一、系统概述

　　低压机组一体化自动化控制屏是专门为《少人值守或无人值守，提高水电站低压机组发电量自动化程度》而设计的。PLC-1低压机组自动化屏是按一体化、集成化、标准化设计。集微机励磁、准同期、微机调速、机组控制、水位监控、保护、测量信号、计量、温度测量、断路器等一、二次设备为一体，经过功能的组合和优化设计，利用现代的计算机技术，电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对发电的主要设备自动化监视、测量、控制及保护等功能和任务,实现一、二次设备一机一柜。

　　PLC-1低压机组自动化柜将水轮机手/自动电动调速、发电机手/自动励磁、手/自动同期并网、发电机综合保护、电机二次测量回路及顺控操作等功能模块集成在本柜上。用户只需要保留电站原有的开关柜上的断路器，配合本产品即可方便的实现电站的自动化管理。系统投入运行后，可达到少人值守或无人值守。一台机组配置一面屏柜，简单、方便、集成度高。该产品主要用于额定电压400V、单机容量1000KW及以下的水轮发电机组。

　　本系统主要硬件采用可编程微机控制器和触摸屏（HMI）组成、软件采用模块化、结构化设计，既便于设备的扩充，又利于功能的增加和系统扩大规模。

　　本系统包含下列功能配置：

　　●根据前池（大坝）水位高低整定值控制开机、停机、水轮发电机输出功率；

　　●自动开机、自动停机；

　　●事故停机；

　　●自动调频、调功；

　　●自动增励、减励；

　　●自动同期并网；

　　●发电机保护功能（过电流、过负荷、过电压、低电压、过速、低频等）

　　●发电机测量功能（三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、频率、COSφ、有功电度、无功电度、发电机温度等）；

　　●保留常规手动操作及常规仪表；

　　●一台微机综合自动控制屏配上计算机，可组成网络，完成电站的集中管理、集中控制、数据记录、查询打印等，多个水电站可组成集中调度中心远距离控制与调度，实现无人值守或少值守；

　　二、系统应用组成方式

　　新建或改造水电站购一台以上水电站低压机组一体化自动控制屏再配一台电脑，即可组成一个网络，达到了无人值守或少人值守目的，此计算机可放在水电站生活区，也可通过MODEM远传至集控制中心进行遥测、遥信与遥控，实现多个水电站的远程监视控制。

　　可实现根据水位自动开/停机，快速自动并网,按水位自动调整负荷，事故自动仃机的机组自动化控制,达到水电站的无人值守（少人值班）。

　　三、系统配置

　　3.1 400V低压一次设备

　　●主电路的隔离刀闸：采用HD13BX系列的闸刀开关。

　　●断路器：采用DW15系列断路器，热电磁式，垂直安装。

　　●电流互感器：采用LMZJ-0.66型，测量保护CT三只，励磁调差回路用CT一只。

　　●测量表计：配备常规测量仪表测量发电机电压、发电机电流、频率、功率因素、有功功率、电网电压，电网频率等电气参数。

　　●计量表计：三相四线电子式多功能数字电能表, 并具有RS485通讯功能。

　　备注：一次设备具体选型视机组容量而定。

　　3.2自动化控制：

　　可编程控制器（PLC）采用24入16出、4路模拟量输入、2路模拟量输出及7〃（HMI）智能触摸屏。

　　3.3 测量显示仪表

　　常归仪表显示发电机机端电压、电流、功率因数、频率、系统电压、系统频率、励磁电流，其他电量在智能装置液晶显示器内查看。

　　3.4 同期系统

　　系统采用微机自动准同期和一套常规手动同期，微机自动准同期，具有同期精确、快捷方便的特点。

　　自动准同器具体参数：

　　●发电机输入电压：0V～400V/100V;电网输入电压：0V～400V/100V;

