技术
摘要：本文综述了辽宁穆家水电站自动化改造技术方案相关的核心技术方案。论文涉及到水电站技改的各方面，包括调速器系统、励磁系统、保护系统、水机自动控制系统等部分。以上系统由分层分布式计算机控制系统构建水电站综合自动化系统，在上位机的水电站机组经济运行调度模块的配合下，可以实现水电站的可靠、经济、实用运行的基本要求，即实现少人值守的总体目标。
关键词：调速励磁水机自动分层分布式
一、概述
穆家水电站始建于1984年，水电站装机容量为1×1600kW、2×2250kW、1×400kW，共4台水轮发电机组；发电机出口电压为6.3kV；升压主变容量为7500kVA，由66kV线路联接至木奇变电所并网送电。随着水电站设备的老化，影响运行效率及安全的隐患逐步显露。现运行的YDT-1800调速器、模拟励磁、常规继电器保护及水机自动化等系统均已老化，部分元件失效，一旦机组发生事故或者因调速器及励磁系统故障，将会给电站造成重大经济损失，甚至造成人身伤亡事故，因此综合自动化及电气设备改造是电站目前的主要任务。2003年电站顺利完成了室外升压站一次主设备的更新改造，2004年下半年的主要任务是完成包括励磁、调速、保护、水机自动、自动化元件等的综合自动化的设计及改造。
二、总体改造方案
1.自动化改造内容
穆家电站自动化改造内容包括：①3台大机组调速系统改造；②3台大机组励磁系统改造；③3台大机组及1台小机组机旁盘改造；④主变压器及66kV输电线路继电保护改造；⑤直流系统及中央音响改造；⑥增加模拟信号反馈屏；⑦增加上位机监控系统；⑧更换动力、控制及信号电缆；⑨辅助设备及元器件等改造；⑩高压开关柜改造。
2.自动化改造总体技术要求
凡参与水轮发电机组开停机的子系统（例如调速系统、励磁系统、主设备保护、水机自动）及自动化元件均需要改造，系统分项及整套系统要求达到先进水平：主要的子系统要求数字化；从下达开机令到同期并网发电，单机响应时间在上位机控制条件下要求小于50s。在投资控制条件下，要求设计优化，即要求经济合理、实用化。
三、核心技术
整体方案的核心技术是调速、励磁、控制保护、分层分布等技术的配置与优化选择。
1.调速器系统
原调速系统的接力器部分仍保留，将原YDT-1800A电气液压调速器驱动装置改造成天津电气传动设计研究所的TDBYWT型全数字步进电机PLC调速器驱动装置。该装置具有以下特性：
⑴主要动态性能指标：①接力器不动时间不超过0.2s；②机组甩100额定负荷，转速变化过程中偏离额定转速3以上的波峰不超过2次；③机组甩100额定负荷，从接力器第一次向开启方向移动到机组转速波动值不超过±0.5为止，所经历的时间不大于40s。
⑵主要静态性能指标：①静态特性曲线近似直线，其最大非线性度不超过5；②转速死区不超过0.08。
⑶主要功能：①自动/手动开机、停机、增/减负荷，满足机组并网或单机孤网稳定运行；②自动跟踪电网频率，设有多种启动模式，机组并网快速、准确；③设有紧急停机装载，接收事故信号后可自动紧急停机，也可手动停机操作；④设有机械开限机构，可在机旁、远方以手动、电动操作方式完成开机、停机、增减负荷，利用开限机构能使接力器精确定位，便于水轮机安装和维修时的调整；⑤要求增设水位调节功能、功率调节功能、数字通信功能、分段关闭功能等。
⑷主要特点：①采用自适应、变结构、变参数、并联PID调节模式，具有自诊断、防错、容错与纠错功能；②PLC要求平均无故障时间为30万h，运算速度快、扩展能力强、可靠性高等特点；③采用步进电机—凸轮直控主配压阀的新型电液随动系统，实现全数字式调速器；④采用触摸屏实现人机对话；⑤为满足运行习惯，仍要求保留常规仪表、指示灯和按钮，与触摸屏同时显示调速器运行状态；⑥采用多种抗干扰措施，保证机组可靠稳定运行；⑦对于允许机组继续运行的故障类型，调速器具有保持机组原运行工况的功能；⑧采用可靠性高、抗干扰强的交、直流双电源供电，实现无扰动切换；⑨主配压阀衬套材料为40Cr，表面氮化处理，活塞材料为45号钢，表面淬火处理，具有较高的耐磨性和使用寿命。
2.励磁系统
穆家电站励磁系统改造包括同步发电机的励磁装置更新、励磁电压互感器及励磁变压器位置的迁移，技术重点在于为同步发电机组配套先进的励磁装置。根据目前励磁装置的技术发展水平，提出同步发电机全数字励磁装置的基本技术要求为：
⑴主要功能：①运行方式为励磁电流调节（FCR）、自动电压调节（AVR）、功率因数调节（PF）、无功功率调节（VAR）；②起励方式为残压起励、外加电源起励；③灭磁方式：正常停机时为逆变灭磁 灭磁开关，非正常停机时，小机组为灭磁开关 线性电阻，中大型机组为灭磁开关 非线性电阻；④给定方式为模拟量给定、开关量给定、数字给定、计算机监控系统给定；⑤通信方式为RS485、CAN、PROFIBUS、Ethernet；⑥设有限制与保护功能；⑦具有故障记忆与事故录波；⑧功率单元为可控硅模块或采用对立可控硅组件。
⑵技术性能：①过载能力，当同步发电机的励磁电压和电流不超过其额定值的1.2倍时，励磁系统能长期连续运行；②强励倍数，当发电机端正序电压为额定值的80时，励磁系统强励倍数不低于1.4~2倍；③允许强励时间，励磁系统强励允许时间在20~50s范围内设定，强励时间间隔为5min；④调压精度，自动电压调节器能保证发电机端电压静差率小于0.5；⑤频率特性，发电机频率变化±1时，发电机端电压变化小于±0.25；⑥机端电压调整范围，自动电压范围为30~140；⑦励磁系统响应时间，强励不小于0.08s，强减不小于0.15s；⑧闭环动态特性，起励升压至额定电压不小于5，电压震荡次数不小于3次，调节时间不大于5s；⑨交直流电源实现无扰自动切换，AC380/220，偏差±15Ue频率偏差-3Hz~ 2Hz；DC220V，偏差为-20~ 10。
3.分层分布式综合自动化系统
穆家电站控制保护及微机成套监控选用的是清华紫光SM4分层分布开放式水电站综合自动化系统。主设备保护及主要水机自动化元件均选用清华紫光DCAP-3000系列微机成套装置，水机自动化逻辑运行采用SiemensS7-200系列PLC完成，利用其PtP通信规约构建现场总线，连接4台机组、主变线路保护单元、高频开关电源单元、模拟信号反馈屏单元及现场集中操作员站。操作员工作站配置的SM-4监控组态软件，完成开停机、自动发电控制（AGC）、自动电压控制（AVC）、全厂经济运行等核心功能。
四、总结
水电站自动化改造总体方案设计的重点是确定核心技术，在技术经济比较下，选择满足先进性、合理化、经济性、实用性的综合自动化系统是理想的目标，穆家电站的分层分布开放式综合自动化系统就是一个典型的范例。
