一、系統概述

　　低壓機組一體化自動化控制屏是專門為《少人值守或無人值守，提高水電站低壓機組發電量自動化程度》而設計的。PLC-1低壓機組自動化屏是按一體化、集成化、標準化設計。集微機勵磁、准同期、微機調速、機組控制、水位監控、保護、測量信號、計量、溫度測量、斷路器等一、二次設備為一體，經過功能的組合和優化設計，利用現代的計算機技術，電子技術、通信技術和信號處理技術，實現對發電的主要設備自動化監視、測量、控制及保護等功能和任務,實現一、二次設備一機一櫃。

　　PLC-1低壓機組自動化櫃將水輪機手/自動電動調速、發電機手/自動勵磁、手/自動同期並網、發電機綜合保護、電機二次測量迴路及順控操作等功能模塊集成在本櫃上。用戶只需要保留電站原有的開關櫃上的斷路器，配合本產品即可方便的實現電站的自動化管理。系統投入運行后，可達到少人值守或無人值守。一台機組配置一面屏櫃，簡單、方便、集成度高。該產品主要用於額定電壓400V、單機容量1000KW及以下的水輪發電機組。

　　本系統主要硬件採用可編程微機控制器和觸摸屏（HMI）組成、軟件採用模塊化、結構化設計，既便於設備的擴充，又利於功能的增加和系統擴大規模。

　　本系統包含下列功能配置：

　　●根據前池（大壩）水位高低整定值控制開機、停機、水輪發電機輸出功率；

　　●自動開機、自動停機；

　　●事故停機；

　　●自動調頻、調功；

　　●自動增勵、減勵；

　　●自動同期並網；

　　●發電機保護功能（過電流、過負荷、過電壓、低電壓、過速、低頻等）

　　●發電機測量功能（三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、頻率、COSφ、有功電度、無功電度、發電機溫度等）；

　　●保留常規手動操作及常規儀表；

　　●一台微機綜合自動控制屏配上計算機，可組成網絡，完成電站的集中管理、集中控制、數據記錄、查詢打印等，多個水電站可組成集中調度中心遠距離控制與調度，實現無人值守或少值守；

　　二、系統應用組成方式

　　新建或改造水電站購一台以上水電站低壓機組一體化自動控制屏再配一臺電腦，即可組成一個網絡，達到了無人值守或少人值守目的，此計算機可放在水電站生活區，也可通過MODEM遠傳至集控制中心進行遙測、遙信與遙控，實現多個水電站的遠程監視控制。

　　可實現根據水位自動開/停機，快速自動並網,按水位自動調整負荷，事故自動仃機的機組自動化控制,達到水電站的無人值守（少人值班）。

　　三、系統配置

　　3.1 400V低壓一次設備

　　●主電路的隔離刀閘：採用HD13BX系列的閘刀開關。

　　●斷路器：採用DW15系列斷路器，熱電磁式，垂直安裝。

　　●電流互感器：採用LMZJ-0.66型，測量保護CT三只，勵磁調差迴路用CT一只。

　　●測量表計：配備常規測量儀表測量發電機電壓、發電機電流、頻率、功率因素、有功功率、電網電壓，電網頻率等電氣參數。

　　●計量表計：三相四線電子式多功能數字電能表, 並具有RS485通訊功能。

　　備註：一次設備具體選型視機組容量而定。

　　3.2自動化控制：

　　可編程控制器（PLC）採用24入16出、4路模擬量輸入、2路模擬量輸出及7〃（HMI）智能觸摸屏。

　　3.3 測量顯示儀表

　　常歸儀表顯示發電機機端電壓、電流、功率因數、頻率、系統電壓、系統頻率、勵磁電流，其他電量在智能裝置液晶顯示器內查看。

　　3.4 同期系統

　　系統採用微機自動准同期和一套常規手動同期，微機自動准同期，具有同期精確、快捷方便的特點。

　　自動准同器具體參數：

　　●發電機輸入電壓：0V～400V/100V;電網輸入電壓：0V～400V/100V;

