水电厂自动控制系统.docx

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水电厂自动控制系统

一、 水电厂自动控制系统概况

水电厂自动控制系统采用全分布开方式系统结构，以适应其水电厂生产设备分散布置的特点，整个监控系统分为两级即主控级（上位机系统）和现地控制单元级（LCU）。

主控级设有操作员工作站（冗余）、工程师站（兼仿真培训）、通信处理计算机、厂长终端等设备。

现地控制单元级包括水轮发电机组、开关站、公用设备、主变、闸门等设备的控制装置。

监控系统的功能可在监控室内全部实现，现地各LCU在主控层和网络全部失效情况下也应能独立运行操作。

现地各LCU采用冗余设计。

网络接口和通信协议符合IEEE802.4Etheret标准，设计为总线式双网，以利于功能扩展和网络间的互联。

网络介质采用光纤缆。

技术要求：

传输速率100Mbps，通信距离2000m，最大网络节点1024个。

二、 水电厂主要调节系统

水电厂主要调节系统有：

有功功率调节系统、无功功率调节系统、机组压油装置自动化系统、机组冷却水系统、主变冷却装置自动控制系统、机组压油装置综合自动化系统等。

（一） 有功功率调节系统

有功功率调节系统包括有功功率给定和有功功率调节两部份组成。

有功功率给定方式有：

调度所给定，负荷曲线给定，或通过键盘在显示器上实时设定等方式。

调度所给定电厂有功功率有二种方式，即调度所给定全厂总功率，然后由电厂监控系统分配到机组；或调度所直接给定机组功率。

华东总调采用的是给定全厂总功率方式，以便电厂根据机组的具体情况（如避开机组运行的振动区，功率上下限等）更合理地在机组间分配负荷，且容易采取适当的措施提高有功功率的调节精度。

例如，当某台机组因故不能及时响应系统的给定功率变化时，则可在调节系统程序中增加积分环节，适当选择积分速率，即可自动调整功率给定值，将功率差值转移到调节性能正常的机组上，从而满足了系统功率调节的要求，提高了系统功率调节品质。

