CN105673314A

CN105673314A - 中小型水轮发电机组dspic综合控制器

Info

Publication number: CN105673314A
Application number: CN201610108381.4A
Authority: CN
Inventors: 施隆照; 戴树梅
Original assignee: Fujian Intelligent Technology Co Ltd
Current assignee: Fujian Intelligent Technology Co Ltd
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2016-06-15

Abstract

本发明公开了一种中小型水轮发电机组DSPIC综合控制器,所述的DSPIC综合控制器，包括水力测控、水轮机测控、发电机测控，所述的DSPIC综合控制器的集励磁控制单元、转速控制单元、同期控制单元、过程控制单元、水位测控单元、温度巡检单元、机组保护单元、通信单元于一体，采用DSPIC单片机为主控制机,DSPIC单片机一端与采样单元联接，另一端与输出系统联接，还有一端通过通信口与触摸屏联接，一端与电源单元联接，并可通过以太网与上位机系统联接;所述的励磁控制、转速控制、同期控制、过程控制、水位测控和机组保护分别与采样单元联接,共享采样单元采集的数据信息。

Description

中小型水轮发电机组DSPIC综合控制器

技术领域

本发明涉及一种中小型水轮发电机组DSPIC综合控制器。

背景技术

水轮发电机组由水力、水轮机和发电机组成，是水电站与电力系统重要组成部分，是一个多变量、时变、非线性系统,水轮发电机组控制联接水力测控、水轮机测控、发电机测控，一般是通过调速器控制进水量调节水轮发电机组的有功功率及频率，通过励磁控制器控制发电机端电压与输出的无功功率，根据水位测控对水轮发电机组进行经济发电与负荷控制,在正常运行状态下保证负荷的要求、电能质量、经济发电与静态稳定性,在事故状态下提高电力系统运行的安全性、动态与暂态稳定性。主要控制单元有：励磁控制、转速控制、同期合闸控制、过程控制、水位测控、温度巡检、机组保护和通信，其中励磁控制、转速控制和同期合闸控制是水电厂中最基本的控制,它对于保证水电站与电力系统的安全、稳定运行、电能质量起着关键性作用。传统的控制方式是：励磁控制、转速控制、同期控制、过程控制、水位测控、温度巡检和机组保护都是从自身的目标出发,各自构成独立的工作系统，分开设置控制器，对不同的目标进行控制，其体积庞大、设备分散、响应速度慢、价格高、安装维修不便、不能进行资源共享、不便进行调速、励磁、同期之间的协调控制及实现最佳控制。

鉴于水轮发电机组励磁控制、转速控制和同期控制是一个密切关联的整体，其耦合性强，忽略或简化它们之间互相影响与关联，不但会影响其控制质量，而且会影响发电机组运行的安全性、经济性，甚至会影响电力系统运行的安全性、稳定性与供电质量。为此,应将水轮机和发电机励磁、转速、同期合闸作为个整体进行综合协调控制。同时为了实现永电站综合自动化与无人值守,还必须将水轮发电机组的过程控制、水位测控、温度巡检和机组保护同时进行自动控制。

发明内容

本发明的任务是提供一种基于DSPIC30F6014A单片机(简称为DSPIC单片机)集水电站的水力、水轮机、发电机的控制、调节、保护和通信功能于一体的高度集成化、一体化、智能化的综合控制器。本发明的任务是通过如下技术方案来实现的:本发明的中小型水轮发电机组DSPIC综合控制器，包括水力测控、水轮机测控、发电机测控，所述的DSPIC综合控制器的集励磁控制单元、转速控制单元、同期控制单元、过程控制单元、水位测控单元、温度巡检单元、机组保护单元、通信单元于一体，采用DSPIC单片机为主控制机,DSPIC单片机一端与采样单元联接，另一端与输出系统联接，还有一端通过通信口与触摸屏联接，一端与电源单元联接，并可通过以太网与上位机系统联接;所述的励磁控制、转速控制、同期控制、过程控制、水位测控和机组保护分别与采样单元联接,共享采样单元采集的数据信息。

