水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺的製作方法

2023-06-23 02:59:21

水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺的製作方法
【專利摘要】一種水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺，包括循環水系統(1)、勵磁同期保護系統(2)、調速控制系統(3)、變頻換相系統(4)、監控系統(5)、負荷系統(6)、量測系統(7)、模型機組系統(8)和模型水道系統(9)，在該平臺上可以進行大波動、小波動和水力幹擾等過渡過程及其他相關問題的試驗研究。其優點是：本發明集成度高，工作性能穩定可靠，操作簡易、控制精密，可有效的完成水電站過渡過程相關的各項基礎性與應用基礎性試驗。適用於大中小型常規模型水電站和模型抽水蓄能電站。
【專利說明】水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺

【技術領域】
[0001] 本發明涉及水電站模型試驗平臺，具體的說是一種水電站過渡過程整體物理模型 試驗平臺。

【背景技術】
[0002] 模型試驗和數值計算是開展科學研宄、工程應用必不可少的兩種相輔相成的研宄 手段。其中，模型試驗不僅能驗證理論分析和數值計算結果的可靠性和精確性，而且能觀 測、揭示物理現象的在內規律，促進理論分析和數值計算的發展。
[0003] 水電站引水發電系統過渡過程是流體、機械、電氣、甚至結構相互耦合的複雜的動 態過程。一方面，過渡過程理論和數值計算已完整地考慮了水機電聯合過渡過程共同作用； 另一方面，現有的將水、機、電分開研宄的方法及成果無法滿足各類輸水系統複雜布置的電 站（特別是：大型長輸水道地下式水電站、抽水蓄能電站）設計和運行的需要，所以需要開 展包含水力系統、機械系統和電氣系統的水電站過渡過程整體性物理模擬。


【發明內容】

[0004] 為了開展水電站過渡過程整體性物理模擬，需要構建相應的整體物理模型試驗平 臺，此平臺應由循環水系統、勵磁同期保護系統、調速控制系統、變頻換相系統、監控系統、 負荷系統、量測系統、模型機組系統、模型水道系統等子系統組成，並且監控系統和量測系 統均包含硬體和軟體兩部分、其他子系統僅包含硬體，然後方可在此平臺上進行大波動、小 波動和水力幹擾等過渡過程及其他相關問題的試驗研宄。
[0005] 為了達到上述的目的，水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺的構建必須解決兩 個層面的問題，S卩（1)模型相似律的推導，（2)模型水道機組、量測、控制、模擬負載等硬體 設備的研製與集成整合、軟體系統的開發。第一個層面的問題的研宄與應用實踐已比較成 熟，故本發明主要針對第二個層面，即水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺子系統的研 制及基於這些子系統的集成整合的試驗平臺的構建。
[0006] 本發明的目的是針對上述現狀設計一種水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺， 能夠開展與過渡過程相關的各種基礎性和應用基礎性試驗，並且試驗操作簡單、智能、方 便，試驗現象的觀察、記錄真實、全面、快速，數據的採集、分析高效、準確。
[0007] 一種水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺，包括循環水系統1、勵磁同期保護系 統2、調速控制系統3、變頻換相系統4、監控系統5、負荷系統6、量測系統7、模型機組系統 8和模型水道系統9 ;所述模型機組系統8在其蝸殼進口、尾水管出口處通過法蘭盤分別與 模型水道系統9的上遊引水管道21的末斷面、下遊尾水管道22的首斷面連接，構成模型引 水發電系統；模型水道系統9通過其進、出水口分別與循環水系統1的上、下遊水箱相連，實 現水流的整體循環；在模型引水發電系統上設有量測系統7的傳感器，所述傳感器通過信 號線經模擬通道與量測系統7的動態數據採集裝置相連；調速控制系統3通過接力器連接 模型機組系統8,用於控制模型機組系統8的導水機構運動；所述模型機組系統8的發電機 上設有測頻裝置，用於將信號引入監控系統5,同時監控系統5通過電信號的測量，與量測 系統7的上位機同時下達導水機構動作的指令，並由監控系統5的現地控制單元和調速控 制系統3聯合執行；勵磁同期保護系統2、變頻換相系統4、負荷系統6通過信號線與監控系 統5相連，受監控系統5的上位機的控制，實現模型機組負荷的增減、變頻換相、加勵磁與同 期併網。