浙江省调采用的是由省调直接给定机组功率方式，乌溪江水电厂和紧水滩水电厂参加AGC的机组有功功率直接由浙江省省调度所控制，但开停机操作是由电厂负责执行的。

当现地控制单元级（LCU）即机组控制器接收到机组功率设定值后，由于新型的微机调速器调节品质较好，以PID调节方式调节机组有功率即可达到较为满意的效果。

当丰水季节水位较高时，为了防止弃水可采用负荷曲线给定运行方式，或通过键盘在显示器上实时设定等方式给定机组功率。

注：

新安江水电厂的水轮发电机组经华东电力试验研究院改进后，机组的振动区已不复存在，因此可在任何功率下长期运行。

再也不用为了避开在振动区行运而较大幅度地在机组间进行负荷转移，从而使水电站的经济运行更为合理。

改进措施是：

通过机组大轴中心孔进行自然补气，破坏尾水管涡流带和尾水管的真空，从而消除了机组的振动区。

附1：

水轮机调速器简介

近十年来，我国水轮机电液调速器得到了很大的发展，出现了多种类形的产品。

从它的核心环节来说，电气部份有嵌入工业级微机（PC）和可编程序控制器（PLC）两大类。

现代调速器的系统结构可分为调节器和电液随动系统两大部份。

   1.调节器的系统结构模式

（1）PLC模式

PLC调节器一般都是单系统结构。

并且，PLC一般不会采用高档的产品，因此解决不了频率测量的精度和实时性问题。

而是采用另加一个单片机完成测频任务。

PLC调节器的系经结构如下图所示所示。

（2）PC模式

PC模式是指单系统模式的PC调节器，其系统如下图所示。

（3）双PC模式

双PC模式是指调节器采用两套PC而输出功放为一套，其系统如下图所示。

图6-3双PC调节器框图

（4）带通信双PC模式在双PC模式的基有础上，使PC1与PC2之间实现数据通信，实现了两套PC之间的自动跟踪，即所谓带通信双PC模式。

其系统如下图所示。

（5）双PCS模式

在双PC模式上再增加一套输出功放，则其输入至输出是完全独立的两套系统，称之为双PCS模式。

其系统结构模式的简化图如下图所示。

  （6）带通信双PCS模式

在双PCS模式的基础上，实现两系统之间数据通信双系统之间实现自动跟踪，即所谓带通信双PCS模式。

其系统结构模式的简化图如下图所示。

（1） 带通信双PCS容错模式

全数字式的带通信双PCS容错式调节器，其特点是：

输入端采用交流采样测频技术，反馈采用数字技术；而且在硬件和软件上采用容错控制技术和变结构技术。

   2.液压装置的系统结构模式

（1） 电-机式液压随动装置

 BDY-S型和STARS型两种转换装置由步进电动机、液压缸和机械杆件组成；LAND型转换装置由稍大容量步进电动机及丝杆组成；“长控”转换装置由力矩电动机和丝杆组成。

这些转换装置的共同特征是：

输入是电位号，输出是机械位移信号，无“复中”特性，是积分环节。

它可以代替老式调速器中的电液转换器和中间增力器，合二为一的装置。

由电－机转换装置为核心的液压系统必然是二级随动系统，其系统结构模式如下图所示。

它的第二级是机械－液压随动系统。

（2）电-液式随动装置

国内开发的的HDY环喷式和DYS双锥阀式两种电液转换器，其抗油污能力相对于传统老式调速器有所改善，但其频率响应性能尚不能令人满意。

与电－机式转换装置相比，电-液式随动装置有它不可取代的优点，因而新型电液转换器件仍是开发新型液压系统的主要方向。

以电－液转换装置为核心的液压系统，目前都设计成一级随动系统，其系统结构如下图所示。

国内于1994年首次开发了容错电液一级式随动系统，其系统结构模式如下图。

附2：

步进式水轮机调速器

步进式水轮机调速器是由步进式电－位移伺服系统，带动液压随动系统，实现了对水轮机的控制。

由可编程序控器和步进电机组成的步进式电－位移伺服系统，取消了传统的电－液随动系统，特别是取消了电液转换器，因此消除了由于电液转换器引起的一系列问题。

1． 主要特点

（1）电气回路中完全取消了电位器和继电器，大大减少了接触不良等不安全因素。

电柜内无功率放大器等模拟电路，避免了模拟电路存在的漂移，抗干扰性能差等问题。

（2）独特的变速控制方式，具有自动检测步进电机失步等故障诊断处理功能。

保证了整个系统的安全性和可靠性。

  （3）具有频率跟踪、开度跟踪和功率跟踪的功能，保证了调速器手动／自动无扰动切换，以及运行模式无扰动切换。

  （4）自动按工况改变运行参数，调节平稳，速动性好。

  （5）采用梯型图编程，使程序易懂易读，修改方便，用户容易掌握。

  （6）采用单片机测频，线性好，精度高，速度快。

  （7）当电源消失时，调速器自动进入手动运行方式，在手动操作前维持原有的导叶开度不变。

  （8）手／自动运行方式切换平稳，无论是从手动运行方式进入自动运行方式还是从自动运行方式进入手动运行方式，都可随意切换，而不必考虑开度限制是否处于限制状态。

（所有的切换工作都是在电路内实现的，不会引起任何油压波动和机械转换）。

  （9）取消了电液转换器、手／自动切换（电磁配压）阀、增／减（电磁配压）阀等以及这些部件相应的油管道。

除了引导阀、主配压阀和紧急停机电磁配压阀外，其它部件不用液压油。

  （10）简化了开度限制机构、简化了杠杆、滤油器及柜内的结构。

  （11）不需要高精度的油源，因此降低了对滤油器的要求（仅提供引导阀和紧急停机电磁阀的用油）；又由于采用了用刮片式滤油器，取消了滤油器切换阀，也完全省去了滤油器的日常清洗更换工作。

