CN104895736A - 冲击式水轮机智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲击式水轮机智能控制系统，包括调速器PLC、叠加式液压伺服装置，叠加式液压伺服装置包括与各个喷针对应连接的各喷针控制单元、与各个折向器对应连接的各折向器控制单元，各喷针控制单元及各折向器控制单元分别与调速器PLC连接，调速器PLC的输出端通过功率放大器与喷针开关阀的开侧电磁阀和关侧电磁阀连接，喷针开关阀通过喷针电液转换器对喷针接力器的开腔和关腔进行控制。本发明设计一种系统结构简单、可靠性高的适用于多喷针多折向器冲击式机组的控制系统，采用单元式结构设计，将各个喷针和折向器的液压控制系统设计成完全相同的独立控制的数字式液压单元的数字化水轮机调速系统，以实现智能化水电站的建设。

Description

冲击式水轮机智能控制系统

技术领域

本发明属于水电站水轮机组控制领域，尤其涉及一种冲击式水轮机智能控制系统。

背景技术

冲击式水轮机主要适用于高水头小流量的水电站，这样的机组引水管道很长，水流惯性时间常数较大，容易引起机组甩负荷时转速和水压过高，造成调节品质差。为避免这些不利因数，冲击式水轮机除了有正常调节流量的喷针外，还设有快速切断水流量的折向器机构，以便相应地减少水轮机动力矩和转速上升值。正常调节流量的喷针也可以缓慢调节喷针开度，防止管道中水压上升过高。

近十年来高水头资源在国内得到很大发展，对于多喷针多折向器冲击式水轮机调速器来说，由于控制喷针的接力器较多，使得调速机构相应变得十分庞大和复杂，不便于生产、安装和维护，控制精度也难以提高。随着现代控制理论技术、先进的可编程控制技术和现代液压控制技术的不断发展，水电站期待着一种人性化程度高、系统结构简单、可靠性高且性能指标优良的适用于多喷针多折向器冲击式机组的调速器。

目前应用于水电站的水轮机调速器大都能可靠运行，满足电站现有需求，但针对未来数字化水电站的建设，还存在以下不足：

（1）喷针控制采用电液伺服阀或比例伺服阀，对油质要求高，油质不满足要求容易发卡，造成喷针控制失灵。

（2）机械液压系统采用平面布置，体积庞大，不便于生产、安装和维护。

（3）设备投资多。

（4）可靠性、利用率和可维修性有待提高。

发明内容

本发明针对现有水轮机控制技术易造成喷针控制失灵，且喷针控制装置体积庞大，不便于生产、安装和维护的问题，提供一种冲击式水轮机智能控制系统，本系统结构简单，可靠性高，集成度高，易调整，易操作，方便检修维护。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种冲击式水轮机智能控制系统，包括调速器PLC、叠加式液压伺服装置，叠加式液压伺服装置包括与各个喷针对应连接的各喷针控制单元、与各个折向器对应连接的各折向器控制单元，各喷针控制单元及各折向器控制单元分别与调速器PLC连接，其中喷针控制单元包括功率放大器、喷针电液转换器、喷针开关阀、喷针接力器、喷针接力器反馈机构，调速器PLC的输出端与功率放大器一连接，功率放大器一的另一端与喷针开关阀的开侧电磁阀和关侧电磁阀连接，喷针开关阀的开侧电磁阀和关侧电磁阀通过喷针电液转换器对喷针接力器的开腔和关腔进行控制，喷针接力器反馈机构与调速器PLC连接；折向器控制单元包括功率放大器二、折向器电液转换器、折向器开关阀、折向器接力器、折向器接力器反馈机构，调速器PLC的输出端与功率放大器二连接，功率放大器二的另一端与折向器开关阀的开侧电磁阀和关侧电磁阀连接，折向器开关阀的开侧电磁阀和关侧电磁阀通过折向器电液转换器对折向器接力器的开腔和关腔进行控制，折向器接力器反馈机构与调速器PLC连接。

