CN214464631U - 一种智能化的水电站机组自动水头测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种智能化的水电站机组自动水头测量装置，属于水电站水轮发电机组技术领域，包括位于进水口水位处的四组投入式水位计、位于尾水水口处的第五投入式水位计和两组雷达水位计、进水口水位信号中转箱、尾水水位信号中转箱、两组PLC控制器、自动水头测量屏。本实用新型利用PLC装置对采集的实时水位信息进行综合分析处理计算出水头值，与调速器系统进行数据共享，向调速器提供准确可靠的实时自动水头，对历史水位信息进行长时间的存储，针对汛期、非汛期、来水量等综合数据进行分析处理预判，在水位计传感器组故障时，给出建议水头值，提高了水轮发电机组的运行效率和可靠性，同时有效地减少现场运维人员人工修改机组调速器水头次数，减轻了员工的工作强度。

Description

一种智能化的水电站机组自动水头测量装置

技术领域

本实用新型属于水电站水轮发电机组技术领域，尤其涉及一种智能化的水电站机组自动水头测量装置。

背景技术

水轮发电机在运行中由调速器根据水头、负荷、频率、电压、流量、导叶开度反馈值来计算导叶相对应的开度，如果桨叶参与调节也会根据与导叶的开度协联关系进行调节，除水头和负荷外的调节量均由机组调速和励磁系统进行自动调节，其中水头是一个基础量，在参与计算时也是固定量，机组的负荷调节不允许在计算时出现其他变量，否则会引起机组不稳定现象发生，而计算所依据的各基础量数据必须与实际相符合，不然计算出的结果与实际不符也会引起机组运行的不稳定现象发生，这也与这些变量的测量元件精确度有一定关系。机组实时水头是水电站水轮发电机组的一个重要参数，机组调速器根据水头实测值自动计算出导叶开限、空载开度、第一开机度等机组运行的关键参数，机组自动水头测值的准确性将直接影响机组的开停机成功率及机组运行的稳定性等

目前高水头水轮发电机组自动水头多采用在蜗壳处装设压力传感器方式采集机组水头，此方式能实现机组自动水头采集，但存在诸多弊端；如蜗壳测压管路堵塞后不容易疏通，导致压力传感器测点失效；再如蜗壳压力易受机组负荷调整影响，特别是在开停机过程中测量水头随机组导叶开关变化较大，测值不准将直接影响机组正常并网、停机。运行人员往往在机组开停机失败、调整负荷失败后再到现场检查，发现自动水头测值不正确时可采用人工设置水头方式暂时解决问题，但人工设置水头不会随水位变化自动改变，水位变化后需人工更新，增加了运行人员工作量，且重新人工设置水头易被遗忘，降低了机组可靠性，因此现有技术存在以下问题：

(1)不满足智慧水电站建设的要求。机组调速器系统水头值一般采用人工方式设置，即运行人员根据实际水头估算后，在调速器人机界面上进行设置。该方式不能精确反映机组实时水头变化，且需要运行人员频繁设置水头才能保证机组运行于正常状态，运行人员工作量大，也不能满足智慧水电站建设的要求。

(2)频繁造成机组出现不能带满负荷运行。由于电站泄洪、开停机等因素，机组实际水头变化范围很大，尤其在汛期，水电站上下游水位变化快，水头变化幅值大，常造成机组因水头设置不及时导致机组无法带满负荷运行。

(3)不能满足电网AGC调节等相关要求。机组低水头运行时无法带满负荷，直接影响省调AGC下发负荷策略，造成省调AGC频繁退出，不能满足电网的运行要求，根据电网的要求，需增加自动水头控制系统。

实用新型内容

针对现有技术中的上述不足，本实用新型提供的一种智能化的水电站机组自动水头测量装置，提供未来一定时间段内的预期水头值，提高水轮发电机组的运行效率和可靠性，减少现场运维人员人工修改机组调速器水头次数，减轻了员工的工作强度。