由于步进式电－位移伺服系统采用了闭环控制，完全消除了丢步现象；又由于采用了步进电机的变速控制方式，完全解决了步进电机控制时速度与失步的问题。

位移转换装置还设有纯手动机械式超行程保护功能，防止传感器断线等意外故障时，丝杆卡死过载，损坏步进电机。

整个系统结构简单、功能完善、操作方便，性能好，可靠性高，维护和检修工作量极小。

  （12）采用交/直流双电源或UPS供电方式，保证电源系统的可靠性。

 2.主要功能

（1） 导叶、轮叶调节。

（2） 手动／自动开停机及紧急停机。

自动开机时按水头给定起动开度、空载开度。

（3） 设频率调节、功率调节、开度调节三种运行模式。

（4） 设频率跟踪、频率人工死区。

（5） 导叶、轮叶手动／自动无扰动切换和调速器行运方式无扰动切换。

（6） 水头手动／自动方式选择；可通过键盘改变导叶给定开度、限制开度、频率给定、功率给定值。

（7） 远方／现场、手动／自动负荷调整。

（8） 电源消失时维持原有导叶和轮叶开度不变。

（9） 机频、网频故障诊断及处理；A／D、D／A故障诊断及处理；

反馈系统故障诊断及处理；步进电机故障诊断及处理；

  电源监视及处理。

（10）开度、频率、功率实际值及给定值显示；电气开度限制值显示；水头给定及轮叶实际值显示。

（11）水头、开度显示自动复归。

各类故障及电源消失报警出口。

3  主要技术数据

（1） 主要技术指标

转速死区ix≤0.05％

静态特性曲线非线性度ε≤5％

随动系统不准确度is≤1.5％

自动空载转速摆动相对值≤0.15％

甩25％负荷接力器不动时间≤0.2S

（2） 主要调节参数范围 

比例增益Kp＝0.5～20

积分增益Ki＝0.05～10（1／S）

微分增益Kd＝0～5S

永态转速系数Bp＝0～10％

频率人工死区ΔF＝±（0～0.5）Hz

频率给定F0＝45～55Hz

附3：

国外引进的水轮机调速器简介

1 二滩水电站双微机调速系统

二滩水电站位于雅砻江下游四川省攀株花境内，电厂装有6台单机容量为550MW的机组，总装机容量为3300MW，多年平均发电量为170亿kw.h，是我国20世纪末建成投产的最大的水电站。

二滩水电站6台机组调速器电柜和机柜均由瑞士HYDROVEVEY公司制造，金属构件部份（如集油槽、接力器等）由加拿大GE公司制造；双微机调速器的软件和硬件均是瑞士HYDROVEVY公司的产品，经该公司系统设置、软件开发后，成为欧式标准产品。

调速器电气控制柜安装在发电机层单元控制室中。

机械控制柜、压油装置布置在水轮机层。

调速器系统结构为双徽机系统，由双微机、双总线、双输入／双输出通道组成。

实际上是两套微机调节器，内容完全相同而结构完全独立但互为备用的冗余系统。

二滩水电站微机调速器具有多种功能和行运方式。

主要采用的有开度控制、功率控制、开度限制控制、频率跟踪控制、频率控制等，各控制方式均设置了单独的控制软件，能独立地完成对机组的调节控制，且彼此既相互独立，又相互联系。

（1）开度控制

开度控制主要用于机组启动、停止和并网后带固定负荷。

机组并网后，调速器可在开度或功率反馈方式下，通过现地或远方调整负荷，也可以通过AGC的方式，根据预定的负荷曲线自动进行调整。

（2）转速控制

转速控制包括空载转速控制、并网转速控制和孤网转速控制三种方式。

1）空载转速控制

只有在发电机出口断路器断开时有效，它主要作用于机组的启动并维持机组的转速在额定的转速范围内运行。

2）并网转速控制

只有在发电机并网时有效，以消除系统中的频率异常（因为二滩水电厂机组容量大，并网时对系统影响也大）。

3）孤网转速控制

为了承担地方孤立负荷和应急时系统负荷大波动而设置的控制方式，其运行条件是出口断路器合上且频率超过预定的偏差时（49.5Hz～50.5Hz），自动投入，参与系统调频。

