吴明亮
陕西汉江投资开发有限公司蜀河水力发电厂 725000
［摘要］ 蜀河水电厂自2009年安装投产以来，调速器水头运行方式为手动运行，机组运行的实际水头与人工设定水头存在误差，不能反映实时水头情况。机组运行中人工设定水头值与实际水头偏差过大影响机组调节性能，调速器未能发挥最大的潜能，运行检修人员工作量增大，不能实现机组“少人值守”的目的。论文从调速器自动水头采集的方案论证，水头信号的采集、传输、处理，项目实施效果等方面进行了论证。
［关键词］调速器；监控下位机；数据采集；自动水头；效益
0 引言
对于水电厂而言，机组运行水头信号具有非常重要意义，水头为水轮机运行的重要技术参数。水头参数直接关系到机组的出力范围计算、机组振动区切换、PID调节参数切换、调速器空载开度计算等。蜀河电厂在实际运行过程中采用人工设定水头值，运行值班人员需根据水库水位的变化情况通知检修维护班组在168M调速器触摸屏手动修改机组调速器水头值。我厂为灯泡贯流式机组，库容小，机组台数多，汛期电站水头变化幅度较大，机组启停及负荷调整频繁，实时修改水头值往往需要安排专人值班，若人工水头修改不及时或修改错误，会造成水头设定值与实际水头值偏差过大影响机组调节性能，调速器不能及时按照设计的最优协联关系对导叶和桨叶进行协联调节，从而使机组运行中偏离最优工况运行，甚至会引起调速器抽动、压油泵启动频繁等情况，严重时会使机组逼迫退出运行。因此，机组自动水头的实现对机组安全、经济运行具有重要意义。
1 改造前设备现状概述
蜀河水电站位于汉江上游陕西省旬阳县蜀河镇附近的汉江干流上，是汉江上游梯级开发规划中第六个梯级电站，距上游已建成的安康水电站约120km，正在建设的旬阳水电站55km，距下游已建成的丹江口水库约200km。工程的主要任务是发电，并兼顾航运、旅游和养殖等。工程规模属Ⅱ等大（2）型，按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核，相应洪峰流量分别为30000m3/s和38100m3/s。蜀河坝址以上流域面积49400km2，坝址处多年平均流量732m3/s，水库库容1.76亿m3，正常蓄水位217.3m，死水位215m，排沙运行水位212m，装机容量270MW，保证出力57.4MW，年平均发电量9.53亿kW·h，年利用小时3530h。
蜀河水力发电厂安装6台机组灯泡贯流式水轮发电机组，单机额定功率为45MW，最大水头26.30m，额定水头19.60m，最小水头为10.5m。我厂六台机组投产运行已经近10年之久，由于建设期的原因，机组水头测量表管堵塞，各台机组水头显示误差大，或者无法正常显示，另外原调速器采用某公司PFWST-150-6.3比例伺服阀微机调速器，缺少模拟量输入通道，无法实现自动水头功能，运行水头信号主要采取现地人工手动修改的方式设置调速器水头值。
2 自动水头采集实施方案的确定
2.1方案一
由于建设期的原因，机组水头测量表管堵塞，各台机组水头显示误差大，或者无法正常显示，PFWST-150-6.3比例伺服阀微机调速器，缺少模拟量输入通道，无法实现自动水头功能，可以考虑在库区上下游各加装一套液位测量装置，将液位信号引至坝面，然后经过运算处理装置处理后以模拟量或者数字量送至168m每台机组调速器电调柜，同时对调速器增加模拟量或者数字量信号接受端口。
2.2方案二
共享水工专业的水情测报数据。将水工专业保护室PLC水力测量柜内的上游水位、下游水位、各机组栏污栅后水位、栏污栅前后水位差信号经过PLC水力测量服务器计算得到的6台机组净水头信号，送至公用LCU，经公用LCU网络交换机和监控系统网络交换机的通信，将机组净水头信号传送至各机组LCU,然后以模拟量或者数字量与调速器通信，实现水头自动功能。
2.3方案比较
方案一采集系统独立，对其他系统依赖和影响小，但是库区上下游各加装一套液位测量装置作业风险大，信号传递需要电缆，信号处理装置，需要调速器厂家配合增加设备，完成6台机组自动水头加装需要增加费用约30万元。
方案二充分利用现有资源，采集信号准确可靠，不需要另外增设电缆、传感器、服务器等设备，结合监控下位机及调速器改造，增加少量信号采集传输模块就可以实现水头采集的实时自动功能，节省费用，系统简单可靠，方案切实可行。
3 水头信号自动采集方案的实施
3.1 水头信号的采集
蜀河电厂水头信号取自保护室PLC水力测量装置。蜀河水电厂配备八个水位计，分别为一个上游水位计、一个下游水位计和六个拦污栅后水位计。每个水位采集点配有水位井，符合浮子式水位计安装条件。可在中控室PLC水力测量屏显示所有水位计数据，并且将水位及压差数据以4~20mA的方式输出。每个水位数据采集点都可以查看八个水位数据。