[0008] 所述循環水系統1，包括蓄水池10、水泵11、供水管道12、回水渠道13、上遊水箱 14、下遊水箱141，所述供水管道12與蓄水池10相連通，供水管道12末端設有閥門和水泵 11 ;上遊水箱14、下遊水箱141的進水管15分別與供水管道12相連通，上遊水箱14、下遊 水箱141的出水管16分別與回水渠道13相連通；供水管道12與回水渠道13相連接處設 有排氣閥18 ;供水管道12上還設有電磁流量計19 ;所述水泵11、排氣閥18通過信號線引 入監控系統5,受監控系統5上位機的控制；電磁流量計19通過信號線引入量測系統7,由 量測系統7採集電磁流量計19測量的數據。
[0009] 所述勵磁同期保護系統2,包括模擬勵磁系統和模擬同期系統；前者由單片微機、 大規模集成電路、STD總線組成，後者的核心部件是單片微機；勵磁同期保護系統2連入監 控系統5,受監控系統5上位機的控制。
[0010] 所述調速控制系統3,包括BPLC-II型可編程調節器、數字油缸及接力器；BPLC-II型可編程調節器由PLC基本單元（FX2C-64MT)、A/D轉換單元（FX-4AD)、D/A轉換單元 (FX-2DA)、輸入擴展單元（FX-16EX)、數字測頻單元、功放單元、按鍵和顯示單元組成，生產 商為西門子公司；數字油缸用於液壓傳動壓力的傳遞、放大，並實現液壓油在油缸內部的循 環；接力器位於模型機組系統8處，用於控制導水機構的運動。
[0011] 所述變頻換相系統4,包括變頻器和換相裝置，兩個裝置分別在變頻和換向操作指 令下達時投入使用。
[0012] 所述監控系統5,包括上位機和現地控制單元；所述上位機為高性能計算機，現地 控制單元由機組現地控制單元、調速器電動球閥控制屏、微機勵磁屏、公用現地控制單元、 變頻控制屏、機組負載調節屏、負載功率屏、綜合負載屏、低壓配電屏組並列組成，上位機通 過數據線與現地控制單元連接，下達指令、現地控制單元執行。現地控制單元的生產商為武 漢電力科技開發有限公司。
[0013] 所述負荷系統6,包括負載系統、微機監控裝置、檢測裝置與報警裝置；所述負載 系統由電阻、電容、電感組成，負載系統的微機監控裝置一方面連接監控系統5的上位機， 另一方面連接負載系統，用於按指令控制負載系統的類型與大小；檢測裝置、報警裝置也與 負載系統相連。
[0014] 所述量測系統7,包括傳感器、動態數據採集裝置、上位機；所述上位機與動態數 據採集裝置連接，動態數據採集裝置通過信號線連接布置於模型機組系統8、模型水道系統 9和循環水系統1上的傳感器，採集傳感器測量到的模擬量信號。
[0015] 所述模型機組系統8,包括蝸殼、窄高型尾水管、轉輪、導水機構、同步發電機和水 輪機的聯軸器以及支架；模型蝸殼、窄高型尾水管、轉輪、導水機構構成模型水輪機，模型水 輪機與模型同步發電機通過水輪機的聯軸器相連組成模型水輪發電機組，模型水輪發電機 組最後由支架支撐、固定。
[0016] 所述模型水道系統9,包括模型進水口 20、模型上遊引水管道21、模型下遊尾水管 道22、模型出水口 23;所述模型進水口 20與循環水系統1的上遊水箱14相連，繼而模型 進水口 20連接模型上遊引水管道21-端，模型上遊引水管道21的另一端與模型機組系統 8的蝸殼進口斷面相連；模型下遊尾水管道22 -端與模型機組系統8的尾水管出口斷面相 連，另一端與模型出水口 23相連，繼而模型出水口 23與下遊水箱141相連通。
[0017] 所述傳感器，包括但不限於水位傳感器、壓力傳感器、行程傳感器、功率互感器、電 壓互感器和電流互感器。
[0018] 所述量測系統7,還包括系統結構模塊、系統參數設定模塊、數據採集模塊、數據顯 示模塊、數據分析模塊和數據處理模塊；
