水轮机流量的监测设计
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10 000，m_1 = 槡100 × 10 000 /16 × m = 250 m。 对有功功率和水头运用除法指令 DIV 得 m_2，
数据 类 型 INT。 因 P 比 例 为 0 ～ 25 MW /0 ～ 20 mA /0 ～ 10 000 = 0 ～ 25 MW /0 ～ 10 000，H 比例为 0 ～ 25 m /4 ～ 20 mA /0 ～ 10 000 = 0 ～ 25 m /0 ～ 10 000，则 m_2 = 100 × P / H。
上重新调校各种水力参数，增设计算流量补充措施，建立有效的流量运算公式，充分利用机组现地控制屏 PLC 和通用监
控系统（ MCGS） 触摸屏进行模拟量采集、运算和监测等程序设计，最终实现了水轮机流量的实时监测。
关键词：可编程控制器； 差压传感器； 流量； 模拟量； 监视与控制通用系统
中图分类号：TK 733 + ． 8
对压 差 信 号 Δp 运 用 比 较 语 句 COMPARE： 当 Δp ﹤ 0 时，m_0 取值为 1。 4． 2． 2 网络通信
PLC 和 MCGS 接入生产专用局域网，分配同网 段的相对应 IP 地址，MCGS 设置指向 PLC 地址。
进入主程序 MAST，在 LAD 子程序段 DATA 上， 运用赋值语句 OPERATE 将模拟量 m_1 和 m_2 赋 值到指定的寄存器地址； 运用转换指令 BIT _ TO _ WORD 将状态量 m_0 转换为 WORD。 4． 3 MCGS 数据处理和结果显示
下降 4． 05
7． 78 11． 96 16． 02 20． 00
3． 2 原有数据测量 综合自动化改造前做流量函数关系测量。在改
造前，开机运行，当时上游水位为 113． 0 m，下游水位 为 97． 4 m，有效水头为 15． 2 m。通过不断增加负 荷，测得的差压、流量值见表 2。
表 2 流量函数关系测量结果
新增数据对象 qV，qVj ，建立相应通道连接，分别 读取状态量 m_0 和模拟量 m_1，m_2 。
通道处理： qV = K1 × m_1 + b，
K1 = 54． 56 /250，b = － 1． 20； qVj = K2 × m_2，
K2 = 110． 87 /100 = 1． 108 7。 流量显示程序： ！ bittest （ ） 为 检 查 开 关 型 数 据 是 否 为 1 的 函数。 IF ！ bittest（ ） 即 m_0 = 1 THEN 模拟量： 流量值 qVj显示； 同时报警画面： 测流故 障报警
图 2 流量监测流程框图
·12·
华电技术
第 33 卷
内，经计算得出机组瞬时流量； 改造后差压传感器采 用二线制将 4 ～ 20 mA 电流信号经无源隔离变送器 接入 PLC 模拟量输入模块。
（ 5） A /D 转换。变送输出的直流电流信号经光 电隔离后，接入 PLC 模拟量输入模块，通过 A / D 转 换器转换成计算机可处理的数字量。Premium PLC 的模拟量输入模块型号为 TSX AEY 1600，有 16 路 模拟量输入，将 4 ～ 20 mA 或 0 ～ 20 mA 转换为 0 ～ 10 000 的工程量。 4． 2 PLC 程序运算和通信 4． 2． 1 PLC 程序运算
设 K2 = 1 000 / （ 9． 8 × η） = 1 000 / （ 9． 8 × 93． 96% × 97． 95% ） = 110． 87，则计算流量 qVj = 1 000P / （ 9． 8 × H × η） = K2 × P / H = 110． 87 × P / H 。
3 流量传感器的校验及原有数据测量
收稿日期：2011 － 06 － 15
Δp，根据压差 Δp 与流量 qV 的关系式 qV = K 槡Δp 计 算出水轮机的流量。其中，参数 K 为管形壳流量系 数，一般可预先通过绝对效率试验（ 如流速仪法、水 锤法等） 来确定。 2． 1 增加计算流量补充措施的意义
