水电站过渡过程整体物理模型试验平台的制作方法

水电站过渡过程整体物理模型试验平台的制作方法
【专利摘要】一种水电站过渡过程整体物理模型试验平台，包括循环水系统(1)、励磁同期保护系统(2)、调速控制系统(3)、变频换相系统(4)、监控系统(5)、负荷系统(6)、量测系统(7)、模型机组系统(8)和模型水道系统(9)，在该平台上可以进行大波动、小波动和水力干扰等过渡过程及其他相关问题的试验研究。其优点是：本发明集成度高，工作性能稳定可靠，操作简易、控制精密，可有效的完成水电站过渡过程相关的各项基础性与应用基础性试验。适用于大中小型常规模型水电站和模型抽水蓄能电站。
【专利说明】水电站过渡过程整体物理模型试验平台

【技术领域】
[0001] 本发明涉及水电站模型试验平台，具体的说是一种水电站过渡过程整体物理模型 试验平台。

【背景技术】
[0002] 模型试验和数值计算是开展科学研宄、工程应用必不可少的两种相辅相成的研宄 手段。其中，模型试验不仅能验证理论分析和数值计算结果的可靠性和精确性，而且能观 测、揭示物理现象的在内规律，促进理论分析和数值计算的发展。
[0003] 水电站引水发电系统过渡过程是流体、机械、电气、甚至结构相互耦合的复杂的动 态过程。一方面，过渡过程理论和数值计算已完整地考虑了水机电联合过渡过程共同作用； 另一方面，现有的将水、机、电分开研宄的方法及成果无法满足各类输水系统复杂布置的电 站（特别是：大型长输水道地下式水电站、抽水蓄能电站）设计和运行的需要，所以需要开 展包含水力系统、机械系统和电气系统的水电站过渡过程整体性物理模拟。


【发明内容】

[0004] 为了开展水电站过渡过程整体性物理模拟，需要构建相应的整体物理模型试验平 台，此平台应由循环水系统、励磁同期保护系统、调速控制系统、变频换相系统、监控系统、 负荷系统、量测系统、模型机组系统、模型水道系统等子系统组成，并且监控系统和量测系 统均包含硬件和软件两部分、其他子系统仅包含硬件，然后方可在此平台上进行大波动、小 波动和水力干扰等过渡过程及其他相关问题的试验研宄。
[0005] 为了达到上述的目的，水电站过渡过程整体物理模型试验平台的构建必须解决两 个层面的问题，S卩（1)模型相似律的推导，（2)模型水道机组、量测、控制、模拟负载等硬件 设备的研制与集成整合、软件系统的开发。第一个层面的问题的研宄与应用实践已比较成 熟，故本发明主要针对第二个层面，即水电站过渡过程整体物理模型试验平台子系统的研 制及基于这些子系统的集成整合的试验平台的构建。
[0006] 本发明的目的是针对上述现状设计一种水电站过渡过程整体物理模型试验平台， 能够开展与过渡过程相关的各种基础性和应用基础性试验，并且试验操作简单、智能、方 便，试验现象的观察、记录真实、全面、快速，数据的采集、分析高效、准确。
[0007] 一种水电站过渡过程整体物理模型试验平台，包括循环水系统1、励磁同期保护系 统2、调速控制系统3、变频换相系统4、监控系统5、负荷系统6、量测系统7、模型机组系统 8和模型水道系统9 ;所述模型机组系统8在其蜗壳进口、尾水管出口处通过法兰盘分别与 模型水道系统9的上游引水管道21的末断面、下游尾水管道22的首断面连接，构成模型引 水发电系统；模型水道系统9通过其进、出水口分别与循环水系统1的上、下游水箱相连，实 现水流的整体循环；在模型引水发电系统上设有量测系统7的传感器，所述传感器通过信 号线经模拟通道与量测系统7的动态数据采集装置相连；调速控制系统3通过接力器连接 模型机组系统8,用于控制模型机组系统8的导水机构运动；所述模型机组系统8的发电机 上设有测频装置，用于将信号引入监控系统5,同时监控系统5通过电信号的测量，与量测 系统7的上位机同时下达导水机构动作的指令，并由监控系统5的现地控制单元和调速控 制系统3联合执行；励磁同期保护系统2、变频换相系统4、负荷系统6通过信号线与监控系 统5相连，受监控系统5的上位机的控制，实现模型机组负荷的增减、变频换相、加励磁与同 期并网。
