CN104458316A - 水电站过渡过程整体物理模型试验平台 - Google Patents

Abstract

一种水电站过渡过程整体物理模型试验平台，包括循环水系统(1)、励磁同期保护系统(2)、调速控制系统(3)、变频换相系统(4)、监控系统(5)、负荷系统(6)、量测系统(7)、模型机组系统(8)和模型水道系统(9)，在该平台上可以进行大波动、小波动和水力干扰等过渡过程及其他相关问题的试验研究。其优点是：本发明集成度高，工作性能稳定可靠，操作简易、控制精密，可有效的完成水电站过渡过程相关的各项基础性与应用基础性试验。适用于大中小型常规模型水电站和模型抽水蓄能电站。

Description

水电站过渡过程整体物理模型试验平台

技术领域

本发明涉及水电站模型试验平台，具体的说是一种水电站过渡过程整体物理模型试验平台。

背景技术

模型试验和数值计算是开展科学研究、工程应用必不可少的两种相辅相成的研究手段。其中，模型试验不仅能验证理论分析和数值计算结果的可靠性和精确性，而且能观测、揭示物理现象的在内规律，促进理论分析和数值计算的发展。

水电站引水发电系统过渡过程是流体、机械、电气、甚至结构相互耦合的复杂的动态过程。一方面，过渡过程理论和数值计算已完整地考虑了水机电联合过渡过程共同作用；另一方面，现有的将水、机、电分开研究的方法及成果无法满足各类输水系统复杂布置的电站(特别是：大型长输水道地下式水电站、抽水蓄能电站)设计和运行的需要，所以需要开展包含水力系统、机械系统和电气系统的水电站过渡过程整体性物理模拟。

发明内容

为了开展水电站过渡过程整体性物理模拟，需要构建相应的整体物理模型试验平台，此平台应由循环水系统、励磁同期保护系统、调速控制系统、变频换相系统、监控系统、负荷系统、量测系统、模型机组系统、模型水道系统等子系统组成，并且监控系统和量测系统均包含硬件和软件两部分、其他子系统仅包含硬件，然后方可在此平台上进行大波动、小波动和水力干扰等过渡过程及其他相关问题的试验研究。

为了达到上述的目的，水电站过渡过程整体物理模型试验平台的构建必须解决两个层面的问题，即(1)模型相似律的推导，(2)模型水道机组、量测、控制、模拟负载等硬件设备的研制与集成整合、软件系统的开发。第一个层面的问题的研究与应用实践已比较成熟，故本发明主要针对第二个层面，即水电站过渡过程整体物理模型试验平台子系统的研制及基于这些子系统的集成整合的试验平台的构建。

本发明的目的是针对上述现状设计一种水电站过渡过程整体物理模型试验平台，能够开展与过渡过程相关的各种基础性和应用基础性试验，并且试验操作简单、智能、方便，试验现象的观察、记录真实、全面、快速，数据的采集、分析高效、准确。

一种水电站过渡过程整体物理模型试验平台，包括循环水系统1、励磁同期保护系统2、调速控制系统3、变频换相系统4、监控系统5、负荷系统6、量测系统7、模型机组系统8和模型水道系统9；所述模型机组系统8在其蜗壳进口、尾水管出口处通过法兰盘分别与模型水道系统9的上游引水管道21的末断面、下游尾水管道22的首断面连接，构成模型引水发电系统；模型水道系统9通过其进、出水口分别与循环水系统1的上、下游水箱相连，实现水流的整体循环；在模型引水发电系统上设有量测系统7的传感器，所述传感器通过信号线经模拟通道与量测系统7的动态数据采集装置相连；调速控制系统3通过接力器连接模型机组系统8，用于控制模型机组系统8的导水机构运动；所述模型机组系统8的发电机上设有测频装置，用于将信号引入监控系统5，同时监控系统5通过电信号的测量，与量测系统7的上位机同时下达导水机构动作的指令，并由监控系统5的现地控制单元和调速控制系统3联合执行；励磁同期保护系统2、变频换相系统4、负荷系统6通过信号线与监控系统5相连，受监控系统5的上位机的控制，实现模型机组负荷的增减、变频换相、加励磁与同期并网。

所述循环水系统1，包括蓄水池10、水泵11、供水管道12、回水渠道13、上游水箱14、下游水箱141，所述供水管道12与蓄水池10相连通，供水管道12末端设有阀门和水泵11；上游水箱14、下游水箱141的进水管15分别与供水管道12相连通，上游水箱14、下游水箱141的出水管16分别与回水渠道13相连通；供水管道12与回水渠道13相连接处设有排气阀18；供水管道12上还设有电磁流量计19；所述水泵11、排气阀18通过信号线引入监控系统5，受监控系统5上位机的控制；电磁流量计19通过信号线引入量测系统7，由量测系统7采集电磁流量计19测量的数据。

所述励磁同期保护系统2，包括模拟励磁系统和模拟同期系统；前者由单片微机、大规模集成电路、STD总线组成，后者的核心部件是单片微机；励磁同期保护系统2连入监控系统5，受监控系统5上位机的控制。

所述调速控制系统3，包括BPLC-Ⅱ型可编程调节器、数字油缸及接力器；BPLC-Ⅱ型可编程调节器由PLC基本单元(FX2C-64MT)、A/D转换单元(FX-4AD)、D/A转换单元(FX-2DA)、输入扩展单元(FX-16EX)、数字测频单元、功放单元、按键和显示单元组成，生产商为西门子公司；数字油缸用于液压传动压力的传递、放大，并实现液压油在油缸内部的循环；接力器位于模型机组系统8处，用于控制导水机构的运动。