水轮机流量不仅是机组运行的重要水力参数， 而且是现代电力调度的重要依据。湖南省南津渡水 电站流量传感器正压测流管设在发电机灯泡头竖井 上，受到水的冲击，容易阻塞，当测量流量出现零点 漂移或差压传感器的正压管堵塞时，发出测流故障 报警并自动切换到计算流量，以确保流量监测的持 续性。 2． 2 流量计算公式
水电站出力的大小（ 机组有功功率） 取决于机 组流量和有效水头，可用以下公式表达
P = 9． 8qVHη， 式中： P 为有功功率，kW； H 为有效水头，m； η 为水 轮发电机组的综合效率。
当 P 单位为 MW 时，P = 9． 8qVHη /1 000，其综 合效率 η = ηjηd = 93． 96% × 97． 95% ≈92． 03% 。
文献标志码：B
文章编号：1674 － 1951（2011）10 － 0010 － 03
1 湖南省南津渡水电站机组监控系统概况
湖南省南津渡水电站建于 20 世纪 90 年代初， 装有 3 台从奥地利 ELIN 公司引进的单机容量 20 MW 的 灯 泡 贯 流 式 水 轮 发 电 机 组，设 计 水 头 H = 14． 5 m、设 计 流 量 qV = 156． 14 m3 / s、水 轮 机 效 率 ηj = 93． 96% 、发电机效率 ηd = 97． 95% 。机组的控 制采用了当时较先进的奥地利 ELIN 公司逻辑复式 连接器（ LMC） 控制系统。
2008 年该机组进行了综合自动化改造，改为国 电南京自动化股份有限公司的机组现地控制单元， 采用法国施奈德电气公司 Unity Pro 编程的 Premium 可编程控制器（ PLC） 和北京昆仑通态自动化软件科 技有限公司的通用监控系统 （ MCGS） 嵌 入 式 触 摸 屏，PLC 设备具有网络通信接口，与 MCGS 嵌入式触 摸屏和中控室主控级计算机通信。原来机组流量测 量算法被固化在 LMC 控制系统内，无法复制，现必 须在 PLC 中实现流量测量。
进入主程序 MAST，增加 LAD 子程序段 Q。因 开方和除法结果会取整数，为避免产生运算误差，先 对压差信号 Δp 和有功功率 P 分别运用乘法指令 MUL 得 Δp × 100 和 P × 100。
对压差信号 100Δp 运用开方运算指令 SQRT 得 m_ 1，数 据 类 型 INT。 因 比 例 为 4 ～ 20 mA /0 ～
参考文献：
［1］吴作明． 工控组态软件与 PLC 应用技术［M］． 北京： 北京 航空航天大学出版社，2007．
［2］刘大恺． 水轮机［M］． 北京： 中国水利水电出版社，1997． ［3］何小波． 水轮机过机流量测量分析［J］． 华电技术，2011，
33 （ 6） ： 35 － 36． ［4］沈祖诒． 水轮机调节［M］． 3 版． 北京： 中国水利水电出版
第 10 期
邓耀坤： 水轮机流量的监测设计
·11·
线性，还要在传感器内部调整其线性补偿。校验结 果见表 1。
表 1 差压传感器的校验结果
项目
0 kPa
不同量程的输出电流 / mA 10 kPa 20 kPa 30 kPa
40 kPa
上升 3． 98
7． 72 11． 88 15． 95 20． 00
0． 693 0． 943 1． 265 1． 612 1． 947 2． 696
因压差 Δp 的平方根与流量 qV 成正比，而流量 传感器量程为 0 ～ 40 kPa /4 ～ 20 mA，则流量传感器 输出电流 （ I － 4） mA 的平方根与流量 qV 成正比。 作图得 qV = K1 × m + b = 54． 56 m － 1． 20，其中斜率 K1 = 54． 56，常数项 b = － 1． 20。流量函数关系图如 图 1 所示。
社，1998． ［5］魏守平． 现代水轮机调节技术［M］． 武汉： 华中科技大学
2 水轮机流量监测原理
