一種水力發(fā)電機的控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水力發(fā)電機的控制方法。該方法將控制和保護功能集于一身，它能自動檢出水輪發(fā)電機組輸入和輸出的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，按正常流程順序控制各道環(huán)節(jié)。只要結(jié)合內(nèi)部少量的中間繼電器、接觸器便可以完成對水輪機發(fā)電機組運行流程的自動控制。以本方法為核心組成的水輪發(fā)電機組控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)自動開機、自動建壓、自動調(diào)頻調(diào)壓、自動準同期并網(wǎng)、自動調(diào)節(jié)有功和無功的功能，能實現(xiàn)正常停機及非正常關(guān)機，亦能實現(xiàn)電壓、電流、頻率等諸多保護和控制功能。本系統(tǒng)通電工作后，隨即讓系統(tǒng)進入保護和監(jiān)控狀態(tài)，可靠地保障發(fā)電機組的正常運行。本發(fā)明可利用互聯(lián)網(wǎng)進行遠程數(shù)字化管理。
【專利說明】
一種水力發(fā)電機的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及發(fā)電機智能數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種水力發(fā)電機的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對于傳統(tǒng)的老式發(fā)電設(shè)備，目前使用是機械式控制系統(tǒng)。機械式控制系統(tǒng)的不足 之處在于：
[0003] 1、故障率高，電流保護用的電流繼電器，電壓保護用的電壓繼電器，保護經(jīng)常出錯 和失誤，保護功能極少，全用的是指針式儀表，讀數(shù)誤差大；
[0004] 2、功率因數(shù)都是人工隨時在調(diào)整，人工操作勞動強度大；
[0005] 3、對于網(wǎng)電停供引起的飛逸、雷擊、軸承溫度過高、碳刷(有刷機組)起火等事故無 保護功能；
[0006] 4、采用單片機的半自動發(fā)電設(shè)備存在不能無人值守，不能遠程遙控，不能遠程監(jiān) 控的缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種水力發(fā)電機的控制方法。
[0008] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種水力發(fā)電機的控制方法， 包括以下步驟：
[0009] (1)啟動時用戶有兩種開機方式，遠程時選擇手機或上位機軟件遙控開機，人在機 房時可選擇本機啟動鍵開機；
[0010] (2)當(dāng)系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)就進行初始化各項參數(shù)檢測，1)外部電壓是否缺相;2)電 壓是否在正常值；
[0011] (3)系統(tǒng)分析所有數(shù)據(jù)正常后，先控制庫區(qū)主閥門伺服電機工作，由水庫水位傳感 器、壓力傳感器、流速傳感器采集水庫水位、壓力、流速的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D模塊發(fā)送給PLC(即可編 程邏輯控制器），PLC經(jīng)計算通過庫區(qū)主閥門伺服電機打開庫區(qū)主閥門且控制出水量；
[0012] (4)系統(tǒng)按需要打開出水量后，水從管道流向壓力前池，壓力前池裝有水位上限開 關(guān)和水位下限開關(guān)；當(dāng)壓力前池中水位達到上限水位時，壓力前池水位上限開關(guān)通過PLC發(fā) 出水輪機伺服電機工作的指令，啟動水輪機伺服電機；
[0013] (5)水輪機伺服電機啟動后驅(qū)動水輪機轉(zhuǎn)動，且水輪機導(dǎo)葉開度的角度逐漸增大， 同時水輪機帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時會生微弱電流，A/D模塊在微弱電流中采集 發(fā)電機的頻率，水輪機的速度上升時發(fā)電機頻率隨之也上升，當(dāng)頻率達到25HZ時，PLC發(fā)送 起勵指令，勵磁驅(qū)動板上單片機接收到指令后，可控硅就導(dǎo)通，隔離變壓器開始工作，隔離 變壓器次級繞組的交流電經(jīng)4個整流二極管整流后得到直流電壓，直流電壓經(jīng)線路傳送給 發(fā)電機轉(zhuǎn)子的勵磁線圈，勵磁線圈產(chǎn)生的磁場旋轉(zhuǎn)時發(fā)電機定子線圈感應(yīng)出交流電壓；
[0014] (6)系統(tǒng)進行網(wǎng)電電壓和頻率數(shù)據(jù)采集，同時也采集發(fā)電機電壓和頻率，再進行對 比；
[0015] (7)水輪機伺服電機始終接受PLC的指令控制，如果發(fā)電機頻率低于網(wǎng)電頻率，水 輪機伺服電機則將水輪機導(dǎo)葉角度增大，高于網(wǎng)電頻率時水輪機伺服電機則將水輪機導(dǎo)葉 角度減少，始終保持發(fā)電機與網(wǎng)電頻率和相序一致；