所述变频换相系统4，包括变频器和换相装置，两个装置分别在变频和换向操作指令下达时投入使用。

所述监控系统5，包括上位机和现地控制单元；所述上位机为高性能计算机，现地控制单元由机组现地控制单元、调速器电动球阀控制屏、微机励磁屏、公用现地控制单元、变频控制屏、机组负载调节屏、负载功率屏、综合负载屏、低压配电屏组并列组成，上位机通过数据线与现地控制单元连接，下达指令、现地控制单元执行。现地控制单元的生产商为武汉电力科技开发有限公司。

所述负荷系统6，包括负载系统、微机监控装置、检测装置与报警装置；所述负载系统由电阻、电容、电感组成，负载系统的微机监控装置一方面连接监控系统5的上位机，另一方面连接负载系统，用于按指令控制负载系统的类型与大小；检测装置、报警装置也与负载系统相连。

所述量测系统7，包括传感器、动态数据采集装置、上位机；所述上位机与动态数据采集装置连接，动态数据采集装置通过信号线连接布置于模型机组系统8、模型水道系统9和循环水系统1上的传感器，采集传感器测量到的模拟量信号。

所述模型机组系统8，包括蜗壳、窄高型尾水管、转轮、导水机构、同步发电机和水轮机的联轴器以及支架；模型蜗壳、窄高型尾水管、转轮、导水机构构成模型水轮机，模型水轮机与模型同步发电机通过水轮机的联轴器相连组成模型水轮发电机组，模型水轮发电机组最后由支架支撑、固定。

所述模型水道系统9，包括模型进水口20、模型上游引水管道21、模型下游尾水管道22、模型出水口23；所述模型进水口20与循环水系统1的上游水箱14相连，继而模型进水口20连接模型上游引水管道21一端，模型上游引水管道21的另一端与模型机组系统8的蜗壳进口断面相连；模型下游尾水管道22一端与模型机组系统8的尾水管出口断面相连，另一端与模型出水口23相连，继而模型出水口23与下游水箱141相连通。

所述传感器，包括但不限于水位传感器、压力传感器、行程传感器、功率互感器、电压互感器和电流互感器。

所述量测系统7，还包括系统结构模块、系统参数设定模块、数据采集模块、数据显示模块、数据分析模块和数据处理模块；

所述系统结构模块，用于匹配系统硬件通道和软件通道；

所述系统参数设定模块，用于在系统结构模块的参数确定后，确定每一通道的放大倍数、偏移量、单位、采样间隔和采样长度；

所述数据采集模块，用于实现各被测物理量的实时在线监测和高速同步多通道的数据采集；

所述数据显示模块，用于显示采样数据的波形、光标读数、标字；

所述数据分析模块，用于提供数学分析库,包括自相关和互相关分析、回归分析、时域和频域分析以及小波分析。

所述数据处理模块，用于对波形和数据进行裁减、移动或滤波处理。

本发明一种水电站过渡过程整体物理模型试验平台的优点是：本发明为开展水电站水机电过渡过程模型试验提供了硬件与软件平台。带模型机组与模拟负荷系统的整体性试验将水电站过渡过程研究向前推进了一大步，不仅试验重复性好、其结果规律性强，如机组调保参数随导水机构关闭时间和关闭规律的变化，机组转速升高、蜗壳最大动水压力以及尾水管最小动水压力发生时间次序及其与导水机构关闭时间的关系等；而且能在一定精度下，定量给出机组调保参数的大小，尤其是机组转速升高值和尾水管进口最小动水压力(包括进口断面最小动水压力分布)。并且能进行小波动和水力干扰试验，正确地反映了水轮机工作特性、调速器主要参数和引水发电管道系统水力特性的影响，为科学研究、工程设计、水电站运行提供了可参考的依据。此外与数值计算结果对比，为改进数学模型、提高数值模拟精确性奠定了基础。

本发明集成度高，工作性能稳定可靠，操作简易、控制精密，可有效的完成水电站过渡过程相关的各项基础性与应用基础性试验。适用于大中小型常规模型水电站和模型抽水蓄能电站。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为循环水系统的结构示意图。

图3为BPLC-Ⅱ型可编程调节器硬件系统的结构示意框图。

图4为变频换相系统异步电动机正、反转接线图。

图5为监控系统的结构示意框图。

图6为量测系统的结构示意图。

图7为量测系统的示意框图。

图8为模型水道系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步说明。

如图1所示，一种水电站过渡过程整体物理模型试验平台，由以下子系统组成：循环水系统1、励磁同期保护系统2、调速控制系统3、变频换相系统4、监控系统5、负荷系统6、量测系统7、模型机组系统8、模型水道系统9。模型机组系统8在其蜗壳进口和尾水管出口处通过法兰盘分别与模型水道系统9的上游压力引水管道的末断面和下游压力尾水管道的首断面连接，构成模型引水发电系统；模型引水发电系统通过其上下游进/出水口与循环水系统1的上下游水箱相连，实现水流的整体循环；在模型引水发电系统上布置各类传感器，将传感器通过信号线经模拟通道引入量测系统7的硬件平台：动态数据采集装置；再通过调速控制系统3的接力器将调速控制系统3引入模型引水发电系统，实现调速控制系统3对模型机组系统的导水机构运动的控制；在模型发电机上布置测频装置，并将信号引入监控系统5，同时监控系统5通过电流电压等电信号的测量，与量测系统7的上位机一起下达导水机构动作的指令，并由监控系统5的现地控制单元和调速控制系统3联合执行；励磁同期保护系统2、变频换相系统4、负荷系统6也通过信号线与监控系统5联合，受监控系统5的上位机的控制，实现模型机组负荷的增减、变频换相、加励磁与同期并网等功能。