按上述技术方案，所述调速器PLC包括CPU模块、A/D转换模块、通讯模块、信号调理模块、高速计数输入模块、电源模块、操作终端、PLC输入模块，其中信号调理模块与高速计数输入模块连接，A/D转换模块、通讯模块、高速计数输入模块、电源模块、操作终端分别与CPU模块连接，喷针接力器反馈机构、折向器接力器反馈机构分别与调速器PLC的A/D转换模块连接；信号调理模块用于对冲击式水轮机频率及电网频率进行整形滤波，高速计数输入模块用于对冲击式水轮机频率和电网频率及齿盘个数的脉冲计数；通讯模块用于调速器PLC与远程计算机或远程维护模块连接；A/D转换模块用于接收功率给定、水头、接力器反馈采样值、机组有功；PLC输入模块用于接收外部输入的调相、一次调频、负荷增减命令；操作终端用于对水轮机的状态进行监视（如开度、位置、运行状态、故障），CPU模块用于接收高速计数输入模块、A/D转换模块的数据，接收操作终端的命令，通过通讯模块与外界通信，进行PID计算和逻辑判断并对喷针开关阀、折向器开关阀发出控制命令。

按上述技术方案，所述调速器PLC还包括开关量输入模块、开关量输出模块，开关量输入模块、开关量输出模块分别与CPU模块连接，开关量输入模块用于接收开机、停机、并网、功给增及功减命令，开关量输出模块用于向喷针开关阀、折向器开关阀发出控制命令。

按上述技术方案，所述CPU模块对每个喷针均输出两路PWM信号，分别控制喷针开关阀的开侧电磁阀和关侧电磁阀。

按上述技术方案，所述调速器PLC还包括串口测频模块，串口测频模块通过通讯模块与CPU模块连接，用于当CPU模块判定高速计数输入模块故障时，向CPU模块提供水轮机频率脉冲计数，测频模块包括控制芯片，控制芯片外围连接测速信号的整形、滤波和光电隔离电路。

按上述技术方案，所述喷针开关阀具体为喷针电磁滑阀。

本发明产生的有益效果是：

（1）调速器采用可编程控制器（PLC），对各个状态实时跟踪。

（2）喷针控制单元和折向器控制单元借用标准液压件，实现了标准化设计，便于批量生产，有利于提高产品质量，减少库存，也便于检修维护。

（3）采用叠加式结构设计，可以方便地由各控制单元组合成多喷针多折向器控制的冲击式调速器控制系统。

（4）这种调速器PLC、叠加式液压伺服装置高度集成，节约布置空间，与油压装置的组合方便，也便于电站的现场布置。

（5）采用数字阀作为电液转换机构（喷针电液转换器、折向器电液转换器），油耗低，抗油污能力强，既能自动控制，也方便于手动操作。

（6）可选择单喷针或双喷针开机，用于开机的喷针也可以人为选择设定。并网工况可以实现按喷针开度或机组功率投切相应的喷针，也可通过操作终端手动切除或投入相应的喷针。

（7）折向器和喷针采用电气协联：折向器的开度按照协联曲线随动于喷针开度，并不总是处于全开状态，便于大波动状态下折向器开关时节约用油，同时也可减少折向器关闭的时间，有利于机组的安全运行。

（8）对于接力器的控制，采用PWM模糊控制策略，可将喷针全行程开、关机时间控制在最快关机时间（调节保证计算得出时间）至70S之间，有利于机组的稳定运行。

（9）具有频率调节、开度调节和功率调节，也具有机手动、自动和电手动工作方式。

（10）控制系统的容错控制：除了具有调速器通常的频率容错、PLC容错、功率反馈故障容错外，还具有冲击式水轮机调速器特有的容错：A、如果调速器设定1、3#喷针开机，当开机时判断1#或3#喷针反馈故障，则调速器自动选择2、4#喷针开机，1、3#喷针按规定的时间关闭后退出运行；反之，也是如此。B、甩负荷时，若有喷针反馈故障，则相应的喷针和其对称的喷针按规定的时间关闭后退出运行，保证机组的稳定运行。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例冲击式水轮机智能控制系统中调速器PLC的结构示意图；

