徐玉慶

（福建閩東電力股份有限公司，福建寧德 352100）

龍溪一級(jí)水電站機(jī)電一體化技術(shù)改造分析

徐玉慶

（福建閩東電力股份有限公司，福建寧德 352100）

龍溪一級(jí)水電站原采用的控制及繼電保護(hù)裝置，大多為常規(guī)繼電器控制設(shè)備，故障率高、可靠性差，而且自動(dòng)化水平低、操作維護(hù)極不方便。通過(guò)技術(shù)改造不但提高了電站自動(dòng)化水平、消除了設(shè)備安全隱患，而且降低了運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了“少人值守”運(yùn)行管理模式。

水電站；機(jī)電一體化；技術(shù)改造

1 工程概況

周寧龍溪一級(jí)水電站位于七步溪中游段，壩址位于周寧縣七步鎮(zhèn)七步村下游400m處，控制流域面積131km2，庫(kù)容5.5萬(wàn)m3，引水渠道長(zhǎng)4250m。引水式地面廠房，廠址建在龍溪村下游800m處，由主廠房、副廠房及升壓站等部分組成。主廠房主體為單層結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)61m、寬11.8m、高11m；副廠房位于主廠房的左端，共有三層，長(zhǎng)16m、寬13.3m、高15m； 35kV升壓開(kāi)關(guān)站位于廠房的左側(cè)，面積45m×15m，高壓配電裝置為戶外中型布置，主變戶外布置，就地檢修。電站設(shè)計(jì)水頭325.5m，單臺(tái)設(shè)計(jì)流量0.91m3／s。

電站承擔(dān)周寧縣電網(wǎng)腰荷，5臺(tái)機(jī)組，單機(jī)容量2.5MW，年平均發(fā)電量5800萬(wàn)kW·h。1～4號(hào)發(fā)電機(jī)采用單母線簡(jiǎn)易分段接線，其中：1號(hào)、2號(hào)發(fā)電機(jī)接于6.3kVⅠ段母線，對(duì)應(yīng)于1號(hào)主變壓器；3號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)接于6.3kVⅡ段母線，對(duì)應(yīng)于2號(hào)主變壓器；近區(qū)變也接于6.3kV母線，6.3kVⅠ、Ⅱ段母線之間采用隔離開(kāi)關(guān)連接。5號(hào)發(fā)電機(jī)與3號(hào)主變壓器采用發(fā)電機(jī)-變壓器組單元接線。1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)主變高壓側(cè)均接入35kV母線，采用單母線接線，共3回主變進(jìn)線和4回35kV出線，四回出線分別是龍周線、龍咸線、龍八線和文龍線。

2 改造的必要性

該電站自1982年12月投產(chǎn)發(fā)電以來(lái)，作為周寧縣電網(wǎng)的骨干電廠，為當(dāng)?shù)貏?chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。電站運(yùn)行近30年，大部分機(jī)電設(shè)備接近使用年限，老化嚴(yán)重。針對(duì)設(shè)備存在的缺陷，陸續(xù)對(duì)電站的主輔設(shè)備進(jìn)行了更新改造。如：機(jī)組定轉(zhuǎn)子線圈、主變、35kV開(kāi)關(guān)等主設(shè)備已改造更新，運(yùn)行穩(wěn)定；2010年勵(lì)磁系統(tǒng)也全面更換，運(yùn)行平穩(wěn)可靠；調(diào)速器已更換為微機(jī)型液壓調(diào)速器，具備通信接口，可實(shí)現(xiàn)微機(jī)遠(yuǎn)控；220V直流系統(tǒng)已在2009年更新為免維護(hù)蓄電池微機(jī)直流控制屏，運(yùn)行穩(wěn)定；高壓開(kāi)關(guān)柜為GG-1A柜型，2001年柜內(nèi)開(kāi)關(guān)經(jīng)技改后，現(xiàn)為ZS28-12／1250A型真空斷路器，性能一般。