[0016] (8)將發(fā)電機電壓和網(wǎng)電電壓進行對比，當(dāng)發(fā)電機電壓低于網(wǎng)電電壓時，PLC發(fā)出 指令給勵磁驅(qū)動板，勵磁驅(qū)動板上的單片機就增大可控硅導(dǎo)通量，升高勵磁電壓；當(dāng)發(fā)電機 電壓高于網(wǎng)電電壓時，PLC發(fā)出指令，勵磁驅(qū)動板上的單片機則減少可控硅的導(dǎo)通量，使勵 磁電壓降低;并網(wǎng)前發(fā)電機輸出電壓是隨著勵磁電壓高低改變而改變，系統(tǒng)同時將網(wǎng)電電 壓、發(fā)電機電壓和勵磁電壓進行對比，當(dāng)發(fā)電機頻率相序和電壓與當(dāng)前網(wǎng)電頻率相序和電 壓完全一致時，PLC再發(fā)出并網(wǎng)合閘指令;萬能斷路器接收到合閘信號后馬上合閘；
[0017] (9)并網(wǎng)后，接著進行功率調(diào)整，水輪機伺服電機將水輪機導(dǎo)葉角度增大，水輪機 導(dǎo)葉角度增大時發(fā)電機輸出功率也隨之在上升，功率達到設(shè)定功率時水輪機伺服電機停止 工作；功率有兩種方式來設(shè)定，一種是人工設(shè)定，另一種是由PLC根據(jù)水庫水位高低按以下 原則自行智能設(shè)定，無需人為干擾:水庫水位高、壓力大時水輪機導(dǎo)葉開度增大，水庫水位 低壓力小時水輪機導(dǎo)葉開度減少，發(fā)電機輸出功率始終保持和水庫的水位壓力和水位高低 同步，這樣達到合理應(yīng)用水力資源；
[0018] (10)功率因數(shù)是按發(fā)電機的額定功率來人工設(shè)定的，且功率因數(shù)的設(shè)定值按國家 0.80標準進行設(shè)定；
[0019] 本系統(tǒng)按設(shè)定值來進行整定，功率因數(shù)高于設(shè)定值時，PLC又發(fā)出指令給勵磁驅(qū)動 板，勵磁驅(qū)動板上的單片機就相應(yīng)減少可控硅的導(dǎo)通量，使勵磁電壓降低；當(dāng)功率因數(shù)低于 設(shè)定值時，PLC則發(fā)出指令，勵磁驅(qū)動板上的單片機就增大可控硅的導(dǎo)通量，使勵磁電壓升 高，始終保持與設(shè)定值相等，這樣系統(tǒng)就完成啟動全過程；
[0020] (11)啟動全過程完成后，系統(tǒng)進入各項監(jiān)測保護狀態(tài)，隨時采集以下所有的數(shù)據(jù)： 網(wǎng)電電壓、網(wǎng)電電流、頻率、軸承溫度、發(fā)電機定子轉(zhuǎn)子溫度、雷電強度、勵磁電壓、勵磁電 流;如果某一項出現(xiàn)故障時系統(tǒng)就馬上執(zhí)行關(guān)機進行保護；
[0021] (12)在沒有故障情況下，發(fā)電機組始終保持發(fā)電狀態(tài)；
[0022] (13)四種方式關(guān)機:1)出現(xiàn)故障系統(tǒng)自行應(yīng)急保護關(guān)機;2)手機遠程遙控關(guān)機;3) 互聯(lián)網(wǎng)遠程上位機關(guān)機;4)本機控制屏停機鍵關(guān)機；
[0023] 關(guān)機過程是;庫區(qū)主閥門伺服電機和水輪機伺服電機同時反方向旋轉(zhuǎn)，庫區(qū)主閥 門伺服電機關(guān)閉主閥門，水輪機伺服電機進行水輪機減速，同時斷開萬能斷路器，使發(fā)電機 脫離電網(wǎng)；如果是故障報警關(guān)機時，PLC則啟動水輪機的截流閥門，使水輪機轉(zhuǎn)速快速降低 安全值;停機結(jié)束后系統(tǒng)等待著再次啟動的命令。
[0024]本發(fā)明具備以下主要功能：
[0025] 1、自動開機及自動調(diào)速功能。單元檢測開機流程合格后，將水輪機自動調(diào)整到一 定速率，然后進行下一步的工作。
[0026] 2、自動啟勵功能。當(dāng)水輪機達到一定轉(zhuǎn)速時，系統(tǒng)發(fā)出啟勵指令，投入勵磁讓發(fā)電 機建壓，若發(fā)電機不能建壓，系統(tǒng)會自動執(zhí)行關(guān)機程序，關(guān)閉水輪機。
[0027] 3、自動準同期功能。系統(tǒng)在發(fā)電機啟勵建壓后，將自動調(diào)節(jié)水輪轉(zhuǎn)速(發(fā)電機的頻 率)和電壓，使之與電網(wǎng)的頻率和電壓基本一致，當(dāng)頻差和壓差達到要求后，系統(tǒng)會自動捕 捉兩者之間的相差，當(dāng)相差達到同期條件后，發(fā)出自動同期合閘指令，使發(fā)電機并網(wǎng)運行。
[0028] 4、自動調(diào)節(jié)有功功率功能。有功調(diào)節(jié)是根據(jù)用戶設(shè)定的有功功率值，自動調(diào)節(jié)水 輪機導(dǎo)葉開度，使有功功率穩(wěn)定在設(shè)定值。
[0029] 5、具有轉(zhuǎn)速飛逸、電流速斷、過流、低壓、過壓、低頻、過頻、水位、失磁、過溫、超溫 等完備的保護功能。
[0030] 6、按水位開機功能：用戶選擇按水位開機功能后，單元檢測到前池水位達到開機 高度，并且開機流程合格后，系統(tǒng)自動打開水輪發(fā)電機組，直至并網(wǎng)發(fā)電。
[0031] 7、遠程參數(shù)設(shè)定功能：本裝置具有利用互聯(lián)網(wǎng)遠程可操控上位機，遠程進行參數(shù) 修改和設(shè)定及開關(guān)機，也可以用手機進行對發(fā)電機組遠程遙控，它能將水輪發(fā)電機組的各 種運行狀態(tài)實時數(shù)據(jù)上傳回上位機，遠程可通過上位機執(zhí)行控制系統(tǒng)的各項操作及設(shè)置整 定控制系統(tǒng)的參數(shù)，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行遠程操控實時查詢發(fā)電機組實時數(shù)據(jù)，進行遠程 數(shù)字化管理。