图2是本发明实施例中单喷针开机流程框图；

图3是本发明实施例中双喷针开机流程框图；

图4是本发明实施例冲击式水轮机智能控制系统中测频流程框图；

图5是本发明实施例冲击式水轮机结构示意图；

图6是本发明实施例冲击式水轮机智能控制系统的工作过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中提供一种冲击式水轮机智能控制系统，包括调速器PLC、叠加式液压伺服装置，叠加式液压伺服装置包括与各个喷针对应连接的各喷针控制单元、与各个折向器对应连接的各折向器控制单元，各喷针控制单元及各折向器控制单元分别与调速器PLC连接，其中喷针控制单元包括功率放大器、喷针电液转换器、喷针开关阀、喷针接力器、喷针接力器反馈机构，调速器PLC的输出端与功率放大器一连接，功率放大器一的另一端与喷针开关阀的开侧电磁阀和关侧电磁阀连接，喷针开关阀的开侧电磁阀和关侧电磁阀通过喷针电液转换器对喷针接力器的开腔和关腔进行控制，喷针接力器反馈机构与调速器PLC连接；折向器控制单元包括功率放大器二、折向器电液转换器、折向器开关阀、折向器接力器、折向器接力器反馈机构，调速器PLC的输出端与功率放大器二连接，功率放大器二的另一端与折向器开关阀的开侧电磁阀和关侧电磁阀连接，折向器开关阀的开侧电磁阀和关侧电磁阀通过折向器电液转换器对折向器接力器的开腔和关腔进行控制，折向器接力器反馈机构与调速器PLC连接。机械液压系统同时接受调速器PLC的开度指令，与喷针接力器反馈机构、折向器接力器反馈机构形成闭环，控制喷针开关阀（电磁滑阀）及折向器电磁阀，压力油进入接力器的开腔或关腔，推动接力器开或关到指令开度，水轮机控制（调速）系统通过PLC高效可靠地完成调节器内部的PID控制、模糊控制和逻辑控制，采用PWM模糊定位控制策略，调速器PLC输出的两路PWM信号，分别控制喷针开关阀的开侧电磁阀和关侧电磁阀，从而控制喷针接力器的开和关。由于喷针开关阀采用的是滑阀结构，所以PWM占空比的不同，决定了通过喷针开关阀的流量不同，从而决定了喷针接力器开、关的速度。通过PLC采集水轮机组频率、有功、接力器开度和其他相关信息，从而控制叠加式液压控制系统将接力器定位于水轮机调节器指定的开度，实现机组的调频、调相、调功。

其中，所述调速器PLC包括CPU模块、A/D转换模块、通讯模块、信号调理模块、高速计数输入模块、电源模块、操作终端、PLC输入模块，其中信号调理模块与高速计数输入模块连接，A/D转换模块、通讯模块、高速计数输入模块、电源模块、操作终端分别与CPU模块连接，喷针接力器反馈机构、折向器接力器反馈机构分别与调速器PLC的A/D转换模块连接；信号调理模块用于对冲击式水轮机频率及电网频率进行整形滤波，高速计数输入模块用于对冲击式水轮机频率和电网频率及齿盘个数的脉冲计数；通讯模块用于调速器PLC与远程计算机或远程维护模块连接；A/D转换模块用于接收功率给定、水头、接力器反馈采样值、机组有功；PLC输入模块用于接收外部输入的调相、一次调频、负荷增减命令；操作终端用于对水轮机的状态进行监视（如开度、位置、运行状态、故障），CPU模块用于接收高速计数输入模块、A/D转换模块的数据，接收操作终端的命令，通过通讯模块与外界通信，进行PID计算和逻辑判断并对喷针开关阀、折向器开关阀发出控制命令。

进一步地，所述调速器PLC还包括开关量输入模块、开关量输出模块，开关量输入模块、开关量输出模块分别与CPU模块连接，开关量输入模块用于接收开机、停机、并网、功给增及功减命令，开关量输出模块用于向喷针开关阀、折向器开关阀发出控制命令。

