所有輔助設(shè)備及控制設(shè)備進行微機自動化改造勢在必行。

二、微機自動化改造方案的確定

水電站運行要實現(xiàn)完全微機自動化，要求如下設(shè)備微機化：1、水輪機調(diào)速器的微機化；2、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的微機化；3、電站所有控制保護系統(tǒng)微機化；4、電站所有輔助設(shè)備及自動化元件均能可靠動作自動化，如圖1。

1.微機調(diào)速器的改造

穆家電站微機自動化改造，目標是全電站的微機自動化，所涉及各微機自動化設(shè)備較多，為了不長時間影響機組發(fā)電，決定分兩個階段進行，第一階段分別對原來的三臺YDT-1800調(diào)速器及一臺電手動調(diào)速器進行改造。為了降低費用，將原來三臺（YDT-1800）的接力器、壓油罐、油泵、集油箱等保留不變，把主接力器以上的所有部件及柜體全部拆除，更換成PLC步進電機式微機調(diào)速器（TDBYWT-1800），另一臺400kW的小機組電手動調(diào)速器，完全更換一臺全新的PLC步進電機式微機調(diào)速器（TDBYWT-600）。

圖1 總的微機原理控制框

(1) PLC步進電機式微機調(diào)速器的簡單原理

目前對電動機來說,有一種電機是用數(shù)字量來控制的電機叫步進電機，該電機的輸入是方形脈沖，不是模擬量。步進電機的原理是把電機定子圓周的360°分成幾萬份，其精度能滿足各種工況下運行。輸入到步進電機的是兩路脈沖，即A路脈沖和B路脈沖，其脈沖的先后順序由控制環(huán)節(jié)來完成，大小由功率驅(qū)動模塊完成。當A路脈沖超前B路脈沖時，步進電機正轉(zhuǎn)達；當B路脈沖超前A路脈沖時，步進電機反轉(zhuǎn)。通過發(fā)電機電壓互感器二次測量機組頻率的變化，來控制A、B的脈沖先后，使步進電機正反轉(zhuǎn)，控制調(diào)器主配壓閥上下移動，完成水輪機調(diào)速器接力器的開與關(guān)，使水輪發(fā)電機在開機過程中轉(zhuǎn)速在50Hz±5%范圍內(nèi)變化，這就是該種調(diào)速器的原理。

(2）PLC步進電機式微機調(diào)速器的主要部件及功能

① 調(diào)速器電源環(huán)節(jié)

調(diào)速器的工作電源必須可靠，所以選擇交直流兩用電源，且互熱備用，交流電壓在85V～264V范圍內(nèi)可以穩(wěn)定可靠的連續(xù)工作，具有較強的抗干擾能力、無干擾切換等特點。

② 信號處理模塊

信號處理模塊接收的信號有：A、機頻信號；B、網(wǎng)頻信號；C、返饋信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊處理，送入PLC基本單元進行運算處理。該種PLC由兩片超大模集成電路構(gòu)成，一片為16位CPU用數(shù)字信號運算處理；另一片為專用邏輯信號處理。輸入、輸出信號全部經(jīng)過光電隔離后與CPU相連接，所有經(jīng)CPU計算輸出的數(shù)字信號，全部經(jīng)過定位控制模塊，再送到步進電機功率驅(qū)動模塊，直接控制步進電機轉(zhuǎn)動從而帶動主配壓閥動作。其PLC內(nèi)部的調(diào)節(jié)規(guī)律是按并聯(lián)PID調(diào)節(jié)原理來完成的，其傳遞函數(shù)為：Y（S）/X（S）=Kp+Ki/S+KdS，其中Kp為比例增益、Ki為積分增益、Kd為微分增益。

③ 定位模塊

定位模塊用來設(shè)定步進電機本體的有關(guān)參數(shù)。例如設(shè)定步進電機轉(zhuǎn)1周為1萬步，如果主配壓閥上下移動范圍為±4mm對應(yīng)步進電機零點為±120o，那么對應(yīng)步進電機大約±3000步；同時定位模塊接收步進電機同軸聯(lián)結(jié)的編碼器的反饋信號，作為步進電機回到平衡位置的后備校正信號，即當步進電機轉(zhuǎn)達動后調(diào)節(jié)過程結(jié)束時，還要回到原來的平衡位置，如果不回到平衡位置，那么就由編碼器輸出的信號經(jīng)定位模塊來校正，以確保步進電機回到中間的平衡位置，即主配壓閥回到中間位置，主配壓閥的開腔和關(guān)腔同時被封住，調(diào)速器接力器停止移動，本次調(diào)節(jié)過程結(jié)束。如果頻率有偏差就再進行動態(tài)調(diào)節(jié)，直到頻率在允許機組并網(wǎng)的范圍內(nèi)。