　　●同期合闸输出开关信号，以继电器方式输出，接点容量为交流阻性220V/5A；交流阻性380V/2A；直流阻性110V/0.8A；直流阻性220V/0.2A。

　　3.4 微机励磁装置系统

　　●励磁系统的型式

　　励磁系统采用QR型微机励磁双通道3相全控桥静止可控硅整流励磁装置,或采用无刷励磁调节器。

　　3.5传感器

　　四、主要功能与参数

　　2.3.2 水电站低压机组自动化控制装置的功能

　　本系统所有自动控制、保护等功能均由水电站低压机组自动化控制装置完成，各种功能如下：

　　1）、自动开机及自动调速功能：用户按开机按键或在上位机发开机指令后，系统将自动开机。或用户选择在恒水控制，水位高于设定开机水位时，系统将自动开机。

　　2）、自动启励功能：当水轮机的转速达到一定转速时，装置将发出启励指令，启动励磁让发电机建压。

　　3）、自动准同期功能：当水轮发电机组的频差、压差及相差合格后，系统自动同期合闸。

　　4）、自动有功调功功能：系统根据用户要求自动调节发电机有功功率至整定值。或用户选择在恒水控制时，系统根据水位自动调整负荷，保证机组高效率出力。

　　5）、自动无功调功功能：系统自动调节励磁，使无功达到用户要求。

　　6）、温度检测功能：本装置具有八路温度巡检功能，它能实时检测到八路温度值。

　　7）、转速飞逸保护功能：当电网中突甩负荷，系统将输出飞逸保护。

　　8）、电流速断保护功能：当发电机电流超过短路保护电流整定值时，本装置将保护动作。

　　9）、过电流保护：当发电机电流超过过电流整定值时，启动延时程序，延时到后，发电机电流仍然过电流，系统将启动保护。

　　10）、低压保护：当发电机任两相电压小于低压保护整定值时，启动延时程序，延时到后，发电机电压仍然小于低压保护整定电压，系统将启动保护。

　　11）、过压保护：当发电机任两相电压大于过压保护整定值时，启动延时程序，延时到后，发电机电压仍然大于过压保护整定值，系统将启动保护。

　　12）、低周保护：当发电机频率小于低周保护整定值时，启动延时程序，延时到后，发电机频率仍然小于低周保护整定值，系统将启动保护。

　　13）、过频保护：当发电机频率大于过频保护整定值时，启动延时程序，延时到后，发电机频率仍然大于过频保护整定值，系统将启动保护。

　　14）、自动停机功能：当装置接收到停机键或上位机发出的停机指令后，系统将自动停机。

　　15）、通讯功能：本装置具有RS-485通讯接口，它能将水轮发电机的各种运行状态及各开关位置等数据上传给上位机，并接收上位机对装置各项操作及整定值的修改等。

　　3.5 无刷微机励磁控制装置

　　微机励磁调节器适合于三相四线制,电压为400/230伏,频率50HZ的低压无刷励磁同步发电机的励磁调节,

　　能满足发电机单机、并网等方式的运行要求。它也适用于直流励磁机方式的低压同步发电机的励磁调节。微机励磁调节器结构简单，调节灵敏且稳定

　　主要功能

　　⑴节器可当数字频率表或电压表使用。

　　⑵开机电压自动给定，机组停机过程按

　　频减压，当频率低于46HZ时进入低频工作状态（“低频”灯亮），并在35HZ时自动灭磁（“灭磁”灯亮）。防止转子过流。

　　⑶本机甩负荷过压保护：断路器跳闸时，电压自动调整为380V。防止本机过压。同时由于跳闸后，发电机仍然有电压，所以保护机构可以动作，如：关水机，防止飞逸等

　　a)    技术参数

　　调压范围：70V～490V

　　调压精度：优于0.5％

　　调差：约＋8％

　　频率特性：频率每变化1％，发电机端电压变化小于额定值的±0.1％。

　　零起升压：超调量小于10％～15％，调节时间3～5秒，振荡次数3～5次。

　　10℅阶跃响应：超调量小于5％，振荡次数1次，调节时间小于5秒。

　　甩额定无功负荷：超调量小于15％Ue，振荡次数小于3次，调节时间小于5秒。

　　电压整定值变化速度：（0.3％~1％）/ 秒。

　　电参数显示精度：1V。

　　强励参数：机端电压下降时，自动进入强励。

　　可控硅控制角分辨率：0.036度。

　　2.5手动调节装置

　　增功、减功按钮各一只；开机、停机按钮各一只；DW15型空气开关储能按钮分闸、合闸各一只； 闸门控制按钮一只。

　　2.6出口继电器

　　出口继电器用来自动控制DW15型空气开关的跳闸与合闸、增功、减功、增励、减励、同期出口及保护出口等均是用出口继电器。控制器对出口继电器的控制信号均经过光电隔离；

　　2.8系统功能

　　2.8.1功能介绍

　　QR系列水电站低压机组一体自动化控制屏具有一键（水位控制）自动开/停机、调速/调功、励磁调节、自动准同期、温度检测、机组飞逸保护、电流速断保护、过压保护、失磁保护、485通讯等功能。