[0008] 所述循环水系统1，包括蓄水池10、水泵11、供水管道12、回水渠道13、上游水箱 14、下游水箱141，所述供水管道12与蓄水池10相连通，供水管道12末端设有阀门和水泵 11 ;上游水箱14、下游水箱141的进水管15分别与供水管道12相连通，上游水箱14、下游 水箱141的出水管16分别与回水渠道13相连通；供水管道12与回水渠道13相连接处设 有排气阀18 ;供水管道12上还设有电磁流量计19 ;所述水泵11、排气阀18通过信号线引 入监控系统5,受监控系统5上位机的控制；电磁流量计19通过信号线引入量测系统7,由 量测系统7采集电磁流量计19测量的数据。
[0009] 所述励磁同期保护系统2,包括模拟励磁系统和模拟同期系统；前者由单片微机、 大规模集成电路、STD总线组成，后者的核心部件是单片微机；励磁同期保护系统2连入监 控系统5,受监控系统5上位机的控制。
[0010] 所述调速控制系统3,包括BPLC-II型可编程调节器、数字油缸及接力器；BPLC-II型可编程调节器由PLC基本单元（FX2C-64MT)、A/D转换单元（FX-4AD)、D/A转换单元 (FX-2DA)、输入扩展单元（FX-16EX)、数字测频单元、功放单元、按键和显示单元组成，生产 商为西门子公司；数字油缸用于液压传动压力的传递、放大，并实现液压油在油缸内部的循 环；接力器位于模型机组系统8处，用于控制导水机构的运动。
[0011] 所述变频换相系统4,包括变频器和换相装置，两个装置分别在变频和换向操作指 令下达时投入使用。
[0012] 所述监控系统5,包括上位机和现地控制单元；所述上位机为高性能计算机，现地 控制单元由机组现地控制单元、调速器电动球阀控制屏、微机励磁屏、公用现地控制单元、 变频控制屏、机组负载调节屏、负载功率屏、综合负载屏、低压配电屏组并列组成，上位机通 过数据线与现地控制单元连接，下达指令、现地控制单元执行。现地控制单元的生产商为武 汉电力科技开发有限公司。
[0013] 所述负荷系统6,包括负载系统、微机监控装置、检测装置与报警装置；所述负载 系统由电阻、电容、电感组成，负载系统的微机监控装置一方面连接监控系统5的上位机， 另一方面连接负载系统，用于按指令控制负载系统的类型与大小；检测装置、报警装置也与 负载系统相连。
[0014] 所述量测系统7,包括传感器、动态数据采集装置、上位机；所述上位机与动态数 据采集装置连接，动态数据采集装置通过信号线连接布置于模型机组系统8、模型水道系统 9和循环水系统1上的传感器，采集传感器测量到的模拟量信号。
[0015] 所述模型机组系统8,包括蜗壳、窄高型尾水管、转轮、导水机构、同步发电机和水 轮机的联轴器以及支架；模型蜗壳、窄高型尾水管、转轮、导水机构构成模型水轮机，模型水 轮机与模型同步发电机通过水轮机的联轴器相连组成模型水轮发电机组，模型水轮发电机 组最后由支架支撑、固定。
[0016] 所述模型水道系统9,包括模型进水口 20、模型上游引水管道21、模型下游尾水管 道22、模型出水口 23;所述模型进水口 20与循环水系统1的上游水箱14相连，继而模型 进水口 20连接模型上游引水管道21-端，模型上游引水管道21的另一端与模型机组系统 8的蜗壳进口断面相连；模型下游尾水管道22 -端与模型机组系统8的尾水管出口断面相 连，另一端与模型出水口 23相连，继而模型出水口 23与下游水箱141相连通。
[0017] 所述传感器，包括但不限于水位传感器、压力传感器、行程传感器、功率互感器、电 压互感器和电流互感器。
[0018] 所述量测系统7,还包括系统结构模块、系统参数设定模块、数据采集模块、数据显 示模块、数据分析模块和数据处理模块；
[0019] 所述系统结构模块，用于匹配系统硬件通道和软件通道；
[0020] 所述系统参数设定模块，用于在系统结构模块的参数确定后，确定每一通道的放 大倍数、偏移量、单位、采样间隔和采样长度；
[0021] 所述数据采集模块，用于实现各被测物理量的实时在线监测和高速同步多通道的 数据采集；
