CN104935228A - 水电智能控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水电智能控制系统及控制方法，属于发电技术领域，它解决了水电站发电调节无序，防飞车故障多的问题。本系统包括中央处理模块、外网参数感应模块和发电参数感应模块，还设有防飞车模块和应用于水位自检的水位高度感应模块，该系统能自动并网，安全部分由防飞车模块自控，后期水位自控可及时自调。该系统可进行一键启动，自动并网，平稳快速；水位自动跟踪，杜绝水位溢流，防止没水空管倒电。

Description

水电智能控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于发电技术领域，特别涉及一种水电智能控制系统及控制方法。

背景技术

传统的水电站控制系统包括一个控电柜，控电柜分别连接发电机、水轮机和外网，该系统第一可监控各网的数据，第二可控制水轮机的水阀门以此改变水轮机的入水流量。间接改变发电量，水电站控制系统是为了增加人工效率，精确并网时机而设置的，该系统主要实时监控入网和接网的各参数，使水电站实现少人值班，最终达到无人值班(或少人值守)的目标。

现有的水电站控制系统均采用半自动与人工操作的组合方式，许多时机的把握需要人工进行，同期时要靠看指示灯的状态，人工按合闸按钮，时机难以掌握。

其次，阀门调节为手动调节，注水量恒定无变，对突变状态无法达到应急调整的目的。当来水量变大时可能会溢流，造成资源浪费，来水量变小时，造成发电机倒拉，消耗电网电能。人工调节不能对励磁进行精准控制。可能会发出大量无功电能造成电网损耗。

最后，当电网停电或励磁系统损坏时，不能及时关机，容易造成飞车事故。

发明内容

本发明的目的是针对现有水电站控制系统存在的问题，提供一种全程全自动操作，应警能力强，实时数据跟踪可迅速并网的水电智能控制系统及控制方法。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种水电智能控制系统，它包括中央处理模块、外部触显模块、主电源；

外网参数感应模块，与外网连接且实时检测外网的电压、电流、频率、功率、功率因数、电度参数；

发电参数感应模块，与发电机连接且实时检测发电机的发电电压、电流、频率参数；

水位高度感应模块，与水库连接，监控水库水位；

并网接触器，连于发电机和外网之间；

同期检测感应模块，用于检测对比并网的时机，同步并网接触器的合闸；

励磁控制器，连接在发电机上，

上述的各模块同时又与中央处理模块连接，并网接触器和励磁控制器均与中央处理模块连接，且能反馈调节，其特征在于，该系统设有防飞车模块，防飞车模块用于实时检测发电机的转速，并反馈至中央处理模块中，发电机转速异常时，中央处理模块自动切断水轮机与发电机的连接，上述的各数据通过中央处理模块后显示在外部触显模块中。

所述的防飞车模块包括发电机的转速检测传感器和水轮机的水阀门调节执行器，所述的转速检测传感器和水阀门调节执行器均与中央处理模块连接，转速检测传感器反馈的数据直接控制水阀门调节执行器的开闭。