　　1） 自动开机、停机

　　合上主闸刀开关，选择“开机”（就地或远控），在电手动调节器构成的调速系统中，水电站低压机组自动化装置将水轮发电机机调节至空载状态，启励后，再调节励磁，使发电机电压逐渐升高，完成自动开机过程。在液压调速器构成的调速系统中，水电站低压机组自动化装置发出开机令给调速器后，调速器将水轮发电机调节至空载，起励后，再调节励磁，使发电机电压逐渐升高，完成自动开机过程。选择“停机”（就地或远控），水电站低压机组自动化装置接受到停机命令后，将开度逐渐关小，减少励磁电流，当减至空载时，水电站低压机组自动化装置发出跳闸指令，分开断路器，然后继续减小至关闭。

　　2） 自动同期

　　当发电机电压升至350V，频率高于48HZ后，水电站低压机组自动化装置开始调频、调压，根据水轮机的运行状况，发出增减信号，使发电机的频率与电压接近系统的频率与电压，当频率小于0.5HZ相角小于10度，电压差小于15V时，水电站低压机组自动化装置发出合闸指令，断路器合闸，机组与电网准同期并网。

　　3） 自动调功

　　机组准同期并网后，水电站低压机组自动化装置自动调节输出功率，可以根据机组容量满负载发电，也根据设定的功率大小，自动调节输出功率在设定值上。

　　4） 事故停机

　　在事故发生时，水电站低压机组自动化装置发出警报音响，并发出跳闸命令，使断路器跳闸，同时快速减少开度，若出现机组超速，控制器将投放水阻或使折向器动作，从而迅速降低转速。

　　5） 测量

　　水电站低压机组自动化装置有自动测量功能，在装置显示屏上，可以显示电压、电流、有功功率、无功功率、发电机组温度（八路测温探头输入）等。

　　6）运行方式

　　有功的调节是根据用户整定的功率值，装置自动调节水轮机导叶行程，使功率稳定在整定值，当水位下降到一定的时候，发电机的功率也要跟着下降，这时系统将要开大导叶行程，当导叶行程到达上限后，导叶行程还在开大，系统将输出报警信号，若水位仍然处于下降状态，发电机的功率随着下降到30KW以下时，系统将启动保护，分开断路器；并且迅速关小水轮机的开度，作停机处理。

　　7） 手动控制功能

　　手动开机、手动停机

　　手动起励、灭磁

　　手动同期

　　手动增功、减功

　　常规测量仪表

　　8） 组网功能

　　微机控制器有一个RS485通讯口，与后台机相连，亦可以多台机组同时联接，组成一个现地控制网络。

　　在后台机上，可以远距离操作与控制各台水轮发电机组；实时显示各机组的运行状况；将各台机组发电的电气量组成表格，打印数据；绘制运行参数的负荷曲线；事故记录及打印；历史数据召唤；电量的累加计算与统计等功能。

　　9） 远方调度功能

　　后台监控计算机通过网络与各级调度中心相连，实现远程调度将水电站的各种参数（测量，机组运行状况，保护的动作情况，开关的分闸、合闸）传至调度中心，同时可以接受远方调度的各种控制。

　　10）发电机保护功能

　　速断保护：5~50A，延时0S，保护出口动作并跳闸。

　　定时过流保护：0.5~10A，延时可设置在0~3S，保护动作并跳闸。

　　过电压保护：电压可设置在0~560V，延时0~3S，保护动作并跳闸。

　　低电压保护：电压低于0.7倍额定值，延时0~3S，保护动作并跳闸。

　　过速（超频）保护：频率超过140Ne%，延时0S，保护动作并跳闸。

　　失磁保护：励磁电压消失或励磁电压开关断开时，延时0S，保护动作并跳闸。

　　以上各种保护定值及动作延时均可由用户自行设定。

　　2.2.2 励磁部分

　　励磁部分有功率单元和励磁调节器（电源、测量同步变压器单元、自动高速单元、数字给定单元）两大部分组成，其中励磁调节器还包含跟踪单元及过压检测等辅助单元。励磁电源从发电机出口端取A相电源，向发电机转子提供一个自动/手动调节的励磁电源，实现自并激励磁。