(1)循环水系统

主要设备包括蓄水池、水泵、供水管道、回水渠道、水箱、水箱进出水管、阀门、排气阀、电磁流量计、水泵现地控制单元及其他辅助设备等，结构布置如图2所示。循环水系统工作时，水泵现地控制单元启动水泵，从蓄水池中抽水，将供水管道充满水并形成一定的水压，再通过由供水管道引出的支管向水箱供水；供水管道及支管上的阀门可以用来调节进入水箱的流量、电磁流量计用于实时监测流量、排气阀则起到管道排气及应急排水的作用；水箱内安装平水槽维持水位恒定，平水槽溢流而出的水通过水箱出水管/渠经消能后流入回水渠道，最终流入蓄水池，完成循环。

(2)励磁同期保护系统

包括模拟励磁系统和模拟同期系统。

模拟励磁系统：选用武汉水利电力大学电子设备厂研制的TDWLT-01微机励磁调节器。该调节器以美国INTEL公司的80C198单片微机为核心，辅以大规模集成电路，采用完全双通道技术、双机混合工作模式、STD总线结构组成的新型励磁调节装置，具有完善的电压调节、电流调节、无功调节、功率因数调节模式，适用于不同电站的各种运行方式的需要；具有PID、PD、PSS、EOC、NEOC等多种控制规律，以满足系统稳定的需要；具有完善的保护控制功能，配置有断线保护、过励限制、顶值限制、低励限制、欠励限制、V/F限制、误强励保护、空载过压保护等；具有可设定的调差系数，保证发电机间无功分配。

模拟同期系统：选用武汉水利电力大学电子设备厂研制的CZT-A型微机自动准同期装置。该装置以美国INTEL公司的80C196单片微机为核心，充分利用微机的运算和判断功能，根据同期过程的频差、相角差数学模型进行调节和控制，大大缩短了并网时间，使发电机能快速准确地并入电网。从而兼有自同期的快速和准同期的并网无冲击的双重优越性。

(3)调速控制系统

采用发明人研制的BPLC-Ⅱ型可编程数字缸调速器，该调速器由BPLC-Ⅱ型可编程调节器、数字油缸和接力器组成。

接力器。水轮机导水机构传动系统中的动力部件，是调速器的执行机构。由单个直缸和活塞组成的结构，简称为直缸接力器。当水轮机负荷发生变化时，由调速器主配压阀控制的压力油进入接力器的油缸推动接力器活塞；当活塞移动时，通过推拉杆转动控制环；控制环再通过连杆、转臂达到控制导水机构的目的。

数字油缸。数字油缸集中了现有液压技术的所有功能，它能直接接受专用数字控制器、计算机及可编程控制器(PLC)发出的数字脉冲信号而可靠工作，脉冲频率代表速度，脉冲总数代表行程，一一对应。数字缸只需接通液压油源(如果输出力在1-2吨以下不需外接油源)，不需任何其它液压阀件和传感器，所有的功能都通过调节器直接设定，把传统液压控制中复杂的阀口控制技术彻底的改变为直接给定的电子控制技术。

BPLC-Ⅱ型可编程调节器：BPLC型可编程微机调节器是在原PLC-I和PLC-II型可编程微机调节器的基础上，经改进完善后新推出的可编程微机调节器。它除了保留原PC-I和PC-II型结构简单、工作安全可靠、性能优良等特点外，还灵活配置了多种调节功能(频率调节、开度调节、功率调节等)和数字电气手动，并实现了软件数字测频。同时，智能化程度也更高，对频率断线、反馈断线、电源消失和调节器故障的容错和保护功能更强。因此运行方式更加灵活，调节稳定性、可靠性更好。硬件系统组成结构见图3。

BPLC-Ⅱ型可编程微机调节器采用日本三菱公司的FX2N系列PLC基本单元及相应的专用模块组成，调节器全部采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性。该调节器可与数字油缸组成一套完整的可编程数字缸调速器，用于控制各种不同型式的水轮发电机组。它有以下基本功能：

按频率(即转速)变化，实现PID控制；

按功率设定(或按开度设定)，实现PI调节；

设有数字电气手动控制，数字电气手动与自动方式之间实行双向自动跟踪，可实现两种方式间的无扰动切换；

可实现机组启动后自动跟踪网频或频率设定值(在网频消失时或人为设定情况下)，并实现最佳启动过程控制和快速准同期；

并网后自动投入人工死区，可使调频机组稳定运行；

可按水头自动整定空载开度变化和限制最大出力运行。

该调节器有如下特点：

设有网频断线容错功能。当机组在自动跟踪网频方式启动时，若网频消失或断线，调节器能自动切至频率给定调节方式(50.00HZ)，并保证机组正常开机并网同时给出报警信号。

设有机频断线容错功能。无论是空载还是并网运行，当出现机组频率断线(或消失)时，调节器都能自动判别，并给出报警信号，同时，分别采用不同容错方式：并网时，取网频作为机频；空载时，先自动限制机组开度为空载值，再切至数字电气手动控制。