　　●同期合閘輸出開關信號，以繼電器方式輸出，接點容量為交流阻性220V/5A；交流阻性380V/2A；直流阻性110V/0.8A；直流阻性220V/0.2A。

　　3.4 微機勵磁裝置系統

　　●勵磁系統的型式

　　勵磁系統採用QR型微機勵磁雙通道3相全控橋靜止可控硅整流勵磁裝置,或採用無刷勵磁調節器。

　　3.5傳感器

　　四、主要功能與參數

　　2.3.2 水電站低壓機組自動化控制裝置的功能

　　本系統所有自動控制、保護等功能均由水電站低壓機組自動化控制裝置完成，各種功能如下：

　　1）、自動開機及自動調速功能：用戶按開機按鍵或在上位機發開機指令后，系統將自動開機。或用戶選擇在恆水控制，水位高于設定開機水位時，系統將自動開機。

　　2）、自動啟勵功能：當水輪機的轉速達到一定轉速時，裝置將發出啟勵指令，啟動勵磁讓發電機建壓。

　　3）、自動准同期功能：當水輪發電機組的頻差、壓差及相差合格后，系統自動同期合閘。

　　4）、自動有功調功功能：系統根據用戶要求自動調節發電機有功功率至整定值。或用戶選擇在恆水控制時，系統根據水位自動調整負荷，保証機組高效率出力。

　　5）、自動無功調功功能：系統自動調節勵磁，使無功達到用戶要求。

　　6）、溫度檢測功能：本裝置具有八路溫度巡檢功能，它能實時檢測到八路溫度值。

　　7）、轉速飛逸保護功能：當電網中突甩負荷，系統將輸出飛逸保護。

　　8）、電流速斷保護功能：當發電機電流超過短路保護電流整定值時，本裝置將保護動作。

　　9）、過電流保護：當發電機電流超過過電流整定值時，啟動延時程序，延時到后，發電機電流仍然過電流，系統將啟動保護。

　　10）、低壓保護：當發電機任兩相電壓小於低壓保護整定值時，啟動延時程序，延時到后，發電機電壓仍然小於低壓保護整定電壓，系統將啟動保護。

　　11）、過壓保護：當發電機任兩相電壓大於過壓保護整定值時，啟動延時程序，延時到后，發電機電壓仍然大於過壓保護整定值，系統將啟動保護。

　　12）、低周保護：當發電機頻率小於低周保護整定值時，啟動延時程序，延時到后，發電機頻率仍然小於低周保護整定值，系統將啟動保護。

　　13）、過頻保護：當發電機頻率大於過頻保護整定值時，啟動延時程序，延時到后，發電機頻率仍然大於過頻保護整定值，系統將啟動保護。

　　14）、自動停機功能：當裝置接收到停機鍵或上位機發出的停機指令后，系統將自動停機。

　　15）、通訊功能：本裝置具有RS-485通訊接口，它能將水輪發電機的各種運行狀態及各開關位置等數據上傳給上位機，並接收上位機對裝置各項操作及整定值的修改等。

　　3.5 無刷微機勵磁控制裝置

　　微機勵磁調節器適合於三相四線制,電壓為400/230伏,頻率50HZ的低壓無刷勵磁同步發電機的勵磁調節,

　　能滿足發電機單機、並網等方式的運行要求。它也適用於直流勵磁機方式的低壓同步發電機的勵磁調節。微機勵磁調節器結構簡單，調節靈敏且穩定

　　主要功能

　　⑴節器可當數字頻率表或電壓表使用。

　　⑵開機電壓自動給定，機組停機過程按

　　頻減壓，當頻率低於46HZ時進入低頻工作狀態（“低頻”燈亮），並在35HZ時自動滅磁（“滅磁”燈亮）。防止轉子過流。

　　⑶本機甩負荷過壓保護：斷路器跳閘時，電壓自動調整為380V。防止本機過壓。同時由於跳閘后，發電機仍然有電壓，所以保護機構可以動作，如：關水機，防止飛逸等

　　a)    技術參數