[0019] 所述系統結構模塊，用於匹配系統硬體通道和軟體通道；
[0020] 所述系統參數設定模塊，用於在系統結構模塊的參數確定後，確定每一通道的放 大倍數、偏移量、單位、採樣間隔和採樣長度；
[0021] 所述數據採集模塊，用於實現各被測物理量的實時在線監測和高速同步多通道的 數據採集；
[0022] 所述數據顯示模塊，用於顯示採樣數據的波形、光標讀數、標字；
[0023] 所述數據分析模塊，用於提供數學分析庫，包括自相關和互相關分析、回歸分析、 時域和頻域分析以及小波分析。
[0024] 所述數據處理模塊，用於對波形和數據進行裁減、移動或濾波處理。
[0025] 本發明一種水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺的優點是：本發明為開展水電 站水機電過渡過程模型試驗提供了硬體與軟體平臺。帶模型機組與模擬負荷系統的整體性 試驗將水電站過渡過程研宄向前推進了一大步，不僅試驗重複性好、其結果規律性強，如機 組調保參數隨導水機構關閉時間和關閉規律的變化，機組轉速升高、蝸殼最大動水壓力以 及尾水管最小動水壓力發生時間次序及其與導水機構關閉時間的關係等；而且能在一定精 度下，定量給出機組調保參數的大小，尤其是機組轉速升高值和尾水管進口最小動水壓力 (包括進口斷面最小動水壓力分布）。並且能進行小波動和水力幹擾試驗，正確地反映了水 輪機工作特性、調速器主要參數和引水發電管道系統水力特性的影響，為科學研宄、工程設 計、水電站運行提供了可參考的依據。此外與數值計算結果對比，為改進數學模型、提高數 值模擬精確性奠定了基礎。
[0026] 本發明集成度高，工作性能穩定可靠，操作簡易、控制精密，可有效的完成水電站 過渡過程相關的各項基礎性與應用基礎性試驗。適用於大中小型常規模型水電站和模型抽 水蓄能電站。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1為本發明的整體結構示意圖。
[0028] 圖2為循環水系統的結構示意圖。
[0029] 圖3為BPLC-II型可編程調節器硬體系統的結構示意框圖。
[0030]圖4為變頻換相系統異步電動機正、反轉接線圖。
[0031] 圖5為監控系統的結構示意框圖。
[0032] 圖6為量測系統的結構示意圖。
[0033] 圖7為量測系統的示意框圖。
[0034] 圖8為模型水道系統示意圖。

【具體實施方式】
[0035] 下面結合附圖，對本發明進行進一步說明。
[0036] 如圖1所示，一種水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺，由以下子系統組成：循 環水系統1、勵磁同期保護系統2、調速控制系統3、變頻換相系統4、監控系統5、負荷系統 6、量測系統7、模型機組系統8、模型水道系統9。模型機組系統8在其蝸殼進口和尾水管出 口處通過法蘭盤分別與模型水道系統9的上遊壓力引水管道的末斷面和下遊壓力尾水管 道的首斷面連接，構成模型引水發電系統；模型引水發電系統通過其上下遊進/出水口與 循環水系統1的上下遊水箱相連，實現水流的整體循環；在模型引水發電系統上布置各類 傳感器，將傳感器通過信號線經模擬通道引入量測系統7的硬體平臺：動態數據採集裝置； 再通過調速控制系統3的接力器將調速控制系統3引入模型引水發電系統，實現調速控制 系統3對模型機組系統的導水機構運動的控制；在模型發電機上布置測頻裝置，並將信號 引入監控系統5,同時監控系統5通過電流電壓等電信號的測量，與量測系統7的上位機一 起下達導水機構動作的指令，並由監控系統5的現地控制單元和調速控制系統3聯合執行； 勵磁同期保護系統2、變頻換相系統4、負荷系統6也通過信號線與監控系統5聯合，受監控 系統5的上位機的控制，實現模型機組負荷的增減、變頻換相、加勵磁與同期併網等功能。
[0037] (1)循環水系統