并按照预定的机组调差率，消除转速偏差，提高系统的稳定性。

（3）功率控制

当发电机出口断路器合上时才能实现功率控制，机组功率实发值与功率设定值相比较后决定机组负荷的增减，以维持系统频率稳定。

（4）开度限制控制

它是作为所有控制方式信号的限值控制，当任一控制方式的信号达达到限制值时，开度限制控制将自动投入，防止调节错误和失误。

该软件中“开度限制点”单独设置两个，即启动开度限制和开度限制。

其内部控制遵循“最小参数选择”原则自动转换；开度限制可以在机柜上调整，也可在电柜、触摸屏和中控室调整，导叶开度限制器范围是－3～110％。

（5）频率跟踪控制

频率跟踪控制实际上就是转速控制，在机组启动转速达到额定转速的25％时，投入该方式，机组频率将自动、稳定地跟踪系统频率，以实现快速并网。

当机组频率跟踪到49.5～50.5Hz时（该范围可调整）。

同期装置自动投入，并网后自动退出。

    2 京南水电站微机调速系统

京南水电站是一座低水头径流式中型水电站，装设2台单机容量为34.5MW的灯泡贯流式机组。

以110kV电压等级接入梧州市电网，以35kV接入地方电网，在梧州市电网中主要承担基荷。

由于地方电网容量较小，相当于孤网运行，因此对运行的稳定性有较高的要求。

此外，由于径流式水电站水库库容小，调节能力有限，因此要求调速器有良好的水位调节性能。

VOITH公司生产的SPSR－S型调速器采用先进的结构形式，即调节器＋导叶电流随动装置，桨叶的控制为电气协联＋桨叶电液随动装置，调速器的大部分功能在电子调速器中实现。

机械液压部分的布置也很简洁，没有常规的机械液压柜，大部份设备都布置在调速器的油箱上。

（1）机械液压部分

机械液压部分为模块化设计，由压油装置和控制阀装置两大部分组成。

压油装置提供操作用的压力油，并对操作油进行冷却，加热（如油温低于18℃）和过滤。

控制阀装置的关键部件是电液伺服阀和控制阀。

电液伺服阀把调节器输出电信号放大成比例的液压控制信号，再由该液压信号去引导主控制阀动作，从而控制调节导叶和浆叶接力器开启或关闭方向的进出油，使导叶和浆叶的位置改变。

控制阀装置还有一系列保护阀组，包括快速关闭电磁阀，紧急关闭电磁阀，过速继动阀，最小压力保护继动阀，压油罐液位过低保护继动阀，手动快速关闭阀。

其中电磁阀由机组控制系统的信号触发，继动阀则是在液压系统的有关参数超过设定值时独发，例如当转速超过设定值时，过速保护继动阀动作，当压油罐内压力低于4.6MPa时，最小压力保护继动阀动作，当压油罐内油位低于设定值时，液位过低保护继动阀动作，以免压缩空气进入控制油路，从而损坏电液伺服阀。

手动关闭阀由运行人员在紧急情况下手动操作。

这些阀组动作都通过导叶电液伺服阀顶部的伺服阀使导叶快速关闭。

同时这些阀组动作后都有限位开关发讯到机组控制系统、以启动电气停机回路。

电液伺服阀的控制油路设有并联的两个过滤器，当其中一个堵塞时，通过电接点报警；并设有压力开关，当压力过低时动作于停机。

主控制阀的操作油路上设有一个主油阀，在机组停机时关闭此阀以防压油罐内的压力下降。

（2）微机调节器

 1）调节器的组成

VOITH公司的SPSR－S型微机调速器由两套调节器组成。

一套为自动调节器，另一套手动调节器。

正常运行时采用自动调节器，手动调节器为备用。

调节器具有自动跟踪功能。

当自动调节器故障时，可以无扰动地切换到手动调节器。

自动调节器是以微处理器为基础的数字式调节器，手动调节器是模拟式调节器。

自动调节器采用模块化结构，安装在19＂机箱内。

核心部件包括：

   电源模块；       开关量输入模块（2块，32点）;

   存储器模块；     开关量输出模块（2块，32点）;