　　調壓範圍：70V～490V

　　調壓精度：優于0.5％

　　調差：約＋8％

　　頻率特性：頻率每變化1％，發電機端電壓變化小於額定值的±0.1％。

　　零起升壓：超調量小於10％～15％，調節時間3～5秒，振盪次數3～5次。

　　10℅階躍響應：超調量小於5％，振盪次數1次，調節時間小於5秒。

　　甩額定無功負荷：超調量小於15％Ue，振盪次數小於3次，調節時間小於5秒。

　　電壓整定值變化速度：（0.3％~1％）/ 秒。

　　電參數顯示精度：1V。

　　強勵參數：機端電壓下降時，自動進入強勵。

　　可控硅控制角分辨率：0.036度。

　　2.5手動調節裝置

　　增功、減功按鈕各一只；開機、停機按鈕各一只；DW15型空氣開關儲能按鈕分閘、合閘各一只； 閘門控制按鈕一只。

　　2.6出口繼電器

　　出口繼電器用來自動控制DW15型空氣開關的跳閘與合閘、增功、減功、增勵、減勵、同期出口及保護出口等均是用出口繼電器。控制器對出口繼電器的控制信號均經過光電隔離；

　　2.8系統功能

　　2.8.1功能介紹

　　QR系列水電站低壓機組一體自動化控制屏具有一鍵（水位控制）自動開/停機、調速/調功、勵磁調節、自動准同期、溫度檢測、機組飛逸保護、電流速斷保護、過壓保護、失磁保護、485通訊等功能。

　　1） 自動開機、停機

　　合上主閘刀開關，選擇“開機”（就地或遠控），在電手動調節器構成的調速系統中，水電站低壓機組自動化裝置將水輪發電機機調節至空載狀態，啟勵后，再調節勵磁，使發電機電壓逐漸升高，完成自動開機過程。在液壓調速器構成的調速系統中，水電站低壓機組自動化裝置發出開機令給調速器后，調速器將水輪發電機調節至空載，起勵后，再調節勵磁，使發電機電壓逐漸升高，完成自動開機過程。選擇“停機”（就地或遠控），水電站低壓機組自動化裝置接受到停機命令后，將開度逐漸關小，減少勵磁電流，當減至空載時，水電站低壓機組自動化裝置發出跳閘指令，分開斷路器，然後繼續減小至關閉。

　　2） 自動同期

　　當發電機電壓升至350V，頻率高于48HZ后，水電站低壓機組自動化裝置開始調頻、調壓，根據水輪機的運行狀況，發出增減信號，使發電機的頻率與電壓接近系統的頻率與電壓，當頻率小於0.5HZ相角小於10度，電壓差小於15V時，水電站低壓機組自動化裝置發出合閘指令，斷路器合閘，機組與電網准同期並網。

　　3） 自動調功

　　機組准同期並網后，水電站低壓機組自動化裝置自動調節輸出功率，可以根據機組容量滿負載發電，也根據設定的功率大小，自動調節輸出功率在設定值上。

　　4） 事故停機

　　在事故發生時，水電站低壓機組自動化裝置發出警報音響，併發出跳閘命令，使斷路器跳閘，同時快速減少開度，若出現機組超速，控制器將投放水阻或使折向器動作，從而迅速降低轉速。

　　5） 測量

　　水電站低壓機組自動化裝置有自動測量功能，在裝置顯示屏上，可以顯示電壓、電流、有功功率、無功功率、發電機組溫度（八路測溫探頭輸入）等。

　　6）運行方式

　　有功的調節是根據用戶整定的功率值，裝置自動調節水輪機導葉行程，使功率穩定在整定值，當水位下降到一定的時候，發電機的功率也要跟着下降，這時系統將要開大導葉行程，當導葉行程到達上限后，導葉行程還在開大，系統將輸出報警信號，若水位仍然處於下降狀態，發電機的功率隨着下降到30KW以下時，系統將啟動保護，分開斷路器；並且迅速關小水輪機的開度，作停機處理。