[0038] 主要設備包括蓄水池、水泵、供水管道、回水渠道、水箱、水箱進出水管、閥門、排氣 閥、電磁流量計、水泵現地控制單元及其他輔助設備等，結構布置如圖2所示。循環水系統 工作時，水泵現地控制單元啟動水泵，從蓄水池中抽水，將供水管道充滿水並形成一定的水 壓，再通過由供水管道引出的支管向水箱供水；供水管道及支管上的閥門可以用來調節進 入水箱的流量、電磁流量計用於實時監測流量、排氣閥則起到管道排氣及應急排水的作用； 水箱內安裝平水槽維持水位恆定，平水槽溢流而出的水通過水箱出水管/渠經消能後流入 回水渠道，最終流入蓄水池，完成循環。
[0039] (2)勵磁同期保護系統
[0040] 包括模擬勵磁系統和模擬同期系統。
[0041] 模擬勵磁系統：選用武漢水利電力大學電子設備廠研製的TDWLT-Ol微機勵磁調 節器。該調節器以美國INTEL公司的80C198單片微機為核心，輔以大規模集成電路，採用完 全雙通道技術、雙機混合工作模式、STD總線結構組成的新型勵磁調節裝置，具有完善的電 壓調節、電流調節、無功調節、功率因數調節模式，適用於不同電站的各種運行方式的需要； 具有PID、H)、PSS、EOC、NEOC等多種控制規律，以滿足系統穩定的需要；具有完善的保護控 制功能，配置有斷線保護、過勵限制、頂值限制、低勵限制、欠勵限制、V/F限制、誤強勵保護、 空載過壓保護等；具有可設定的調差係數，保證發電機間無功分配。
[0042] 模擬同期系統：選用武漢水利電力大學電子設備廠研製的CZT-A型微機自動準同 期裝置。該裝置以美國INTEL公司的80C196單片微機為核心，充分利用微機的運算和判斷 功能，根據同期過程的頻差、相角差數學模型進行調節和控制，大大縮短了併網時間，使發 電機能快速準確地併入電網。從而兼有自同期的快速和準同期的併網無衝擊的雙重優越 性。
[0043] (3)調速控制系統
[0044] 採用發明人研製的BPLC-II型可編程數字缸調速器，該調速器由BPLC-II型可編 程調節器、數字油缸和接力器組成。
[0045]接力器。水輪機導水機構傳動系統中的動力部件，是調速器的執行機構。由單個 直缸和活塞組成的結構，簡稱為直缸接力器。當水輪機負荷發生變化時，由調速器主配壓閥 控制的壓力油進入接力器的油缸推動接力器活塞；當活塞移動時，通過推拉杆轉動控制環； 控制環再通過連杆、轉臂達到控制導水機構的目的。
[0046] 數字油缸。數字油缸集中了現有液壓技術的所有功能，它能直接接受專用數字控 制器、計算機及可編程控制器（PLC)發出的數字脈衝信號而可靠工作，脈衝頻率代表速度， 脈衝總數代表行程，一一對應。數字缸只需接通液壓油源（如果輸出力在1-2噸以下不需 外接油源），不需任何其它液壓閥件和傳感器，所有的功能都通過調節器直接設定，把傳統 液壓控制中複雜的閥口控制技術徹底的改變為直接給定的電子控制技術。
[0047]BPLC-II型可編程調節器：BPLC型可編程微機調節器是在原PLC-I和PLC-II型可 編程微機調節器的基礎上，經改進完善後新推出的可編程微機調節器。它除了保留原PC-I 和PC-II型結構簡單、工作安全可靠、性能優良等特點外，還靈活配置了多種調節功能（頻 率調節、開度調節、功率調節等）和數字電氣手動，並實現了軟體數字測頻。同時，智能化程 度也更高，對頻率斷線、反饋斷線、電源消失和調節器故障的容錯和保護功能更強。因此運 行方式更加靈活，調節穩定性、可靠性更好。硬體系統組成結構見圖3。
[0048] BPLC-II型可編程微機調節器採用日本三菱公司的FX2N系列PLC基本單元及相應 的專用模塊組成，調節器全部採用模塊化結構，大大提高了系統的可靠性。該調節器可與數 字油缸組成一套完整的可編程數字缸調速器，用於控制各種不同型式的水輪發電機組。它 有以下基本功能：
[0049] 按頻率（即轉速）變化，實現PID控制；
[0050]按功率設定（或按開度設定），實現PI調節；
[0051] 設有數字電氣手動控制，數字電氣手動與自動方式之間實行雙向自動跟蹤，可實 現兩種方式間的無擾動切換；
[0052] 可實現機組啟動後自動跟蹤網頻或頻率設定值（在網頻消失時或人為設定情況 下），並實現最佳啟動過程控制和快速準同期；
[0053] 併網後自動投入人工死區，可使調頻機組穩定運行；
[0054] 可按水頭自動整定空載開度變化和限制最大出力運行。
[0055] 該調節器有如下特點：
[0056] 設有網頻斷線容錯功能。當機組在自動跟蹤網頻方式啟動時，若網頻消失或斷線， 調節器能自動切至頻率給定調節方式（50. 00ΗΖ)，並保證機組正常開機併網同時給出報警 信號。