本发明的中小型水轮发电机组DSPIC综合控制器,它是利用一台DSPIC单片机对水轮发电机组励磁、转速、同期、水位、温度巡检、生产过程及机组保护进行综合控制。本发明的中小型水轮发电机组DSPIC综合控制器综合控制器可以实现中小型水轮发电机组二次设备高度集成化、一体化、模块化、小型化、智能化,配上外围设备可以实现低压发电机组1机1柜、一个指令开停机、故障诊断、自动停机、自动调频调压、自动调节有功无功、并根据水位变化自动调整负荷、进行经济发电，实现无人值守,提高了系统的稳定性、可靠性及调节性能，同时简化系统的结构、简化接线、共享资源、减少重复设备、降低成本。综合控制器用于小型水电站,可以实现一个指令开停机、故障诊断、自动停机、自动调频调压、自动调节有功无功功率、经济发电、实现无人值守，实现低压发电机组一、二次设备1机1柜。DSPIC综合控制器具有协调控制、跟踪系统电压、频率功能,提高了调节性能及系统的稳定性、可靠性，同时简化系统的结构、简化接线、共享资源、减少重复设备、缩小体积、降低成本,采用模块化结构，系统功能可灵活扩充。

附图说明

图1是DSPIC综合控制器原理结构图，

图中:(A)为采样单元，(B)为DSPIC单片机,(C)为输出单元,(D)为电源单元;(E)为触膜屏;

(1)为励磁控制单元;(2)为转速控制单元;(3)为同期控制单元;(4)为过程控制单元;(5)为水位测控单元;(6)为温度巡检单元;(7)为机组保护单元;(8)为通信单元;

AI为模拟量输入,输入模拟量有发电机相电流(Ia、Ib、Ic)、发电机端线电压(Uab、Ubc)、系统电压(Ux)、系统频率(Fx)、系统电压与发电机电压的相位差()、机组的转速(N)、励磁电压(UL)、励磁电流(IL);

DI为开关量输入,输入开关量有导水叶开放度（D_W）、水位测量V、断路器位置信号DL、控制命令L和测速信号输入到主控制系统--(A)；

MI为数字量输入,输入数字量有转速测量N、给定值GD。

AO为模拟量输出,输出模拟量有励磁控制信号至励磁功率单元、转速控制信号至调速电动机或电液转换器Il;

DO为开关量输出,输出的开关量有断路器合闸信号HZ;导水叶开度（D_W）；

MO为数字量输出,输出的数字量有故障报警信号输出至报警器BZ。

图2是DSPIC综合控制器的外形结构图，

图中:a为采样模块;-b为励磁控制模块;-c为转速同期与过程控制模块;d为辅助控制保护与通信模块;e为输出模块;f为电源模块;(E)为触膜屏。

图3为DSPIC综合控制器与水电站监控系统的联接图，

图中:(A)为采样单元，(B)为DSPIC单片机,(C)为输出单元,(D)为电源单元;(E)为触膜屏;(G)为以太网,(H)为上位机系统;

(1)为励磁控制单元;(2)为转速控制单元;(3)为同期控制单元;(4)为过程控制单元;(5)为水位测控单元;(6)为温度巡检单元;(7)为机组保护单元;(8)为通信单元。

具体实施方式

以下结合附图的具体实施例对本发明进一步说明。（但不是对本发明的限制）

本发明的中小型水轮发电机组DSPIC综合控制器，包括水力测控、水轮机测控、发电机测控，其特征在于:所述的DSPIC综合控制器的集励磁控制单元(1)、转速控制单元(2)、同期控制单元(3)、过程控制单元(4)、水位测控单元(5)、温度巡检单元(6)、机组保护单元(7)、通信单元(8)于一体，采用DSPIC单片机(B)为主控制机,DSPIC单片机(B)一端与采样单元(A)联接，另一端与输出系统(C)联接，还有一端通过通信口与触摸屏(E)联接（见图1所示），一端与电源单元(D)联接，并可通过以太网(G)与上位机系统(H)联接（见图3所示）;所述的励磁控制---(1)、转速控制--(2)、同期控制--(3)、过程控制--(4)、水位测控--(5)和机组保护---(6)分别与采样单元--(A)联接,共享采样单元--(A)采集的数据信息。