　　7） 手動控制功能

　　手動開機、手動停機

　　手動起勵、滅磁

　　手動同期

　　手動增功、減功

　　常規測量儀表

　　8） 組網功能

　　微機控制器有一個RS485通訊口，與後臺機相連，亦可以多台機組同時聯接，組成一個現地控制網絡。

　　在後臺機上，可以遠距離操作與控制各台水輪發電機組；實時顯示各機組的運行狀況；將各台機組發電的電氣量組成表格，打印數據；繪製運行參數的負荷曲線；事故記錄及打印；曆史數據召喚；電量的累加計算與統計等功能。

　　9） 遠方調度功能

　　後臺監控計算機通過網絡與各級調度中心相連，實現遠程調度將水電站的各種參數（測量，機組運行狀況，保護的動作情況，開關的分閘、合閘）傳至調度中心，同時可以接受遠方調度的各種控制。

　　10）發電機保護功能

　　速斷保護：5~50A，延時0S，保護出口動作並跳閘。

　　定時過流保護：0.5~10A，延時可設置在0~3S，保護動作並跳閘。

　　過電壓保護：電壓可設置在0~560V，延時0~3S，保護動作並跳閘。

　　低電壓保護：電壓低於0.7倍額定值，延時0~3S，保護動作並跳閘。

　　過速（超頻）保護：頻率超過140Ne%，延時0S，保護動作並跳閘。

　　失磁保護：勵磁電壓消失或勵磁電壓開關斷開時，延時0S，保護動作並跳閘。

　　以上各種保護定值及動作延時均可由用戶自行設定。

　　2.2.2 勵磁部分

　　勵磁部分有功率單元和勵磁調節器（電源、測量同步變壓器單元、自動高速單元、數字給定單元）兩大部分組成，其中勵磁調節器還包含跟蹤單元及過壓檢測等輔助單元。勵磁電源從發電機出口端取A相電源，向發電機轉子提供一個自動/手動調節的勵磁電源，實現自並激勵磁。