[0032] 8、雷電強度識別和保護功能:在雷雨季節(jié)以防雷擊損壞發(fā)電設(shè)備，一般雷雨云隨 風(fēng)的方向由遠到近飄移，雷電產(chǎn)生的電波由弱到強，系統(tǒng)實時采集雷電數(shù)據(jù)，雷電強度超過 一定強度后，系統(tǒng)就事先執(zhí)行停機命令進行關(guān)機，雷雨過后雷電強度降低了系統(tǒng)就么執(zhí)行 開機指令將機組重新啟動，能達到完全防雷的效果。
[0033] 9、本系統(tǒng)智能方面特點是:系統(tǒng)運行時自行采集各項數(shù)據(jù)自行分析自行糾正和自 行選擇運行指令進行運行，每10分鐘為一個間段數(shù)據(jù)進行暫時保存一次，30分鐘為3次，3次 為一個總結(jié)，總結(jié)后PLC把數(shù)據(jù)發(fā)送給D/A模塊，模塊中的CPU進行數(shù)據(jù)運算，分析30分鐘中 的3個間段中，哪個間段數(shù)據(jù)運行最正常和合理，系統(tǒng)自行修正后就自行生成一條最佳運行 指令，系統(tǒng)就按這條指令運行，實時糾正主閥門出水量和水輪機輸出功率，使發(fā)電機得到最 佳合理的動能，同時糾正勵磁電壓和勵磁電流，使發(fā)電機效力更高。
[0034] 10、勵磁部份應(yīng)用了單片機技術(shù)，配合軟件形成鋸齒波來觸發(fā)可控硅，PLC按照實 時的數(shù)據(jù)控制可控硅的導(dǎo)通角度，啟動時發(fā)電機頻率達到25HZ自動起勵建壓，并網(wǎng)成功后 使發(fā)電機的功率因數(shù)更穩(wěn)定，勵磁是發(fā)電機主要環(huán)節(jié)，勵磁好壞對發(fā)電機效力有很大的影 響，另外本系統(tǒng)采用了隔離變壓器起到更好的保護和提高抗干擾的能力。
[0035] 11、本系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速飛逸保護，高水位的發(fā)電機組，網(wǎng)電瞬間停電時，水輪機失去負 載，發(fā)電機就失去網(wǎng)電頻率約束，轉(zhuǎn)速這時迅速上升發(fā)電機頻率隨之也上升，A/D的CPU采集 到頻率超過正常頻率50HZ，PLC馬上執(zhí)行關(guān)機，斷開萬能斷路器，使發(fā)電機很快跟網(wǎng)電脫離， 同時打開水輪機截流閥，加快降低水輪機轉(zhuǎn)速。
[0036] 12、.本系統(tǒng)在水輪機和發(fā)電機軸承部位安裝了溫度傳感器，實時監(jiān)控每軸承和發(fā) 電機轉(zhuǎn)子定子線圈的溫度，溫度超過上限值系統(tǒng)就馬上關(guān)機進行保護，第二次啟動時系統(tǒng) 就提示你那個部位出現(xiàn)了問題，如果提示是軸承損壞，人工就要把軸承更換了，故障沒有排 除，系統(tǒng)拒絕執(zhí)行二次啟動，以免再次損壞機械設(shè)備，軸承更換故障排除后再次開機，系統(tǒng) 就可正常運行。
[0037] 13、本系統(tǒng)有節(jié)水功能，采用了壓力傳感器和流速傳感器進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)PLC數(shù) 據(jù)運算分析，有多少水就發(fā)多少功率的電能，合理應(yīng)用每一滴水，達到節(jié)水目的，有壓力前 池的水電站為了節(jié)水可以增加節(jié)水功能，水位高時系統(tǒng)就把水輪機導(dǎo)葉角度增大，水輪機 功率也增大同時發(fā)電機電功率也上升，水位低時系統(tǒng)就把水輪機導(dǎo)葉角度關(guān)小，水輪機功 率也就降低同時發(fā)電機電功率也下降，水位高時發(fā)電機功率就上升，水位低時發(fā)電機功率 就下降，始終保持有多少水發(fā)多少電的原則。
[0038] 14、本系統(tǒng)可以跟供電部門計費系統(tǒng)接軌。
[0039] 15、本系統(tǒng)帶遠程監(jiān)控功能，用手機和電腦能隨時隨地觀察機房內(nèi)的視頻狀況。本 系統(tǒng)具備遠程控制功能，可在電腦上遠程數(shù)字管理。
[0040] 16、本系統(tǒng)主閥門伺服電機和水輪機調(diào)速伺服電機供電采用24V蓄電池，PLC和觸 摸屏所有自身用電也是用蓄電池提供，這樣更好地起保護作用，抗干擾能力更強，這樣開機 關(guān)機時主閥門伺服電機和水輪機調(diào)速伺服電機不受網(wǎng)電、發(fā)電機電壓影響，供電電壓越低 電子配件使用壽命越長，故障率就越低。
[0041] 17、本系統(tǒng)對有刷發(fā)電機可以分析出碳刷是否好壞，碳刷磨損到一定程度后就產(chǎn) 生打火，有功無功功率就失控，這時系統(tǒng)就馬上執(zhí)行關(guān)機進行保護。
[0042] 18、本系統(tǒng)電壓、電流、有功率、無功率、總功率、總電度(千瓦/小時）、頻率、功率因 數(shù)等所有讀數(shù)都在一塊觸摸屏顯示，讀數(shù)精度高壽命長，完全取代指針式的機械儀表。 [0043] 19、互聯(lián)網(wǎng)遠程數(shù)據(jù)通訊方式有兩種，一、寬帶有線以太網(wǎng)通訊；二、4G手機SM卡 流量來進行與本系統(tǒng)聯(lián)接通迅。