为了达到以上目的，本实用新型采用的技术方案为：

本方案提供了一种智能化的水电站机组自动水头测量装置，包括分别安装于进水口闸门前的第一投入式水位计、第二投入式水位计、第三投入式水位计和第四投入式水位计、分别安装于尾水水位处的第五投入式水位计、第一雷达水位计和第二雷达水位计、分别与所述第一投入式水位计、第二投入式水位计、第三投入式水位计和第四投入式水位计连接的进水口水位信号中转箱、分别与所述第五投入式水位计、第一雷达水位计和第二雷达水位计连接的尾水水位信号中转箱、与所述进水口水位信号中转箱连接的第一PLC控制器、与所述尾水水位信号中转箱连接的第二PLC控制器、分别与所述第一PLC控制器和第二PLC控制器连接的自动水头测量屏、分别与所述自动水头测量屏连接的第一机组调速电控柜、第二机组调速电控柜、第三机组调速电控柜和第四机组调速电控柜以及分别与所述自动水头测量屏连接的第一机组LCU控制柜、第二机组LCU控制柜、第三机组LCU控制柜和第四机组LCU控制柜。

本实用新型的有益效果是：利用PLC装置对采集的实时水位信息进行综合分析处理计算出水头值，与调速器系统进行数据共享，向调速器提供准确可靠的实时自动水头，对历史水位信息进行长时间的存储，针对汛期、非汛期、来水量等综合数据进行分析处理预判，在传感器组故障时，给出建议水头值，提高了水轮发电机组的运行效率和可靠性，同时有效地减少现场运维人员人工修改机组调速器水头次数，减轻了员工的工作强度。

进一步地，所述第一投入式水位计、第二投入式水位计、第三投入式水位计和第四投入式水位计均安装于预埋在混泥土的防浪涌套管内，所述防浪涌套管位于坝前挡水建筑物的水位波动最小处，所述防浪涌套管的固定支架与大坝的钢筋结构焊接。

再进一步地，所述第五投入式水位计安装于预埋在混泥土的防浪涌套管内，且位于尾水出口的水位波动最小处，所述防浪涌套管的固定支架与尾水出口的钢筋结构焊接。

上述进一步方案的有益效果是：基于多类型水位计传感器结合等技术，实现水电站上、下游水位实时采集，适宜于水电站特殊位置传感器数据传输的数据采集。

再进一步地，所述第一投入式水位计、第二投入式水位计、第三投入式水位计和第四投入式水位计分别采用模拟信号为4-20mA的模拟量二分器与所述进水口水位信号中转箱连接；

所述第五投入式水位计、第一雷达水位计和第二雷达水位计分别采用模拟量二分器与所述尾水水位信号中转箱连接。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用将4台机组进水口闸门前投入式水位计的4-20mA模拟量信号使用模拟量二分器，各分出一路4-20mA信号，共4路水位信号送入坝前水位信号中转箱的方式采集库区水位，同时鉴于猴子岩尾水平台日照不充分且尾水出水口基本无漂浮物的考量，尾水水位计采用混合式选法，在尾水平台加装两套雷达水位计，2路信号送至尾水信号中转箱。满足自动水头算法需求。

再进一步地，所述第一投入式水位计、第二投入式水位计、第三投入式水位计、第四投入式水位计和第五投入式水位计均可替换为浮子式水位计。

再进一步地，所述第一雷达水位计和第二雷达水位计通过支架安装于尾水平台，且支架伸出部分为180度旋转的活动支架。

上述进一步方案的有益效果是：雷达水位支架安装于尾水平台，在支架设计之初，考虑到便于维护、检修雷达水位计的需要，将支架伸出部分设计为可180度旋转的活动支架，在需要检修、维护水位计时，将固定螺丝松开旋转后使得伸出部分回转到尾水平台内侧，可以安全、快速的处理故障。