所述的防飞车模块包括备用电源，备用电源直接与系统连接，备用电源在主电源断电状态下切换为系统供电。

所述系统设有至少两套水位高度感应模块，中央处理模块上设有警报模块，警报模块用于监控水位高度感应模块的状态。

一种水电智能控制方法，其特征在于，它通过以下步骤实现，

a、通过外网参数感应模块中提取外网参数到中央处理模块中，通过水位高度感应模块检测水位的高度，当外网参数和水位高度在设定位时，开启水阀门调节执行器，发电机工作；

b、中央处理模块根据外网参数自动调整水阀门的大小，励磁的大小，使发电机发电的电压、频率和外网一致，进行同期的检测判断，待外网和发电机同期后，发出合闸信号；

c、在并网接触器的作用下，发电机和外网连同，发电机对外输电；

d、水位跟踪调节，系统通过检测水库水位，通过软件的PID智能模糊算法，控制水阀门位置，达到对整个机组的自动运行控制；

e、自动控制励磁控制器，水位跟踪调节时，对励磁按功率因素的大小自动跟踪；

f、整个运行期间，系统通过外部触显模块，时刻监控外网、发电、及发电机的各项参数，电压、电流、频率、励磁、转速、水位、轴承温度，当任意异常时，立即关闸；

上述步骤a～e中均在防飞车模块的监控下工作。

所述防飞车模块的转速检测传感器实时监控发电机的转速，当转速超出额定转速的10％时，系统立即驱动水阀门调节执行器关闭水阀门。

所述系统由主电源和备用电源供电，当主电源损坏时，系统自动切换用备用电源供电,确保在任意时刻可安全关闭水轮机。

所述b步骤中，先利用水阀门调节执行器直接将阀门调整到设定的阀位，然后等待发电机转速上升，以及等待外网和发电机的并网同步时机，此过程在系统中预设有发电机发电偏差频率值，通过水阀门调节执行器调节水阀门阀位来反馈控制发电机转速；其次利用励磁控制器反馈控制发电机电压，在上述频率值达标后迅速通过励磁改变电压，最后系统检查到相位正确时发出合闸信号。

所述d步骤中，采用两套水位高度感应模块置于水库中，自动对两套水位高度感应模块采集数值进行对比，当数值偏差范围过大时，启动警报。

所述d步骤中，水库水位从上至下依次分为满水位、上限位、下限位和警戒位，初次并网后，将做如下步骤：

g、系统判断水位是否在满水位，在满水位时，将系统的功率自动调节为最大；当水消耗到上限位和下限位范围内时，自动将发电功率转至近期的平均功率，然后进入自动微调状态；

h、在一定时间内去判断一次水位的变化率，根据水位的变化进行调节水阀门阀位，使水位维持在上限位和下限位范围内；

i、监控到水位低于警戒位则进行报警，并延迟一段时间后关机。

与现有技术相比，该系统具有以下优点：1、采用控制器集中控制，分散采集，可进行一键启动，自动并网，平稳快速。2、水位自动跟踪，杜绝水位溢流，防止没水空管倒电。3、励磁自动跟踪，防止人工操作不及时，发出太多无功电能。4、清晰直观的数据显示，可设定需要的不同参数进行自动控制。5、转速监测，电网状况，备用电源等多种保护机制，快速有效。6、可实现电网和发电参数的直观显示，可检测当前实时发电机转速，及时进行防飞车保护。

附图说明

图1是本发明的系统模块示意图。

图2是本发明的防飞车流程图。

图3是同期检测流程示意图。

图4是并网后水位跟踪调节示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

图1所示，水电智能控制系统包括中央处理模块1、外部触显模块15、外部按钮14、主电源2。中央处理模块1为本系统的核心处理器，处理各种传感器检测的信息，及控制整套系统的动作。

系统还包括外网参数感应模块4和发电参数感应模块5，外网参数感应模块4与外网连接且实时检测外网的电压、电流、频率、功率、功率因数、电度参数；发电参数感应模块5与发电机连接且实时检测发电机的发电电压、电流、频率参数；这两个模块主要负责基础参数监控，外网参数感应模块4和发电参数感应模块5又分别与中央处理模块1连接，将数据实时传输至中央处理模块1中，并在外部触显模块15中显示参数。

在并网环节上，系统设有并网接触器12，连于发电机和外网之间；以及同期检测感应模块6，用于检测并网时的相位，并网时机到来时同步并网接触器12的合闸；还设有励磁控制器10，连接在发电机上，实时跟随外网电压改变发电电压。所述的并网接触器12、同期检测感应模块6、励磁控制器10均与中央处理模块1连接，并将信息反馈至中央处理模块1中。

系统设有至少两套水位高度感应模块8与水库连接，监控水库水位；所述中央处理模块1上设有警报模块，警报模块用于监控水位高度感应模块8的状态。当两套水位高度感应模块8反馈数据过大时，即可判定水位高度感应模块8损坏并发出警报。