[0044] 20、本發(fā)明如果系統(tǒng)執(zhí)行關(guān)機時后，就自動發(fā)一條內(nèi)容為"發(fā)電機組已經(jīng)停機"的 提示信息到用戶手機上提醒用戶，如果是發(fā)電機組機械出現(xiàn)故障了，例如軸承壞了，就發(fā)一 條內(nèi)容為"軸承損壞請及時更換"的信息提醒用戶。本發(fā)明有個特別優(yōu)點，一旦機械和電器 出現(xiàn)嚴重損壞時，故障用戶沒有排除的話系統(tǒng)是不允許第二次啟動發(fā)電的。
[0045] 21、啟動方式，本機一鍵啟動，手機遠程遙控啟動及停機，電腦遠程數(shù)字化實時管 理。
[0046] 本發(fā)明的有益效果是：
[0047] 將控制和保護功能集于一身，它能自動檢出水輪發(fā)電機組輸入和輸出的各種狀態(tài) 數(shù)據(jù)，按正常流程順序控制各道環(huán)節(jié)。只要結(jié)合內(nèi)部少量的中間繼電器、接觸器便可以完成 對水輪機發(fā)電機組運行流程的實行自動控制。以本系統(tǒng)為核心組成的水輪發(fā)電機組控制系 統(tǒng)，可以實現(xiàn)自動開機、自動建壓、自動調(diào)頻調(diào)壓、自動準同期并網(wǎng)、自動調(diào)節(jié)有功和無功的 功能，能實現(xiàn)正常停機及非正常關(guān)機，亦能實現(xiàn)電壓、電流、頻率等諸多保護和控制功能。本 系統(tǒng)通電工作后，隨即讓系統(tǒng)進入保護和監(jiān)控狀態(tài)，可靠地保障發(fā)電機組的正常運行。本控 制系統(tǒng)可利用互聯(lián)網(wǎng)進行遠程監(jiān)控、遠程操作遠程，遠程參數(shù)修改及設(shè)置。
【附圖說明】
[0048] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0049] 圖1是本發(fā)明水力發(fā)電機的控制方法實施例的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0050] 圖2是本發(fā)明水力發(fā)電機的控制方法實施例的開機階段工作流程圖。
[0051] 圖3是本發(fā)明水力發(fā)電機的控制方法實施例的運行階段工作流程圖。
[0052] 在圖2、3中，原程序定義如下表：

【具體實施方式】
[0055] 圖1是一種智能數(shù)控水力發(fā)電機的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)主要用于作為單機容量 1200KW以下400V低壓的水輪發(fā)電機組控制屏(柜）的核心控制部件，以實現(xiàn)發(fā)電機組的自動 化運行及遠程實時管理。
[0056] 水力發(fā)電機控制系統(tǒng)由硬件和軟件相結(jié)合所組成，硬件由水庫水位傳感器、壓力 傳感器、流速傳感器、壓力前池水位傳感器、庫區(qū)主閥門伺服電機、水輪機調(diào)速伺服電機、截 流閥伺服電機、PLC(可編程邏輯控制器）、互聯(lián)網(wǎng)終端服務(wù)器、手機遙控終端服務(wù)器、勵磁驅(qū) 動板、D/A模塊、A/D模塊、觸摸屏、萬能斷路器組成。
[0057] 在圖1中，水庫水位傳感器、壓力傳感器、流速傳感器、壓力前池水位傳感器分別通 過A/D模塊與PLC連接；
[0058] 庫區(qū)主閥門伺服電機、水輪機調(diào)速伺服電機、截流閥伺服電機與PLC連接。其中庫 區(qū)主閥門伺服電機用于控制庫區(qū)主閥門的出水量，水輪機調(diào)速伺服電機通過控制水輪機的 導(dǎo)葉來控制水輪機的速度，截流閥伺服電機用于控制截流閥的開閉。
[0059] PLC通過網(wǎng)絡(luò)分別與互聯(lián)網(wǎng)終端服務(wù)器、手機遙控終端服務(wù)器連接。
[0060] PLC通過D/A模塊與勵磁驅(qū)動板連接，勵磁驅(qū)動板連接到發(fā)電機的勵磁線圈。
[00611觸摸屏與PLC連接；
[0062]另外PLC依次通過24V直流繼電器器和220V中間繼電器連接到萬能斷路器，PLC可 以通過萬能斷路器用于控制并網(wǎng)電路的通斷。
[0063]本實施例設(shè)計有PLC功能，帶3路24位模擬量輸入用作三個電流互感器數(shù)據(jù)采集， 經(jīng)A/D和D/A轉(zhuǎn)換后實時精確控制，一路高精度模擬量輸出（用作勵磁電壓調(diào)控），16個繼電 器輸出控制。
[0064]軟件部分的是由組態(tài)上位機軟件(觸摸屏編輯軟件）、PLC軟件(梯形圖）、遙控遠程 軟件分兩種，一是手機版(易安卓)編寫的，二是電腦版(VB)編寫的、D/A和A/D模塊軟件采用 單片機C語言編寫，配備有功能強大、設(shè)計友好的人機交互界面。本系統(tǒng)裝備1臺高分辨率真 彩觸摸屏，作為人機交互界面，人機交互界面全漢化操作。該界面具有各項參數(shù)顯示和參數(shù) 設(shè)置功能，能永久保存系統(tǒng)的運行記錄。
[0065]如圖2、3所示，智能數(shù)控水力發(fā)電機控制系統(tǒng)的工作過程如下：
[0066] (1)啟動時用戶兩種開機方式，遠程時選擇手機或電腦上位機遙控開機，人在機房 時可選擇本機啟動鍵開機；
[0067] (2)當(dāng)系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)就進行初始化各項參數(shù)檢測，1)外部電壓是否缺相;2)電 壓是否在正常值，如正常值為380V;
[0068] (3)系統(tǒng)分析所有數(shù)據(jù)正常后，先控制庫區(qū)主閥門伺服電機工作，出水量是按照水 庫水位、壓力、流速，經(jīng)A/D模塊采集數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC分析計算后需要多少的出水量，閥門需 要轉(zhuǎn)多少圈，水庫水位越高壓力大時，圈數(shù)就少，水庫水位低時壓力就小，圈數(shù)就多，系統(tǒng)實 時控制著出水量；