蜀河水电站水位监测系统由保护室的水位数据处理装置、上下游水位井的水位数据发送装置、绝对式浮子水位计、拦污栅后水位井的水位数据发送装置、绝对式水位计以及水调的双色LED水位显示屏构成。中控室的水位数据处理装置与各个水位井的水位数据发送装置采用点对点连接方式，通讯协议采用双音频方式，通讯电缆采用带屏蔽超五类双绞线。采用双音频通讯的原因在于双音频通讯端口带有隔离变压器，隔离变压器抑制环境中的高频干扰，提高了系统的稳定性。双音频通讯也是RS485、RS232等一些串行通讯中传输距离最远抗干扰能力最强的一个。双音频通讯方式的可靠性和低故障率特性是十分优秀的。
八个水位数据采集点通过各自的双音频数据通信电缆，将水位数据发送到数据处理装置中，数据处理装置在作出相应的处理后，将这八个水位数据再反送到各个数据发送装置中。因此在这个水位系统中，用户可以在任意一个水位采集点，获取到所有水位采集点的水位数据信息。中控室的水位数据处理装置通过以太网向双色LED水位显示屏以及在同一网络的计算机发布水位数据信息。
网路拓扑图如下:
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网路拓扑图说明：
中控室（保护室）安装220cm*80cm*60cm盘柜一个，柜中安装西门子PLC控制设备一套，千兆交换机一台，8个单模光纤收发器和服务器一台。PLC通过8根2芯音频通讯线缆与就地水位计相连接， 8条光纤一端通过光纤收发器与千兆交换机相连，另一端通过光纤收发器与8寸屏幕相连。服务器和PLC通过网线连接交换机，共同组成一个局域网。光纤交换机根据需要可以接入现有电厂网络。
3.2水头信号的传递
水位测量系统在采集水位信号为：上游水位两个采集方式，一个上游遥测站监测，一个是实时监控系统，下游侧一个实时监控系统，提高数据的可靠性，水位测量系统显示上游水位、下游水位、各机组栏污栅后水位、栏污栅前后水位差，从而水位测报系统内部程序计算出机组运行的毛水头及各机组运行的净水头信息。由于调速器只需要净水头信号，因此将6台机组的净水头4~20mA信号送至保护室的公用LCU，可以在公用LCU显示，经公用LCU网络交换机和监控系统网络交换机的通信，通过原有的监控上、下位机之间的通信线缆，将机组净水头信号以数字信号传送至各机组LCU,结合监控下位机改造项目，增加AO模块，然后以模拟量或者数字量将水头信号下发至改造后的CVZT-150-6.3型全容错直接数字控制式水轮机调速器通信，实现水头自动功能。
3.3水头信号的处理
水头信号监控下位机通过模拟量或者数字量输出，通过硬接线方式或者通信电缆将4-20mA或者数字量信号送至调速器电调柜，调速器接收水头模拟量信号或者数字量信号换算出机组运行水头值，并且可以在触摸屏显示，不同的水头对于不同的协联曲线。调速器系统具备自动水头运行模式和人工设置运行两种水头运行模式，调速器根据我厂机组设计水头值范围（10.5米-26.3米），对调速器进行水头上下限设定。自动水头运行模式下，调速器接收到监控LCU的水头信号后，调速系统PLC程序可以判断自动水头采集水头值的正确性，满足所设定的水头范围，调速器根据水头的变化自动调整导桨叶的协联关系,机组以最优状况运行，若采集值超出调速器水头设定范围，则以语音及报文形式报出水头故障信号，水头手、自动信号至监控系统上位机，并且自动切换人工水头模式为手动工作模式，水头信号值保持为自动水头故障前采集的合理范围的数值，保证机组安全正常运行，运行值班人员可以根据实际的水头信号在手动方式设定水头信号。为了保证水头信号的连续、可靠，同时又减轻调速器PLC的负荷率，避免不必要的扫描刷新数据，自动水头信号根据实际情况大约5至10分钟刷新数据一次，刷新数据周期可以方便地在调速器电调柜触摸屏上设定。
4 应用效果
蜀河水力发电厂结合调速器及监控下位机的改造，在未增加设备改造费用的情况下，实现了2、5号机组调速器自动水头功能，目前自动水头采集功能完善、准确可靠，进一步提高了全厂的自动化控制水平，解决了人工修改水头的琐碎工作，避免了人工操作可能造成的误操作事故，为实现机组运行“少人值守”做出了重要贡献。自动水头模式下，机组运行中导、桨叶的开度协联关系随水头的变化随时调整，耗水率明显减小，实现了节能的目的，自动水头下运行也提高调速器性能和机组一次调频效果，我厂其他机组将随着监控下位机及调速器改造项目的进行实现自动水头采集功能。此次改造的成果值得其他贯流式机组借鉴。
吴明亮(1992年2月） 性别：男 民族：汉 籍贯：河南省南阳市淅川县金河镇
职务：水电自动装置检修工 学位：学士 学历：本科 研究方向：水电自动化