　　四、系統性能

　　4.1 控制性能

　　1）人機接口響應時間 ≤0.1S

　　2) 動態數據刷新時間 ≤1S

　　3）實時數據庫更新時間 ≤1S

　　4）控制命令響應時間<1S

　　5) 控制有功功率執行週期<3S

　　4.2 系統可靠性

　　1）平均故障間隔時間（MTBF） >20000小時

　　2）平均維護時間（MTTR）<30分鐘

　　3）系統利用率 ≥99.99%

　　4.3 控制器性能

　　1）數據採集時間

　　開關量<0.2S

　　電氣量<0.2S

　　溫度量<3S

　　非電氣量<1S

　　脈衝量 連續無延遲

　　2）控制響應時間

　　控制命令回答響應時間 ≤0.5S

　　接受控制命令響應時間 ≤0.5S

　　3）I/O接口

　　八路開入量（可擴充到16路開入量），其信號類型為空接點。

　　模擬量輸入：電壓：220V，電流5A。

　　溫度量輸入：與現場三（二）線電阻溫度探頭（RTD）連接。

　　水位量的輸入：變換成電阻值輸入。（如採用了壓阻式液位傳感器則為4～20ma）

　　十路開出量：（可擴充至16路開出量）輸出形式為空接點，交流接點，容量

　　～220V，0.5A。

　　4）測量精度

　　電流、電壓：0.5級

　　有功功率、無功功率：1.0級

　　有功電度：內部計算精度1.0級

　　無功電度：內部計算精度2.0級

　　頻率：小數點后兩位

　　功率因素：小數后兩位

　　溫度：±0.5℃

　　5) 通訊口

　　RS485的通訊接口 ：速率為4800bps。

　　6）絕緣電阻符合IEC255-5標準，大於100MΩ/500V。

　　7）耐壓測試按IEC255-5標準，2.0KV/1min。

　　8）衝擊電壓測試按IEC255-5標準，5.0KV/1.2/50µs/05J

　　9）抗干擾

　　共模按IEC-255-22-1標準：2.5KV/1MHZ/2S

　　差模：1.0KV/1MHZ/2S

　　10) 系統的安全性：在雷電干擾下,不誤動,也不拒動。

　　4.4 環境條件

　　1）環境溫度：-10℃～+45℃

　　2）海拔：3000米

　　3）相對濕度：<95%（25℃時）

　　4）水電站應有良好的防雷措施，本設備不能抗拒直接的雷擊。

　　5）屏體外殼應安全接地。

　　6）振動和振擊：振動頻率：10～500HZ   加速度：5m/s2

　　五、設計製造標準

　　5.1.材料標準

　　設備的材料從生產同類產品的材料中優選，並進行嚴格檢驗。

　　5.2.屏櫃的標準

　　所製造的各種屏（櫃）用來安裝各種保護測量裝置，具有鋼底座、頂板和側板。

　　結構：設計成封閉的，通風良好的立式結構，便於控制電纜的連接、檢查和維護。

　　監控保護櫃具有足夠的機械強度，能防塵、防潮、防止小動物。

　　監控保護櫃前後均配置門，櫃前為單門，後門用雙鐵門，密封的前後門帶鎖；開關門時，裝置不誤動。

　　監控保護櫃和其它設備應能承受規定的振動並不誤動。

　　監控保護櫃上設備和端子的安排保証每一保護或系統的獨立性，當其中一套裝置被維護時，所有其它保護或系統其它部分均能正常運行。

　　外型尺寸：高2260mm，寬800mm，深800mm。(一體化控制屏)

　　高1700mm，寬700mm，深500mm。(低壓機組自動化控制櫃)

　　噴塗：所有的噴塗在機械振動以及熱和油的作用下均不會出現划痕或變軟，噴塗的顏色為淺駝 Z44 色或由用戶自定。

　　銘牌：置於屏面和屏內明顯位置；櫃上所有插件、信號燈及其輔助元件都用中文標明其用途及名稱。

　　櫃內的布線及端子

　　布線整齊、清晰、美觀，導線絕緣良好，無損傷，電流迴路截面不小於2.5mm2和1000V耐壓絕緣絞線，其它迴路截面不小於1.5mm2和1000V耐壓絕緣絞線。

　　設備接線端部均標明其迴路編號，編號正確，字跡清晰且不易褪色。

　　接線端子每側接線為一根。

　　一般設備的接線端子牢固可靠，端子導電體由抗氧化的銅質材料製造。

　　屏內設有專用接地銅排（不小於100mm2）。接地考慮到設備間的壓差和噪音，屏和設備配有接地端子。

　　遙信輸入經過220V光隔端子隔離；跳合閘出口設置硬壓板。

　　端子排裝于櫃后兩側，如果不同單位的設備于同一櫃上，端子排分別安排以便檢修與維護。

　　端子排的額定電壓為500V，耐受2000V工頻電壓試驗1分鐘。

　　提供一定數量的端子排，每排至少有10％的備用端子。

　　端子排的基礎為高質量非易燃絕緣材料。

　　端子前應有足夠的空間。

　　迴路的正負極性線連接至相鄰端子排上。

　　每端子可容納4mm2連接線，電源正、負端子及跳合閘迴路端子不應相鄰。

　　每一套保護裝置的24V或48V直流電源應通過直流空氣開關提供且操作電源和保護電源分開，開關具有一定的開斷容量。

　　六、其它

　　低壓機組自動化控制櫃:（採用此櫃時，保留電站原來控制屏）

　　現場調速器改造採用交流380V減速馬達控制：

　　現場調速器改造採用直流48V馬達控制：

　　機組一體化綜合控制屏