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摘要：本文介绍了水轮发电机组应用PLC的优势，阐述了水轮发电机组的系统组成与电气控制的基本任务，分析了PLC在水轮发电机组电气控制中的主要应用。
关键词：PLC；电气控制；水轮发电机组；应用
引言
我国拥有丰富的水电资源，发展水电是我国解决电力需求的一种重要方式。但是水电机组受到电网调频、调峰、事故备用及汛期、非汛期等影响，对自动控制的要求不同于汽轮发电机组[1，2]。一般来说，水轮发电机组的电气控制可以采用继电器控制、单片机控制和PLC控制等方式。继电器控制是传统方式，占用面积大，检修调试繁琐，复杂控制功能不易实现；单片机抗干扰能力差，可靠性不佳，维护调试难度高；PLC对环境要求低，可靠性高，现场维护简便。故此，PLC在大中小水轮发电机组中得到广泛应用。PLC是可编程控制器（Programmable Controller，PC）的习惯称法，因曾作为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）而得名，具有逻辑控制、定时控制、计数控制、步进控制、数据处理、过程控制、通信联网、监控、故障诊断、停电记忆等多种功能，所以非常适合水电机组现场控制。
1 水轮发电机组系统组成与电气控制任务
1.1 水轮发电机组系统组成
水轮发电机组是水轮机、发电机及其辅助设备的统称。辅助设备包括调速器、励磁装置、同期装置及油、气、水系统等。按照电气控制内容分为励磁系统、调速器、同期装置、技术供水系统、油压控制系统、水轮机进水口阀门控制系统、高低压气机控制系统、排水控制系统及温度、速度监控系统等。
1.2 水轮发电机组电气控制任务
水轮发电机组电气控制的基本任务是为机组按照一定程序启动、运行、停止操作提供控制、监视及保护功能。现代水电生产是在计算机技术和自动化技术飞速发展条件下进行的，所以水轮发电机组电气控制要实现机组调控和单机生产流程的自动化，并与水电站其他控制设备联网通信，实现全厂综合自动化和智能化。由于机组自动化是全厂综合自动化的基础，除了要简单、可靠、便于维护操控以外，还应具备与电站主控计算机之间进行通信的接口，如主控计算机一个操作指令便能让机组可靠地完成开停机操作，并自动调节功率因素；出现故障时，能够迅速、准确地做出诊断并给出正确的选择，如向运行人员指明故障部位与性质、自动将事故机组由系统中解列等；还能根据运行需要，合理调节并列运行机组之间的负荷分配等任务。
2 PLC在水轮发电机组电气控制中的应用
2.1 开机控制
开机是水轮发电机组操作过程中的一个重要环节，关系到机组与辅助设备之间的配合乃至能否顺利并网发电。开机模式有空载发电、空转发电及空转转空载发电三种方式，必须满足开机的所有条件，才能开启总进水阀。开机条件包括机组无故障、制动系统无压力、发电机出口断路器在跳闸状态、接力器锁定已拔出。PLC要对开机条件逐一检查，全部条件满足后进行下一步操作。检查进水碟阀状态并开启。接着再启动调速器，然后判断发电机转速。转速 为空转状态，此时可投入灭磁开关并起励建压。当电压 时为空载状态，PLC检查同期开关位置，符合要求后投入同期装置。机端电压、频率满足并网条件后，合上发电机出口断路器并网发电。开机流程中动作之间设置一定延时，在规定时间内如果检测到该动作没有顺利完成，则取消下一个动作并报警，例如检测不到断路器合闸信号，就取消本次开机。
2.2 停机控制