湖南省南津渡水电站水轮机流量采用差压法进 行测量，差压法是测量通过水轮机水流量的一种简 单、实用的方法，是运行水电站最常用的一种流量测 量方法。
湖南省南津渡水电站安装的是灯泡贯流式水轮 发电机组，具有一定流速的水流流经流道时，由于外 管形壳呈喇叭状，在管形壳水流方向前、后 2 点断面 处截面积不同，水流流速也不同，使得管形壳前、后 2 点产生压力差，因此，通过测量管形壳前、后 2 点 的压力差就可以测定通过水轮机流量的相对值。即 用压差传 感 器 测 出 管 形 壳 前、后 测 流 断 面 的 压 差
流量传感器是量程为 0 ～ 40 kPa，4 ～ 20 mA 的 差压传感器，工作电源为 10 ～ 30 V DC。 3． 1 差压传感器的校验
先将差压传感器拆下，使其正压端接在压力表 校验台上，在无压状态下调整零位电位器，使输出电 流为 4 mA； 再加压到 40 kPa，调整满刻度电位器，使 输出电流为 20 mA。通过反复调整零位电位器和满 刻 度电位器来校准差压传感器，若发现测量值不呈
负荷 / MW 流量 / （ m3 ·s － 1 ） 压差输出 / mA 压差平方根 m
3． 5
25． 6
4． 28
0． 529
5． 0 7． 5 10． 0 12． 5 15． 0 20． 0
35． 9 51． 8 67． 7 86． 1 106． 1 145． 6
4． 48 4． 89 5． 60 6． 60 7． 79 11． 27
ELSE 模拟量： 流量值 qV 显示 ENDIF 4． 4 上位机流量监测
同理，位于中央控制窒的主控电脑也可获取状 态量Fra Baidu bibliotekm_0 和模拟量 m_1，m_2 ，经过数据处理后，在 上位机显示机组流量； 还可以通过网络通信上传流 量值到调度中心，最终实现远程监控。
5 结束语
湖南省南津渡水电站水轮机流量监测设计经过 多次现场试验和模拟，在 PLC 等监控软件上不断修 正了各比例参数，能较好地解决综合自动化改造后 的机组流量测量，具有即时性、准确性和持续性等优 点。在电力自动化技术迅速发展的今天，随着 PLC 及工控组态软件在水电站普遍运用，用 PLC 监控系 统实现水轮机流量的实时监测，无疑是水电站流量 监测的发展方向。
4 流量监测设计
4． 1 流量监测流程 流量监测系统由模拟量采样及 A /D（ 模 /数） 转
图 1 流量与压差平方根函数关系图
换、PLC 程序运算和通信、MCGS 数据处理和结果显 示等 3 大块构成，流程框图如图 2 所示。
模拟量采样及 A /D 转换。 （ 1） 模拟量采样。连续变化的物理量称为模拟 量，水轮机流量测量需要采集的模拟量有发电机有 功功率、外管形壳前 / 后 2 点压力差、上游水位和下 游水位。这些物理量的测量是通过传感器（ 或者说 变送器） 将其转换为 0 ～ 20 mA 或 4 ～ 20 mA 直流电 流信号。 （ 2） 有功功率变送器测量量程为 0 ～ 25 MW，对应 输出 0 ～ 20 mA； 上游水位传感器测量量程为 110 ～ 120 m，对应输出 4 ～ 20 mA； 下游水位传感器测量量程 为 95 ～ 115 m，对应输出 4 ～ 20 mA。以上变送器都要 按规程定期校验，上、下游水位传感器因安装在发电 厂外，传输线路长，需加装防雷模块隔离。有功功率 变送器也要用隔离变压器与强电隔离。 （ 3） 有效水头 H 获得。上、下游水位量输入调 速器，调速 器 参 考 拦 污 栅 等 水 头 损 耗，得 出 有 效 水 头。有效水头 H 测量量程为 0 ～ 25 m，对应输出 4 ～ 20 mA。 （ 4） 原流量差压传感器采用三线制接法将压差 转 换 为 4 ～ 20 mA 电 流 信 号 输 入 到 LMC 控 制 系 统
第 33 卷 第 10 期 2011 年 10 月
华电技术 Huadian Technology
Vol． 33 No． 10 Oct． 2011
水轮机流量的监测设计
邓耀坤
（ 湖南省南津渡水电站，湖南 永州 425100）