设有反馈断线容错功能，发电运行时，若反馈断线，则可保证机组运行工况基本不变，并给出报警信号。

设有工作电源消失容错功能，当交直流工作电源全部消失时，可保证机组负荷不变，并在工作电源恢复时，能自动恢复自动调节功能。

设有调节器故障时自动转液压手动控制功能。运行中当自诊断出调节器故障时，能自动切换至机械手动，并给出报警信号。

BPLC-Ⅱ型可编程数字缸调速器：由BPLC-Ⅱ型可编程调节器和数字油缸组合即构成BPLC-Ⅱ型可编程数字缸调速器。调速器数字油缸和水轮机导水机构控制机构连接，即可实现对水轮发电机组转速和负荷的控制。其机械部分无需任何液压元件，只需恒压油源，接通压力油口和回油口即可构成任何功能的液压系统，它完全是数字信号控制，重复性好。

(4)变频换相系统

主要设备包括变频器和换相装置(针对水泵水轮机组)等。

模型水泵水轮机组兼具抽水和发电的功能，及兼做发电机和电动机。这就要求模型水泵水轮机组可以根据需要实现转子的反向转动。

三相异步电动机的旋转方向与其旋转磁场的转向相同，因此，只要改变改变旋转磁场的旋转方向，就能使异步电机反转，亦即改变电动机的相序。具体操作时只要将接到定子绕组的三根电源线中的任意两根对调即可。如图4所示。

(5)监控系统

监控系统采用闭环控制方式对试验平台所有设备(包括水轮发电机组、调速器、励磁调节器、同期装置、负载系统、闸阀等)进行控制、监测、事故处理、数据处理等。采取开放式环境下的全分布式计算机监控，在功能上分为两级，即上位机系统和现地控制单元系统，并由主控系统软件实现上位机和现地控制单元的操控。

上位机系统。上位机系统是计算机监控系统的核心，负责监控试验平台所有设备的运行、操作，提供良好的人机联系手段，是系统的决策控制层，具有集中控制、操作、监测、在线及离线修改参数值、仿真及开发软件功能。系统设置有主控系统软件。

主控系统软件采用模块化的设计，系统结构参数全部采用变量的形式。软件包含指令模块和数据处理。具有以下主要功能：

1、完成各种操作：开、停机组，工况的转换，断路器的合闸、跳闸操作，量测系统的控制保护，有功、无功控制；

2、具有记忆操作人员、操作时间、操作名称和操作结果的功能；

3、画面功能：显示系统配置图，主接线图，单元机组接线图，重要设备接线图，油、气、水接线图，电量参数列表，非电量列表，电量棒形图，事故和故障报警画面。全部画面动态更新；

4、报警功能：具有故障报警，事故报警，异常报警等功能。报警时自动弹出报警画面，记录报警时的报警名称、报警值、报警时间；

5、具有所有机组年月日时历史数据包括电量参数、非电量参数、运行工况、操作时间、操作结果、故障、事故的存储、查询功能；

6、能根据设定对负荷模拟屏进行控制(需相应的接口标准)；

7、能根据设定对量测系统进行控制(需相应的接口标准)；

8、具有自动定时生成运行报表功能；

9、可显示各种设备工作状态；

10、具有通信监视功能，当通信出现异常时可自动报警。

现地控制单元。本发明中的监控系统为每台模型机组各设置一个现地控制单元(LCU)。各现地控制单元直接完成生产过程(包括过渡过程)的实时数据采集及预处理，单元状态监视、调控，以及与上位机的通信联络等功能。

现地控制单元LCU按不同控制对象分别布置，并通过网络与上位机系统相联。计算机监控系统通过LCU实现对全水电站所有机组的监控，各LCU完成各自的管理。

现地控制单元由可编程控制器(PLC)和工控机构成。PLC负责机组的数据监测与控制，采集机组运行参数及设备状态信息，实现自动顺控、工况转换、功率调节等功能。工控机实现数据库和功能的分布，负责接受现地控制层和电量采集单元的数据，转发主控层下传的操作控制命令，组织数据上网，并可以实现现地控制。

机组现地自动操作控制功能由可编程控制器构成的机组顺控装置(PLC)来实现。正常时PLC作为机组现地控制单元(LCU)的一部分，与微机励磁调节器和微机调速器一同接受由上位机或中控室运行人员通过计算机键盘手动发出的命令，通过执行机构对机组实行控制和调节；各LCU都带有工控机作为现地人机联系的手段或开机顺序模拟操作面板和一键操作手段，可脱离计算机网络系统独立运行，亦可以实现机组分步手动操作，与微机励磁调节器和微机调速器一道实现机组的开停机控制和功率调节。

另外，由于LCU各部分可独立运行，即使工控机故障，机组仍可由顺控PLC实现开停机。LCU具有当地监控功能，并设有人机联系界面，可脱离主控级计算机系统独立运行，LCU的硬件与软件功能是模块化、标准化的。

需要监视的模拟量、状态量及事故、故障信号等以现场总线通信方式或继电器空接电的方式送进计算机监控系统。

由于实验室试验对象和目的与实际水电站有所差别，所以在培训工作站内，利用PLC模拟各种实验室没有的信号，使系统更接近真实环境。

每台机组控制量为：

(1)输出控制量：调速器开机令，调速器停机令，调速器增有功，调速器减有功，调速器紧急停机令，同期令，励磁投入令，励磁停止令，励磁增无功，励磁减无功，跳断路器，备用指示灯，开机令灯，停机令灯，断路器合指示灯，断路器分指示灯，紧急停机令灯，尾水控制1，尾水控制2，量测系统控制1。