再进一步地，所述进水口水位信号中转箱通过光缆与所述自动水头测量屏连接，所述尾水水位信号中转箱通过光缆与所述自动水头测量屏连接。

上述进一步方案的有益效果是：分别在库区水位信号中转箱和尾水水位信号中转箱加装小型PLC，PLC将采集的4-20mA模拟量信号换算成实际水位值，信号中转箱与机组自动水头测量屏的PLC之间通过安全、稳定的以太网通讯协议进行数据交换，采用光缆传输。

再进一步地，所述自动水头测量屏通过远程IO模块以硬接线和MODBUS TCP/IP以太网通讯模式分别与所述第一机组调速电控柜、第二机组调速电控柜、第三机组调速电控柜和第四机组调速电控柜连接；

所述第自动水头测量屏通过远程IO模块以硬接线和MODBUS TCP/IP以太网通讯模式分别与第一机组LCU控制柜、第二机组LCU控制柜、第三机组LCU控制柜和第四机组LCU控制柜连接。

再进一步地，所述第一PLC控制器和第二PLC控制器通过以太网的通讯方式进行双机热备，并通过光纤连接。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型将两套PLC都上电的，一套工作，另外一也在工作，只是不发出控制指令，一旦工作的那套出问题了，另外一套不需要启动，直接切换到工作状态。

再进一步地，所述自动水头测量屏安装于第三机组LCU控制柜侧，且所述自动水头测量屏距离进水口水位信号中转箱为5KM，距离尾水水位信号中转箱为2KM。

上述进一步方案的有益效果是：使获得的水位数据更加准确、可靠，不会受外界环境的干扰而发生数据漂移、中断的状况发生。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意图。

其中，1-第一投入式水位计，2-第二投入式水位计，3-第三投入式水位计，4-第四投入式水位计，5-第五投入式水位计，6-第一雷达水位计，7-第二雷达水位计，8-进水口水位信号中转箱，9-尾水水位信号中转箱，10-第一PLC控制器，11-第二PLC控制器，12-自动水头测量屏，13-第一机组调速电控柜，14-第二机组调速电控柜，15-第三机组调速电控柜，16-第四机组调速电控柜，17-第一机组LCU控制柜，18-第二机组LCU控制柜，19-第三机组LCU控制柜，20-第四机组LCU控制柜。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的实用新型创造均在保护之列。

实施例

如图1所示，本实用新型提供了一种智能化的水电站机组自动水头测量装置，包括分别安装于进水口闸门前的第一投入式水位计1、第二投入式水位计2、第三投入式水位计3和第四投入式水位计4、分别安装于尾水水位处的第五投入式水位计5、第一雷达水位计6和第二雷达水位计7、分别与第一投入式水位计1、第二投入式水位计2、第三投入式水位计3和第四投入式水位计4连接的进水口水位信号中转箱8、分别与第五投入式水位计5、第一雷达水位计6和第二雷达水位计7连接的尾水水位信号中转箱9、与进水口水位信号中转箱8连接的第一PLC控制器10、与尾水水位信号中转箱9连接的第二PLC控制器11、分别与第一PLC控制器10和第二PLC控制器11连接的自动水头测量屏12、分别与第一PLC控制器10连接的第一机组调速电控柜13、第二机组调速电控柜14、第三机组调速电控柜15和第四机组调速电控柜16以及分别与第二PLC控制器11连接的第一机组LCU控制柜17、第二机组LCU控制柜18、第三机组LCU控制柜19和第四机组LCU控制柜20。

本实施例中，第一投入式水位计1、第二投入式水位计2、第三投入式水位计3、第四投入式水位计4和第五投入式水位计5均安装于预埋在混泥土的防浪涌套管内，且位于水坝前非挡水建筑物的水位波动最小处，防浪涌套管的固定支架与非挡水建筑物的钢筋结构焊接。第一雷达水位计6和第二雷达水位计7通过支架安装于尾水平台，且支架伸出部分为180度旋转的活动支架。第一投入式水位计1、第二投入式水位计2、第三投入式水位计3和第四投入式水位计4分别采用模拟信号为4-20mA的模拟量二分器与进水口水位信号中转箱8连接；第五投入式水位计5、第一雷达水位计6和第二雷达水位计7分别采用模拟量二分器与尾水水位信号中转箱9连接。