摘 要：湖南省南津渡水电站灯泡贯流式水轮发电机组改用可编程控制器（ PLC） 监控系统后，在原有差压法测流的基础
数据 类 型 INT。 因 P 比 例 为 0 ～ 25 MW /0 ～ 20 mA /0 ～ 10 000 = 0 ～ 25 MW /0 ～ 10 000，H 比例为 0 ～ 25 m /4 ～ 20 mA /0 ～ 10 000 = 0 ～ 25 m /0 ～ 10 000，则 m_2 = 100 × P / H。
上重新调校各种水力参数，增设计算流量补充措施，建立有效的流量运算公式，充分利用机组现地控制屏 PLC 和通用监
控系统（ MCGS） 触摸屏进行模拟量采集、运算和监测等程序设计，最终实现了水轮机流量的实时监测。
关键词：可编程控制器； 差压传感器； 流量； 模拟量； 监视与控制通用系统
中图分类号：TK 733 + ． 8
对压 差 信 号 Δp 运 用 比 较 语 句 COMPARE： 当 Δp ﹤ 0 时，m_0 取值为 1。 4． 2． 2 网络通信
PLC 和 MCGS 接入生产专用局域网，分配同网 段的相对应 IP 地址，MCGS 设置指向 PLC 地址。
进入主程序 MAST，在 LAD 子程序段 DATA 上， 运用赋值语句 OPERATE 将模拟量 m_1 和 m_2 赋 值到指定的寄存器地址； 运用转换指令 BIT _ TO _ WORD 将状态量 m_0 转换为 WORD。 4． 3 MCGS 数据处理和结果显示
下降 4． 05
7． 78 11． 96 16． 02 20． 00
3． 2 原有数据测量 综合自动化改造前做流量函数关系测量。在改
造前，开机运行，当时上游水位为 113． 0 m，下游水位 为 97． 4 m，有效水头为 15． 2 m。通过不断增加负 荷，测得的差压、流量值见表 2。
表 2 流量函数关系测量结果
新增数据对象 qV，qVj ，建立相应通道连接，分别 读取状态量 m_0 和模拟量 m_1，m_2 。
通道处理： qV = K1 × m_1 + b，
K1 = 54． 56 /250，b = － 1． 20； qVj = K2 × m_2，
K2 = 110． 87 /100 = 1． 108 7。 流量显示程序： ！ bittest （ ） 为 检 查 开 关 型 数 据 是 否 为 1 的 函数。 IF ！ bittest（ ） 即 m_0 = 1 THEN 模拟量： 流量值 qVj显示； 同时报警画面： 测流故 障报警
图 2 流量监测流程框图
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华电技术
第 33 卷
内，经计算得出机组瞬时流量； 改造后差压传感器采 用二线制将 4 ～ 20 mA 电流信号经无源隔离变送器 接入 PLC 模拟量输入模块。
（ 5） A /D 转换。变送输出的直流电流信号经光 电隔离后，接入 PLC 模拟量输入模块，通过 A / D 转 换器转换成计算机可处理的数字量。Premium PLC 的模拟量输入模块型号为 TSX AEY 1600，有 16 路 模拟量输入，将 4 ～ 20 mA 或 0 ～ 20 mA 转换为 0 ～ 10 000 的工程量。 4． 2 PLC 程序运算和通信 4． 2． 1 PLC 程序运算
设 K2 = 1 000 / （ 9． 8 × η） = 1 000 / （ 9． 8 × 93． 96% × 97． 95% ） = 110． 87，则计算流量 qVj = 1 000P / （ 9． 8 × H × η） = K2 × P / H = 110． 87 × P / H 。
3 流量传感器的校验及原有数据测量
收稿日期：2011 － 06 － 15
Δp，根据压差 Δp 与流量 qV 的关系式 qV = K 槡Δp 计 算出水轮机的流量。其中，参数 K 为管形壳流量系 数，一般可预先通过绝对效率试验（ 如流速仪法、水 锤法等） 来确定。 2． 1 增加计算流量补充措施的意义