进一步地，CPU模块对每个喷针均输出两路PWM信号，分别控制喷针开关阀的开侧电磁阀和关侧电磁阀。

进一步地，所述调速器PLC还包括串口测频模块，串口测频模块通过通讯模块与CPU模块连接，用于当CPU模块判定高速计数输入模块故障时，向CPU模块提供水轮机频率脉冲计数，测频模块包括控制芯片，控制芯片外围连接测速信号的整形、滤波和光电隔离电路。

进一步地，所述喷针开关阀具体为喷针电磁滑阀。

本发明的技术方案，电气部分核心采用PLC控制，喷针和折向器分开控制，每个喷针分别采用单元控制方式并进行实时调节，喷针控制系统采用数字阀实现闭环控制，保证系统运行工况的调节性能和调节品质，折向器也采用单元控制，取消与喷针的机械协联，而采用电气协联，转速正常调节时，折向器不参与调节，随喷针进行协联，当转速过高或大波动，喷针和折向器不协联，折向器根据转速变化采用开关量控制，以控制转速，待转速变化正常后，又恢复电气协联关系。同时，整套机械结构采用标准化液压元件，每个喷针和折向器单元设计成标准模块，相互叠加即可方便地构成多喷多折调速器。

本发明较佳实施例中，操作终端可以采用彩色液晶触摸屏，具有各种状态显示、数据显示、仪表模拟指示、操作控制功能、参数设置功能等。冲击式水轮机智能控制系统内嵌国标要求的各项主要性能测试功能：静特性试验、动态过程记录、空载频率扰动试验、空载频率摆动试验、甩25%负荷测接力器不动时间试验、甩负荷试验（50％、75％、100％）。还可以设置故障查询功能：操作终端可对冲击式水轮机智能控制系统发生过的主要故障作详细记录（年、月、日、时、分、秒），包括频率故障、喷针反馈故障、折向器反馈故障、驱动器故障、PLC故障等等。还可以设置密码限制功能：可以设置运行、检修和维护密码，输入不同的密码可进入不同的画面，进行不同的操作。

本发明的较佳实施例中，调速系统采用PLC控制单元，如图1所示，每套PLC控制单元包括CPU模块、I/O模块、A/D采样模块、通讯模块、测频模块、电源模块，CPU完成调节器内部的PID控制、模糊控制和逻辑控制。频率测量有两种模式：专用测频模块测频、调速器PLC本体测频。专用测频模块由高性能CPU构成，仅完成频率的测量任务，能实现“软升级”。两种测频方式可以选择使用，也可组合使用。由喷针反馈装置的喷针位置传感器，将喷针位置两路电信号送至A/D模块，实现故障自主切换，同时也可人为干预选择，实现切换过程安全无扰动。通过CPU模块的以太网接口及远程维护模块，借助Internet网络，实现远程维护功能；通过远程维护技术，技术人员不用到现场即可实时查询和监视设备的各种状态、数据和故障信息，进而判断故障原因，协助用户尽快解除故障，恢复运行。

如图2所示，是本发明实施例中单喷针开机流程框图，单喷针开机模式：（以WCT-4/4型调速器为例)可由单个喷针（如1#喷针）完成开机过程，将机组开至空载，并网后达到一定的负荷时，3#喷针投入，当负荷达到更大时2#、4#喷针同时投入，在运行过程中，运行的喷针保持同步。

如图3所示，是本发明实施例中双喷针开机流程框图，双喷针开机模式：（以WCT-4/4型调速器为例）喷针一般成对投入，1#、3#喷针为一对，2#、4#喷针为一对。也可由2个喷针（如1#和3#喷针）同步完成开机过程，将机组开至空载，并网后达到一定的负荷，另2个喷针投入运行。