[0057] 設有機頻斷線容錯功能。無論是空載還是併網運行，當出現機組頻率斷線（或消 失）時，調節器都能自動判別，並給出報警信號，同時，分別採用不同容錯方式：併網時，取 網頻作為機頻；空載時，先自動限制機組開度為空載值，再切至數字電氣手動控制。
[0058] 設有反饋斷線容錯功能，發電運行時，若反饋斷線，則可保證機組運行工況基本不 變，並給出報警信號。
[0059] 設有工作電源消失容錯功能，當交直流工作電源全部消失時，可保證機組負荷不 變，並在工作電源恢復時，能自動恢復自動調節功能。
[0060] 設有調節器故障時自動轉液壓手動控制功能。運行中當自診斷出調節器故障時， 能自動切換至機械手動，並給出報警信號。
[0061] BPLC-II型可編程數字缸調速器：由BPLC-II型可編程調節器和數字油缸組合即 構成BPLC-II型可編程數字缸調速器。調速器數字油缸和水輪機導水機構控制機構連接， 即可實現對水輪發電機組轉速和負荷的控制。其機械部分無需任何液壓元件，只需恆壓油 源，接通壓力油口和回油口即可構成任何功能的液壓系統，它完全是數位訊號控制，重複性 好。
[0062] (4)變頻換相系統
[0063] 主要設備包括變頻器和換相裝置（針對水泵水輪機組）等。
[0064] 模型水泵水輪機組兼具抽水和發電的功能，及兼做發電機和電動機。這就要求模 型水泵水輪機組可以根據需要實現轉子的反向轉動。
[0065] 三相異步電動機的旋轉方向與其旋轉磁場的轉向相同，因此，只要改變改變旋轉 磁場的旋轉方向，就能使異步電機反轉，亦即改變電動機的相序。具體操作時只要將接到定 子繞組的三根電源線中的任意兩根對調即可。如圖4所示。
[0066] (5)監控系統
[0067] 監控系統採用閉環控制方式對試驗平臺所有設備（包括水輪發電機組、調速器、 勵磁調節器、同期裝置、負載系統、閘閥等）進行控制、監測、事故處理、數據處理等。採取開 放式環境下的全分布式計算機監控，在功能上分為兩級，即上位機系統和現地控制單元系 統，並由主控系統軟體實現上位機和現地控制單元的操控。
[0068] 上位機系統。上位機系統是計算機監控系統的核心，負責監控試驗平臺所有設備 的運行、操作，提供良好的人機聯繫手段，是系統的決策控制層，具有集中控制、操作、監測、 在線及離線修改參數值、仿真及開發軟體功能。系統設置有主控系統軟體。
[0069] 主控系統軟體採用模塊化的設計，系統結構參數全部採用變量的形式。軟體包含 指令模塊和數據處理。具有以下主要功能：
[0070] 1、完成各種操作：開、停機組，工況的轉換，斷路器的合閘、跳閘操作，量測系統的 控制保護，有功、無功控制；
[0071] 2、具有記憶操作人員、操作時間、操作名稱和操作結果的功能；
[0072] 3、畫面功能：顯示系統配置圖，主接線圖，單元機組接線圖，重要設備接線圖，油、 氣、水接線圖，電量參數列表，非電量列表，電量棒形圖，事故和故障報警畫面。全部畫面動 態更新；
[0073] 4、報警功能：具有故障報警，事故報警，異常報警等功能。報警時自動彈出報警畫 面，記錄報警時的報警名稱、報警值、報警時間；
[0074] 5、具有所有機組年月日時歷史數據包括電量參數、非電量參數、運行工況、操作時 間、操作結果、故障、事故的存儲、查詢功能；
[0075] 6、能根據設定對負荷模擬屏進行控制（需相應的接口標準）；
[0076] 7、能根據設定對量測系統進行控制（需相應的接口標準）；
[0077] 8、具有自動定時生成運行報表功能；
[0078] 9、可顯示各種設備工作狀態；
[0079] 10、具有通信監視功能，當通信出現異常時可自動報警。
[0080] 現地控制單元。本發明中的監控系統為每臺模型機組各設置一個現地控制單元 (LCU)。各現地控制單元直接完成生產過程（包括過渡過程）的實時數據採集及預處理，單 元狀態監視、調控，以及與上位機的通信聯絡等功能。
[0081] 現地控制單元IXU按不同控制對象分別布置，並通過網絡與上位機系統相聯。計 算機監控系統通過LCU實現對全水電站所有機組的監控，各LCU完成各自的管理。