水轮机流量不仅是机组运行的重要水力参数， 而且是现代电力调度的重要依据。湖南省南津渡水 电站流量传感器正压测流管设在发电机灯泡头竖井 上，受到水的冲击，容易阻塞，当测量流量出现零点 漂移或差压传感器的正压管堵塞时，发出测流故障 报警并自动切换到计算流量，以确保流量监测的持 续性。 2． 2 流量计算公式
水电站出力的大小（ 机组有功功率） 取决于机 组流量和有效水头，可用以下公式表达
P = 9． 8qVHη， 式中： P 为有功功率，kW； H 为有效水头，m； η 为水 轮发电机组的综合效率。
当 P 单位为 MW 时，P = 9． 8qVHη /1 000，其综 合效率 η = ηjηd = 93． 96% × 97． 95% ≈92． 03% 。
文献标志码：B
文章编号：1674 － 1951（2011）10 － 0010 － 03
1 湖南省南津渡水电站机组监控系统概况
湖南省南津渡水电站建于 20 世纪 90 年代初， 装有 3 台从奥地利 ELIN 公司引进的单机容量 20 MW 的 灯 泡 贯 流 式 水 轮 发 电 机 组，设 计 水 头 H = 14． 5 m、设 计 流 量 qV = 156． 14 m3 / s、水 轮 机 效 率 ηj = 93． 96% 、发电机效率 ηd = 97． 95% 。机组的控 制采用了当时较先进的奥地利 ELIN 公司逻辑复式 连接器（ LMC） 控制系统。
2008 年该机组进行了综合自动化改造，改为国 电南京自动化股份有限公司的机组现地控制单元， 采用法国施奈德电气公司 Unity Pro 编程的 Premium 可编程控制器（ PLC） 和北京昆仑通态自动化软件科 技有限公司的通用监控系统 （ MCGS） 嵌 入 式 触 摸 屏，PLC 设备具有网络通信接口，与 MCGS 嵌入式触 摸屏和中控室主控级计算机通信。原来机组流量测 量算法被固化在 LMC 控制系统内，无法复制，现必 须在 PLC 中实现流量测量。
进入主程序 MAST，增加 LAD 子程序段 Q。因 开方和除法结果会取整数，为避免产生运算误差，先 对压差信号 Δp 和有功功率 P 分别运用乘法指令 MUL 得 Δp × 100 和 P × 100。
对压差信号 100Δp 运用开方运算指令 SQRT 得 m_ 1，数 据 类 型 INT。 因 比 例 为 4 ～ 20 mA /0 ～
参考文献：
［1］吴作明． 工控组态软件与 PLC 应用技术［M］． 北京： 北京 航空航天大学出版社，2007．
［2］刘大恺． 水轮机［M］． 北京： 中国水利水电出版社，1997． ［3］何小波． 水轮机过机流量测量分析［J］． 华电技术，2011，
33 （ 6） ： 35 － 36． ［4］沈祖诒． 水轮机调节［M］． 3 版． 北京： 中国水利水电出版
第 10 期
邓耀坤： 水轮机流量的监测设计
·11·
线性，还要在传感器内部调整其线性补偿。校验结 果见表 1。
表 1 差压传感器的校验结果
项目
0 kPa
不同量程的输出电流 / mA 10 kPa 20 kPa 30 kPa
40 kPa
上升 3． 98
7． 72 11． 88 15． 95 20． 00
0． 693 0． 943 1． 265 1． 612 1． 947 2． 696
因压差 Δp 的平方根与流量 qV 成正比，而流量 传感器量程为 0 ～ 40 kPa /4 ～ 20 mA，则流量传感器 输出电流 （ I － 4） mA 的平方根与流量 qV 成正比。 作图得 qV = K1 × m + b = 54． 56 m － 1． 20，其中斜率 K1 = 54． 56，常数项 b = － 1． 20。流量函数关系图如 图 1 所示。
社，1998． ［5］魏守平． 现代水轮机调节技术［M］． 武汉： 华中科技大学
2 水轮机流量监测原理
湖南省南津渡水电站水轮机流量采用差压法进 行测量，差压法是测量通过水轮机水流量的一种简 单、实用的方法，是运行水电站最常用的一种流量测 量方法。