本实施例中，由于猴子岩水电站建设期时，在1F-4F机组进水口闸门前均安装有投入式水位计，投入式水位计置于预埋在混泥土的防浪涌套管内。猴子岩水电站所在地的空气湿度较低(常年空气湿度低于40％)，坝区日照充分，不会对投入式水位计的毛细软管由于凝露而造成堵塞，且库区漂浮物较多，不利于超声波水位计和雷达水位计精确测量。鉴于以上所述且资源合理利用、降低设备成本的考虑，采用将4台机组进水口闸门前投入式水位计的4-20mA模拟量信号使用模拟量二分器，各分出一路4-20mA信号，共4路水位信号送入进水口水位信号中转箱8的方式采集库区水位。

本实施例中，同样尾水在建设期，装有一套置于预埋在混泥土的防浪涌套管内的投入式水位计，可以采用模拟量二分器将投入式水位计信号送至尾水信号中转箱。鉴于尾水平台日照不充分且尾水出水口基本无漂浮物的考量，尾水水位计采用混合式选法，在尾水平台加装两套雷达水位计，2路信号送至尾水信号中转箱。至此，尾水共采集到3路水位信号，满足自动水头算法需求。

本实施例中，第一投入式水位计1、第二投入式水位计2、第三投入式水位计3、第四投入式水位计4和五投入式水位计5均可替换为浮子式水位计。

本实施例中，各水位传感器可采用浮子式水位计或投入式液位变送器设计独立的防浪涌管及传感器保护罩。进水口水位传感器组安装于坝前非挡水建筑物水位波动较小处，尾水水位传感器组安装于尾水出口水位波动较小处。为保证传感器防浪设施安装的稳定性，考虑将防浪设施的固定支架与非挡水建筑物、尾水平台的钢筋结构焊接，作为支撑。

本实施例中，进水口水位信号中转箱8、尾水水位信号中转箱9通过光缆与自动水头控制屏12。自动水头测量屏12通过远程IO模块分别与第一机组调速电控柜13、第二机组调速电控柜14、第三机组调速电控柜15和第四机组调速电控柜16连接；自动水头测量屏12通过远程IO模块的分别与第一机组LCU控制柜17、第二机组LCU控制柜18、第三机组LCU控制柜19和第四机组LCU控制柜20连接。第一PLC控制器10和第二PLC控制器11以太网通讯方式进行热备，通讯介质为光纤。自动水头测量屏12安装于第三机组LCU控制柜19侧，且自动水头测量屏12距离进水口水位信号中转箱8为5KM，距离尾水水位信号中转箱9为2KM。

本实施例中，分别在进水口水位信号中转箱8和尾水水位信号中转箱9加装小型PLC，PLC将采集的4-20mA模拟量信号换算成实际水位值，信号中转箱PLC与机组自动水头测量屏12的PLC之间通过安全、稳定的以太网通讯协议进行数据交换，采用光缆传输。此种数据传输方式的优点为接收端收到的水位数据准确、可靠，不会受外界环境的干扰而发生数据漂移、中断的状况发生。

本实施例中，对于水位采集，库区水位采用将4台机组进水口闸门前投入式水位计(第一投入式水位计1，第二投入式水位计2，第三投入式水位计3和第四投入式水位计4)的4-20mA模拟量信号使用模拟量二分器，各分出一路4-20mA信号，共4路水位信号送入进水口水位信号中转箱8的方式采集。尾水水位采用将1套第五投入式水位计5的4-20mA模拟量信号使用模拟量二分器，分出一路4-20mA信号，在尾水平台加装两套雷达水位计(第一雷达水位计6和第二雷达水位计7)，共3路信号送至尾水信号中转箱9。