   主处理0模块；   导叶开度反馈（测量）处理模块；

   主处理1模块；   模拟量输入输出模块（8点输入，4点输出）；

转速测量模块。

各个模块之间通过总线连接。

存储器模块用于储存用户程序和动态数据，配有EPROM和RAM，其中RAM有电池支持。

该模块还是总线管理器，对总线上的数据进行管理。

处理器0是主处理器，它除了执行部分控制计算外，还负责通信。

处理器1是从属处理器，它负责输入／输出信号的协调和一部分控制算法。

与机组控制系统的开关量联系是通过开关量输入板1和开关量输出板1进行的。

与控制面板的开关量联系是通过开关量输入板2和开关量输出板2进行的。

上下游水位、系统频率、流量的测量是通过模拟量输入／出板进行的。

2）调节器的功能

该调速器充分利用了微处理器的特点，将调速系统的功能设计得比较完善。

其基本功能有：

* 机组开机和停机控制；       *转速控制；

* 功率控制；                 *水位控制及成组调节； 

* 电气开度控制；             *导叶和浆叶的电气协联。

转速控制的调节规律为PID，其参数会根据运行状态自动调节。

当调节器处于其他控制方式时，转速控制器自动跟踪当前导叶的开度的转差，以便再切换为转速控制方式时能够做到无冲击。

功率控制的调节规律为PI，也具有自动跟踪开度的功能。

水位控制功能能通过一个流量控制器来实现，设定上游水位值后，机根据来水水量的大小，自动调节导叶的开度，这个功能在京南水电站中有特别的意义。

在汛期开始时，既要把保持坝前水位恒定（腾出水库的库容），又要尽量多发电（担任基负荷）。

此时，投入水位控制就可做到这一点。

导叶的开度限制在调节器内实现，它可根据不同的水头自动调节限制值。

开度限制可以以汽蚀限制线为原则，也可以以通过负荷限制线为原则。

导叶和浆叶的协联关系以一个三维曲组的形式储存在存储器中，根据不同的运行工况，以插值法取用协联数据，用以控制浆叶的进度。

除了基本的功能外，调节器还具有下列附加功能：

*延时关闭功能：

如果两个测速信号都消失，调节器可以模拟一个演示关闭过程，使停机过程尽可能接近正常停机过程。

* 分关闭功能：

突然甩负茄荷时分两段关闭，两段关闭的速度和转折点事以在控制面板上设定；

* 浪涌控制：

当机组突然甩负荷时，为了避免进水口的水波动太大，关闭导叶之前先将奖叶多打开3°,并维持一段较短的时间，再慢慢地关闭到协联开度。

维持时间的长短和整个关闭时间都可在面板上设定，投入与否也可选择。

* 清污控制：

机组关闭过程中，如果有异物夹在导叶之间致使导叶不能全关，调节器将自动打开导叶，让流水冲走污物，然后最关。

* 流量和静水头计算：

流量计算采用拦污栅后压力与导叶前的压力的差值来计算，同时还根据导叶和桨叶的开度和水头，按水轮机特性曲线计算出一个现论值，如果压差信号消失，则用此理论值于流量控制。

静水头计算则用上下游水位减去一个随流量变化的流道水头损失而得。

* 监视功能：

包括看门狗、转速信号故障、导叶／桨叶反馈故障、上下游水位信号故障、差压信号故障等。

* 诊断功能：

包括在线自诊断和离线可编程诊断。

（3）测速装置

转速测量采用齿盘测速方法。

测速齿盘安装在管形座内大轴上，设有两个电气上独立的探头，把转速信号变成0∽400Hz的脉冲信号，送入转速测量模块。

该模块是快速记数核块，经处理后形成数字量通过微处理器总线送入存储器，并形成420Ma的输出信号供表计显示用。

该模块内设有看门狗监视和探头故障检测，出现故障时把故障信号送入微处理器。

机组控制和励磁系统控制以及电气过速所需的电接点信号由微处理器产生，通过开关输出量送出，可以通过控制面板方便地调整设定值。

  （4）导叶和桨叶的反馈装置

导叶和和桨叶的反馈装置为电气反馈装置，通过设在接力器上的角度―电压传感器，把导叶和桨叶的开启角度变成两个400Hz、26V和11.8V的电压信号，经屏蔽电缆送入电调柜上的开度处理模块，转换为4～20Ma的信号，直接送至导叶和桨叶位置控置器，与调节器输出的开度设定值比较，同时用于仪表显示。