[0069] (4)系統(tǒng)按需要打開出水量后，水從管道流向壓力前池，壓力前池中安裝了兩個水 位開關(guān)，一個是水位上限開關(guān)，另一個是水位下限開關(guān)；當(dāng)水位達到上限后水位開關(guān)就接 通，這時PLC接收到信號后，PLC發(fā)出打開水輪機伺服電機工作的指令，這時水輪機伺服電機 開始旋轉(zhuǎn)；
[0070] (5)水輪機伺服電機開始旋轉(zhuǎn)后水輪機導(dǎo)葉開度的角度慢慢增大，水輪機也開始 旋轉(zhuǎn)，水輪機轉(zhuǎn)速隨著導(dǎo)葉角度增大而加快，這時發(fā)電機同時也跟著水輪機旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機轉(zhuǎn) 子旋轉(zhuǎn)時會生微弱電流，A/D模塊在微弱電流中采集發(fā)電機的頻率，水輪機的速度上升時發(fā) 電機頻率隨之也上升，當(dāng)頻率達到25HZ時，PLC發(fā)送起勵指令，勵磁驅(qū)動板上單片機接收到 指令后，可控硅就導(dǎo)通，隔離變壓器開始工作，隔離變壓器次級繞組的交流電經(jīng)4個整流二 極管整流后得到直流電壓，直流電壓經(jīng)線路傳送給發(fā)電機轉(zhuǎn)子的勵磁線圈，勵磁線圈就產(chǎn) 生磁場，磁場旋轉(zhuǎn)時發(fā)電機定子線圈感應(yīng)出交流電壓；
[0071] (6)這時系統(tǒng)進行一系列數(shù)據(jù)采集，采集網(wǎng)電電壓和頻率，同時也采集發(fā)電機電壓 和頻率，再進行對比；
[0072] (7)水輪機伺服電機始終接受指令控制，如果發(fā)電機頻率低于網(wǎng)電頻率，水輪機伺 服電機再把水輪機導(dǎo)葉角度增大，高于網(wǎng)電頻率時水輪機伺服電機再把水輪機導(dǎo)葉角度減 少，始終保持發(fā)電機與網(wǎng)電頻率和相序一致；
[0073] (8)另外是發(fā)電機電壓和網(wǎng)電電壓進行對比，發(fā)電機電壓低于網(wǎng)電電壓時，PLC發(fā) 出指令給勵磁驅(qū)動上的單片機，單片機就增大可控硅導(dǎo)通量，升高勵磁電壓，當(dāng)發(fā)電機電壓 高于網(wǎng)電電壓時，PLC又發(fā)出指令給勵磁驅(qū)動上的單片機，單片機就減少可控硅的導(dǎo)通量， 使勵磁電壓降低，并網(wǎng)前發(fā)電機輸出電壓是隨著勵磁電壓高低改變而改變，系統(tǒng)同時進行 這兩項對比，當(dāng)發(fā)電機頻率相序和電壓與當(dāng)前網(wǎng)電頻率相序和電壓完全一致時，PLC再發(fā)出 并網(wǎng)合閘指令;萬能斷路器接收到合閘信號后馬上合閘；
[0074] (9)合閘后并網(wǎng)成功后，這時發(fā)電機的電能輸送到國家電網(wǎng)上了；這時系統(tǒng)就關(guān)閉 了電壓和頻率對比功能；
[0075] (10)接著進行功率調(diào)整，水輪機伺服電機再把水輪機導(dǎo)葉角度增大，水輪機導(dǎo)葉 角度增大時發(fā)電機輸出功率也隨之在上升，功率達到設(shè)定功率時水輪機伺服電機停止工 作；功率有兩種方式來設(shè)定，一種是人工設(shè)定，另一種是由PLC按照水庫水位高低合理分配 后自行智能設(shè)定，無需人為干擾;水位高、壓力大時水輪機導(dǎo)葉開度增大，水位低壓力小時 水輪機導(dǎo)葉開度減少，發(fā)電機輸出功率始終保持水位壓力和水位高低同步，這樣達到合理 應(yīng)用水力資源；
[0076] (11)功率因數(shù)是按發(fā)電機的額定功率來人為設(shè)定的，另一個功率因數(shù)一般按國家 0.80標準來設(shè)定的；本系統(tǒng)按設(shè)定值來進行整定，功率因數(shù)高于設(shè)定值時，PLC又發(fā)出指令 給勵磁驅(qū)動上的單片機，單片機就減少可控硅的導(dǎo)通量，使勵磁電壓降低，當(dāng)功率因數(shù)低于 設(shè)定值時，PLC又發(fā)出指令給勵磁驅(qū)動上的單片機，單片機就增大可控硅的導(dǎo)通量，使勵磁 電壓升高，始終保持與設(shè)定值相等，這樣系統(tǒng)就完成啟動全過程；
[0077] (12)啟動全過程完成后，系統(tǒng)進入各項監(jiān)測保護狀態(tài)，隨時采集所有的數(shù)據(jù)，網(wǎng)電 電壓、網(wǎng)電電流、頻率、軸承溫度、發(fā)電機定子轉(zhuǎn)子溫度、雷電強度、勵磁電壓、勵磁電流等； 如果某一項出現(xiàn)故障時系統(tǒng)就馬上執(zhí)行關(guān)機進行保護；
[0078] (13)在沒有故障的情況下，發(fā)電機組始終保持發(fā)電狀態(tài)；
[0079]采用4種方式關(guān)機(停機）：
[0080] 1)出現(xiàn)故障系統(tǒng)自行應(yīng)急保護關(guān)機：
[0081] 2)手機遠程遙控關(guān)機；
[0082] 3)互聯(lián)網(wǎng)遠程上位機關(guān)機；
[0083] 4)本機控制屏停機鍵關(guān)機；
[0084]關(guān)機過程是;庫區(qū)主閥門伺服電機和水輪機伺服電機同時反方向旋轉(zhuǎn)，庫區(qū)主閥 門伺服電機關(guān)閉主閥門，水輪機伺服電機進行水輪機減速，同時斷開萬能斷路器，使發(fā)電機 脫離電網(wǎng)；如果是故障報警關(guān)機時，PLC就啟動水輪機的截流閥門，使水輪機轉(zhuǎn)速快速降低 安全值;停機結(jié)束后系統(tǒng)等待著再次啟動的命令。