系统设有防飞车模块，防飞车模块用于实时检测发电机的转速，并反馈至中央处理模块1中，发电机转速异常时，中央处理模块1自动切断水轮机与发电机的连接，上述的各数据通过中央处理模块1后显示在外部触显模块15中。防飞车模块包括发电机的转速检测传感器7和水轮机的水阀门调节执行器11，所述的转速检测传感器7和水阀门调节执行器11均与中央处理模块1连接，转速检测传感器7反馈的数据直接控制水阀门调节执行器11的开闭。飞车事故主要体现在以下几个方面，一是外网停电，当外网停电时，一般情况下由于负载消失，导致转速迅速上升，产生超速飞车。二是励磁损坏时，此时会没有电压输出，导致转速迅速上升，产生超速飞车。

上述防飞车模块不但要能检测异常关闭水阀门，同时还要保证系统的正常运行，因此防飞车模块还包括备用电源3，主电源2和备用电源3均直接为系统供电，主电源2和备用电源3视状态切换使用。在有备用电源3的方案下，为系统提供可靠的电源保障，当整个系统出现异常，主电源2停电时，可以可靠的为系统提供不间断的电源供应，以达到任何情况可以，安全的进行水阀门关闭动作，保证机组的安全。

系统还包括发电机的轴承温度传感器9和短信发生器13GSM模块，轴承温度传感器9可实时监控发电机的轴温，GSM模块为选配功能，用来将软件统计的每天发电量，以短信的方式告知户主。

水电智能控制方法则由以下步骤进行：

图3～图4所示，

a、通过外网参数感应模块4中提取外网参数到中央处理模块1中，通过水位高度感应模块8检测水位的高度，当外网参数和水位高度在设定位时，开启水阀门调节执行器11，发电机工作；

b、中央处理模块1根据外网参数自动调整水阀门的大小，励磁的大小，使发电机发电的电压、频率和外网一致，先利用水阀门调节执行器11直接将阀门调整到设定的阀位，然后等待发电机转速上升，以及等待外网和发电机的并网同步时机，此过程在系统中预设有发电机发电偏差频率值，当偏差值小于X时，自行进行快速调整励磁，使电压差调整至小于M,在这期间等待同相时机的到来,当检测到相位小于N时，发出合闸信号；

c、在并网接触器12的作用下，发电机和外网连同，发电机对外输电；

d、水位跟踪调节，系统通过检测水库水位，通过软件的PID智能模糊算法，控制水阀门位置，达到对整个机组的自动运行控制，采用两套水位高度感应模块8置于水库中，自动对两套水位高度感应模块8采集数值进行对比，当数值范围过大时，自判定其中一套水位高度感应模块8并启动警报；

e、自动控制励磁控制器10，水位跟踪调节时，对励磁按功率因素的大小自动跟踪；

f、整个运行期间，系统通过外部触显模块15，时刻监控外网、发电、及发电机的各项参数，电压、电流、频率、励磁、转速、水位、轴承温度，当任意异常时，立即关闸；

g、系统判断水位是否在满水位，在满水位时，将系统的功率自动调节为最大；当水消耗到上限位和下限位范围内时，自动将发电功率转至近期的平均功率，然后进入自动微调状态；

h、在一定时间内去判断一次水位的变化率，根据水位的变化进行调节水阀门阀位，使水位维持在上限位和下限位范围内；

i、监控到水位低于警戒位则进行报警，并延迟一段时间后关机。

上述的步骤均在上述步骤a～e中均在防飞车模块的监控下工作。图2所示，所述防飞车模块的转速检测传感器7实时监控发电机的转速，当转速超出额定转速的10％时，系统立即驱动水阀门调节执行器11关闭水阀门。同时系统在主电源2和备用电源3的共同作用下工作，在有备用电源3的方案下，可以确保在任何状况下，控制系统都有电，这同样是防飞车的又一组成部分。

Claims (10)

1.一种水电智能控制系统，它包括中央处理模块、外部触显模块、主电源；

外网参数感应模块，与外网连接且实时检测外网的电压、电流、频率、功率、功率因数、电度参数；

发电参数感应模块，与发电机连接且实时检测发电机的发电电压、电流、频率参数；

水位高度感应模块，与水库连接，监控水库水位；

并网接触器，连于发电机和外网之间；

同期检测感应模块，用于检测对比并网的时机，同步并网接触器的合闸；

励磁控制器，连接在发电机上，

上述的各模块同时又与中央处理模块连接，并网接触器和励磁控制器均与中央处理模块连接，且能反馈调节，其特征在于，该系统设有防飞车模块，防飞车模块用于实时检测发电机的转速，并反馈至中央处理模块中，发电机转速异常时，中央处理模块自动切断水轮机与发电机的连接，上述的各数据通过中央处理模块后显示在外部触显模块中。