该模块处理后形成的数字量送入微处理器，电微处理器对对输入电压进行监视，如低于或高于某一设定值，则发出开度反馈事故信号。

如果开度设定值与实际反馈值之差超过5％并持续10s（导叶）或20s（桨叶），则发出导叶／桨叶控制事故信号。

  （5）导叶和桨叶的位置控制器

导叶和桨叶控制的开度设定值（4～20mA）信号最终送入位置控制器，与开度反馈值进行比较后再进行放大，并变换成一个直流电压信号，用于驱动电流伺服阀。

该直流电压不调节时为2.5V～3.0V（导叶）或1.5V～2.0V（桨叶）。

除了直流电压外，位置控制器还输出一个交流电压，附加在直流电压信号上，以防动圈式电液伺服阀发卡。

    3 小浪底水电站双微机调速系统

小浪底水电站是小浪底水利枢纽的一个重要的组成部份，位于河南省洛阳市以北40公里黄河中下游最后一段峡谷的出口处。

小浪底水电站共有6台单机容量为300MW的水轮发电机组，水轮机型式为主轴混流式，是河南省电网主力调峰、调频、事故备用电厂。

这就要求调速器具有良好的动态调节品质。

小浪底调速器是作为水轮机的附属设备与水轮机一起全套从美国VOITH－SIEMENS公司引进的VGCR211型数字式微机调速器，调速系统包括电气柜和液压部分。

调速器控制柜安装在发电机层，机械液压操作部份布置在水轮机层；同时在回油箱的动圈放大器上有伺服系统，可以直接手动操作导叶。

其相关参数如下：

装机容量：

6台×300MW    工作水头：

71～141m

额定水头：

112m            额定流量：

296m3∕s

机组转速：

107.1rpm         额定油压：

6.4MPa

接力器行程：

482mm

（1）VGCR211型数字式微机调速器的主要特点

   1）采用数字脉冲齿盘测速，简单可靠且测速范围大（0～200）％Ne。

   2）调速器所用电源为双电源，交流230V和直流220V，经转换为24V直流电压。

经过二极管整流桥，使其电压高的通过，从而实现无扰动电压切换。

如果一个电压中断，将发出报警信号；如果两个电源全部中断，将引起导叶关断阀动作，机组事故停机。

3）具有“速度控制”、“开度控制”、“功率控制”等功能，以适应电站各种运行方式的需要。

其中“速度控制”具有PIDP调节规律，“功率控制”具有PI调节规律。

4）采用了与“速度控制”、“功率控制”等控制方式相对独立的可靠的电气开度限制，保证机组的安全可靠运行。

5）在微机程序中实现了“电网频率跟踪”的功能，保证了机组的快速同期并网。

如果网频信号超出某一设定值，将发出一个网频故障信号，机组跟踪网频的值自动调整为额定频率值。

6）采用“孤立网控制”的方式，弥补了水电厂与电网联系弱的缺点。

（2）VGCR211型数字式微机调速器的硬件结构

微机调速器的硬件包括可编程控制单元、现地控制盘、输出放大器以及数据采集、信号分离和传送所需要的外部设备。

   1）可编程控制单元

可编程控制单元是以PCD4系列模块为基础，采用双PLC控制。

双PLC拥有完全相同的程序，PLC1为主PLC，PLC2为备用PLC。

正常工作时主PLC控制，当主PLC故障时，备用PLC自动无扰动地替换进行控制。

双PLC的输入信号是并行输入，而输出信号是靠继电器接点转换来决定的。

应用程序储存在一个非易失性存储器中，保证电源消失时，不会丢失任何程序。

如果发生电源突然故障，存储在随机存储器中的的数据将由备用电源保持，可保证不会丢失任何输入的数据。

   2）现地控制盘

现地控制盘控制面板上的元件有两类，一类用于信号显示，主要有数码显示器和信号指示灯，用于显示微机调速器的控制方式、运行工况（如机组转速、导叶开度和机组有功等）；另一类用于操作控制，主要有钥匙操作开关和按钮开关（如远方／现地切换、手动开机、手动停机、控制方式切换等）。

   ⑴.钥匙操作开关

钥匙操作开关的作用，仅允许带有钥匙的指定入员进行现地控制。

   ①操作／参数输入

在“参数输入”位置，可以将转速和开度给定值显示器切换到“参数地址显示”和“参数值输入”，通过相关“+/-”按纽，可以改变和参数地址相对应的参数值。

正常运行时打到“操作”位置。

   ②手动／自动切换

根据钥匙操作