[0085] 本實施例具備以下主要功能：
[0086] 1、自動開機及自動調(diào)速功能。單元檢測開機流程合格后，將水輪機自動調(diào)整到一 定速率，然后進行下一步的工作。
[0087] 2、自動啟勵功能。當(dāng)水輪機達到一定轉(zhuǎn)速時，系統(tǒng)發(fā)出啟勵指令，投入勵磁讓發(fā)電 機建壓，若發(fā)電機不能建壓，系統(tǒng)會自動執(zhí)行關(guān)機程序，關(guān)閉水輪機。
[0088] 3、自動準同期功能。系統(tǒng)在發(fā)電機啟勵建壓后，將自動調(diào)節(jié)水輪轉(zhuǎn)速(發(fā)電機的頻 率)和電壓，使之與電網(wǎng)的頻率和電壓基本一致，當(dāng)頻差和壓差達到要求后，系統(tǒng)會自動捕 捉兩者之間的相差，當(dāng)相差達到同期條件后，發(fā)出自動同期合閘指令，使發(fā)電機并網(wǎng)運行。
[0089] 4、自動調(diào)節(jié)有功功率功能。有功調(diào)節(jié)是根據(jù)用戶設(shè)定的有功功率值，自動調(diào)節(jié)水 輪機導(dǎo)葉開度，使有功功率穩(wěn)定在設(shè)定值。
[0090] 5、自動調(diào)節(jié)無功功率功能。無功的調(diào)節(jié)是根據(jù)用戶設(shè)定的功率因數(shù)值，系統(tǒng)自動 調(diào)節(jié)勵磁，使功率因數(shù)保持在設(shè)定值運行。
[0091] 6、具有轉(zhuǎn)速飛逸、電流速斷、過流、低壓、過壓、低頻、過頻、水位、失磁、過溫、超溫 等完備的保護功能。
[0092] 7、.自動停機功能：當(dāng)系統(tǒng)接收到停機鍵或遠程控制的上位機及智能手機發(fā)出的 停機指令或者前池水位到達下限時，系統(tǒng)將自動調(diào)節(jié)發(fā)電機有功至最小，同時將無功調(diào)整 好，然后發(fā)出分閘指令，并且將水輪機開度關(guān)至下限。
[0093] 8、按水位開機功能：用戶選擇按水位開機功能后，單元檢測到前池水位達到開機 高度，并且開機流程合格后，系統(tǒng)自動打開水輪發(fā)電機組，直至并網(wǎng)發(fā)電。
[0094] 9、遠程參數(shù)設(shè)定功能：本裝置具有利用互聯(lián)網(wǎng)遠程可操控上位機，遠程進行參數(shù) 修改和設(shè)定及開關(guān)機，也可以用手機進行對發(fā)電機組遠程遙控，它能將水輪發(fā)電機組的各 種運行狀態(tài)實時數(shù)據(jù)上傳回上位機，遠程可通過上位機執(zhí)行控制系統(tǒng)的各項操作及設(shè)置整 定控制系統(tǒng)的參數(shù)，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行遠程操控實時查詢發(fā)電機組實時數(shù)據(jù)，進行遠程 數(shù)字管理。
[0095] 10、雷電強度識別和保護功能:在雷雨季節(jié)以防雷擊損壞發(fā)電設(shè)備，一般雷雨云隨 風(fēng)的方向由遠到近飄移，雷電產(chǎn)生的電波由弱到強，系統(tǒng)實時采集雷電數(shù)據(jù)，雷電強度超過 一定強度后，系統(tǒng)就事先執(zhí)行停機命令進行關(guān)機，雷雨過后雷電強度降低了系統(tǒng)就么執(zhí)行 開機指令將機組重新啟動，能達到完全防雷的效果。
[0096] 11、本系統(tǒng)智能方面特點是：系統(tǒng)運行時自行采集各項數(shù)據(jù)自行分析自行糾正和 自行選擇運行指令進行運行，每10分鐘為一個間段數(shù)據(jù)進行暫時保存一次，30分鐘為3次，3 次為一個總結(jié)，總結(jié)后PLC把數(shù)據(jù)發(fā)送給D/A模塊，模塊中的CPU進行數(shù)據(jù)運算，分析30分鐘 中的3個間段中，哪個間段數(shù)據(jù)運行最正常和合理，系統(tǒng)自行修正后就自行生成一條最佳運 行指令，系統(tǒng)就按這條指令運行，實時糾正主閥門出水量和水輪機輸出功率，使發(fā)電機得到 最佳合理的動能，同時糾正勵磁電壓和勵磁電流，使發(fā)電機效力更高。
[0097] 12、勵磁部份應(yīng)用了單片機技術(shù)，配合軟件形成鋸齒波來觸發(fā)可控硅，PLC按照實 時的數(shù)據(jù)控制可控硅的導(dǎo)通角度，啟動時發(fā)電機頻率達到25HZ自動起勵建壓，并網(wǎng)成功后 使發(fā)電機的功率因數(shù)更穩(wěn)定，勵磁是發(fā)電機主要環(huán)節(jié)，勵磁好壞對發(fā)電機效力有很大的影 響，另外本系統(tǒng)采用了隔離變壓器起到更好的保護和提高抗干擾的能力。
[0098] 13、本系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速飛逸保護，高水位的發(fā)電機組，網(wǎng)電瞬間停電時，水輪機失去負 載，發(fā)電機就失去網(wǎng)電頻率約束，轉(zhuǎn)速這時迅速上升發(fā)電機頻率隨之也上升，A/D的CPU采集 到頻率超過正常頻率50HZ，PLC馬上執(zhí)行關(guān)機，斷開萬能斷路器，使發(fā)電機很快跟網(wǎng)電脫離， 同時打開水輪機截流閥，加快降低水輪機轉(zhuǎn)速。