图2是DSPIC综合控制器的外形结构图，DSPIC综合控制器各单元用插板式模块结构插入4U机箱内,其中采样模块--a排列在励磁控制模块--b前、励磁控制模块--b排列在转速同期过程控制模块--c前、转速同期过程控制模块--c排列在辅助控制保护与通信模块--d前、辅助控制保护与通信模块--d排列在输出模块--e前、输出模块--e排列在电源模块--f前,触摸屏--(E)嵌入面板内，（见图2所示）。

DSPIC综合控制器采样单元--(A)一端接至AI--模拟量输入,AI分别联接发电机相电流(Ia、Ib、Ic)、发电机端线电压(Uab、Ubc)、系统电压--(Ux)、系统频率--(Fx)、系统电压与发电机电压的相位差--(δ)、机组的转速--(N)、励磁电压--(UL)、励磁电流--(IL),其采样单元--(A)另一端接至DI--开关量输入,DI分别联接到导水叶开放度---（D_W）、水位测量--V、断路器位置信号--DL、控制命令--L,采样单元--(A)还有一端接至MI数字量输入,MI一端联接转速测量N、另一端联接给定值GD,采样单元--(A)联接到DSPIC单片机--(B)（见图1所示）。DSPIC综合控制器输出单元----(C)一端接至AO--模拟量输出,AO一端联接励磁控制信号、另一端联接转速控制信号,输出单元--(C)另一端接至DO开关量输出,DO一端联接断路器合闸信号HZ,另一端联接导水叶开度（D_W）,输出单元--(C)还有一端接至MO数字量输出,MO联接故障报警信号BZ,输出单元--(C)与DSPIC单片机--(B)联接（见图1所示）。

图3为DSPIC综合控制器与水电站监控系统的联接图，DSPIC单片机(B)分别与采样单元(A)、输出单元(C)、电源单元(D)、触膜屏(E)、以太网(G)联接，上位机系统(H)接于以太网(G)，励磁控制单元(1)、转速控制单元(2)、同期控制单元(3)、过程控制单元(4)、水位测控单元(5)、温度巡检单元(6)、机组保护单元(7)、通信单元(8)分别与DSPIC单片机(B)联接。

综合控制器各单元采用插板式模块结构插入4U机箱内。其目的旨在协调励磁控制、转速控制和同期合闸控制、跟踪系统电压频率控制、共享资源、减少重复设备、简化接线、简化结构、缩小体积、降低成本，在正常状态下提高可靠性、调节精度、合理分配无功功率、提高电力系统静态稳定极限，事故状态下提高电力系统动态稳定性、暂态稳定性和电压稳定性，在事故后进行恢复控制迅速恢复供电，提高机组自动化水平和全站的综合自动化水平,提高电站运行的可靠性、经济性及运行管理水平，实现中小型水电站机组一键开停机、故障诊断、自动停机，实现中小型水轮发电机组综合自动化和无人值守,更好实现小型水轮发电机组一次二次设备1机1柜。DSPIC综合控制器可工作在单机运行、并大电网或并小电网下运行，在正常状态、事故状态及事故后恢复状态下能进行协调控制:

对于孤立电站不带负载，励磁与转速调节分开独立控制；当发电机组单机带负载时，综合控制器不仅要调节励磁电压，而且要根据系统功率变化调节水门开度，维持频率动态平衡;当发电机组与大电网并网时，在正常运行时综合控制器主要任务是合理分配并列运行的机组间的无功功率、有功功率,维持发电机组频率与电压稳定。在系统负荷扰动时,一般中小型电站机组在大电网中不承担主要调频、调相任务，但有抑制、减弱系统的波动的作用，若近区负荷突变引起输出力矩的扰动，当扰动尚末冲击到电网时，一般机端电压、频率会发生一定的扰动，但综合控制器的作用可减小对大电网影响，在暂态过程终了时，发电机输出的电磁功率不变，励磁控制稳定电压。

