0 引言

龙口水电站位于黄河北干流托龙段（内蒙古自治区托克托县至龙口河段）尾部，是黄河万家寨水利枢纽的配套工程。电站共装设5台机组，其中4台单机容量100 MW轴流转桨式水轮发电机组用于晋蒙电网调峰；1台单机容量20 MW混流式机组用于非调峰期向河道泄放基流并参与基荷运行。龙口水电站为低水头河床式电站，总库容1.957×10⁸m³，正常蓄水位898 m, 汛期限制水位891 m, 对万家寨水电站进行反调节。汛期电站水头最低可达23m, 枯水期最高可达37 m, 全年机组水头变化范围为0~10 m。轴流转桨式双调节机组调节过程中，导叶和桨叶之间通过最优协联控制以增加水轮机高效率区域宽度，更好地适应负荷变化并使水轮机组具有较高的运行效率^[1]。协联控制是以某时刻的水头信号和导叶开度共同确定桨叶开度，因此水头信号的实时、准确与稳定在一定程度上决定调速器调节性能。

1 改进前工作水头测量方式

按照设计，龙口水电站水轮机工作水头是通过测取水轮机进口断面总能头与尾水管出口断面总能头后相减而得^[2]。工作水头信号计算公式为：

式中Z₁—蜗壳进口压力传感器受压中心高程，即Z₁=864.8+H₁，其中，H₁为水轮机层地面高程（864.8m）至压力传感器受压中心距离；

Z₂—尾水管出口压力传感器受压中心高程，即Z₂=848.75+H₂，其中，H₂为尾水管进人门地面高程（848.75 m）至传感器受压中心距离；

p₁/γ—蜗壳进口压力，量程为0~0.7 MPa, 其中，γ为传感器量程折算系数，可视实际使用情况而定；

p₂/γ—尾水管出口压力，量程为0~0.2 MPa；

α₁—蜗壳进口流速分布不均匀系数，取常数1.0；

α₂—尾水管出口流速分布不均匀系数，取常数1.0；

v₁—蜗壳进口流速；

v₂—尾水管出口流速；

g—当地重力加速度。

由于动水头计算部分（α₁v₁/2g-α₂v₂/2g）数值较小，在实际控制运算中常忽略不计。机组投产发电后，随着水库泥沙含量增多，各机组尾水出口压力和蜗壳进口压力测量管路被泥沙不同程度淤堵，部分管路甚至完全堵塞，各压力表计输出数据与实际压力值相差较大，该工作水头测量系统已不能为机组调速器提供准确、实时的净水头数据。

2 水头信号人工调整的弊端

长期以来，运行人员根据水库上下游水位值手动修改调速器侧水头值参与协联控制，无法满足调速系统对水头值的实时要求，且常在发现机组运行异常时才下发通知进行修改调整。人工调整方式虽然可以克服水位信号波动或故障情况下对机组稳定运行造成的影响，适当改善机组运行工况，但由于水头信号长期是人工固定值，不能及时反映机组实际工作水头变化，因此调速器不能及时按照设计的最优协联关系对导叶和桨叶进行协联调节，从而使机组长期偏离最优工况运行。与此同时，也会大大增加水轮机汽蚀和振动等现象的发生频率^[3]。手动设置水头值用于机组调节的方式既不安全又增加了工作量，与电站较高的自动化控制要求也极不相符。因此，对机组水头信号采集的改造工作十分必要^[4]。

3 水头信号采集改进方案

水头信号采集改进设计中，由机组拦污栅后水位和下游水位在机组LCU（现地控制单元）中相减得到水头值。其中，机组拦污栅后水位信号采集使用现有的机组LCU硬接线回路，电站下游水位取自全站公用LCU。机组LCU采用监控系统中的网络互取功能完成下游水位值实时调用，并参与水头信号运算，运算后的水头信号通过原有模拟量输出通道至调速器侧参与实时调节，水头信号数据流向如图 1所示。实施效果表明，上述机组工作水头信号采集方式具有零物质投入和易于实现的特点。

4 调速器侧自动水头处理

在上述水位及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，调速器现有控制程序中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^[5]。因此，为了避免对机组并网发电带来不利影响，应考虑调速器侧自动水头值采集时出现的各种故障情况，在控制程序中采取容错处理^[6]。

根据现场运行情况，在调速器PLC（可编程逻辑控制器）中新增自动水头信号处理程序，程序流程如图 2所示，新增程序具备以下功能。

4.1 水头信号上下限检测

监控侧提供的4~20 mA电流信号，对应水头变化范围0~50 m, 调速器侧取用其中23~37 m可用部分，如果超出该范围，置位水头信号故障标志。

4.2 水头信号变化率限制

在1 min内，自动水头信号的计算值变化量小于0.1 m或大于0.7 m时，该次计算数据无效；5 min内，有效的水头信号自动值保持不变。

4.3 手动水头信号设定值跟随

自动水头工况且无水头信号故障，手动水头信号跟随自动水头信号，如此可以做到水头信号故障时自动水头和手动水头信号的无扰切换。

4.4 水头信号故障标志上送监控

水头信号故障时，运行及检修人员通过监视仪表盘可及时发现故障并检查处理故障。

5 试验及分析

采用4~20 mA信号发生器，在调速器电气柜端子上模拟监控侧的水头信号，联机检查调速器自动水头信号计算及示值情况，部分测试数据分析如下。

5.1 自动水头信号死区试验

调速器自动水头信号单个计算周期内（1 min）自动水头计算值变化量小于0.1 m或大于0.7 m时，自动水头及人工水头信号仍维持前1个周期水头值，触摸屏显示不进行刷新。自动水头功能投入工况下现场校核记录如表 1所示。

5.2 自动水头越限试验

调速器有效水头范围为23~37 m, 当自动水头信号计算值超出该范围时，自动水头、人工水头信号保持前1个周期有效水头采集值，同时报出“水头故障”信号并上送监控，方便运维人员检查处理。水头信号越限试验结果见表 2。

5.3 自动水头信号断线功能试验

在自动水头运行模式下，水头信号断线时，程序会将前1个周期的水头信号自动值同时赋值给当前人工水头信号和自动水头信号，使其保持有效值不变，保证调速器稳定运行，同时报出“水头故障”信号并上送监控，方便运维人员检查处理。水头信号断线试验结果见表 3。

5.4 结论

以上试验结果表明，改进后机组水头信号采集和处理过程能够准确判断水头信号的异常突变及非正常缓慢变化，故障信号动作正确，能够做到手动、自动水头信号无扰切换。

6 结语

文中介绍了龙口水电站机组水头信号测量方式及存在的问题，提出利用监控系统通过网络互取方式完成水头信号采集的改进方案。并在调速器侧对信号的稳定性进行了必要的容错处理。试验及运行结果表明，该种处理方式可以有效应对数据丢失、死值、断线和波动较大的问题，进一步提高了机组自动化水平，解决了人工修改水头信号的繁琐以及人工修改水头信号对机组运行效率的影响，在一定程度上实现了节能目的，对同类水电厂调速器实现自动水头投入功能具有一定借鉴作用。