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调速器自动水头功能的研究与应用

2025-05-05 52 上传者：管理员

摘要：为有效提高水轮机的运行效率和稳定性，提出了调速器自动水头功能实施方案，通过监控系统增加水头抗扰动措施和调速器侧增加异常信号处置功能，实现了实时监测、智能控制和自动化调节相结合。通过在五强溪水电厂的调速器系统进行仿真试验和现场测试，验证了该方案的有效性和可靠性。

关键词：
水头测量
水轮机运行
自动水头
调速器
调速器空载开度
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水轮机水头指水流从水库经水轮机前后的水位差,是水轮机运行的重要技术参数,直接关系到机组甚至整个电站的出力范围计算､机组振动区切换､及负载开限等｡水头的变化直接影响水轮机的叶轮转速和受力情况,在较高的水头下,有功调节的速度变快,容易造成超调;在较低的水头下,有功调节速度变慢,容易造成超时[1]｡通过优化水头测量及传输方式可以最大限度地提高水能利用率,减少水能资源的浪费,避免水轮机因负荷过大或水流不稳定发生意外情况,实现清洁能源的高效利用｡

目前存在手动水头和自动水头两种方式｡手动水头由操作员根据实际情况或者经验进行手动调节,频繁的人工操作增加了机组安全稳定运行的风险[2]｡自动水头能够根据实时监测的数据进行计算和调节,能够实现快速响应和调节,并减少人为操作错误的可能性｡手动水头适用于运行环境相对简单､操作需求不频繁的情况,而自动水头适用于要求精确控制和快速响应的复杂运行环境｡

1、方案概述

1.1传感器布置

安装水头测量传感器和监控设备于水电站的关键位置,包括机组拦污栅前､机组尾水管出口处｡传感器将实时监测水位和压力等参数,并将数据传输至监控系统｡

1.2数据采集与分析

安装好传感器后,通过监控系统对传感器采集到的数据进行实时采集｡监控系统将采集到的数据存储到数据库或数据服务器中,并进行实时处理和分析,确保采集到的数据准确可靠｡通过采集到的水位数据,利用水头计算公式计算出水头｡

计算得到的水头数据可以进行进一步分析和处理,以实现对水力发电系统运行状态的评估和监测｡数据分析可以包括水头变化趋势分析､异常检测､关键参数预测等,通过数据可视化技术将分析结果以图表､曲线等形式直观展示出来,方便操作人员进行实时监测和决策｡在数据分析过程中,如果发现水头异常或超出设定范围,系统需要及时发出报警,并根据预设的控制策略对水轮机进行调节,以保证系统的安全运行和稳定性｡

1.3数据传输至调速器

监控系统生成的控制指令通过网络或专用通信线路传输至调速器系统｡这一过程通常采用数字信号或模拟信号的方式进行数据传输｡

2、监控系统水头数据采集优化

2.1总体思路

监控系统在采集上下游水位信号时增加水头抗扰动优化措施｡水头抗扰动措施主要包括水头信号采集越限故障､水头数据跳变闭锁｡

2.2实施方案

在监控系统程序内部设值水头信号采集越限故障逻辑及水头数据跳变逻辑｡

1)判断上下游水位测值是否在有效范围｡超出有效范围则给出水位测值越限报警信号｡

2)判断水位测值变化是否超标｡采用设定的周期(1min)监测一个水位测值与上一个水位测值的差值是否超标(相差0.5m,该值通过对五强溪水电厂上下游水位变化进行趋势分析得出)｡如未超标会以最新接收的水位模拟量数据进行上送,否则会保持最近一次水位发生突变的水位数据,并给出相对应的报警信号｡

3、调速器自动水头数据采集优化

3.1总体思路

在水头信号传输过程中,当信号出现数据丢失､死值､断线或较大干扰波动情况时,调速器如没有与之对应的处理过程,会对机组稳定运行形成潜在威胁[3]｡设置自动水头间断采样､采样上下限､防跳变､断线保持当前水头不变等功能｡当自动水头故障时冻结自动水头值,水头故障时将故障前水头赋给人工水头,并切人工水头[4]｡