[0099] 14、.本系統(tǒng)在水輪機和發(fā)電機軸承部位安裝了溫度傳感器，實時監(jiān)控每軸承和發(fā) 電機轉(zhuǎn)子定子線圈的溫度，溫度超過上限值系統(tǒng)就馬上關(guān)機進行保護，第二次啟動時系統(tǒng) 就提示你那個部位出現(xiàn)了問題，如果提示是軸承損壞，人工就要把軸承更換了，故障沒有排 除，系統(tǒng)拒絕執(zhí)行二次啟動，以免再次損壞機械設(shè)備，軸承更換故障排除后再次開機，系統(tǒng) 就可正常運行。
[0100] 15、本系統(tǒng)有節(jié)水功能，采用了壓力傳感器和流速傳感器進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)PLC數(shù) 據(jù)運算分析，有多少水就發(fā)多少功率的電能，合理應(yīng)用每一滴水，達到節(jié)水目的，有壓力前 池的水電站為了節(jié)水可以增加節(jié)水功能，水位高時系統(tǒng)就把水輪機導(dǎo)葉角度增大，水輪機 功率也增大同時發(fā)電機電功率也上升，水位低時系統(tǒng)就把水輪機導(dǎo)葉角度關(guān)小，水輪機功 率也就降低同時發(fā)電機電功率也下降，水位高時發(fā)電機功率就上升，水位低時發(fā)電機功率 就下降，始終保持有多少水發(fā)多少電的原則。
[0101] 16、本系統(tǒng)可以跟供電部門計費系統(tǒng)接軌。
[0102] 17、本系統(tǒng)帶遠程監(jiān)控功能，用手機和電腦能隨時隨地觀察機房內(nèi)的視頻狀況。本 系統(tǒng)具備遠程控制功能，可在電腦上遠程數(shù)字管理。
[0103] 18、本系統(tǒng)主閥門伺服電機和水輪機調(diào)速伺服電機供電采用24V蓄電池，PLC和觸 摸屏所有自身用電也是用蓄電池提供，這樣更好地起保護作用，抗干擾能力更強，這樣開機 關(guān)機時主閥門伺服電機和水輪機調(diào)速伺服電機不受網(wǎng)電、發(fā)電機電壓影響，供電電壓越低 電子配件使用壽命越長，故障率就越低。
[0104] 19、本系統(tǒng)對有刷發(fā)電機可以分析出碳刷是否好壞，碳刷磨損到一定程度后就產(chǎn) 生打火，有功無功功率就失控，這時系統(tǒng)就馬上執(zhí)行關(guān)機進行保護。
[0105] 20、本系統(tǒng)電壓、電流、有功率、無功率、總功率、總電度(千瓦/小時）、頻率、功率因 數(shù)等所有讀數(shù)都在一塊觸摸屏顯示，讀數(shù)精度高壽命長，完全取代指針式的機械儀表。
[0106] 21、互聯(lián)網(wǎng)遠程數(shù)據(jù)通訊方式有兩種，1)寬帶有線以太網(wǎng)通訊；2)4G手機SM卡流 量來進行與本系統(tǒng)聯(lián)接通迅。
[0107] 22、如果系統(tǒng)執(zhí)行關(guān)機時后，就自動發(fā)一條內(nèi)容為"發(fā)電機組已經(jīng)停機"的提示信 息到用戶手機上提醒用戶，如果是發(fā)電機組機械出現(xiàn)故障了，例如軸承壞了，就發(fā)一條內(nèi)容 為"軸承損壞請及時更換"的信息提醒用戶。本發(fā)明有個特別優(yōu)點，一旦機械和電器出現(xiàn)嚴 重損壞時，故障用戶沒有排除的話系統(tǒng)是不允許第二次啟動發(fā)電的。
[0108] 23、啟動方式，本機一鍵啟動，手機遠程遙控啟動及停機，電腦遠程數(shù)字化實時管 理。
[0109] 本實施例的水電站智能化綜合控制系統(tǒng)，采用當(dāng)今最先進的電子元器件和控制理 論，是專門針對中小型水輪發(fā)電機組研發(fā)的一款高度集成化、數(shù)字化、高度自動化、高度數(shù) 控智能化的綜合控制系統(tǒng)。此控制系統(tǒng)采用當(dāng)前先進的數(shù)控技術(shù)，配合了自行研發(fā)的軟件 和自行開發(fā)的PLC、A/D、D/A模數(shù)及模數(shù)采集數(shù)據(jù)處理控制板。控制板采用了現(xiàn)代最高端的 32位微型單片機，達到數(shù)控智能化控制，能自動高效地控制發(fā)電機和水輪機的運行。該產(chǎn)品 結(jié)構(gòu)合理、操作直觀簡單、抗干擾能力強、保護功能齊全、運行穩(wěn)定可靠，無需人工操作，機 房達到無人值守、遠程控制功能，可實行遠程數(shù)字化管理，大大提高了安全系數(shù)，節(jié)約了人 力資源。
[0110]以上所述的本發(fā)明實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何在本發(fā)明 的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護范 圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種水力發(fā)電機的控制方法，包括以下步驟： (1) 啟動時用戶有兩種開機方式，遠程時選擇手機或上位機軟件遙控開機，人在機房時 可選擇本機啟動鍵開機； (2) 當(dāng)系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)就進行初始化各項參數(shù)檢測，1)外部電壓是否缺相；2)電壓是 否在正常值； (3) 系統(tǒng)分析所有數(shù)據(jù)正常后，先控制庫區(qū)主閥門伺服電機工作，由水庫水位傳感器、 