对发电机组并入地方小电网，小机组一般不能进相运行，也不承担调频任务，但当负载化时，地方电网电压较高时，若励磁控制器工作于恒压工作方式，可能吸取系统无功功率，进相运行，此时根据水位输出功率。为此，中小型发电机组并入地方小电网运行，转入恒功率因素工作方式，跟随电网电压、频率的变化。为使电网功率平衡，应停掉一些有蓄水能力的电站，最大限度地利用天然水利资源。

当系统出现大扰动时，由于系统的结构或参数发生了较大变化，因而系统的潮流及各发电机输出的电功率也随之发生突然变化。但是，由于水轮机和调速机构有一定的惯性，需要经过一定时间以后才能改变水轮机输出的机械功率，这样可能破坏了发电机与水轮机间的功率平衡，在发电机组的轴上便出现了不平衡转矩。一般遭受扰动时各发电机组功率平衡不同，机组转动惯量也不同，各机组转速变化的不同。因而各发电机转子之间将产生相对运动，即相关摆动,此时励磁的微分调节过程会恶化转速的调节作用，综合控制器自适用为PI调节方式,若与系统失步，即与电网解列。

当水电机组并入大电网时，正常运行时电网频率变化很小，负荷变化不大，机组出力接近给定值。但对机组与孤立小电网并列或单机运行时，机组出力随负荷变化，当负荷与给定功率偏差较大时，就会产生较大的频率偏差,控制器根据频率偏差和功率偏差的大小，可以判断水电机组是并大电网或并小电网。

当系统出现低频振荡时，控制器的PSS附加控制信号，提供正阻尼，以补偿系统负阻尼，抑制低频振荡。

跟踪控制是在机组起动、升压后，自动跟踪电网电压与频率，加快同期并列过程。

励磁控制单元----(1)、转速控制单元--(2)、同期控制单元--(3)、过程控制单元--(4)、水位测控单元--(5)、温度巡检单元------(6)、机组保护单元--(7)单元分别与采样单元--(A)联接,共享采样单元--(A)采集的信息,这不仅可保证各单元采集的数据信息一致性，同时可保证有关单元协调控制正确性，这也是综合控制器与分立装置的重大区别。

DSPIC综合控制器各单元用插板式模块结构插入4U机箱内,其中采样模块--a排列在励磁控制模块--b前、励磁控制模块--b排列在转速同期过程控制模块--c前、转速同期过程控制模块--c排列在辅助控制保护与通信模块--d前、辅助控制保护与通信模块--d排列在输出模块--e前、输出模块--e排列在电源模块--f前,触摸屏--(E)嵌入面板内，其结构紧凑、接线简单、美观大方、维修方便。

DSPIC综合控制器输出方式,按可控硅单元分为单相半控、单相全控、三相半控、三相全控,工作方式有恒电压、恒励磁电流、恒无功、恒功率因素、恒控制角,这可适用于不同机组及不同运行方式的需要。

DSPIC综合控制器有多种工作方式，可工作于单机模式，也可工作于双机模式,当单机时，则自动工作于所述的单机模式，当两台机并列运行时，则工作于所述的双机模式。双机模式两机分为A机与B机，设定A机为主控机，B机作为热备用机，兼对A机进行监控，当诊断到A机出故障，或用按键手动进行双机切换时，切换至B机;双机模式提高了运行可靠牲。