本实施例中，水位数据传输采用在进水口水位信号中转箱8和尾水水位信号中转箱9分别增加一套小型PLC(第一PLC控制器10和第二PLC控制器11)，小型PLC将收到的4-20mA模拟量信号经过处理换算成实际水位后，再通过以太网通讯协议转换成光信号传输至自动水头测量屏12。实时水头数据分别通过IO模块开出4-20mA模拟量信号和MODBUS TCP/IP通讯协议两种方式，分别送至1-4#机组调速器电控柜(第一机组调速电控柜13-第四机组调速电控柜16)和1-4#机组LCU柜(第一机组LCU控制柜17-第四机组LCU控制柜20)。机组自动水头测量屏12接收到进水口4路水位数据(第一投入式水位计1，第二投入式水位计2，第三投入式水位计3和第四投入式水位计4)，任选其中3路数据通过比较，采用三选二的方式，选出最接近实时水位的2路数据做平均值得出坝前水位，同样机组自动水头测量屏12接收到尾水3路水位数据(第五投入式水位计5、第一雷达水位计6和第二雷达水位计7))，采用三选二的方式，选出最接近实时水位的2路数据做为平均值得出尾水水位，然后通过差值计算得出实时水头，即库区水位和尾水水位的计算，利用水位传感器组测量的水位数据，采用三取二的方式，取其中两组稳定数据进行平均，计算得出上、下游水位值，通过计算上、下游水位差的方式得出实际水头值。

具体地，针对库区水位计算，库区水位共采集了第一投入式水位计1，第二投入式水位计2，第三投入式水位计3和第四投入式水位计4的前水位数据，选择其中三组无水位计故障报警的数据进行计算，计算方式为分别将任意两组水位数据进行差值计算并取绝对值，得出三个差值数据，对三个差值数据进行比较，找出数值最小的那一个，追溯得出此差值数据的那两组水位数据，然后对这两组水位数据求和平均，得出库区水位值。具体地，针对尾水水位计算，尾水水位为一套投入式液位计和两套雷达液位计，共三组水位数据作为计算依据。计算方式为分别将任意两组水位数据进行差值计算并取绝对值，得出三个差值数据，对三个差值数据进行比较，找出数值最小的那一个，追溯得出此差值数据的那两组水位数据，然后对这两组水位数据求和平均，得出尾水水位值。通过计算得出的库区水位和尾水水位求差值得出水电站实际水头。

本实用新型通过以上设计，提高了发电的可靠性与发电设备的可靠性，由于发电设备水头参数设置与实际不匹配，而导致的机组不能正常开停机、不能带满负荷，而造成电网公司考核、负荷调整不到位等，将会给电站带来巨大的损失。可靠的自动水头测量装置从某种程度上可以有效地防止此类事件发生，有效提高机组运行可靠性。同时，本实用新型能为机组运行提供准确可靠的水头数据，机组能在当前水头下带满负荷的保障，且防止机组过负荷运行，减小机组振动、摆度，使机组保持良好的健康水平；开机度与当前水头一致可缩短开停机时间，提高水量利用率，减少现场运维人员人工修改机组调速器水头次数，减轻了员工的工作强度，以及提升国内水电行业数据实时监测与故障预警水平，并且将成为推动电力企业实现数字化、网络化和智能化的又一动力。

Claims (10)

