永定獅象潭水電站增效擴容中自動化系統改造的應用

簡萬富

（龍巖市永定區河道管理中心，福建 龍巖 364100）

1 水電站概況

永定獅象潭水電站座落于龍巖市永定區岐嶺鄉豐村，于1981年12月動工興建，1983年投產發電，壩址位于金豐溪中游兩條支流的匯合處，壩址以上集雨面積347 km2，流量10.5 m3/s，水頭29.5 m，電站安裝3×800 kW的水輪發電機組，設計年發電量1076萬kW·h。由于電站運行了30多年，水電站的建筑物、機電設備和金屬結構不同程度的老化失修，機組效率低，故障率高，自動化程度低，設備協聯性能差，嚴重影響機組出力和安全運行。根據相關部門批復，將獅象潭水電站列為永定區增效擴容改造項目。通過增效擴容改造后，機組裝機容量為3×1000 kW，設計年發電量增加到1610萬kW·h。3臺發電機與1臺容量4000 kVA主變壓器采用發電機-變壓器擴大單元接線方式，經升壓后與35 kV電網相聯。

2 水電站現狀及存在的問題

2.1 水輪機

電站現安裝的二臺HL240混流式水輪機為老型號水輪機，由于水輪機已運行30多年，雖每年都有檢修維護，但存在導水機構、主軸密封漏水嚴重，軸承瓦溫高，機組效率低等問題，給機組運行帶來安全隱患。

2.2 調速系統

電站機組現調速器為XT-600型自動調速器，屬于老型的機械液壓式調速器，限于當時技術水平，所以調速器的自動化程度低，開停機、負荷調節跟不上電網的一些參數變化，調速器動作反饋速度緩慢，可靠性和靈敏性差，設備故障率高，影響到機組的出力和正常運行。

2.3 發電機

發電機目前存在定子、磁極等絕緣老化，定子鐵芯銹蝕嚴重，整體絕緣水平下降，發電機定子溫升較高、使發電機不能長期連續運行。基于當時小型發電機制造水平的限制、本發電機的效率較低，由于發電機采用同軸的勵磁方式、受勵磁機整流環和炭刷影響、經常發生整流環燒壞的現象，機組的無功負荷帶不上、影響水電站的發電效率。因受勵磁機的影響、發電機的維護工作量大，造成電站的運行費用高。

2.4 主變壓器

本電站現有的主變型號為SL7-3150/35，系福州變壓器廠于1985年生產。變壓器為雙卷鋁芯線圈，變壓器鐵芯渦流、發熱量大，造成變壓器的空載損耗大。由于為鋁線圈變壓器的負載功率損耗大，所以變壓器總體效率低。是目前國家行業部門明文規定為高耗能必需更新換代的產品。

2.5 其它電氣設備

2.5.1 廠用變

原廠用變兩臺，一臺型號為SL-100/6（福州變壓器廠1985年出廠），一臺型號為SL-100/35（上海變壓器廠1984年出廠），均為油浸式配電變壓器，屬高耗能必需更新換代的產品。

2.5.2 高壓開關設備

原廠內6 kV配電裝置柜型采用GG-1A（F），開關配用SN10-10型少油斷路器。6 kV高壓開關柜設備已投運多年，柜內設備老化嚴重，斷路器開斷容量已達不到額定值，五防機構有些損壞不能修復，存在一定安全隱患，而且油斷路器和互感器存在一定的滲油，維護工作量大。

本電站為戶外35 kV變電所，原斷路器采用DW-35多油斷路器，隔離開關采用GW5-35/630手動型，設備老化嚴重，操作故障率高，維護工作較為頻繁，另避雷設備和絕緣子已經嚴重老化，危及線路的安全運行。

2.5.3 低壓配電系統設備

原廠用配電主屏采用BSL-1型低壓配電柜，主進線開關為老式DW空氣開關，饋線回路為熔斷器保護，元器件老化嚴重，敞開式屏柜，易受到灰塵和潮氣的影響而降低絕緣水平，柜體防護等級低，不利于安全生產。其余配電分屏均采用XL（F）-21配電箱，饋線均采用熔斷器保護，動力柜的電氣元件也已經嚴重老化，無法滿足回路正常工作要求，經常發生誤跳,而且饋線回路采用熔斷器在實際應用中操作繁瑣。