壓力傳感器、流速傳感器采集水庫水位、壓力、流速的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D模塊發(fā)送給PLC，PLC經(jīng)計算 通過庫區(qū)主閥門伺服電機打開庫區(qū)主閥門且控制出水量； (4) 系統(tǒng)按需要打開出水量后，水從管道流向壓力前池，壓力前池裝有水位上限開關(guān)和 水位下限開關(guān)；當(dāng)壓力前池中水位達到上限水位時，壓力前池水位上限開關(guān)通過PLC發(fā)出水 輪機伺服電機工作的指令，啟動水輪機伺服電機； (5) 水輪機伺服電機啟動后驅(qū)動水輪機轉(zhuǎn)動，且水輪機導(dǎo)葉開度的角度逐漸增大，同時 水輪機帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時會生微弱電流，A/D模塊在微弱電流中采集發(fā)電 機的頻率，水輪機的速度上升時發(fā)電機頻率隨之也上升，當(dāng)頻率達到25HZ時，PLC發(fā)送起勵 指令，勵磁驅(qū)動板上單片機接收到指令后，可控硅就導(dǎo)通，隔離變壓器開始工作，隔離變壓 器次級繞組的交流電經(jīng)4個整流二極管整流后得到直流電壓，直流電壓經(jīng)線路傳送給發(fā)電 機轉(zhuǎn)子的勵磁線圈，勵磁線圈產(chǎn)生的磁場旋轉(zhuǎn)時發(fā)電機定子線圈感應(yīng)出交流電壓； (6) 系統(tǒng)進行網(wǎng)電電壓和頻率數(shù)據(jù)采集，同時也采集發(fā)電機電壓和頻率，再進行對比； (7) 水輪機伺服電機始終接受PLC的指令控制，如果發(fā)電機頻率低于網(wǎng)電頻率，水輪機 伺服電機則將水輪機導(dǎo)葉角度增大，高于網(wǎng)電頻率時水輪機伺服電機則將水輪機導(dǎo)葉角度 減少，始終保持發(fā)電機與網(wǎng)電頻率和相序一致； (8) 將發(fā)電機電壓和網(wǎng)電電壓進行對比，當(dāng)發(fā)電機電壓低于網(wǎng)電電壓時，PLC發(fā)出指令 給勵磁驅(qū)動板，勵磁驅(qū)動板上的單片機就增大可控硅導(dǎo)通量，升高勵磁電壓；當(dāng)發(fā)電機電壓 高于網(wǎng)電電壓時，PLC發(fā)出指令，勵磁驅(qū)動板上的單片機則減少可控硅的導(dǎo)通量，使勵磁電 壓降低;并網(wǎng)前發(fā)電機輸出電壓是隨著勵磁電壓高低改變而改變，系統(tǒng)同時將網(wǎng)電電壓、發(fā) 電機電壓和勵磁電壓進行對比，當(dāng)發(fā)電機頻率相序和電壓與當(dāng)前網(wǎng)電頻率相序和電壓完全 一致時，PLC再發(fā)出并網(wǎng)合閘指令;萬能斷路器接收到合閘信號后馬上合閘； (9) 并網(wǎng)后，接著進行功率調(diào)整，水輪機伺服電機將水輪機導(dǎo)葉角度增大，水輪機導(dǎo)葉 角度增大時發(fā)電機輸出功率也隨之在上升，功率達到設(shè)定功率時水輪機伺服電機停止工 作；功率有兩種方式來設(shè)定，一種是人工設(shè)定，另一種是由PLC根據(jù)水庫水位高低按以下原 則自行智能設(shè)定，無需人為干擾:水庫水位高、壓力大時水輪機導(dǎo)葉開度增大，水庫水位低 壓力小時水輪機導(dǎo)葉開度減少，發(fā)電機輸出功率始終保持和水庫的水位壓力和水位高低同 步，這樣達到合理應(yīng)用水力資源； (10) 功率因數(shù)是按發(fā)電機的額定功率來人工設(shè)定的，且功率因數(shù)的設(shè)定值按國家0.80 標準進行設(shè)定； 本系統(tǒng)按設(shè)定值來進行整定，功率因數(shù)高于設(shè)定值時，PLC又發(fā)出指令給勵磁驅(qū)動板， 勵磁驅(qū)動板上的單片機就相應(yīng)減少可控硅的導(dǎo)通量，使勵磁電壓降低；當(dāng)功率因數(shù)低于設(shè) 定值時，PLC則發(fā)出指令，勵磁驅(qū)動板上的單片機就增大可控硅的導(dǎo)通量，使勵磁電壓升高， 始終保持與設(shè)定值相等，這樣系統(tǒng)就完成啟動全過程； (11) 啟動全過程完成后，系統(tǒng)進入各項監(jiān)測保護狀態(tài)，隨時采集以下所有的數(shù)據(jù)：網(wǎng)電 電壓、網(wǎng)電電流、頻率、軸承溫度、發(fā)電機定子轉(zhuǎn)子溫度、雷電強度、勵磁電壓、勵磁電流;如 果某一項出現(xiàn)故障時系統(tǒng)就馬上執(zhí)行關(guān)機進行保護； (12) 在沒有故障情況下，發(fā)電機組始終保持發(fā)電狀態(tài)； (13) 四種方式關(guān)機:1)出現(xiàn)故障系統(tǒng)自行應(yīng)急保護關(guān)機;2)手機遠程遙控關(guān)機;3)互聯(lián) 網(wǎng)遠程上位機關(guān)機;4)本機控制屏停機鍵關(guān)機； 關(guān)機過程是;庫區(qū)主閥門伺服電機和水輪機伺服電機同時反方向旋轉(zhuǎn)，庫區(qū)主閥門伺 服電機關(guān)閉主閥門，水輪機伺服電機進行水輪機減速，同時斷開萬能斷路器，使發(fā)電機脫離 電網(wǎng)；如果是故障報警關(guān)機時，PLC則啟動水輪機的截流閥門，使水輪機轉(zhuǎn)速快速降低安全 值;停機結(jié)束后系統(tǒng)等待著再次啟動的命令。
【文檔編號】E02B9/00GK106089554SQ201610506027
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】曹東安
【申請人】績溪縣東安自動化設(shè)備科技研發(fā)有限公司