摘要：本文给出了历史经验沉淀的机组自动化信号元件（传感器）配置，详尽分解了水力发电机组自动化过程，包括6种流程操作的自动化，以及事故保护和故障信号的自动化。还紧扣水力发电机组自动操作建立plc控制系统对plc系统设计和程序设计进行了一般方法的阐述，提供了具体的思路框架。

关键词：输入/输出配置自动化过程分解plc程序设计

水力发电机组控制系统的自动化，包括发电、调相、停机三态互换共6种流程操作的自动化，以及事故保护和故障信号的自动化。其任务是借助自动化元件（或传感器）和装置（或可编程控制器）组成一个不间断进行的操作程序，以取代水电生产过程中的各种手工（或传统自动化）操作，从而实现生产流程的新型自动化，是实现水力发电综合自动化的铺路石。三态互换的控制装置最初是由电磁型继电器构成，以后又出现了由无触点晶体管元件构成的顺控装置（例如1983年在丹江口水电站出现的弱电控制系统），这两种控制均属常规（传统）控制。随着水电事业的迅速发展，为保证水力发电厂安全监控，对机组自动化提出了更高的要求，常规的监控已越来越不能满足电力系统安全和经济调度的需要，监控设备更新换代势在必行。随着计算机及应用技术的发展，可将微机或以微机为基础的可编程控制器（plc）或工控机用于水力发电厂监控系统[1]，以实现机组的顺序操作，近年的实践证明这一举措技术先进、性能可靠、功能强大、实时性高。

一、水力发电机组自动操作输入/输出配置

采用微机或plc实现机组的顺序操作，是通过微机的外围设备中的开关量输入、模拟量输入和温度rtd输入模块采集所有与机组顺序操作相关的各种信息，由微机或plc的cpu进行计算、分析和逻辑判断，将处理结果转换成继电器通断一样的开关量输出信号，再去控制机组及其辅助系统[2][3][4][5]、调速系统[1][6]、励磁系统[1][7]、同期装置[1][8]和保护系统等设备。

下面从历史经验沉淀出的机组自动化信号元件（传感器）配置给出较典型的立式混流式机组（如东江、双牌、酒埠江等水电站）单台顺序操作的接点表[1]，其发电机采用空气冷却方式，推力、上下导、水导采用稀油润滑，停机制动方式采用电气制动和机械制动互相配合，设事故配压阀作为调速器的失灵保护，考虑发电、调相和停机等三种运行状态。（见表1-表4）

可见对于大中小型机组的开关量输入（46、43、43）、开关量输出（28、28、28）、模拟量输入（8、8、5）等点数分别是非常接近的，这是因为小机组“麻雀虽小，肝胆俱全”，其控制系统与大机组非常类似，只是执行环节对容量的要求不一样罢了；至于温度输入rtd信号点数（116、45、36）差异较大，是因为尺寸大的机组要求有更多的温度测点。

二、水力机组顺序操作程序设计的初步考虑（自上而下）

水力机组自动控制系统的设计与机组及调速器的型式，机组润滑、冷却和制动系统，机组同期并列方式和运行方式（是否作调相运行），以及水力机械保护系统的要求等有关，设计前应了解它们对机组控制系统的要求[1][9][10][11]。为保证水力发电机组操作的安全性和可用性，在机组顺序操作程序设计中作如下考虑：

1．在操作人员或微机发出机组操作命令后，可以自动、讯速、可靠地按预定流程完成三态互换等6项操作任务，也可以在操作人员干预下进行单步操作。

2．停机命令优先于发电和调相命令，并在开机过程中、发电状态和调相状态中均可执行停机命令，就是说一旦选中停机命令，其他一切控制均被禁止。

3．操作过程中的每一步操作，均设置启动条件或以上一步成功为条件，仅当启动条件具备后，才解除对下一步操作的闭锁，允许下一步操作；若操作条件未具备，根据操作要求中断操作过程使程序退出或发出故障信号后继续执行。

4．对每一操作命令，均检查其执行情况；当某一步操作失败使设备处于不允许的运行状态，程序设置相应的控制，使设备进入某一稳定的运行状态。

5．当机组或辅助设备（如调速器、油气水小系统、自动化传感器等）发生事故、故障或运行状态变化，应能许讯速、准确诊断，不允许操作继续进行时，应自动中断操作过程使程序退出；同时将事故机组从电力系统解列停机，或用信号系统向运行人员指明故障的性质与部位，指导运行人员作正确处理。

6．检测到电力系统功率缺额时，根据系统频率降低程度，依次自动将运行机组带满全部负荷、将调相机组转为发电运行、将事故备用机组投入系统。

7．应能根据自动发电控制agc[12]的指令，改变并列运行机组间的负荷分配与经济运行[13][14]；对于zz型机还应根据上游水位变化改变其协连关系，使机组高效率运行。

8．在实现上述基本原则的前提下，机组自动控制系统应力求简单、可靠，采用信号采集点尽可能少；一个操作结束后应能自动复归，为下次操作作准备；同时还应便于运行人员修正操作中的错误。

三、水力机组操作流程

一个复杂的生产工序过程，通常可以分解为若干个工序，而每个工序又可分解为若干个具体步骤，将一个自动化过程分解为一些分过程是十分必要的，将上述典型混流式机组的过程操作分解后用程序框图表示（见图一）。

1 停机转发电操作

停机转发电操作分解为八步（无高压油泵减载装置者少一步），此过程一般用时控制在2min内。①开机准备，自动检查进水口闸门打开、机组无事故、导叶锁定拔除、断路器分闸状态、制动闸撤除等5个开机条件，符合（与逻辑）则进行下一步。②开辅机：a．开启高压减载油泵，若高压减载工作油泵出现故障则启动备用油泵，若备用油泵也故障则转入停机程序；b．打开冷却水电磁阀，若延时后仍无冷却水，则发出故障信号；c．打开密封水电磁阀，若延时后仍无密封水，则发出故障信号。此3个条件符合（与逻辑）则进行下一步。③启动调速器，将开度限制开至空载稍上、导水叶放开至起动开度，进入下一步。④导水叶打开后，机组转速上升，至80%ne时投入励磁装置建立uf。⑤转速n＞95%ne时切除高压减载油泵。⑥自动投入并检查准同期合闸条件。⑦同期条件满足后断路器合闸并网。⑧调速器自动打开开度限制机构至全开或指定位置，为机组带负荷创造条件，至此，停机转发电过程完成，机组为发电状态。

（图一—图四说明：基于协调与简化，框图中应使用决策框的地方改用过程框，请读者自己辨别。）

2 发电转停机操作

发电转停机操作有正常停机和事故停机之分，正常停机分解为①zt机构与zlt动作卸有功与无功负荷至最小；②出口断路器跳闸与电力系统解列；③开限机构全关驱使导水叶全关；④转速下降至90%ne时投入高压油泵减载装置（无者少一步）；⑤转速下降至60%ne时投入电气制动（无者少一步）；⑥转速下降至15%ne（无电气制动者35%ne）时投入机械制动；⑦制动投入一定时间后停止辅机，包括关制动电磁阀、关冷却水电磁阀、关密封水电磁阀、开围带电磁阀、投导叶锁定、切除高压油泵减载装置进入停机状态等七步，此过