　　四、系统性能

　　4.1 控制性能

　　1）人机接口响应时间 ≤0.1S

　　2) 动态数据刷新时间 ≤1S

　　3）实时数据库更新时间 ≤1S

　　4）控制命令响应时间<1S

　　5) 控制有功功率执行周期<3S

　　4.2 系统可靠性

　　1）平均故障间隔时间（MTBF） >20000小时

　　2）平均维护时间（MTTR）<30分钟

　　3）系统利用率 ≥99.99%

　　4.3 控制器性能

　　1）数据采集时间

　　开关量<0.2S

　　电气量<0.2S

　　温度量<3S

　　非电气量<1S

　　脉冲量 连续无延迟

　　2）控制响应时间

　　控制命令回答响应时间 ≤0.5S

　　接受控制命令响应时间 ≤0.5S

　　3）I/O接口

　　八路开入量（可扩充到16路开入量），其信号类型为空接点。

　　模拟量输入：电压：220V，电流5A。

　　温度量输入：与现场三（二）线电阻温度探头（RTD）连接。

　　水位量的输入：变换成电阻值输入。（如采用了压阻式液位传感器则为4～20ma）

　　十路开出量：（可扩充至16路开出量）输出形式为空接点，交流接点，容量

　　～220V，0.5A。

　　4）测量精度

　　电流、电压：0.5级

　　有功功率、无功功率：1.0级

　　有功电度：内部计算精度1.0级

　　无功电度：内部计算精度2.0级

　　频率：小数点后两位

　　功率因素：小数后两位

　　温度：±0.5℃

　　5) 通讯口

　　RS485的通讯接口 ：速率为4800bps。

　　6）绝缘电阻符合IEC255-5标准，大于100MΩ/500V。

　　7）耐压测试按IEC255-5标准，2.0KV/1min。

　　8）冲击电压测试按IEC255-5标准，5.0KV/1.2/50µs/05J

　　9）抗干扰

　　共模按IEC-255-22-1标准：2.5KV/1MHZ/2S

　　差模：1.0KV/1MHZ/2S

　　10) 系统的安全性：在雷电干扰下,不误动,也不拒动。

　　4.4 环境条件

　　1）环境温度：-10℃～+45℃

　　2）海拔：3000米

　　3）相对湿度：<95%（25℃时）

　　4）水电站应有良好的防雷措施，本设备不能抗拒直接的雷击。

　　5）屏体外壳应安全接地。

　　6）振动和振击：振动频率：10～500HZ   加速度：5m/s2

　　五、设计制造标准

　　5.1.材料标准

　　设备的材料从生产同类产品的材料中优选，并进行严格检验。

　　5.2.屏柜的标准

　　所制造的各种屏（柜）用来安装各种保护测量装置，具有钢底座、顶板和侧板。

　　结构：设计成封闭的，通风良好的立式结构，便于控制电缆的连接、检查和维护。

　　监控保护柜具有足够的机械强度，能防尘、防潮、防止小动物。

　　监控保护柜前后均配置门，柜前为单门，后门用双铁门，密封的前后门带锁；开关门时，装置不误动。

　　监控保护柜和其它设备应能承受规定的振动并不误动。

　　监控保护柜上设备和端子的安排保证每一保护或系统的独立性，当其中一套装置被维护时，所有其它保护或系统其它部分均能正常运行。

　　外型尺寸：高2260mm，宽800mm，深800mm。(一体化控制屏)

　　高1700mm，宽700mm，深500mm。(低压机组自动化控制柜)

　　喷涂：所有的喷涂在机械振动以及热和油的作用下均不会出现划痕或变软，喷涂的颜色为浅驼 Z44 色或由用户自定。

　　铭牌：置于屏面和屏内明显位置；柜上所有插件、信号灯及其辅助元件都用中文标明其用途及名称。

　　柜内的布线及端子

　　布线整齐、清晰、美观，导线绝缘良好，无损伤，电流回路截面不小于2.5mm2和1000V耐压绝缘绞线，其它回路截面不小于1.5mm2和1000V耐压绝缘绞线。

　　设备接线端部均标明其回路编号，编号正确，字迹清晰且不易褪色。

　　接线端子每侧接线为一根。

　　一般设备的接线端子牢固可靠，端子导电体由抗氧化的铜质材料制造。

　　屏内设有专用接地铜排（不小于100mm2）。接地考虑到设备间的压差和噪音，屏和设备配有接地端子。

　　遥信输入经过220V光隔端子隔离；跳合闸出口设置硬压板。

　　端子排装于柜后两侧，如果不同单位的设备于同一柜上，端子排分别安排以便检修与维护。

　　端子排的额定电压为500V，耐受2000V工频电压试验1分钟。

　　提供一定数量的端子排，每排至少有10％的备用端子。

　　端子排的基础为高质量非易燃绝缘材料。

　　端子前应有足够的空间。

　　回路的正负极性线连接至相邻端子排上。

　　每端子可容纳4mm2连接线，电源正、负端子及跳合闸回路端子不应相邻。

　　每一套保护装置的24V或48V直流电源应通过直流空气开关提供且操作电源和保护电源分开，开关具有一定的开断容量。

　　六、其它

　　低压机组自动化控制柜:（采用此柜时，保留电站原来控制屏）

　　现场调速器改造采用交流380V减速马达控制：

　　现场调速器改造采用直流48V马达控制：

　　机组一体化综合控制屏