3.2实施方案

1)在调速器自动水头采集方式中增加浪涌爬坡功能｡当自动水头采样值连续保持15s为同一个值时才将该值写入自动水头中,设置浪涌爬坡功能可有效避免机组LCU传输信号时的数据抖动现象｡

2)设定自动水头采样上下限｡自动水头运行时,计算出的自动水头值在最小水头值和最大水头值区间内变化[5]｡若采样超出水头设定范围,则调速器报出水头故障信号至监控系统,并且自动切换为手动水头运行模式,水头信号值保持为自动水头故障前采集的合理范围内数值｡

3)设定自动水头间断采样功能,将自动水头由实时取值修改为间断取值｡为保证水头信号的连续､可靠,同时又减轻调速器PLC的负荷率,避免不必要的刷新数据,自动水头信号根据电厂水位实际情况大约5~10min刷新一次数据,刷新数据周期可在调速器电调柜触摸屏上设定｡

4)设置自动水头断线功能｡在自动水头运行模式下,水头信号出现断线时,程序会将将前一个周期的水头信号值同时赋给当前手动水头信号和自动水头信号,使其保持有效值不变,保证调速器空载开度和负载开限,同时报出“水头故障”信号并上送监控｡

5)优化调速器程序,增加以下2个功能,来保障自动水头数据不正确时,调速器还可以正确执行相关操作功能｡①当因水头数据不正确导致调速器开机无法满足50Hz的频率要求时,自动调整调速器开限,使机组能够并网｡②当因水头数据不正确导致调速器停机时有功负荷不能见到零,放开最小负荷限制值,使机组能够解列,完成停机流程｡

4、自动水头数据传输闭环处理

为避免监控系统因硬件故障开出错误自动水头数据至调速器,对监控系统—调速器传输环节执行闭环处理流程｡在调速器自动水头模式投入且自动水头值出现刷新后,将调速器当前运行水头值反馈至监控系统｡监控系统对调速器运行水头反馈值与公用LCU水头进行比较,当两者偏差大于0.2m时在监控系统显示调速器自动水头传输错误,同时监控LCU保持报警前的水头模拟量输出值｡

5、模拟试验

(1)上/下游水位正常变化｡将万用表的电流输出信号作为监控系统的水位输入信号,缓慢调整万用表的输出电流,使得上/下游水位的变化值在1min内上升不超过0.5m,检查监控系统有无报警,并核查监控系统最终采集到的水位值｡

(2)上/下游水位非正常变化｡将万用表的电流输出信号作为监控系统的水位输入信号,缓慢调整万用表的输出电流,使得上/下游水位的变化值在1min内上升不超过0.5m,检查监控系统有无报警,并核查监控系统最终采集到的水位值｡

(3)上/下游水位测值越限故障｡将万用表的电流输出信号作为监控系统的水位输入信号,缓慢调整万用表的输出电流,使得上/下游水位的实时值超出系统采集的上/下限值,观察监控系统最终采集到的水位值,检查监控系统有无报警｡

6、结语

本文提出了利用监控系统完成水头信号采集并在调速器侧对信号的稳定性进行必要的容错处理的方案,该方案将实时监测､智能控制和自动化调节相结合,能够有效提高水电站的运行效率和稳定性,具有重要的实际应用价值和推广前景｡

参考文献:

[1]王嵩.电站水头变化对机组有功调节的影响分析[J].东北水利水电,2017,35(4):60-61.

[2]陈宇凡,翟玉杰,朱斌.水轮机调速器电气开限及水头协联机制研究[J].水电与抽水蓄能,2019,5(2):66-69.

[3]李国晓.水轮机调速器运行与维护[M].北京:中国水利水电出版社,2012.

[4]李士哲,韩冠涛.某大型水电站调速器负荷波动分析及应对策略探讨[J].水电与新能源,2021,35(9):73-75,78.

[5]张海啸,周子文,严玉明.浅析三峡电源电站调速器水头对机组运行影响及应用处理[C]//中国水力发电工程学会自动化专业委员会.中国水力发电工程学会自动化专委会2022年年会暨全国水电厂智能化应用学术交流会会议论文集,2022:232-235.