2.根据权利要求1所述的水电智能控制系统，其特征在于，所述的防飞车模块包括发电机的转速检测传感器和水轮机的水阀门调节执行器，所述的转速检测传感器和水阀门调节执行器均与中央处理模块连接，转速检测传感器反馈的数据直接控制水阀门调节执行器的开闭。

3.根据权利要求1或2所述的水电智能控制系统，其特征在于，所述的防飞车模块包括备用电源，备用电源直接与系统连接，备用电源在主电源断电状态下切换为系统供电。

4.根据权利要求3所述的水电智能控制系统，其特征在于，所述系统设有至少两套水位高度感应模块，中央处理模块上设有警报模块，警报模块用于监控水位高度感应模块的状态。

5.一种水电智能控制方法，其特征在于，它通过以下步骤实现，

a、系统通过外网参数感应模块中提取外网参数到中央处理模块中，通过水位高度感应模块检测水位的高度，当外网参数和水位高度在设定位时，开启水阀门调节执行器，发电机工作；

b、中央处理模块根据外网参数自动调整水阀门的大小，励磁的大小，使发电机发电的电压、频率和外网一致，进行同期的检测判断，待外网和发电机同期后，发出合闸信号；

c、在并网接触器的作用下，发电机和外网连同，发电机对外输电；

d、水位跟踪调节，系统通过检测水库水位，通过软件的PID智能模糊算法，控制水阀门位置，达到对整个机组的自动运行控制；

e、自动控制励磁控制器，水位跟踪调节时，对励磁按功率因素的大小自动跟踪；

f、整个运行期间，系统通过外部触显模块，时刻监控外网、发电、及发电机的各项参数，电压、电流、频率、励磁、转速、水位、轴承温度，当任意异常时，立即关闸；

上述步骤a～e中均在防飞车模块的监控下工作。

6.根据权利要求5所述的水电智能控制方法，其特征在于，所述防飞车模块的转速检测传感器实时监控发电机的转速，当转速超出额定转速的10％时，系统立即驱动水阀门调节执行器关闭水阀门。

7.根据权利要求5或6所述的水电智能控制方法，其特征在于，所述系统由主电源和备用电源供电，当主电源损坏时，系统自动切换用备用电源供电,确保在任意时刻可安全关闭水轮机。

8.根据权利要求5所述的水电智能控制方法，其特征在于，所述b步骤中，先利用水阀门调节执行器直接将阀门调整到设定的阀位，然后等待发电机转速上升，以及等待外网和发电机的并网同步时机，此过程在系统中预设有发电机发电偏差频率值，通过水阀门调节执行器调节水阀门阀位来反馈控制发电机转速；其次利用励磁控制器反馈控制发电机电压，在上述频率值达标后迅速通过励磁改变电压，最后系统检查到相位正确时发出合闸信号。

9.根据权利要求5所述的水电智能控制方法，其特征在于，所述d步骤中，采用两套水位高度感应模块置于水库中，自动对两套水位高度感应模块采集数值进行对比，当数值偏差范围过大时，启动警报。

10.根据权利要求9所述的水电智能控制方法，其特征在于，所述d步骤中，水库水位从上至下依次分为满水位、上限位、下限位和警戒位，初次并网后，将做如下步骤：

g、系统判断水位是否在满水位，在满水位时，将系统的功率自动调节为最大；当水消耗到上限位和下限位范围内时，自动将发电功率转至近期的平均功率，然后进入自动微调状态；

h、在一定时间内去判断一次水位的变化率，根据水位的变化进行调节水阀门阀位，使水位维持在上限位和下限位范围内；

i、监控到水位低于警戒位则进行报警，并延迟一段时间后关机。