(2)输入开关量：断路器位置，紧急停机令，关机令，事故复归，开机令，励磁故障信号，同期故障信号，调速器故障信号，尾水状态信号，上游水位控制信号，量测系统状态信号。

监控系统的设计：

监控系统配置图如图5，计算机监控系统从功能上分为两级：主控级和单元控制级。

主控级：由计算机及中控室有关设备组成，是实时监控中心，负责自动化处理。

计算机监控系统的中心是一套主/从切换计算机系统，处理水电站的控制。监视、数据处理等。主机所使用的系统为WinNT多任务，开放式系统，编程环境为Boland C++Builder5.5。

通信用于与控制系统及其他计算机系统。监控系统也可设置若干远程终端，用于随时了解水电站内主要设备的运行状态及技术参数。21英寸彩色监视器放置在中控室控制台，实验人员能随时监视。系统配置两台高速激光打印机，可定时打印或召唤打印报表、事故及各种报警等。

单元控制级：每一个控制单元将完成实时数据采集及单元状态监视、调整和控制，与上位机通信等功能。

机组自动控制功能由可编程控制器(PLC)构成的机组顺序控制来实现。当机组正常以全自动方式运行时，PLC接受上位机或运行人员发出的命令，通过执行机构对机组进行控制和调整。由于PLC可独立于上位机运行，即使上位机故障，机组也可由PLC通过手动控制实现开停机及其他的控制。

(6)负荷系统

根据水电站过渡过程科学研究和工程应用的需要，电气负载模拟系统应具有以下主要功能：

1、发电机的有功负荷和无功负荷均可自动调节，有功负荷P＝0～12kW，最小调整量：0.1kW，无功负荷Q＝0～12kVAR，最小调整量：0.05kVAR。

2、功率因数能在0.7～0.95范围内调整，最小调整量0.1，误差不超过0.05。

3、负载变化时，利用自动控制可使功率因数同步补偿。

4、某台机组跳闸甩负荷时，能同步切除所带的负荷。

5、每台机均能手动和自动并入孤立电网或无穷大电网，且能手动和自动同步投切有功负荷和无功负荷，也可手动和自动单独投切有功负荷或无功负荷。

6、整个负载系统可实现微机监控。

7、两极母线均设有相应的测量表计，自动记录各电量参数的变化，并对每台发电机配备了反方向供电和过电压的声光报警装置。

根据对负荷的调整与控制要求，以如下设计例说明设计方案：

有功负荷P的调整：每台机的每一相电阻负载均有7个电阻组成，分别为1444Ω，722Ω，361Ω,180.5Ω,90.25Ω,45.125Ω,22.5625Ω,代表的功率分别为0.1/3KW，0.2/3KW,0.4/3KW,0.8/3KW,1.6/3KW,3.2/3KW,6.4/3KW。每个电阻均设有相应的投切开关。

无功负荷Q或功率因数的调整：每相均有一组由2个电感L、8个电容C组成的无功负荷Q调整系统，每个L或C均设有相应的投切开关，其中电感L1＝40mH、L2＝35mH(L2为L1的抽头)；8个电容C分别为1μF、2μF、4μF、8μF、16μF、32μF、64μF、128μF。根据预定的有功负荷P和相应的功率因数cos，利用公式求出C，然后通过C的投切开关实现无功负荷Q的调整，(电感L的预置由有功负荷P和功率因数决定，当且P＝11.4～12kW时，L取35mH；其他情况下L均取40mH)。

功率因数的同步调整：根据P、和相应的L，计算出C后，通过它们的控制开关，利用自控装置实现P、Q状态的同步切换，从而实现P和的同步调整。

单机甩负荷时同步切除相应负荷：为实现某台机甩负荷时，能够同步切除相应的负荷，本设计采用以下方案：根据每台发电机的出力预置好它本身的负载系统，当该机甩负荷时，可通过联动开关(如1TG可联动21DZ)切除该机相应的负荷系统。

负载系统的微机监控：本设计为负载系统配备了自控用的直流中间继电器(元件代号以J开头)、相应的电源(DC24V)及相应的微机监控装置，可实现整个负载系统(元件参数按2j方式配置，可按二进制方式给出开关量，从而进行有功和无功负荷的控制)的微机监控。尤其值得注意的是：当投无功负荷时需要先投电感再投电容，而切除无功负荷时需要先切除电容再切除电感。

检测与报警：在每台发电机——变压器组的出口处和大网的入口处均装设一套多功能电表，可同时测量U、I、P、Q、等。另外每台发电机装一块指针式电压表以便直观地监视机端电压，为了及时了解发电机是否反方向供电和是否出现过电压，给每台发电机装设一套反向供电和过电压的声光报警装置，包括自控报警装置(当时发出声、光信号)，其中电铃在反向供电和过电压时均发生声音信号，而信号灯在反方向供电时为红色；出现过电压时为黄色。

(7)量测系统

采用模块化设计思想，充分利用Labwindows/cvi强大的软件功能，设计出了一套适应于水电站过渡过程数据采集和数据分析的虚拟量测分析系统。该系统可满足水电站模型试验测试分析任务多样化的要求，具有高度的灵活性和开放性。