1.一种智能化的水电站机组自动水头测量装置，其特征在于，包括分别安装于进水口闸门前的第一投入式水位计(1)、第二投入式水位计(2)、第三投入式水位计(3)和第四投入式水位计(4)、分别安装于尾水水位处的第五投入式水位计(5)、第一雷达水位计(6)和第二雷达水位计(7)、分别与所述第一投入式水位计(1)、第二投入式水位计(2)、第三投入式水位计(3)和第四投入式水位计(4)连接的进水口水位信号中转箱(8)、分别与所述第五投入式水位计(5)、第一雷达水位计(6)和第二雷达水位计(7)连接的尾水水位信号中转箱(9)、与所述进水口水位信号中转箱(8)连接的第一PLC控制器(10)、与所述尾水水位信号中转箱(9)连接的第二PLC控制器(11)、分别与所述第一PLC控制器(10)和第二PLC控制器(11)连接的自动水头测量屏(12)、分别与所述自动水头测量屏(12)连接的第一机组调速电控柜(13)、第二机组调速电控柜(14)、第三机组调速电控柜(15)和第四机组调速电控柜(16)以及分别与所述自动水头测量屏(12)连接的第一机组LCU控制柜(17)、第二机组LCU控制柜(18)、第三机组LCU控制柜(19)和第四机组LCU控制柜(20)。

2.根据权利要求1所述的智能化的水电站机组自动水头测量装置，其特征在于，所述第一投入式水位计(1)、第二投入式水位计(2)、第三投入式水位计(3)和第四投入式水位计(4)均安装于预埋在混泥土的防浪涌套管内，且位于坝前挡水建筑物的水位波动最小处，所述防浪涌套管的固定支架与非挡水建筑物的钢筋结构焊接。

3.根据权利要求2所述的智能化的水电站机组自动水头测量装置，其特征在于，所述第五投入式水位计(5)安装于预埋在混泥土的防浪涌套管内，所述防浪涌套管位于尾水出口的水位波动最小处，所述防浪涌套管的固定支架与尾水出口的钢筋结构焊接。

4.根据权利要求3所述的智能化的水电站机组自动水头测量装置，其特征在于，所述第一雷达水位计(6)和第二雷达水位计(7)通过支架安装于尾水平台，且支架伸出部分为180度旋转的活动支架。

5.根据权利要求4所述的智能化的水电站机组自动水头测量装置，其特征在于，所述第一投入式水位计(1)、第二投入式水位计(2)、第三投入式水位计(3)和第四投入式水位计(4)分别采用模拟信号为4-20mA的模拟量二分器与所述进水口水位信号中转箱(8)连接；

所述第五投入式水位计(5)、第一雷达水位计(6)和第二雷达水位计(7)分别采用模拟量二分器与所述尾水水位信号中转箱(9)连接。

6.根据权利要求5所述的智能化的水电站机组自动水头测量装置，其特征在于，所述第一投入式水位计(1)、第二投入式水位计(2)、第三投入式水位计(3)、第四投入式水位计(4)和第五投入式水位计(5)均可替换为浮子式水位计。

7.根据权利要求6所述的智能化的水电站机组自动水头测量装置，其特征在于，所述进水口水位信号中转箱(8)通过光缆与所述自动水头测量屏(12)连接，所述尾水水位信号中转箱(9)通过光缆与所述自动水头测量屏(12)连接。

8.根据权利要求7所述的智能化的水电站机组自动水头测量装置，其特征在于，所述自动水头测量屏(12)通过远程IO模块以硬接线和MODBUS TCP/IP以太网通讯模式分别与所述第一机组调速电控柜(13)、第二机组调速电控柜(14)、第三机组调速电控柜(15)和第四机组调速电控柜(16)连接；

所述自动水头测量屏(12)通过远程IO模块以硬接线和MODBUS TCP/IP 以太网通讯模式分别与第一机组LCU控制柜(17)、第二机组LCU控制柜(18)、第三机组LCU控制柜(19)和第四机组LCU控制柜(20)连接。

9.根据权利要求8所述的智能化的水电站机组自动水头测量装置，其特征在于，所述第一PLC控制器(10)和第二PLC控制器(11)通过以太网的通讯方式进行双机热备，并通过光纤连接。

10.根据权利要求9所述的智能化的水电站机组自动水头测量装置，其特征在于，所述自动水头测量屏(12)安装于第三机组LCU控制柜(19)侧，且所述自动水头测量屏(12)距离进水口水位信号中转箱(8)为5KM，距离尾水水位信号中转箱(9)为2KM。

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