[0022] 所述数据显示模块，用于显示采样数据的波形、光标读数、标字；
[0023] 所述数据分析模块，用于提供数学分析库，包括自相关和互相关分析、回归分析、 时域和频域分析以及小波分析。
[0024] 所述数据处理模块，用于对波形和数据进行裁减、移动或滤波处理。
[0025] 本发明一种水电站过渡过程整体物理模型试验平台的优点是：本发明为开展水电 站水机电过渡过程模型试验提供了硬件与软件平台。带模型机组与模拟负荷系统的整体性 试验将水电站过渡过程研宄向前推进了一大步，不仅试验重复性好、其结果规律性强，如机 组调保参数随导水机构关闭时间和关闭规律的变化，机组转速升高、蜗壳最大动水压力以 及尾水管最小动水压力发生时间次序及其与导水机构关闭时间的关系等；而且能在一定精 度下，定量给出机组调保参数的大小，尤其是机组转速升高值和尾水管进口最小动水压力 (包括进口断面最小动水压力分布）。并且能进行小波动和水力干扰试验，正确地反映了水 轮机工作特性、调速器主要参数和引水发电管道系统水力特性的影响，为科学研宄、工程设 计、水电站运行提供了可参考的依据。此外与数值计算结果对比，为改进数学模型、提高数 值模拟精确性奠定了基础。
[0026] 本发明集成度高，工作性能稳定可靠，操作简易、控制精密，可有效的完成水电站 过渡过程相关的各项基础性与应用基础性试验。适用于大中小型常规模型水电站和模型抽 水蓄能电站。

【专利附图】

【附图说明】
[0027] 图1为本发明的整体结构示意图。
[0028] 图2为循环水系统的结构示意图。
[0029] 图3为BPLC-II型可编程调节器硬件系统的结构示意框图。
[0030]图4为变频换相系统异步电动机正、反转接线图。
[0031] 图5为监控系统的结构示意框图。
[0032] 图6为量测系统的结构示意图。
[0033] 图7为量测系统的示意框图。
[0034] 图8为模型水道系统示意图。

【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图，对本发明进行进一步说明。
[0036] 如图1所示，一种水电站过渡过程整体物理模型试验平台，由以下子系统组成：循 环水系统1、励磁同期保护系统2、调速控制系统3、变频换相系统4、监控系统5、负荷系统 6、量测系统7、模型机组系统8、模型水道系统9。模型机组系统8在其蜗壳进口和尾水管出 口处通过法兰盘分别与模型水道系统9的上游压力引水管道的末断面和下游压力尾水管 道的首断面连接，构成模型引水发电系统；模型引水发电系统通过其上下游进/出水口与 循环水系统1的上下游水箱相连，实现水流的整体循环；在模型引水发电系统上布置各类 传感器，将传感器通过信号线经模拟通道引入量测系统7的硬件平台：动态数据采集装置； 再通过调速控制系统3的接力器将调速控制系统3引入模型引水发电系统，实现调速控制 系统3对模型机组系统的导水机构运动的控制；在模型发电机上布置测频装置，并将信号 引入监控系统5,同时监控系统5通过电流电压等电信号的测量，与量测系统7的上位机一 起下达导水机构动作的指令，并由监控系统5的现地控制单元和调速控制系统3联合执行； 励磁同期保护系统2、变频换相系统4、负荷系统6也通过信号线与监控系统5联合，受监控 系统5的上位机的控制，实现模型机组负荷的增减、变频换相、加励磁与同期并网等功能。
[0037] (1)循环水系统
[0038] 主要设备包括蓄水池、水泵、供水管道、回水渠道、水箱、水箱进出水管、阀门、排气 阀、电磁流量计、水泵现地控制单元及其他辅助设备等，结构布置如图2所示。循环水系统 工作时，水泵现地控制单元启动水泵，从蓄水池中抽水，将供水管道充满水并形成一定的水 压，再通过由供水管道引出的支管向水箱供水；供水管道及支管上的阀门可以用来调节进 入水箱的流量、电磁流量计用于实时监测流量、排气阀则起到管道排气及应急排水的作用； 水箱内安装平水槽维持水位恒定，平水槽溢流而出的水通过水箱出水管/渠经消能后流入 回水渠道，最终流入蓄水池，完成循环。