2.6 繼電保護系統

電站保護為分體獨立繼電器型，設備故障率高，保護配置不滿足現行規范要求，現在繼電保護系統更新換代，原系統檢修困難，不能滿足電站自動化要求。

2.7 集中控制系統

中央控制臺采用JTL-5-1,公用屏、順控屏型號為PK-2型，采用繼電器型自動化設備，設備老化嚴重，故障率較高，運行單位于2005年10月對原有控制系統進行改造，在保留原設備的基礎上，增加了微機監視系統，但由于老設備接口及驅動問題，微機系統只監視，沒有控制功能，運行人員工作強度較大。

3 水電站自動化系統改造的必要性

從獅象潭水電站設備運行情況可以看出，該電站存在機電設備運行工況差、設備故障率高、設備老化嚴重（許多設備屬國家公布的淘汰機電產品目錄中的設備）、設備效率低下、自動化程度低等不良現狀，已經嚴重影響電站的安全運行。

為了提高電站運行的安全性、可靠性，增加機組出力，提高自動化程度，實現微機監控，確保環保、低能耗、高質量電能，有必要對電站進行全面的增效擴容自動化系統改造。在提升水力資源利用效能的同時，提高設備效率，保證電站機電設備安全穩定運行，提高運行管理水平。

4 水電站增效擴容自動化系統改造應用

4.1 為使水電站自動化系統能可靠控制操作，結合增效擴容對一些主設備進行更換

（1）將原水輪機型號為HL240-WJ-71更換為HLJF3635D-WJ-73水輪機；（2）將原發電機SFW800-10/1430更換為SFW1000-10/1430發電機；（3）將現有的主變型號為SL9-3150/35更換為S11-4000/35型變壓器作為本電站的升壓變壓器。（4）更換廠用變壓器、6 kV高壓開關柜及35 kV開關設備：原有的老式SL7型高損耗的1#廠用變壓器更換為新型的SC11型干式變壓器,近區電源的2#主變采用戶外S11的低損耗戶外油浸變壓器;將6 kV高壓開關柜改為XGN2-12型的固定式金屬封閉開關柜，內置真空斷路器，運行和檢修維護方便快速，滿足供電安全和可靠性；原有戶外35 kV斷路器是DW6型多油斷路器，更換為無油型的戶外真空斷路器，方便運行維護；原有的35 kV戶外避雷器更換為放電特性較好的氧化鋅避雷器；同時重新核對擴容后電氣設備和導線的技術參數，將原有鋁心電纜改為損耗較小的銅芯電纜，電流、電壓互感器和母線設備根據二次繼電保護、測量及計量的要求重新技術選型配置，以保證整個電站的可靠運行。

4.2 調速控制系統改造

獅象潭水電站1#、2#、3#機組調速器為機械液壓式，已使用30余年，調速器的自動化程度低，開停機、負荷調節不適應電站自動控制及電網調度的需要。為確保增效擴容改造后機組的運行安全，經計算每臺機組配一臺GYWT-600微機型調速器，額定工作油壓16.0 MPa。該調速器為電氣柜、機械柜、油壓裝置三位一體組合式結構。具有保證機組在空載、孤網及并網運行工況下穩定運行，自動開停機、增減負荷及帶負荷，并網后能根據永態差轉率與頻差自動調整出力，能采集并顯示機頻、網頻、接力器開度、手動、自動等主要參數及運行狀態，電氣故障時能自動地切換為手動工況，并發出故障報警信號等功能。

4.3 對發電機勵磁系統的改造

為改變原發電機采用同軸的勵磁方式、受勵磁機整流環和炭刷影響、經常發生整流環燒壞的現象，經過水輪機機型的選型后，選用與之配套的型號為SFW1000-10/1430發電機及與其配套的微機靜止可控硅勵磁裝置，實現勵磁頂值電壓倍數不低于1.8倍，勵磁響應時間不大于0.08 s，自動勵磁調節器保證發電機機端調壓精度優于0.5%，且能在空載電壓70%～110%額定值范圍內穩定、平滑的調節。