湖南省南津渡水电站安装的是灯泡贯流式水轮 发电机组，具有一定流速的水流流经流道时，由于外 管形壳呈喇叭状，在管形壳水流方向前、后 2 点断面 处截面积不同，水流流速也不同，使得管形壳前、后 2 点产生压力差，因此，通过测量管形壳前、后 2 点 的压力差就可以测定通过水轮机流量的相对值。即 用压差传 感 器 测 出 管 形 壳 前、后 测 流 断 面 的 压 差
流量传感器是量程为 0 ～ 40 kPa，4 ～ 20 mA 的 差压传感器，工作电源为 10 ～ 30 V DC。 3． 1 差压传感器的校验
先将差压传感器拆下，使其正压端接在压力表 校验台上，在无压状态下调整零位电位器，使输出电 流为 4 mA； 再加压到 40 kPa，调整满刻度电位器，使 输出电流为 20 mA。通过反复调整零位电位器和满 刻 度电位器来校准差压传感器，若发现测量值不呈
负荷 / MW 流量 / （ m3 ·s － 1 ） 压差输出 / mA 压差平方根 m
3． 5
25． 6
4． 28
0． 529
5． 0 7． 5 10． 0 12． 5 15． 0 20． 0
35． 9 51． 8 67． 7 86． 1 106． 1 145． 6
4． 48 4． 89 5． 60 6． 60 7． 79 11． 27
ELSE 模拟量： 流量值 qV 显示 ENDIF 4． 4 上位机流量监测
同理，位于中央控制窒的主控电脑也可获取状 态量Fra Baidu bibliotekm_0 和模拟量 m_1，m_2 ，经过数据处理后，在 上位机显示机组流量； 还可以通过网络通信上传流 量值到调度中心，最终实现远程监控。
5 结束语
湖南省南津渡水电站水轮机流量监测设计经过 多次现场试验和模拟，在 PLC 等监控软件上不断修 正了各比例参数，能较好地解决综合自动化改造后 的机组流量测量，具有即时性、准确性和持续性等优 点。在电力自动化技术迅速发展的今天，随着 PLC 及工控组态软件在水电站普遍运用，用 PLC 监控系 统实现水轮机流量的实时监测，无疑是水电站流量 监测的发展方向。
4 流量监测设计
4． 1 流量监测流程 流量监测系统由模拟量采样及 A /D（ 模 /数） 转
图 1 流量与压差平方根函数关系图
换、PLC 程序运算和通信、MCGS 数据处理和结果显 示等 3 大块构成，流程框图如图 2 所示。
模拟量采样及 A /D 转换。 （ 1） 模拟量采样。连续变化的物理量称为模拟 量，水轮机流量测量需要采集的模拟量有发电机有 功功率、外管形壳前 / 后 2 点压力差、上游水位和下 游水位。这些物理量的测量是通过传感器（ 或者说 变送器） 将其转换为 0 ～ 20 mA 或 4 ～ 20 mA 直流电 流信号。 （ 2） 有功功率变送器测量量程为 0 ～ 25 MW，对应 输出 0 ～ 20 mA； 上游水位传感器测量量程为 110 ～ 120 m，对应输出 4 ～ 20 mA； 下游水位传感器测量量程 为 95 ～ 115 m，对应输出 4 ～ 20 mA。以上变送器都要 按规程定期校验，上、下游水位传感器因安装在发电 厂外，传输线路长，需加装防雷模块隔离。有功功率 变送器也要用隔离变压器与强电隔离。 （ 3） 有效水头 H 获得。上、下游水位量输入调 速器，调速 器 参 考 拦 污 栅 等 水 头 损 耗，得 出 有 效 水 头。有效水头 H 测量量程为 0 ～ 25 m，对应输出 4 ～ 20 mA。 （ 4） 原流量差压传感器采用三线制接法将压差 转 换 为 4 ～ 20 mA 电 流 信 号 输 入 到 LMC 控 制 系 统
第 33 卷 第 10 期 2011 年 10 月
华电技术 Huadian Technology
Vol． 33 No． 10 Oct． 2011
水轮机流量的监测设计
邓耀坤
（ 湖南省南津渡水电站，湖南 永州 425100）
摘 要：湖南省南津渡水电站灯泡贯流式水轮发电机组改用可编程控制器（ PLC） 监控系统后，在原有差压法测流的基础