如图4所示，是本发明实施例冲击式水轮机智能控制系统中测频流程框图，串口测频（使用测频模块）和调速器PLC本体测频均采用齿盘测频和残压测频冗余容错式的双路测频，双路测频互为热备用。串口测频：单片机采用大规模集成电路，属于片上系统型单片机，一块芯片中集成了CPU、I/O、RAM、FLASH、振荡器、通信接口、定时器、可编程计数器阵列等，外围只需配上测速信号的整形、滤波和光电隔离电路即可完成测频模块的硬件回路，基准脉冲由单片机晶振产生，基准脉冲可达40MHz。调速器PLC本体测频：高速模块独立对脉冲计数，它们在每次扫描后自动向 CPU 报告计数，并且如果计数器放置在本地底板中，它们还能通过异步于扫描的方式更新 CPU 。

本发明较佳实施例冲击式水轮机中，叠加式冲击式水轮机微机调速器采用单元式结构设计，如图5所示，将各个喷针和折向器的液压控制系统设计成完全相同的独立控制的液压单元，在结构上采取各个液压单元多层叠加的形式，有几个喷针，就叠加几个喷针控制单元，有几个折向器，就叠加几个折向器控制单元，从而构成多喷针多折向器控制的调速器，这样喷针控制单元、折向器控制单元就可实现标准化设计，进行批量生产，提高产品质量，降低生产成本，减少库存品种。喷针控制单元，如图5所示，每个喷针控制单元主要包括一个喷针开关阀5、一组喷针阀组6和一块喷针集成块12。

喷针开关阀5采用的是高速电磁开关阀，控制喷针接力器的开和关，喷针阀组6则具有如下功能：

(1)  可根据实际需要调整喷针全行程最快的开、关机时间，即调节保证计算得出的时间；

(2)  具有接力器锁定功能，在喷针开关阀5不动作的情况下，防止喷针接力器漂移；

(3)  可配合紧急停机电磁阀4实现喷针接力器的紧急关闭。

喷针接力器7开机过程：喷针开关阀5在调速器PLC的PWM开信号作用下，其开侧的电磁阀动作，压力油经喷针开关阀5流向喷针阀组6，然后经过喷针阀组6内各阀后直接作用于喷针接力器7开腔侧，喷针接力器7以PWM给定的速度向开机方向运动，其关腔侧的油液经喷针阀组6内各阀后，最后经喷针开关阀5流向回油箱。当开信号消失时，喷针接力器锁定在当前位置，保持当前开度不变。喷针接力器7关机过程与开机过程相仿。

折向器控制单元，如图5所示，每个折向器控制单元主要包括一个折向器开关阀3、一组折向器阀组2和一块折向器集成块15，1为压力表。折向器开关阀3采用的是高速电磁开关阀，控制折向器的投入和退出，对于喷针和折向器具有协联关系的冲击式调速器，折向器控制单元就会增加一个慢速开关阀，配合折向器开关阀3，实现折向器开度的高速和低速控制，使折向器的开度随动于喷针开度。折向器阀组2则具有如下功能：可根据实际需要调整折向器投入与退出的最快时间，即调节保证计算得出的时间；对于喷针和折向器具有协联关系的冲击式调速器，具有接力器锁定功能，在折向器开关阀3和慢速开关阀不动作的情况下，防止折向器接力器漂移；并可配合紧停电磁阀4实现折向器接力器的紧急投入。折向器接力器8投入过程：折向器开关阀3在投入信号的作用下，其投入侧电磁阀动作，控制油经折向器开关阀3流向折向器阀组2，使其产生相应的动作，压力油经过折向器阀组2直接作用于折向器接力器8的投入侧，折向器接力器8以调整的速度向投入方向运动，其退出侧的油液经折向器阀组2后流向回油箱。折向器接力器8向投入方向运动到折向器全部投入位置后停止。折向器接力器8退出过程：折向器开关阀3在退出信号的作用下，其退出侧电磁阀动作，折向器阀组2的控制油经折向器开关阀3和紧停电磁阀4流向回油箱，折向器阀组2产生相应的动作, 压力油经过折向器阀组2直接作用于折向器接力器8退出侧，折向器接力器8以调整的速度向退出方向运动，其投入侧的油液经折向器阀组2后流向回油箱。折向器接力器8向退出方向运动到折向器全部退出位置后停止。发明实施例冲击式水轮机智能控制系统的工作过程如图6所示。