4.4 控制系統改造

原水電站的自動化控制元件都采用傳統電磁式繼電器和集控臺控制電站的發電運行，經過多年的運行，屏柜及繼電器老化、控制線路繁多，可靠性低，自動化水平低，很多二次保護控制元件已退出工作，已不適合現在新型的微機型輔機設備技術的要求，也不適用現代發電企業的管理，在本次增效擴容自動化系統改造中，整個電站的設備控制方式采用計算機監控系統，達到“無人值班（少人值守）”的自動化要求。全廠計算機監控系統采用分層分布式網絡結構，由主控級計算機層和現地控制單元層組成，主控級計算機層設工作站兩套，雙機熱備用，并配置一套通訊服務器，能實現與上級調度部門數據通訊及對外通訊功能，同時設有打印機、顯示器、操作鍵盤等設備。操作員工作站、通訊服務器及各機組LCU和公用LCU、打印機等單元通過網絡交換機組成100 M光纖以太網。

現地控制單元層為現地機組LCU單元和公用LCU單元，采用可靠的高性能的PLC及觸摸屏。全廠共設置機組LCU三套，完成數據的采集及數據預處理功能，具備機組的自動開停機、勵磁、調速器控制、同期并網、機組狀態及參數的監視等功能；開關站及公用設備LCU單元一套，完成對公用設備、直流系統、電能裝置和開關站設備的測量通訊、控制及監視。主控級實現全站設備的遠方控制和操作，并顯示和記錄全廠設備的信號系統，完成對全站設備的監控、顯示、巡檢，數據的處理和打印等功能，現地控制單元正常情況下與主控級機聯網運行，實現集中控制，也可離線就地實現控制和調節機組運行任務。

機組的自動化元件是機組實現自動控制和安全運行的基礎[1]，要求其反應準確靈敏、動作可靠、性能穩定。整個電站的自動化元件均重新更換為智能式的新型自動化元件；為保證計算機監控系統的可靠運行，系統工作電源均采用交直流雙電源供電方式，其中上位機系統采用在線式UPS，UPS的直流電源由電站的220 V直流系統提供。

由于監控裝置采用了液晶顯示器、人機界面操作方便，能夠隨時跟蹤設備的運行狀況，監控系統具有通訊接口，完善靈活的分析軟件，便于事故的分析，提高了整個電站的發電運行的技術水平，也可以根據系統的AGC、AVC功能提高整個電站的水能利用效率。見圖1。

圖1 永定獅象潭水電站增效擴容工程計算機控制系統框圖

4.5 繼電保護及二次接線改造

原有電站發電機組、變壓器和線路的保護裝置是采用傳統電磁式繼電器保護形式，元件老化嚴重，部分繼電器觸點燒結嚴重，整個保護、測量二次接線復雜。在此次的增效擴容改造中，電氣設備的二次保護采用微機型保護和安全自動裝置，微機型裝置集成緊湊，高性能的CPU，數據處理能力強，可靠性高、運行速度快。同時測量的精度也提高，分別設置發電機保護屏、變壓器保護屏以及線路保護屏。

4.6 直流系統改造及其它設備改造

本電站原有的直流系統電源技術落后，電池老化，經常出現接地故障，此次改造中，為保證電站的計算機監控系統和微機保護裝置工作電源可靠，重新配置直流系統[2]，設置一套100 AH220 V的微機自控高頻開關電源直流系統，選用18只單體12 V的成套免維護鉛酸蓄電池，高頻模塊采用智能型，按N+1原則設置，并配置蓄電池智能監測和微機型絕緣監測模塊。所有數據就地處理，通過RS485通信接口與上位機系統通訊。直流系統作為斷路器、機組自動化、繼電保護等設備的操作電源及自動化元件的工作電源和事故照明電源。

5 結語

永定獅象潭水電站通過更換水輪發電機組、變壓器等主設備，將電站原來的自動化元件更換為智能式的新型自動化元件，整個電站的設備控制采用了計算機監控系統，徹底改變電站原來存在的水資源浪費大、設備老化嚴重、效率低下、機電設備運行工況差、故障率高、自動化程度低等問題。電站裝機容量由3×800 kW增大到3×1000 kW，水量利用率將由原來的67.91%提高至72.1%，設計年發電量由原來的1339萬kW·h增加到1610萬kW·h。在提升水力資源利用效能的同時，提高設備效率及電站自動化控制水平，電站實現了“無人值班（少人值守）”的目標。