[0039] (2)励磁同期保护系统
[0040] 包括模拟励磁系统和模拟同期系统。
[0041] 模拟励磁系统：选用武汉水利电力大学电子设备厂研制的TDWLT-Ol微机励磁调 节器。该调节器以美国INTEL公司的80C198单片微机为核心，辅以大规模集成电路，采用完 全双通道技术、双机混合工作模式、STD总线结构组成的新型励磁调节装置，具有完善的电 压调节、电流调节、无功调节、功率因数调节模式，适用于不同电站的各种运行方式的需要； 具有PID、H)、PSS、EOC、NEOC等多种控制规律，以满足系统稳定的需要；具有完善的保护控 制功能，配置有断线保护、过励限制、顶值限制、低励限制、欠励限制、V/F限制、误强励保护、 空载过压保护等；具有可设定的调差系数，保证发电机间无功分配。
[0042] 模拟同期系统：选用武汉水利电力大学电子设备厂研制的CZT-A型微机自动准同 期装置。该装置以美国INTEL公司的80C196单片微机为核心，充分利用微机的运算和判断 功能，根据同期过程的频差、相角差数学模型进行调节和控制，大大缩短了并网时间，使发 电机能快速准确地并入电网。从而兼有自同期的快速和准同期的并网无冲击的双重优越 性。
[0043] (3)调速控制系统
[0044] 采用发明人研制的BPLC-II型可编程数字缸调速器，该调速器由BPLC-II型可编 程调节器、数字油缸和接力器组成。
[0045]接力器。水轮机导水机构传动系统中的动力部件，是调速器的执行机构。由单个 直缸和活塞组成的结构，简称为直缸接力器。当水轮机负荷发生变化时，由调速器主配压阀 控制的压力油进入接力器的油缸推动接力器活塞；当活塞移动时，通过推拉杆转动控制环； 控制环再通过连杆、转臂达到控制导水机构的目的。
[0046] 数字油缸。数字油缸集中了现有液压技术的所有功能，它能直接接受专用数字控 制器、计算机及可编程控制器（PLC)发出的数字脉冲信号而可靠工作，脉冲频率代表速度， 脉冲总数代表行程，一一对应。数字缸只需接通液压油源（如果输出力在1-2吨以下不需 外接油源），不需任何其它液压阀件和传感器，所有的功能都通过调节器直接设定，把传统 液压控制中复杂的阀口控制技术彻底的改变为直接给定的电子控制技术。
[0047]BPLC-II型可编程调节器：BPLC型可编程微机调节器是在原PLC-I和PLC-II型可 编程微机调节器的基础上，经改进完善后新推出的可编程微机调节器。它除了保留原PC-I 和PC-II型结构简单、工作安全可靠、性能优良等特点外，还灵活配置了多种调节功能（频 率调节、开度调节、功率调节等）和数字电气手动，并实现了软件数字测频。同时，智能化程 度也更高，对频率断线、反馈断线、电源消失和调节器故障的容错和保护功能更强。因此运 行方式更加灵活，调节稳定性、可靠性更好。硬件系统组成结构见图3。
[0048] BPLC-II型可编程微机调节器采用日本三菱公司的FX2N系列PLC基本单元及相应 的专用模块组成，调节器全部采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性。该调节器可与数 字油缸组成一套完整的可编程数字缸调速器，用于控制各种不同型式的水轮发电机组。它 有以下基本功能：
[0049] 按频率（即转速）变化，实现PID控制；
[0050]按功率设定（或按开度设定），实现PI调节；
[0051] 设有数字电气手动控制，数字电气手动与自动方式之间实行双向自动跟踪，可实 现两种方式间的无扰动切换；
[0052] 可实现机组启动后自动跟踪网频或频率设定值（在网频消失时或人为设定情况 下），并实现最佳启动过程控制和快速准同期；
[0053] 并网后自动投入人工死区，可使调频机组稳定运行；
[0054] 可按水头自动整定空载开度变化和限制最大出力运行。
[0055] 该调节器有如下特点：
[0056] 设有网频断线容错功能。当机组在自动跟踪网频方式启动时，若网频消失或断线， 调节器能自动切至频率给定调节方式（50. 00ΗΖ)，并保证机组正常开机并网同时给出报警 信号。