目前電站仍存在以下問(wèn)題：由于機(jī)組自動(dòng)化元件欠缺較多，機(jī)組啟動(dòng)只能現(xiàn)地開(kāi)停機(jī)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)一個(gè)脈沖或一個(gè)控制命令開(kāi)停機(jī)操作；該電站采用分立元件保護(hù)裝置，繼電器為電磁式繼電器和晶體管繼電器，使用年限長(zhǎng)久，性能上難以滿足要求，而且市場(chǎng)上已無(wú)備品可購(gòu)，繼電保護(hù)的可靠性和選擇性難以滿足要求；廠用變?yōu)?臺(tái)SL-100／10型變壓器，屬淘汰產(chǎn)品；廠用電400V配電柜老化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)廠用電備用自投功能，供電可靠性難以滿足要求；機(jī)旁動(dòng)力屏柜內(nèi)設(shè)備老化、不易操作、可靠性差。機(jī)組所有油水氣閥門(mén)均為現(xiàn)地手動(dòng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)聯(lián)動(dòng)。1～4號(hào)機(jī)組軸承潤(rùn)滑油采用外循環(huán)結(jié)構(gòu)，當(dāng)廠用電消失時(shí)，由手動(dòng)切換到高頂油箱供油，易造成燒瓦事故等。因此，電站的技術(shù)改造已經(jīng)迫在眉睫。

此次機(jī)電一體化改造，包括對(duì)整個(gè)電站的機(jī)組自動(dòng)化控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護(hù)裝置、廠用電系統(tǒng)、輔助設(shè)備、計(jì)量屏、二次等點(diǎn)位接地、輔助開(kāi)關(guān)、電力電纜等進(jìn)行改造，既消除設(shè)備安全隱患，又提高設(shè)備的自動(dòng)化水平，減少設(shè)備停運(yùn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)少人值班的運(yùn)行管理方式［1］。

3 電站機(jī)電一體化改造方案

3.1 新增計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式開(kāi)放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分為廠站級(jí)主控層和現(xiàn)地控制單元層，兩層之間采用高性能的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行連接［2］。

a.廠站主控層。

淘汰原有中控臺(tái)，設(shè)中控室操作員工作站兩臺(tái)，以互為熱備方式工作。主要負(fù)責(zé)對(duì)全廠設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視和操作控制，包括電氣一次主接線圖、潮流圖、水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)及公用輔助設(shè)備狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示各種電氣及非電氣數(shù)據(jù)、事件順序記錄、各種事故及故障信息，可進(jìn)行機(jī)組的開(kāi)機(jī)、停機(jī)（包括緊急事故和事故停機(jī)）、空轉(zhuǎn)、空載、增減功、增減磁等操作，控制斷路器及電動(dòng)隔離刀閘等分合閘。執(zhí)行操作命令，生成各圖表曲線，進(jìn)行事故、故障信號(hào)的分析處理及語(yǔ)音報(bào)警。設(shè)一臺(tái)工程師工作站，實(shí)時(shí)收集水電站運(yùn)行和故障信息，為排查故障和事故分析提供依據(jù)。

b.現(xiàn)地控制單元（LCU）。

更新機(jī)組自動(dòng)化屏：將機(jī)組自動(dòng)化屏更換為機(jī)組LCU（共5套），每套LCU均配有冗余數(shù)據(jù)采集控制單元，完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、電廠主輔設(shè)備的控制及調(diào)節(jié)，進(jìn)行全廠閉環(huán)控制與調(diào)節(jié)，具有發(fā)電機(jī)定子溫升、機(jī)組軸承溫升、機(jī)組過(guò)速、調(diào)速器低油壓及球閥油壓裝置低油壓五大保護(hù)，保證全廠發(fā)電運(yùn)行可靠。1～4號(hào)機(jī)組LCU附帶調(diào)速器壓力罐電動(dòng)機(jī)和重力補(bǔ)油回路的總電動(dòng)閥2個(gè)自動(dòng)化控制單元；5號(hào)機(jī)組LCU附帶調(diào)速器壓力罐電動(dòng)機(jī)和5號(hào)球閥公用油壓裝置的電動(dòng)機(jī)2個(gè)自動(dòng)化控制單元。