④ 功率驅(qū)動模塊

功率驅(qū)動模塊就是提供步進電機的功率源，在正常的電壓為24～75V范圍內(nèi)可連續(xù)工作，實際設(shè)定為50V。

⑤ 步進電機付動裝置

步進電機付動裝置是將電信號轉(zhuǎn)換成機械位移裝置，該裝置由編碼器、步進電機、傳動軸和凸輪組成。當步進電機接收脈沖信號后，將帶動凸輪轉(zhuǎn)動，直接控制主配壓閥針塞上下移動，實現(xiàn)對接力器的控制，具有速動性好、動態(tài)性能優(yōu)良的特點。

⑥ 現(xiàn)地人機對話單元

現(xiàn)地人機對話單元是用觸摸顯示屏來完成的。觸摸顯示屏是以數(shù)字、棒狀產(chǎn)等多種方式來顯示各種參數(shù)，設(shè)有初始屏及說明書屏等多個畫面。

調(diào)速器的參數(shù)設(shè)置、各種顯示、手自動操作、故障處理等，都是通過觸摸顯示屏來完成的，極大的增加了運行的可靠性。

⑦ 遠程通訊模塊

遠程通訊模塊該種調(diào)速器帶有RS(422)或RS(485)通訊接口,可以和工控機或上微機直接通訊和操作，該種調(diào)速器在國內(nèi)應(yīng)用也是比較多的。調(diào)速器改造是穆家電站自動化改造的第一階段。2004年汛期過后，從2004年10月10日～30日期間，對調(diào)速器逐一進行改造，完成一臺并投入實際運行后再進行下一臺的改造。只是調(diào)速器不能和本臺水輪發(fā)電機的控制系統(tǒng)的通訊管理機及上微機進行通訊，待全站微機自動化改造完畢，并確定通訊規(guī)約后再進行統(tǒng)一的聯(lián)調(diào)。

2.全站微機自動化改造

第二階段是全電站所有設(shè)備的微監(jiān)控及微機保護的安裝與調(diào)試。2004年12月正處于冬季，來水量很少，全站四臺機組全部停機，廠區(qū)用電采用另一路10kV備用電源。穆家電站微機自動化改造工程于2004年12月10日開始進行，設(shè)備于2005年1月22日全部安裝完畢，進入全面調(diào)試及模擬試驗階段。第二階段微機自動化改造主要實現(xiàn)了以下功能：

（1）全廠監(jiān)控系統(tǒng)具體的功能如下：

① 人機接口功能強，人機界面采用中文，主機兼操作員工作站采用Windows 2000開放式操作系統(tǒng)平臺，全圖形化操作，操作控制簡潔、方便、靈活。

② 系統(tǒng)配置和設(shè)備選型符合計算機更新?lián)Q代快的特點，硬件采用標準模塊化，以便于硬件設(shè)備的更新，適應(yīng)功能的增加和系統(tǒng)規(guī)模的擴展。軟件采用通用的標準化組態(tài)模塊，使系統(tǒng)更能適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴充。

③ 具有豐富的開發(fā)軟件和通訊規(guī)約，使系統(tǒng)維護擴充和聯(lián)網(wǎng)通訊非常方便，并可實現(xiàn)遠程監(jiān)視、診斷與維護等功能。

所有計算機系統(tǒng)在失電被動停機時，存儲器的數(shù)據(jù)不會丟失?，F(xiàn)地控制單元LCU控制權(quán)限（現(xiàn)地/調(diào)試/遠方）的閉鎖。機組不同運行工況（停機、空轉(zhuǎn)、空載和發(fā)電）的定義和任意轉(zhuǎn)換。機組有功率開、閉環(huán)調(diào)節(jié)和無擾動切換。機組功率閉環(huán)調(diào)節(jié)時的功率突變檢測，并自動切至開環(huán)，有效防止機組過速或過壓，有完善的PLC工作/通信指示（閃亮/常亮/熄滅）。

④ 監(jiān)控保護裝置具有保護啟動的分散式故障錄波功能，同時保護單元具有現(xiàn)場可編程邏輯功能。

⑤ GPS衛(wèi)星對時系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)置GPS時鐘裝置，用于完成與監(jiān)控系統(tǒng)對時?？膳c調(diào)度層和現(xiàn)地層對時均采用串行口。GPS時鐘系統(tǒng)還給其他如保護、故障錄波等提供對時脈沖信號, GPS時鐘系統(tǒng)時鐘誤差為24小時不超過±0.001秒。保證電站控制層和LCU時鐘與衛(wèi)星時鐘同步，時鐘精度滿足事件分辨率記錄的要求。

⑥ 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中具有先進的網(wǎng)絡(luò)通訊，采用高性能（以太網(wǎng)）的網(wǎng)絡(luò)交換機進行連接，具有較高的傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力，各設(shè)備之間均有標準的通訊接口能力。

⑦ 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)