[0082] 現地控制單元由可編程控制器（PLC)和工控機構成。PLC負責機組的數據監測與 控制，採集機組運行參數及設備狀態信息，實現自動順控、工況轉換、功率調節等功能。工控 機實現資料庫和功能的分布，負責接受現地控制層和電量採集單元的數據，轉發主控層下 傳的操作控制命令，組織數據上網，並可以實現現地控制。
[0083] 機組現地自動操作控制功能由可編程控制器構成的機組順控裝置（PLC)來實現。 正常時PLC作為機組現地控制單元（IXU)的一部分，與微機勵磁調節器和微機調速器一同 接受由上位機或中控室運行人員通過計算機鍵盤手動發出的命令，通過執行機構對機組實 行控制和調節；各LCU都帶有工控機作為現地人機聯繫的手段或開機順序模擬操作面板和 一鍵操作手段，可脫離計算機網絡系統獨立運行，亦可以實現機組分步手動操作，與微機勵 磁調節器和微機調速器一道實現機組的開停機控制和功率調節。
[0084] 另外，由於IXU各部分可獨立運行，即使工控機故障，機組仍可由順控PLC實現開 停機。LCU具有當地監控功能，並設有人機聯繫界面，可脫離主控級計算機系統獨立運行， LCU的硬體與軟體功能是模塊化、標準化的。
[0085] 需要監視的模擬量、狀態量及事故、故障信號等以現場總線通信方式或繼電器空 接電的方式送進計算機監控系統。
[0086] 由於實驗室試驗對象和目的與實際水電站有所差別，所以在培訓工作站內，利用 PLC模擬各種實驗室沒有的信號，使系統更接近真實環境。
[0087] 每臺機組控制量為：
[0088] (1)輸出控制量：調速器開機令，調速器停機令，調速器增有功，調速器減有功，調 速器緊急停機令，同期令，勵磁投入令，勵磁停止令，勵磁增無功，勵磁減無功，跳斷路器，備 用指示燈，開機令燈，停機令燈，斷路器合指示燈，斷路器分指示燈，緊急停機令燈，尾水控 制1，尾水控制2,量測系統控制1。
[0089] (2)輸入開關量：斷路器位置，緊急停機令，關機令，事故復歸，開機令，勵磁故障 信號，同期故障信號，調速器故障信號，尾水狀態信號，上遊水位控制信號，量測系統狀態信 號。
[0090] 監控系統的設計：
[0091] 監控系統配置圖如圖5,計算機監控系統從功能上分為兩級：主控級和單元控制 級。
[0092] 主控級：由計算機及中控室有關設備組成，是實時監控中心，負責自動化處理。
[0093] 計算機監控系統的中心是一套主/從切換計算機系統，處理水電站的控制。監 視、數據處理等。主機所使用的系統為WinNT多任務，開放式系統，編程環境為Boland C++Builder5.5。
[0094] 通信用於與控制系統及其他計算機系統。監控系統也可設置若干遠程終端，用於 隨時了解水電站內主要設備的運行狀態及技術參數。21英寸彩色監視器放置在中控室控制 臺，實驗人員能隨時監視。系統配置兩臺高速雷射印表機，可定時列印或召喚列印報表、事 故及各種報警等。
[0095] 單元控制級：每一個控制單元將完成實時數據採集及單元狀態監視、調整和控制， 與上位機通信等功能。
[0096] 機組自動控制功能由可編程控制器（PLC)構成的機組順序控制來實現。當機組正 常以全自動方式運行時，PLC接受上位機或運行人員發出的命令，通過執行機構對機組進行 控制和調整。由於PLC可獨立於上位機運行，即使上位機故障，機組也可由PLC通過手動控 制實現開停機及其他的控制。
[0097] (6)負荷系統
[0098] 根據水電站過渡過程科學研宄和工程應用的需要，電氣負載模擬系統應具有以下 主要功能：
[0099] 1、發電機的有功負荷和無功負荷均可自動調節，有功負荷P=O?12kW，最小調整 量：0.lkW，無功負荷Q= 0?12kVAR，最小調整量：0. 05kVAR。
[0100] 2、功率因數能在0. 7?0. 95範圍內調整，最小調整量0. 1，誤差不超過0. 05。
[0101] 3、負載變化時，利用自動控制可使功率因數同步補償。
[0102] 4、某臺機組跳閘甩負荷時，能同步切除所帶的負荷。
[0103] 5、每臺機均能手動和自動併入孤立電網或無窮大電網，且能手動和自動同步投切 有功負荷和無功負荷，也可手動和自動單獨投切有功負荷或無功負荷。
[0104] 6、整個負載系統可實現微機監控。