新增開(kāi)關(guān)站及公用設(shè)備LCU：開(kāi)關(guān)站及公用設(shè)備LCU能夠接受電站控制層控制命令，完成對(duì)高壓配電系統(tǒng)的斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、輔機(jī)公用控制設(shè)備和低壓配電系統(tǒng)斷路器等一次設(shè)備的順序操作，并對(duì)這些操作實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格閉鎖，以達(dá)到防誤閉鎖功能。

c.新增遠(yuǎn)動(dòng)柜1面。

遠(yuǎn)動(dòng)柜內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和網(wǎng)路連接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)設(shè)備（兩臺(tái)操作員工作站、一臺(tái)工程師站和遠(yuǎn)動(dòng)裝置等）與6臺(tái)現(xiàn)地控制單元（LCU）相連。

d.GPS時(shí)鐘系統(tǒng)。

安裝于遠(yuǎn)動(dòng)柜，采用BBS標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星同步時(shí)鐘，用于完成與監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)時(shí)保證電站控制層和LCU時(shí)鐘與衛(wèi)星時(shí)鐘同步，時(shí)鐘精度滿足事件分辨率記錄的要求，具有防雷裝置。

e.新增UPS電源柜。

為提高監(jiān)控系統(tǒng)電源可靠性，在電站直流220V電源基礎(chǔ)上增設(shè)獨(dú)立逆變電源柜1面，逆變器容量5kVA，按“1+1”熱備冗余配置。逆變電源柜用于提供計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上微機(jī)設(shè)備的單相交流220V電源，逆變器具有交流220V和直流220V輸入和旁路模塊，采用熱備工作方式［3］。

3.2 更換電站自動(dòng)化元件

為實(shí)現(xiàn)電站自動(dòng)控制，更換或新增電站5臺(tái)機(jī)組和全廠公用系統(tǒng)自動(dòng)化元件，對(duì)壓力、流量、水位、油位進(jìn)行監(jiān)控，以滿足電站自動(dòng)化控制管理的要求。如：機(jī)組潤(rùn)滑油總管電磁流量計(jì)、調(diào)速器油壓裝置和公用油壓裝置表盤(pán)式壓力變送控制器及自動(dòng)補(bǔ)氣裝置、機(jī)組潤(rùn)滑油支管雙向擋板流量開(kāi)關(guān)、重力補(bǔ)油高位油箱和回油箱液位開(kāi)關(guān)、技術(shù)供水總管電動(dòng)球閥、機(jī)組技術(shù)供水排水管雙向擋板流量開(kāi)關(guān)、機(jī)組制動(dòng)電磁配壓閥、5號(hào)球閥操作水電磁配壓閥、潤(rùn)滑油油混水信號(hào)器、高／低壓儲(chǔ)氣罐壓力變送控制器等。

3.3 繼電保護(hù)改造

改造原繼電保護(hù)裝置為微機(jī)型，做到保護(hù)無(wú)死區(qū)，能有選擇性地、快速地切除故障，確保電站電氣設(shè)備安全和穩(wěn)定運(yùn)行［4］。

a.發(fā)電機(jī)保護(hù)。配置1～2號(hào)發(fā)電機(jī)保護(hù)柜1面，3～4號(hào)發(fā)電機(jī)保護(hù)柜1面，5號(hào)發(fā)變組保護(hù)柜1面。裝置實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)、失磁保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、復(fù)壓過(guò)流保護(hù)、定子接地保護(hù)、轉(zhuǎn)子接地保護(hù)、電壓異常和發(fā)變組差動(dòng)保護(hù)，還包括控制回路異常告警、彈簧未儲(chǔ)能壓力異常告警、裝置故障告警、測(cè)控等功能。

b.主變保護(hù)。配置1～2號(hào)主變保護(hù)柜1面，主保護(hù)由比率差動(dòng)、差動(dòng)速斷、差流超限告警、TA異常告警等組成，后備保護(hù)由復(fù)壓過(guò)流、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、TV異常復(fù)壓閉鎖等組成，非電量保護(hù)由主變瓦斯保護(hù)、主變溫度保護(hù)、主變壓力釋放保護(hù)組成。

c.線路保護(hù)。配置35kV線路保護(hù)柜（4回）1面，測(cè)控裝置分別對(duì)龍周線、文龍線、龍咸線和龍八線四條線路提供三段電流保護(hù)和測(cè)控功能。

d.廠變和近區(qū)變保護(hù)。新增廠變、近區(qū)變保護(hù)以及廠用備自投裝置柜1面，廠用變壓器配電流速斷、過(guò)電流、溫度、零序過(guò)電流保護(hù)。近區(qū)變配無(wú)時(shí)限電流速斷和帶時(shí)限過(guò)電流保護(hù)。