[0057] 设有机频断线容错功能。无论是空载还是并网运行，当出现机组频率断线（或消 失）时，调节器都能自动判别，并给出报警信号，同时，分别采用不同容错方式：并网时，取 网频作为机频；空载时，先自动限制机组开度为空载值，再切至数字电气手动控制。
[0058] 设有反馈断线容错功能，发电运行时，若反馈断线，则可保证机组运行工况基本不 变，并给出报警信号。
[0059] 设有工作电源消失容错功能，当交直流工作电源全部消失时，可保证机组负荷不 变，并在工作电源恢复时，能自动恢复自动调节功能。
[0060] 设有调节器故障时自动转液压手动控制功能。运行中当自诊断出调节器故障时， 能自动切换至机械手动，并给出报警信号。
[0061] BPLC-II型可编程数字缸调速器：由BPLC-II型可编程调节器和数字油缸组合即 构成BPLC-II型可编程数字缸调速器。调速器数字油缸和水轮机导水机构控制机构连接， 即可实现对水轮发电机组转速和负荷的控制。其机械部分无需任何液压元件，只需恒压油 源，接通压力油口和回油口即可构成任何功能的液压系统，它完全是数字信号控制，重复性 好。
[0062] (4)变频换相系统
[0063] 主要设备包括变频器和换相装置（针对水泵水轮机组）等。
[0064] 模型水泵水轮机组兼具抽水和发电的功能，及兼做发电机和电动机。这就要求模 型水泵水轮机组可以根据需要实现转子的反向转动。
[0065] 三相异步电动机的旋转方向与其旋转磁场的转向相同，因此，只要改变改变旋转 磁场的旋转方向，就能使异步电机反转，亦即改变电动机的相序。具体操作时只要将接到定 子绕组的三根电源线中的任意两根对调即可。如图4所示。
[0066] (5)监控系统
[0067] 监控系统采用闭环控制方式对试验平台所有设备（包括水轮发电机组、调速器、 励磁调节器、同期装置、负载系统、闸阀等）进行控制、监测、事故处理、数据处理等。采取开 放式环境下的全分布式计算机监控，在功能上分为两级，即上位机系统和现地控制单元系 统，并由主控系统软件实现上位机和现地控制单元的操控。
[0068] 上位机系统。上位机系统是计算机监控系统的核心，负责监控试验平台所有设备 的运行、操作，提供良好的人机联系手段，是系统的决策控制层，具有集中控制、操作、监测、 在线及离线修改参数值、仿真及开发软件功能。系统设置有主控系统软件。
[0069] 主控系统软件采用模块化的设计，系统结构参数全部采用变量的形式。软件包含 指令模块和数据处理。具有以下主要功能：
[0070] 1、完成各种操作：开、停机组，工况的转换，断路器的合闸、跳闸操作，量测系统的 控制保护，有功、无功控制；
[0071] 2、具有记忆操作人员、操作时间、操作名称和操作结果的功能；
[0072] 3、画面功能：显示系统配置图，主接线图，单元机组接线图，重要设备接线图，油、 气、水接线图，电量参数列表，非电量列表，电量棒形图，事故和故障报警画面。全部画面动 态更新；
[0073] 4、报警功能：具有故障报警，事故报警，异常报警等功能。报警时自动弹出报警画 面，记录报警时的报警名称、报警值、报警时间；
[0074] 5、具有所有机组年月日时历史数据包括电量参数、非电量参数、运行工况、操作时 间、操作结果、故障、事故的存储、查询功能；
[0075] 6、能根据设定对负荷模拟屏进行控制（需相应的接口标准）；
[0076] 7、能根据设定对量测系统进行控制（需相应的接口标准）；
[0077] 8、具有自动定时生成运行报表功能；
[0078] 9、可显示各种设备工作状态；
[0079] 10、具有通信监视功能，当通信出现异常时可自动报警。
[0080] 现地控制单元。本发明中的监控系统为每台模型机组各设置一个现地控制单元 (LCU)。各现地控制单元直接完成生产过程（包括过渡过程）的实时数据采集及预处理，单 元状态监视、调控，以及与上位机的通信联络等功能。