系统整体设计。水电站过渡过程虚拟量测分析系统由通用硬件平台和应用软件两大部分构成。硬件主要完成信号的采集、放大、模/数转换等。软件主要完成系统结构参数设置、数据采集、数据显示、数据分析和数据处理等功能。本量测分析系统开发的原则是：系统所需硬件设备全部采用国际或国内知名公司的高品质产品；软件则利用LabWindows/CVI软件开发平台根据需要由发明人自行开发。

系统硬件：任何被测的物理量(电量或非电量)在经过各类传感器和调理电路后，都可转换成模拟量、脉冲量和开关量三类信号。因此，本系统是根据以上三类信号进行设计的，而不是根据被测对象的具体物理量，这样系统才具有通用性。系统硬件结构见图6。

该硬件系统由一台高性能计算机、两块64路高速AD变换卡AT-MIO-64E-3(64路A/D、8路I/O、2路32位脉冲)、两块8路32位高性能计数器卡PCI-6602、一块96路开关量输入输出卡PCI-DIO-96及对应于每路信号的信号调理模块或隔离模块组成。其中，所有的计算机板卡均为美国国家仪器公司(NI)的产品，它们安装于计算机内部；所有的信号调理模块或隔离模块及计算机本体安装于一个标准19寸机柜中。本系统模拟量、脉冲量和开关量的通道数和各通道的性能指标为(表1)：

表1 模拟量、脉冲量和开关量的通道数和各通道的性能指标

根据水电站过渡过程模型试验内容的要求，被测试的对象是恒定工况下，上下游水位、有压管道各断面的测压管水头、无压隧洞或明渠各断面的水深、调压室或闸门井初始恒定水位、机组引用流量、尾水隧洞总流量、模型机组额定转速、导水机构开度或接力器行程位置等；以及模型机组的有功功率、视在功率、三相电压、电流等。过渡过程中调压室或闸门井水位变化、有压管道各测点的水击压力的变化(包括蜗壳和尾水管进口的压力波动过程)、无压隧洞或明渠各测点的涌波或水深的变化、接力器行程位移、以及机组转速的变化等。以及模型机组在过渡过程中有功功率、视在功率、三相电压、电流等电量的变化。相应的测试仪器见表1。

表1 测试对象和各类传感器

上述被测物理量中，压力、流量、电压、电流、位移、应变、有功功率、无功功率、转速和开度等属于模拟量；流速为脉冲量；排水阀、补水阀等阀门的状态和实时控制属于开关量。试验时只需把各种类型物理量的测点所占用的通道总数以及每通道对应的中文名分别按模拟量、脉冲量和开关量填入系统结构模块中，系统就能完成硬件通道与软件通道的匹配，从而十分方便地实现试验过程中各种参数的数据采集、数据显示、数据分析、数据处理。

系统软件设计：在量测分析系统的硬件平台确定后,对于不同的应用软件，就构成了不同的虚拟量测分析仪器。为使本量测分析系统具有通用性，能广泛适应于不同专业的测试要求，软件采用了模块化的设计，系统结构参数全部采用变量的形式。因此，软件中的数据采集模块、数据显示模块、数据分析模块和数据处理等模块所显示的被测物理量的种类和数量是随结构参数的具体数值而变化的。这样对于不同专业的不同测试任务，可根据测点的类型和数量，只需重新设置系统结构模块中参数的值，就能完成系统硬件和软件的匹配；同时，通过功能模块的不同组合，实现不同的数据采集和数据分析功能。系统软件的功能框图见图7。其中系统软件的一些主要模块的功能简述如下：

系统结构模块：主要实现系统硬件通道和软件通道的匹配。如果硬件采用的采集卡是国内外不同厂家的产品，则需选择采集卡的I/O接口驱动程序；对于某一具体的模拟试验，首先要输入整个试验中模拟量、脉冲量和开关量各自所需要的通道；同时也要输入模拟量、脉冲量和开关量中各有几类不同的物理量以及各类物理量的通道数。

系统参数设定模块：在系统结构模块的参数确定后，每一通道的放大倍数、偏移量、单位、采样间隔和采样长度等就是由本模块来完成。

数据采集模块：该模块可实现各被测物理量的实时在线监测(不存盘)和高速同步多通道的数据采集(存盘)。显示、表格显示(可直接进入EXCEL应用软件)、波形的压缩和扩展、移动。

数据显示模块：采样数据的波形、光标读数、标字等。

数据分析模块：提供功能强大的高级数学分析库(可直接进入MATHLAB应用软件),包括自相关和互相关分析、回归分析、时域和频域分析以及小波分析等。

数据处理模块：波形和数据的裁减、移动、滤波等。

(8)模型机组系统

模型水轮机由水轮机厂家定制，定制的范围包括蜗壳、窄高型尾水管、转轮、导水机构、同步发电机和水轮机的联轴器以及支架等。模型几何尺寸由模型比尺确定，模型水轮机的支座、支架等尺寸为了满足机组和测试传感器等安装便利的要求，需要提供图纸给厂家。

模型发电机为同步发电机，受磁级对数的限制，转速只能是分档的固定值。因此一旦几何比尺确定，则模型发电机转速就随之而定。但该转速往往与发电机同步转速有一定的差别，在模型设计时选择相近的两个同步转速反算几何比尺，然后根据试验场地和试验经费综合考虑，最终确定几何比尺和同步发电机同步转速，这样就能保证模型水轮机工况点、飞轮力矩等的相似。