本发明的目的是适应新型水电站的提出和发展，设计一种人性化程度高、系统结构简单、可靠性高且性能指标优良的适用于多喷针多折向器冲击式机组的调速器采用单元式结构设计，该型控制系统（调速器）将喷针控制单元和折向器控制单元都设计成标准模块，可相互叠加，构成多喷针多折向器控制的调速器，不同数量的喷针和折向器接力器的机组只是增减机械液压单元数而已，以实现智能化水电站的建设。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种冲击式水轮机智能控制系统，其特征在于，包括调速器PLC、叠加式液压伺服装置，叠加式液压伺服装置包括与各个喷针对应连接的各喷针控制单元、与各个折向器对应连接的各折向器控制单元，各喷针控制单元及各折向器控制单元分别与调速器PLC连接，其中喷针控制单元包括功率放大器、喷针电液转换器、喷针开关阀、喷针接力器、喷针接力器反馈机构，调速器PLC的输出端与功率放大器一连接，功率放大器一的另一端与喷针开关阀的开侧电磁阀和关侧电磁阀连接，喷针开关阀的开侧电磁阀和关侧电磁阀通过喷针电液转换器对喷针接力器的开腔和关腔进行控制，喷针接力器反馈机构与调速器PLC连接；折向器控制单元包括功率放大器二、折向器电液转换器、折向器开关阀、折向器接力器、折向器接力器反馈机构，调速器PLC的输出端与功率放大器二连接，功率放大器二的另一端与折向器开关阀的开侧电磁阀和关侧电磁阀连接，折向器开关阀的开侧电磁阀和关侧电磁阀通过折向器电液转换器对折向器接力器的开腔和关腔进行控制，折向器接力器反馈机构与调速器PLC连接。

2.根据权利要求1所述的冲击式水轮机智能控制系统，其特征在于，所述调速器PLC包括CPU模块、A/D转换模块、通讯模块、信号调理模块、高速计数输入模块、电源模块、操作终端、PLC输入模块，其中信号调理模块与高速计数输入模块连接，A/D转换模块、通讯模块、高速计数输入模块、电源模块、操作终端分别与CPU模块连接，喷针接力器反馈机构、折向器接力器反馈机构分别与调速器PLC的A/D转换模块连接；信号调理模块用于对冲击式水轮机频率及电网频率进行整形滤波，高速计数输入模块用于对冲击式水轮机频率和电网频率及齿盘个数的脉冲计数；通讯模块用于调速器PLC与远程计算机或远程维护模块连接；A/D转换模块用于接收功率给定、水头、接力器反馈采样值、机组有功；PLC输入模块用于接收外部输入的调相、一次调频、负荷增减命令；操作终端用于对水轮机的状态进行监视，CPU模块用于接收高速计数输入模块、A/D转换模块的数据，接收操作终端的命令，通过通讯模块与外界通信，进行PID计算和逻辑判断并对喷针开关阀、折向器开关阀发出控制命令。

3.根据权利要求2所述的冲击式水轮机智能控制系统，其特征在于，所述调速器PLC还包括开关量输入模块、开关量输出模块，开关量输入模块、开关量输出模块分别与CPU模块连接，开关量输入模块用于接收开机、停机、并网、功给增及功减命令，开关量输出模块用于向喷针开关阀、折向器开关阀发出控制命令。

4.根据权利要求2或3所述的冲击式水轮机智能控制系统，其特征在于，所述CPU模块对每个喷针均输出两路PWM信号，分别控制喷针开关阀的开侧电磁阀和关侧电磁阀。

5.根据权利要求2或3所述的冲击式水轮机智能控制系统，其特征在于，所述调速器PLC还包括串口测频模块，串口测频模块通过通讯模块与CPU模块连接，用于当CPU模块判定高速计数输入模块故障时，向CPU模块提供水轮机频率脉冲计数，测频模块包括控制芯片，控制芯片外围连接测速信号的整形、滤波和光电隔离电路。

6.根据权利要求5所述的冲击式水轮机智能控制系统，其特征在于，所述喷针开关阀具体为喷针电磁滑阀。