停机是开机的逆操作，机组卸掉负荷后，先跳开发电机出口断路器，于是机组与系统解列。PLC检测跳闸成功后，再跳开灭磁开关，接着调速器减速。发电机转速 开始制动。转速 时关闭水轮机进口蝶阀。蝶阀完全关闭后解除制动，以为下一次开机准备。制动方式有机械制动和电气制动两种。机械制动比较简单，但是制动器容易磨损，而且更换制动块比较困难，如果风闸卡死还需人工复位。电气制动是机组解列后，发电机转速降至 时，合上电制动短路开关，使定子绕组出口三相对称短路，励磁调节器在转子中注入相当于额定短路电流的0.8～1.3倍的励磁电流，利用电磁阻转矩进行制动。与机械制动相比，电气制动时间短、制动力矩大，但系统接线比较复杂，采用传统控制方式较难实现，运用PLC控制则较易实现。投入电气制动必须满足一定的条件，例如机组无故障、出口断路器断开、励磁调节器AVR正常且处于等待状态、定子电压小于5%、转速 等。当机组速度降至 时，退出电气制动。
2.3 紧急停机控制
当机组出现故障或事故，如轴承温度过高、调速器油压不足、风机故障及其他电气故障等，都需要立即启动紧急停机程序。为避免事故扩大，紧急停机程序简化操作，停机速度较快。一般直接跳开发电机出口断路器、灭磁开关及关闭导水叶片，而不经过卸荷过程。遇到机组飞逸或事故停机时，可能出现剪断销断的情况，应立即投入紧急停机程序。
2.4 机组温度监控
水轮发电机组轴承、定子、轴瓦油槽、水冷却器、润滑油箱等部位都设有温度监控点，利用PLC构成现地控制单元（LCU）。LCU可脱离电站主控计算机独立地承担温度监控和保护功能，这对提高机组运行的安全性有很大帮助。如果温度偏高，PLC发出报警信号；若温度过高时，PLC可以发出事故停机令，立即启动紧急停机程序。测温系统由测温元件、温度数字显示仪表和温度巡检仪等组成。每台机组的PLC通过测温系统实时采集测温点信息，包括模拟量和开关量，然后在PLC内转换成数字量，PLC根据设定的温度限进行比较，以判断是否越限，如果越限就采取相应的措施。同时，PLC通过通讯接口将上述信息实时传给上位机。
2.5 励磁系统控制
励磁系统是水轮发电机组中非常重要的部分，对发电运行工况的稳定性、可靠性和效率有决定性的影响，一般由励磁功率单元和励磁调节器组成。励磁调节器也称为励磁监测系统，主要用于监控励磁系统的各项参数并自动调节功率单元输出的励磁电流，图1为某励磁调节器构造原理图。从图中可以看到该励磁调节器由变送单元、PLC控制器、移相触发单元及脉冲放大单元、电源系统等组成，其中PLC控制器是励磁调节器的核心单元，其主要作用在于能将采集到模拟信号（如发电机端电压、有功功率、无功功率、励磁电流）转换成数字信号，再将控制参数转换为模拟量，以实现对电压及有功/无功功率分配的控制，并通过通信接口与上位机联系，共同组成监控系统。励磁方式可选择恒压或恒流模式，通过触摸屏实现无扰动切换，一般以恒压模式运行，遇到故障或特殊需要可切换为恒流模式。总之，PLC的应用提高了励磁系统的稳定性和自动化水平。
3 结语
水轮发电机组是水电站的核心设备，PLC的应用对提高机组运行稳定性、增强自动控制能力起着非常关键的作用。随着计算机技术与自动化技术的广泛应用，PLC必然在水力发电中发挥更突出的作用，使清洁廉价的水电为社会经济发展带来更多的效益。
参考文献：
[1]丁爱飞，安宁，王海军.水轮发电机组电气制动系统的分析与应用[J].水电自动化与大坝监测，2014，38（1）：27-30.
[2]陈国志.PLC在水轮发电机自动控制系统中的应用[J].云南水力发电，2012，28（5）：89-90，104.
论文作者:赖汝宝
论文发表刊物:《基层建设》2015年22期供稿
论文发表时间:2016/3/14
标签：机组论文; 水轮论文; 励磁论文; 调速器论文; 系统论文; 发电机论文; 调节器论文; 《基层建设》2015年22期供稿论文;