(9)模型水道系统

首先根据所研究的目的确定需要进行整体模型试验的单元系统，并进行设计和布置。包括进水口、上游引水管道/渠道、尾水洞/尾水明渠直至下游河道。根据试验场地和模型试验目的确定初步的几何比尺。

除了模型机组、尾水管和尾水明渠以外，其他的过流部件，包括压力引水管道、岔管和尾水洞均采用透明有机玻璃或者钢管制作。根据实验室场地的限制，模型几何比尺为1:30～40左右，有机玻璃的糙率为0.008左右，转换成原型，其糙率等于0.0141～0.0148，介于混凝土平均糙率和最大糙率之间，使模型装置的水头损失略为偏大，而其他材料糙率值更大。要完全满足糙率相似，除非模型装置的几何比尺再增大，但模型装置的规模难为一般实验室所承受。

本发明的工作原理与过程如下：9个子系统有机的构成水电站过渡过程整体物理模型试验平台。模型机组系统与模型水道系统相结合，即模型机组的蜗壳进口与引水管道末断面相连、尾水管出口与尾水管道首断面相连，构成水电站模型引水发电系统；再将模型引水发电系统安置于循环水系统中：进水口与上游水箱相连、出水口与下游水箱相连；在模型引水发电系统上布置各类传感器(表2所示)，将传感器通过信号线引入量测系统的硬件平台(采集箱、高性能计算机)；再通过水轮机接力器(调速控制系统的执行机构)将调速控制系统引入模型引水发电系统，实现模型引水发电系统的可操控性；在模型发电机上布置测频装置，并将信号引入监控系统，同时监控系统通过电流电压等电信号的测量，与调速系统一起实现模型机组的各种试验运行操作；同时将励磁同期保护系统、变频换相系统、负荷系统与监控系统联合，完善此平台的功能。这样完成水电站过渡过程整体物理模型试验平台的构建。

在此平台上开展试验，按如下过程操作：

1、调试、准备工作：主要进行量测系统、各类传感器、流量计的校准与标定。对于压力传感器，首先完成传感器的排气工作，然后利用压力校验仪逐个进行校准，校准无误后，通过量测系统的硬件平台(采集箱、高性能计算机)进行标定，并保存标定结果；对于电磁流量计、差压流量计等流量测定装置，可以利用称重法流量率定仪或者三角堰等进行标定；对于电流、电压、转速等电信号，可以通过信号发生器进行校准与标定；对于水轮机的导水机构开度、接力器行程，可在正式试验开始前测得最大开度、开度与接力器行程的对应关系，共后面的试验及结果分析使用。

2、开始正式试验：开启各系统的仪器设备的电源。首先检查模型引水发电系统上各阀门的启闭情况：循环系统供水管道上的阀门保持全开；对上游水箱进行补水时，上游水箱进水阀全开、下游水箱进水阀全关，对下游水箱进行补水时，上游水箱进水阀全关、下游水箱进水阀全开；排气阀保持全开，模型水道及机组上的其他排水阀保持全关。然后通过监控系统下达开泵指令(自动操作通过上位机完成、手动操作通过现地控制单元完成)，对循环水供水管道进行充水，然后对上、下游水箱进行补水，最后将模型水道充满水。

3、根据具体的试验目的及需要，通过监控系统下达开机、抽水(模型水泵水轮机组)、并网、空载运行、增负荷、减负荷、甩负荷、拒动等指令，由调速控制系统执行完成；在试验进行的过程中，开启量测系统，对所需的物理量进行采集，并保存、显示、分析等。

4、试验完成后，先由监控系统下达停机指令，然后下达停泵指令，使模型机组和循环水系统停止工作。待它们停止工作后，打开模型引水发电系统上的排水阀，将其中的水放空，以利于模型试验平台的维护。

本发明技术水平、操作方法、设备功能先进；试验重复性好、其结果规律性强；可以进行恒定流、大波动、小波动、水力干扰等过渡过程相关试验；此平台集成度高，工作性能稳定可靠，操作简易、控制精密，可有效的完成水电站过渡过程相关的各项基础性与应用基础性试验。适用于大中小型常规模型水电站和模型抽水蓄能电站。

Claims (9)

1.一种水电站过渡过程整体物理模型试验平台，其特征在于：包括循环水系统(1)、励磁同期保护系统(2)、调速控制系统(3)、变频换相系统(4)、监控系统(5)、负荷系统(6)、量测系统(7)、模型机组系统(8)和模型水道系统(9)；所述模型机组系统(8)在其蜗壳进口、尾水管出口处通过法兰盘分别与模型水道系统(9)的上游引水管道(21)的末断面、下游尾水管道(22)的首断面连接，构成模型引水发电系统；模型水道系统(9)通过其进、出水口分别与循环水系统(1)的上、下游水箱相连，实现水流的整体循环；在模型引水发电系统上设有量测系统(7)的传感器，所述传感器通过信号线经模拟通道与量测系统(7)的动态数据采集装置相连；调速控制系统(3)通过接力器连接模型机组系统(8)，用于控制模型机组系统(8)的导水机构运动；所述模型机组系统(8)的发电机上设有测频装置，用于将信号引入监控系统(5)，同时监控系统(5)通过电信号的测量，与量测系统(7)的上位机同时下达导水机构动作的指令，并由监控系统(5)的现地控制单元和调速控制系统(3)联合执行；励磁同期保护系统(2)、变频换相系统(4)、负荷系统(6)通过信号线与监控系统(5)相连，受监控系统(5)的上位机的控制，实现模型机组负荷的增减、变频换相、加励磁与同期并网；