計算機監(jiān)控系統(tǒng)軟件包括四大部分，即計算機系統(tǒng)軟件、基本軟件、應(yīng)用軟件以及工具軟件。

a、系統(tǒng)軟件是監(jiān)控系統(tǒng)其他軟件運行的平臺，也是用戶軟件的開發(fā)平臺，如用戶程序的編輯、編譯、連接、任務(wù)的插入、運行、退出等，其中包括：用戶編程開發(fā)軟件、網(wǎng)絡(luò)通訊及網(wǎng)絡(luò)管理軟件、實時數(shù)據(jù)庫管理軟件、歷史數(shù)據(jù)庫管理軟件。

b、基本軟件是實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控功能所必須的軟件，如數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)庫管理，圖形顯示，報表生成，語音報警等軟件。

c、應(yīng)用軟件是實現(xiàn)生產(chǎn)過程操作或控制功能的軟件，如數(shù)據(jù)庫管理軟件、操作票軟件等，其中包括：人機聯(lián)系軟件、通訊軟件、雙機切換軟件、LCU主要軟件、系統(tǒng)實時時鐘管理軟件等。

d、工具軟件是為了使監(jiān)控系統(tǒng)進一步向最終用戶開放，為用戶提供先進方便的支持工具軟件系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可維護性,其主要包括以下軟件：交互式圖形開發(fā)軟件、數(shù)據(jù)庫開發(fā)管理軟件、數(shù)據(jù)庫備份恢復(fù)軟件、報表打印管理軟件、曲線棒圖軟件、系統(tǒng)配置文件、第三方設(shè)備接口軟件、PLC編程軟件、遠方診斷軟件等。

⑧ 系統(tǒng)可靠性及微機保護過載能力等。

a、系統(tǒng)可靠性，計算機監(jiān)控系統(tǒng)：＞50000h；現(xiàn)地控制單元：＞100000h；微機保護：＞100000h。

b、微機保護過載能力等。

微機保護過載能力，交流電流回路：2倍額定電流，允許連續(xù)工作；10倍額定電流，允許10S；40倍額定電流，允許1S。交流電壓回路：1.9倍額定電壓，允許連續(xù)工作，同時故障錄波功能，錄波的長度可整定。錄波數(shù)據(jù)可自動上傳到監(jiān)控主機。針對線路保護有振蕩閉鎖功能和低頻、低壓保護功能等等。

（2）發(fā)電機微機勵磁系統(tǒng)

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)同調(diào)速器一樣是發(fā)電機能否正常發(fā)電的一個重要設(shè)備，質(zhì)量好壞直接影響水輪發(fā)電機的正常運行以及電站整套微機監(jiān)控系統(tǒng)能否順利完成，針對監(jiān)控系統(tǒng)來講，選擇微機勵磁系統(tǒng)必須有以下功能：

①有恒電壓/恒電流/恒COSΦ/恒無功四種運行方式選擇的功能；

②有逆變環(huán)節(jié)及勵磁系統(tǒng)在≤15%機組額定電壓下，就可以自勵閉環(huán)運行的功能；

③有低轉(zhuǎn)速自動截止勵磁電流的功能等；

④微機勵磁系統(tǒng)除了滿足正常勵磁各種功能之外，微機勵磁系統(tǒng)的通訊的接口方式采用常規(guī)硬布線和數(shù)據(jù)通訊兩種方式來對其進行控制。

三、遼寧新賓穆家電站微機自動化實際應(yīng)用工況

四臺機組在2005年2月1日前分別經(jīng)過各環(huán)節(jié)的單項調(diào)試（調(diào)速器同上微機的調(diào)試、微機勵磁的靜態(tài)及動態(tài)以及與上微機的調(diào)聯(lián)調(diào)、各種微機保護的調(diào)試、測溫及同期系統(tǒng)等的調(diào)試），單機的綜合摸擬調(diào)試以及并網(wǎng)試運行調(diào)試，從上微機發(fā)各種控制命令，機組均能按要求進行自動調(diào)節(jié)，從上微機下達開機命令到機組并網(wǎng)發(fā)電的整個過程全部實現(xiàn)了微機自動化。從下達開機命令到機組并網(wǎng)發(fā)電，最長時間3分49秒，最短2分28秒。四臺機組投入運行后正常。

四、結(jié)束語

遼寧新賓穆家電站微機自動化改造實際應(yīng)用的經(jīng)驗，總結(jié)如下：計算機本身以及PLC、微機保護、微機勵磁系統(tǒng)等設(shè)備上的電子元器件的質(zhì)量是比較過關(guān)的，但就自動化設(shè)備本身來說，還存在一些質(zhì)量問題，如機組加閘電磁閥不復(fù)歸或風(fēng)閘停機后不復(fù)歸、示流信號器動作不可靠等，所以在選擇自動化設(shè)備時一定保證其可靠性。目前針對中小型調(diào)速器最好選擇沒有主配閥的調(diào)速器，如PCC（program computer control）數(shù)字閥式調(diào)速器，具備步進電機調(diào)速的所有優(yōu)點同時該種調(diào)速器在接力器不動時基本不耗油，水輪發(fā)電機在正常運行帶一定負荷時（水輪機導(dǎo)葉不動在一定開度），壓油泵的平均啟動時間間隔大于5小時，大大的降低了壓油泵的能量消耗。