[0105] 7、兩極母線均設有相應的測量表計，自動記錄各電量參數的變化，並對每臺發電 機配備了反方向供電和過電壓的聲光報警裝置。
[0106] 根據對負荷的調整與控制要求，以如下設計例說明設計方案：
[0107] 有功負荷P的調整：每臺機的每一相電阻負載均有7個電阻組成，分別為1444Ω， 722Ω，361Ω，180. 5Ω，90. 25Ω，45. 125Ω，22. 5625Ω，代表的功率分別為 〇· 1/3KW， 0. 2/3KW, 0. 4/3KW, 0. 8/3KW,I. 6/3KW, 3. 2/3KW, 6. 4/3KW。每個電阻均設有相應的投切開關。
[0108] 無功負荷Q或功率因數coscp的調整：每相均有一組由2個電感L、8個電 容C組成的無功負荷Q調整系統，每個L或C均設有相應的投切開關，其中電感Ll=40mH、L2 = 35mH(L2 為Ll的抽頭）；8 個電容C分另Ij為IyF、2yF、4yF、8yF、 16μΡ、32μΡ、64μΡ、128μΡ。根據預定的有功負荷P和相應的功率因數cos，利用公式

【權利要求】
1. 一種水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺，其特徵在於：包括循環水系統（1)、勵 磁同期保護系統（2)、調速控制系統（3)、變頻換相系統（4)、監控系統（5)、負荷系統（6)、量 測系統（7)、模型機組系統（8)和模型水道系統（9);所述模型機組系統（8)在其蝸殼進口、 尾水管出口處通過法蘭盤分別與模型水道系統（9)的上遊引水管道（21)的末斷面、下遊尾 水管道（22)的首斷面連接，構成模型引水發電系統；模型水道系統（9)通過其進、出水口分 別與循環水系統（1)的上、下遊水箱相連，實現水流的整體循環；在模型引水發電系統上設 有量測系統（7)的傳感器，所述傳感器通過信號線經模擬通道與量測系統（7)的動態數據 採集裝置相連；調速控制系統（3)通過接力器連接模型機組系統（8)，用於控制模型機組系 統（8)的導水機構運動；所述模型機組系統（8)的發電機上設有測頻裝置，用於將信號引入 監控系統（5)，同時監控系統（5)通過電信號的測量，與量測系統（7)的上位機同時下達導 水機構動作的指令，並由監控系統（5)的現地控制單元和調速控制系統（3)聯合執行；勵磁 同期保護系統（2)、變頻換相系統（4)、負荷系統（6)通過信號線與監控系統（5)相連，受監 控系統（5)的上位機的控制，實現模型機組負荷的增減、變頻換相、加勵磁與同期併網； 所述循環水系統（1)，包括蓄水池（10)、水泵（11)、供水管道（12)、回水渠道（13)、上遊 水箱（14)、下遊水箱（141)，所述供水管道（12)與蓄水池（10)相連通，供水管道（12)末端 設有閥門和水泵（11);上遊水箱（14)、下遊水箱（141)的進水管（15)分別與供水管道（12) 相連通，上遊水箱（14)、下遊水箱（141)的出水管（16)分別與回水渠道（13)相連通；供水 管道（12)與回水渠道（13)相連接處設有排氣閥（18);供水管道（12)上還設有電磁流量 計（19);所述水泵（11)、排氣閥（18)通過信號線引入監控系統（5)，受監控系統（5)上位 機的控制；電磁流量計（19)通過信號線引入量測系統（7)，由量測系統（7)採集電磁流量 計（19)測量的數據； 所述量測系統（7)，包括傳感器、動態數據採集裝置、上位機；所述上位機與動態數據 採集裝置連接，動態數據採集裝置通過信號線連接布置於模型機組系統（8)、模型水道系統 (9)和循環水系統（1)上的傳感器，採集傳感器測量到的模擬量信號； 所述模型水道系統（9)，包括模型進水口（20)、模型上遊引水管道（21)、模型下遊尾水 管道（22)、模型出水口（23);所述模型進水口（20)與循環水系統（1)的上遊水箱（14)相 連，繼而模型進水口（20)連接模型上遊引水管道（21) -端，模型上遊引水管道（21)的另 一端與模型機組系統（8)的蝸殼進口斷面相連；模型下遊尾水管道（22) -端與模型機組系 統（8)的尾水管出口斷面相連，另一端與模型出水口（23)相連，繼而模型出水口（23)與下 遊水箱（141)相連通。