综合控制器采用DSPIC单片机作为硬件平台,DSPIC是一种将单片机的特征同数字信号处理器（DSP）的能力结构在一起的器件，它具有丰富的外围部件，完整的DSP引擎,改进的中断能力,DSPIC存储器,灵活的重编程能力,强大的开发环境引脚数少,使用优化的高级语言,方便PIC系列单片机用户移植现有的代码，因此选用DSPIC作为硬件平台能满足小型水轮发电机组监控功能与性能要求,而且比较可靠与经济。

采用模块化结构，独立与分散相结合，系统功能可灵活扩充。

Claims

1.中小型水轮发电机组DSPIC综合控制器，包括水力测控、水轮机测控、发电机测控，其特征在于:所述的DSPIC综合控制器的集励磁控制单元、转速控制单元、同期控制单元、过程控制单元、水位测控单元、温度巡检单元、机组保护单元、通信单元于一体，采用DSPIC单片机为主控制机,DSPIC单片机一端与采样单元联接，另一端与输出系统联接，还有一端通过通信口与触摸屏联接，一端与电源单元联接，并可通过以太网与上位机系统联接;所述的励磁控制、转速控制、同期控制、过程控制、水位测控和机组保护分别与采样单元联接,共享采样单元采集的数据信息。

2.根据权利要求1所述的中小型水轮发电机组DSPIC综合控制器，其特征在于，所述的DSPIC综合控制器各单元用插板式模块结构插入4U机箱内,其中采样模块排列在励磁控制模块前、励磁控制模块排列在转速同期过程控制模块前、转速同期过程控制模块排列在辅助控制保护与通信模块前、辅助控制保护与通信模块排列在输出模块前、输出模块排列在电源模块前,触摸屏嵌入面板内。

3.根据权利要求1所述的中小型水轮发电机组DSPIC综合控制器，其特征在于，所述的DSPIC综合控制器采样单元一端接至AI--模拟量输入,AI分别联接发电机相电流(Ia、Ib、Ic)、发电机端线电压(Uab、Ubc)、系统电压(Ux)、系统频率(Fx)、系统电压与发电机电压的相位差(δ)、机组的转速(N)、励磁电压(UL)、励磁电流(IL),其采样单元(A)另一端接至DI--开关量输入,DI分别联接到导水叶开放度、水位测量、断路器位置信号、控制命令,采样单元还有一端接至MI--数字量输入,MI一端联接转速测量N、另一端联接给定值GD,采样单元联接到DSPIC单片机;DSPIC综合控制器输出单元一端接至AO--模拟量输出,AO一端联接励磁控制信号、另一端联接转速控制信号,输出单元另一端接至DO开关量输出,DO一端联接断路器合闸信号,另一端联接导水叶开度,输出单元还有一端接至MO--数字量输出,MO联接故障报警信号,输出单元与DSPIC单片机联接。

4.根据权利要求1所述的中小型水轮发电机组DSPIC综合控制器，其特征在于，所述的DSPIC综合控制器DSPIC单片机分别与采样单元(A)、输出单元(C)、电源单元(D)、触膜屏(E)、以太网(G)联接，上位机系统(H)接于以太网(G)，励磁控制单元(1)、转速控制单元(2)、同期控制单元(3)、过程控制单元(4)、水位测控单元(5)、温度巡检单元(6)、机组保护单元(7)、通信单元(8)分别与DSPIC单片机(B)联接。

5.根据权利要求1所述的中小型水轮发电机组DSPIC综合控制器，其特征在于，所述的DSPIC综合控制器输出方式,按可控硅单元分为单相半控、单相全控、三相半控、三相全控,工作方式有恒电压、恒励磁电流、恒无功、恒功率因素、恒控制角。

6.根据权利要求1所述的中小型水轮发电机组DSPIC综合控制器，其特征在于，所述的DSPIC综合控制器，可工作于单机模式，也可工作于双机模式,当单机时，则自动工作于单机模式，当两台机并列运行时，则工作于双机模式;双机模式两机分为A机与B机，设定A机为主控机，B机作为热备用机，兼对A机进行监控，当诊断到A机出故障，或用按键手动进行双机切换时，切换至B机。