3.4 廠用電系統(tǒng)改造

為了提高廠用電可靠性，接受在線監(jiān)測(cè)以及控制需要，對(duì)廠用電系統(tǒng)進(jìn)行改造。

a.廠用變壓器改造。更新廠用變壓器，采用2臺(tái)干式變壓器SCB11-125／10，該設(shè)備運(yùn)行噪聲小，繞組溫升低。配置溫控裝置，具有三相溫度巡檢、最大值顯示、故障報(bào)警、啟停風(fēng)扇、超溫報(bào)警和超溫跳閘功能，并具有RS-485通信接口與公用LCU屏通信，方便在監(jiān)控系統(tǒng)上直接調(diào)看廠用干式變溫度。風(fēng)冷裝置采用低噪音、冷卻效果好的軸流式卷簾風(fēng)扇，風(fēng)扇由溫控裝置自動(dòng)控制。

b.更新低壓配電柜。將原有BSL型低壓配電屏更換成固定式低壓配電柜。

c.動(dòng)力柜改造。更新機(jī)旁動(dòng)力配電柜5面、公用動(dòng)力配電柜1面、安裝場(chǎng)動(dòng)力柜1面、開(kāi)關(guān)站動(dòng)力柜1面、前池動(dòng)力柜1面、溢洪道動(dòng)力配電箱1只。

3.5 電能計(jì)量

5臺(tái)發(fā)電機(jī)、4回35kV線路、2臺(tái)廠變高壓側(cè)和1臺(tái)近區(qū)配電變高壓側(cè)分別裝設(shè)多功能四象限電子式電能表。電能表可通過(guò)通信接口實(shí)現(xiàn)與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信。其中每臺(tái)發(fā)電機(jī)電能表安裝在各自機(jī)組LCU／B柜上，其余的7只電能表組成1面屏。

3.6 其他機(jī)電設(shè)備改造

a.安裝真空輔助開(kāi)關(guān)。原計(jì)劃將6.3kV高壓開(kāi)關(guān)柜（GG-1A）技改為KYN28-12金屬鎧裝中置手車(chē)柜，共25面。考慮到資金不足，本期未進(jìn)行改造，列入下一期技改項(xiàng)目。此次增設(shè)6.3kV開(kāi)關(guān)柜隔離刀閘真空型輔助開(kāi)關(guān)和35kV各線路隔離刀閘真空型輔助開(kāi)關(guān)。

b.高壓開(kāi)關(guān)柜更新。更換1～4號(hào)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)機(jī)組電壓互感器8組。

c.二次等電位接地。作為微機(jī)型繼電保護(hù)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)接地，二次等電位接地網(wǎng)用40mm× 4mm的銅排，形成環(huán)形接地母線，由繼保室二次等電位接地網(wǎng)沿電纜支架分別敷設(shè)1根TRJ-120mm2軟銅絞線與連接機(jī)組LCU柜底接地銅排，開(kāi)關(guān)站端子箱接地銅排可靠連接。

d.電纜工程。為防止靜電干擾，按照規(guī)范要求將電站所有二次電纜更換為屏蔽型控制電纜。電纜主要敷設(shè)在電纜支架上，部分電纜穿管埋地敷設(shè)。對(duì)電纜溝進(jìn)入各建筑物入口、屏柜的底部預(yù)留孔均采用防火堵料封堵，按規(guī)定在電纜溝分支處、電纜豎井等處設(shè)置防火分隔，使之變得美觀、安全，達(dá)到防火要求。

e.控制柜更換。更換依靠現(xiàn)地操作的5臺(tái)機(jī)組的球閥控制柜及其外接管路，使之接受機(jī)組LCU監(jiān)控。

f.改造油回路。改造部分油回路，使機(jī)組軸承供油改為重力補(bǔ)油箱供油，安裝油位傳感器對(duì)補(bǔ)油箱油位進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與控制。并更換2臺(tái)潤(rùn)滑油泵，改造2個(gè)潤(rùn)滑油回油箱，使其聯(lián)通。