[0081] 现地控制单元IXU按不同控制对象分别布置，并通过网络与上位机系统相联。计 算机监控系统通过LCU实现对全水电站所有机组的监控，各LCU完成各自的管理。
[0082] 现地控制单元由可编程控制器（PLC)和工控机构成。PLC负责机组的数据监测与 控制，采集机组运行参数及设备状态信息，实现自动顺控、工况转换、功率调节等功能。工控 机实现数据库和功能的分布，负责接受现地控制层和电量采集单元的数据，转发主控层下 传的操作控制命令，组织数据上网，并可以实现现地控制。
[0083] 机组现地自动操作控制功能由可编程控制器构成的机组顺控装置（PLC)来实现。 正常时PLC作为机组现地控制单元（IXU)的一部分，与微机励磁调节器和微机调速器一同 接受由上位机或中控室运行人员通过计算机键盘手动发出的命令，通过执行机构对机组实 行控制和调节；各LCU都带有工控机作为现地人机联系的手段或开机顺序模拟操作面板和 一键操作手段，可脱离计算机网络系统独立运行，亦可以实现机组分步手动操作，与微机励 磁调节器和微机调速器一道实现机组的开停机控制和功率调节。
[0084] 另外，由于IXU各部分可独立运行，即使工控机故障，机组仍可由顺控PLC实现开 停机。LCU具有当地监控功能，并设有人机联系界面，可脱离主控级计算机系统独立运行， LCU的硬件与软件功能是模块化、标准化的。
[0085] 需要监视的模拟量、状态量及事故、故障信号等以现场总线通信方式或继电器空 接电的方式送进计算机监控系统。
[0086] 由于实验室试验对象和目的与实际水电站有所差别，所以在培训工作站内，利用 PLC模拟各种实验室没有的信号，使系统更接近真实环境。
[0087] 每台机组控制量为：
[0088] (1)输出控制量：调速器开机令，调速器停机令，调速器增有功，调速器减有功，调 速器紧急停机令，同期令，励磁投入令，励磁停止令，励磁增无功，励磁减无功，跳断路器，备 用指示灯，开机令灯，停机令灯，断路器合指示灯，断路器分指示灯，紧急停机令灯，尾水控 制1，尾水控制2,量测系统控制1。
[0089] (2)输入开关量：断路器位置，紧急停机令，关机令，事故复归，开机令，励磁故障 信号，同期故障信号，调速器故障信号，尾水状态信号，上游水位控制信号，量测系统状态信 号。
[0090] 监控系统的设计：
[0091] 监控系统配置图如图5,计算机监控系统从功能上分为两级：主控级和单元控制 级。
[0092] 主控级：由计算机及中控室有关设备组成，是实时监控中心，负责自动化处理。
[0093] 计算机监控系统的中心是一套主/从切换计算机系统，处理水电站的控制。监 视、数据处理等。主机所使用的系统为WinNT多任务，开放式系统，编程环境为Boland C++Builder5.5。
[0094] 通信用于与控制系统及其他计算机系统。监控系统也可设置若干远程终端，用于 随时了解水电站内主要设备的运行状态及技术参数。21英寸彩色监视器放置在中控室控制 台，实验人员能随时监视。系统配置两台高速激光打印机，可定时打印或召唤打印报表、事 故及各种报警等。
[0095] 单元控制级：每一个控制单元将完成实时数据采集及单元状态监视、调整和控制， 与上位机通信等功能。
[0096] 机组自动控制功能由可编程控制器（PLC)构成的机组顺序控制来实现。当机组正 常以全自动方式运行时，PLC接受上位机或运行人员发出的命令，通过执行机构对机组进行 控制和调整。由于PLC可独立于上位机运行，即使上位机故障，机组也可由PLC通过手动控 制实现开停机及其他的控制。
[0097] (6)负荷系统
[0098] 根据水电站过渡过程科学研宄和工程应用的需要，电气负载模拟系统应具有以下 主要功能：
[0099] 1、发电机的有功负荷和无功负荷均可自动调节，有功负荷P=O?12kW，最小调整 量：0.lkW，无功负荷Q= 0?12kVAR，最小调整量：0. 05kVAR。
[0100] 2、功率因数能在0. 7?0. 95范围内调整，最小调整量0. 1，误差不超过0. 05。