2. 如權利要求1所述的水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺，其特徵在於：所述勵 磁同期保護系統（2)，包括模擬勵磁系統和模擬同期系統；勵磁同期保護系統（2)連入監控 系統（5)，受監控系統（5)上位機的控制。
3. 如權利要求1所述的水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺，其特徵在於：所述調 速控制系統（3)，包括BPLC- II型可編程調節器、數字油缸及接力器；BPLC- II型可編程調節 器由PLC基本單元、A/D轉換單元、D/A轉換單元、輸入擴展單元、數字測頻單元、功放單元、 按鍵和顯示單元組成；數字油缸用於液壓傳動壓力的傳遞、放大，並實現液壓油在油缸內部 的循環；接力器位於模型機組系統（8)處，用於控制導水機構的運動。
4. 如權利要求1所述的水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺，其特徵在於：所述變 頻換相系統（4)，包括變頻器和換相裝置，兩個裝置分別在變頻和換向操作指令下達時投入 使用。
5. 如權利要求1所述的水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺，其特徵在於：所述監 控系統（5)，包括上位機和現地控制單元；所述上位機為高性能計算機，現地控制單元由機 組現地控制單元、調速器電動球閥控制屏、微機勵磁屏、公用現地控制單元、變頻控制屏、機 組負載調節屏、負載功率屏、綜合負載屏、低壓配電屏組並列組成，上位機通過數據線與現 地控制單元連接，下達指令、現地控制單元執行。
6. 如權利要求1所述的水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺，其特徵在於：所述負 荷系統（6)，包括負載系統、微機監控裝置、檢測裝置與報警裝置；所述負載系統由電阻、電 容、電感組成，負載系統的微機監控裝置一方面連接監控系統（5)的上位機，另一方面連接 負載系統，用於按指令控制負載系統的類型與大小；檢測裝置、報警裝置也與負載系統相 連。
7. 如權利要求1所述的水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺，其特徵在於：所述模 型機組系統（8)，包括蝸殼、窄高型尾水管、轉輪、導水機構、同步發電機和水輪機的聯軸器 以及支架；模型蝸殼、窄高型尾水管、轉輪、導水機構構成模型水輪機，模型水輪機與模型同 步發電機通過水輪機的聯軸器相連組成模型水輪發電機組，模型水輪發電機組由支架支撐 固定。
8. 如權利要求1所述的水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺，其特徵在於：所述量 測系統（7)的傳感器，包括但不限於水位傳感器、壓力傳感器、行程傳感器、功率互感器、電 壓互感器和電流互感器。
9. 如權利要求1所述的水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺，其特徵在於：所述量 測系統（7)，還包括系統結構模塊、系統參數設定模塊、數據採集模塊、數據顯示模塊、數據 分析模塊和數據處理模塊； 所述系統結構模塊，用於匹配系統硬體通道和軟體通道； 所述系統參數設定模塊，用於在系統結構模塊的參數確定後，確定每一通道的放大倍 數、偏移量、單位、採樣間隔和採樣長度； 所述數據採集模塊，用於實現各被測物理量的實時在線監測和高速同步多通道的數據 米集； 所述數據顯示模塊，用於顯示採樣數據的波形、光標讀數、標字； 所述數據分析模塊，用於提供數學分析庫，包括自相關和互相關分析、回歸分析、時域 和頻域分析以及小波分析； 所述數據處理模塊，用於對波形和數據進行裁減、移動或濾波處理。
【文檔編號】G01M99/00GK104458316SQ201410854028
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月31日 優先權日:2014年12月31日
【發明者】楊建東, 郭文成, 王學武, 曾威, 李進平, 王炳豹, 張新春, 王超, 楊桀彬, 李玲, 陳捷平 申請人:武漢大學