4 體 會(huì)

4.1 改造方案確定

小水電技術(shù)改造方案要依據(jù)設(shè)定的目標(biāo)，總體規(guī)劃，分步實(shí)施。要從水電站的實(shí)際出發(fā)，不能一味追求高端設(shè)備和技術(shù)，盡量采用成熟的技術(shù)，方案要簡(jiǎn)單實(shí)用，以最少的資金，最大限度地保障設(shè)備的安全，同時(shí)提高水電站的自動(dòng)化水平［5］。

4.2 科學(xué)施工

施工前要做好原始資料的收集和分析工作，編寫(xiě)詳細(xì)的改造任務(wù)書(shū)和施工計(jì)劃，技改施工分機(jī)組進(jìn)行，保持4臺(tái)機(jī)組正常發(fā)電，同時(shí)施工期間主要考慮生產(chǎn)區(qū)域的防洪度汛，做到合理計(jì)劃停電，減少停電損失，按照“安全第一，效益優(yōu)先”原則，確保安全文明施工。

4.3 重視監(jiān)控電源配置

為提高監(jiān)控系統(tǒng)電源可靠性，不能為了節(jié)省投資，簡(jiǎn)化監(jiān)控電源的配置，監(jiān)控電源一定要有冗余配置。

4.4 設(shè)備選型

機(jī)組試運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，1～4號(hào)機(jī)組軸承潤(rùn)滑油流量擋板開(kāi)關(guān)由于現(xiàn)場(chǎng)油流速太慢無(wú)法準(zhǔn)確動(dòng)作，選型時(shí)需要慎重考慮。

4.5 人才培養(yǎng)

由于此次技改涉及面廣、采用新技術(shù)多、運(yùn)行方式變化大，因此公司未雨綢繆，技術(shù)人員參與技改方案設(shè)計(jì)、設(shè)備的選型，施工前赴廠家培訓(xùn)，改造時(shí)參與安裝、調(diào)試，邊技改邊培訓(xùn)，逐步積累運(yùn)行、檢修經(jīng)驗(yàn)，使設(shè)備試運(yùn)行后能順利交接，技改的同時(shí)培養(yǎng)鍛煉了一支高素質(zhì)的隊(duì)伍。

5 結(jié) 語(yǔ)

此次以采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和微機(jī)型繼電保護(hù)裝置為主的技改工程，消除了設(shè)備安全隱患，提高了發(fā)電效益，減少了運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了運(yùn)行人員工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了電站“少人值守”運(yùn)行管理方式，達(dá)到了機(jī)電一體化改造目的。

［1］ 趙國(guó)榮.機(jī)組選型對(duì)于小型水電站改造的重要性研究［J］.中國(guó)水能及電氣化，2015（5）：42-44.

［2］ 沈祖詒，田樹(shù)，支培法.水力機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助分析［M］.南京：河海大學(xué)出版，1995.

［3］ 能源部西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)（電氣二次）［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1991.

［4］ 陳平.涼山州小水電站并網(wǎng)調(diào)度問(wèn)題的解決方案［J］.四川電力技術(shù)，2008（3）：44-45.

［5］ 尹剛.湖北省小型水電站增效擴(kuò)容改造前期調(diào)查分析［J］.中國(guó)水能及電氣化，2012（10）：5-10.

Analysis on electromechanical unitization technical reformation of Longxi level 1 hydropower station

XU Yuqing
（Fujian Mindong Electric Co.，Ltd.，Ningde 352100，China）

Control and relay protection devices are adopted in Longxi level 1 hydropower station，which mostly belong to conventional relay control systems.They are characterized by high failure rate，poor reliability，low level of automation and inconvenient operation and maintenance.The electric station automation level is improved，and hidden danger is eliminated on one hand through technical reform ation，operator labor intensity is lowered，and operation management mode of‘less persons in duty’is realized on the other hand.

hydropower station；electromechanical unitization；technical reformation

TV734

A

1673-8241（2016）09-0043-04

10.16617／j.cnki.11-5543／TK.2016.09.010