所述循环水系统(1)，包括蓄水池(10)、水泵(11)、供水管道(12)、回水渠道(13)、上游水箱(14)、下游水箱(141)，所述供水管道(12)与蓄水池(10)相连通，供水管道(12)末端设有阀门和水泵(11)；上游水箱(14)、下游水箱(141)的进水管(15)分别与供水管道(12)相连通，上游水箱(14)、下游水箱(141)的出水管(16)分别与回水渠道(13)相连通；供水管道(12)与回水渠道(13)相连接处设有排气阀(18)；供水管道(12)上还设有电磁流量计(19)；所述水泵(11)、排气阀(18)通过信号线引入监控系统(5)，受监控系统(5)上位机的控制；电磁流量计(19)通过信号线引入量测系统(7)，由量测系统(7)采集电磁流量计(19)测量的数据；

所述量测系统(7)，包括传感器、动态数据采集装置、上位机；所述上位机与动态数据采集装置连接，动态数据采集装置通过信号线连接布置于模型机组系统(8)、模型水道系统(9)和循环水系统(1)上的传感器，采集传感器测量到的模拟量信号；

所述模型水道系统(9)，包括模型进水口(20)、模型上游引水管道(21)、模型下游尾水管道(22)、模型出水口(23)；所述模型进水口(20)与循环水系统(1)的上游水箱(14)相连，继而模型进水口(20)连接模型上游引水管道(21)一端，模型上游引水管道(21)的另一端与模型机组系统(8)的蜗壳进口断面相连；模型下游尾水管道(22)一端与模型机组系统(8)的尾水管出口断面相连，另一端与模型出水口(23)相连，继而模型出水口(23)与下游水箱(141)相连通。

2.如权利要求1所述的水电站过渡过程整体物理模型试验平台，其特征在于：所述励磁同期保护系统(2)，包括模拟励磁系统和模拟同期系统；励磁同期保护系统(2)连入监控系统(5)，受监控系统(5)上位机的控制。

3.如权利要求1所述的水电站过渡过程整体物理模型试验平台，其特征在于：所述调速控制系统(3)，包括BPLC-Ⅱ型可编程调节器、数字油缸及接力器；BPLC-Ⅱ型可编程调节器由PLC基本单元、A/D转换单元、D/A转换单元、输入扩展单元、数字测频单元、功放单元、按键和显示单元组成；数字油缸用于液压传动压力的传递、放大，并实现液压油在油缸内部的循环；接力器位于模型机组系统(8)处，用于控制导水机构的运动。

4.如权利要求1所述的水电站过渡过程整体物理模型试验平台，其特征在于：所述变频换相系统(4)，包括变频器和换相装置，两个装置分别在变频和换向操作指令下达时投入使用。

5.如权利要求1所述的水电站过渡过程整体物理模型试验平台，其特征在于：所述监控系统(5)，包括上位机和现地控制单元；所述上位机为高性能计算机，现地控制单元由机组现地控制单元、调速器电动球阀控制屏、微机励磁屏、公用现地控制单元、变频控制屏、机组负载调节屏、负载功率屏、综合负载屏、低压配电屏组并列组成，上位机通过数据线与现地控制单元连接，下达指令、现地控制单元执行。

6.如权利要求1所述的水电站过渡过程整体物理模型试验平台，其特征在于：所述负荷系统(6)，包括负载系统、微机监控装置、检测装置与报警装置；所述负载系统由电阻、电容、电感组成，负载系统的微机监控装置一方面连接监控系统(5)的上位机，另一方面连接负载系统，用于按指令控制负载系统的类型与大小；检测装置、报警装置也与负载系统相连。

7.如权利要求1所述的水电站过渡过程整体物理模型试验平台，其特征在于：所述模型机组系统(8)，包括蜗壳、窄高型尾水管、转轮、导水机构、同步发电机和水轮机的联轴器以及支架；模型蜗壳、窄高型尾水管、转轮、导水机构构成模型水轮机，模型水轮机与模型同步发电机通过水轮机的联轴器相连组成模型水轮发电机组，模型水轮发电机组由支架支撑固定。

8.如权利要求1所述的水电站过渡过程整体物理模型试验平台，其特征在于：所述量测系统(7)的传感器，包括但不限于水位传感器、压力传感器、行程传感器、功率互感器、电压互感器和电流互感器。

9.如权利要求1所述的水电站过渡过程整体物理模型试验平台，其特征在于：所述量测系统(7)，还包括系统结构模块、系统参数设定模块、数据采集模块、数据显示模块、数据分析模块和数据处理模块；

所述系统结构模块，用于匹配系统硬件通道和软件通道；

所述系统参数设定模块，用于在系统结构模块的参数确定后，确定每一通道的放大倍数、偏移量、单位、采样间隔和采样长度；

所述数据采集模块，用于实现各被测物理量的实时在线监测和高速同步多通道的数据采集；

所述数据显示模块，用于显示采样数据的波形、光标读数、标字；

所述数据分析模块，用于提供数学分析库,包括自相关和互相关分析、回归分析、时域和频域分析以及小波分析；

所述数据处理模块，用于对波形和数据进行裁减、移动或滤波处理。