[0101] 3、负载变化时，利用自动控制可使功率因数同步补偿。
[0102] 4、某台机组跳闸甩负荷时，能同步切除所带的负荷。
[0103] 5、每台机均能手动和自动并入孤立电网或无穷大电网，且能手动和自动同步投切 有功负荷和无功负荷，也可手动和自动单独投切有功负荷或无功负荷。
[0104] 6、整个负载系统可实现微机监控。
[0105] 7、两极母线均设有相应的测量表计，自动记录各电量参数的变化，并对每台发电 机配备了反方向供电和过电压的声光报警装置。
[0106] 根据对负荷的调整与控制要求，以如下设计例说明设计方案：
[0107] 有功负荷P的调整：每台机的每一相电阻负载均有7个电阻组成，分别为1444Ω， 722Ω，361Ω，180. 5Ω，90. 25Ω，45. 125Ω，22. 5625Ω，代表的功率分别为 〇· 1/3KW， 0. 2/3KW, 0. 4/3KW, 0. 8/3KW,I. 6/3KW, 3. 2/3KW, 6. 4/3KW。每个电阻均设有相应的投切开关。
[0108] 无功负荷Q或功率因数coscp的调整：每相均有一组由2个电感L、8个电 容C组成的无功负荷Q调整系统，每个L或C均设有相应的投切开关，其中电感Ll=40mH、L2 = 35mH(L2 为Ll的抽头）；8 个电容C分另Ij为IyF、2yF、4yF、8yF、 16μΡ、32μΡ、64μΡ、128μΡ。根据预定的有功负荷P和相应的功率因数cos，利用公式

【权利要求】
1. 一种水电站过渡过程整体物理模型试验平台，其特征在于：包括循环水系统（1)、励 磁同期保护系统（2)、调速控制系统（3)、变频换相系统（4)、监控系统（5)、负荷系统（6)、量 测系统（7)、模型机组系统（8)和模型水道系统（9);所述模型机组系统（8)在其蜗壳进口、 尾水管出口处通过法兰盘分别与模型水道系统（9)的上游引水管道（21)的末断面、下游尾 水管道（22)的首断面连接，构成模型引水发电系统；模型水道系统（9)通过其进、出水口分 别与循环水系统（1)的上、下游水箱相连，实现水流的整体循环；在模型引水发电系统上设 有量测系统（7)的传感器，所述传感器通过信号线经模拟通道与量测系统（7)的动态数据 采集装置相连；调速控制系统（3)通过接力器连接模型机组系统（8)，用于控制模型机组系 统（8)的导水机构运动；所述模型机组系统（8)的发电机上设有测频装置，用于将信号引入 监控系统（5)，同时监控系统（5)通过电信号的测量，与量测系统（7)的上位机同时下达导 水机构动作的指令，并由监控系统（5)的现地控制单元和调速控制系统（3)联合执行；励磁 同期保护系统（2)、变频换相系统（4)、负荷系统（6)通过信号线与监控系统（5)相连，受监 控系统（5)的上位机的控制，实现模型机组负荷的增减、变频换相、加励磁与同期并网； 所述循环水系统（1)，包括蓄水池（10)、水泵（11)、供水管道（12)、回水渠道（13)、上游 水箱（14)、下游水箱（141)，所述供水管道（12)与蓄水池（10)相连通，供水管道（12)末端 设有阀门和水泵（11);上游水箱（14)、下游水箱（141)的进水管（15)分别与供水管道（12) 相连通，上游水箱（14)、下游水箱（141)的出水管（16)分别与回水渠道（13)相连通；供水 管道（12)与回水渠道（13)相连接处设有排气阀（18);供水管道（12)上还设有电磁流量 计（19);所述水泵（11)、排气阀（18)通过信号线引入监控系统（5)，受监控系统（5)上位 机的控制；电磁流量计（19)通过信号线引入量测系统（7)，由量测系统（7)采集电磁流量 计（19)测量的数据； 所述量测系统（7)，包括传感器、动态数据采集装置、上位机；所述上位机与动态数据 采集装置连接，动态数据采集装置通过信号线连接布置于模型机组系统（8)、模型水道系统 (9)和循环水系统（1)上的传感器，采集传感器测量到的模拟量信号； 所述模型水道系统（9)，包括模型进水口（20)、模型上游引水管道（21)、模型下游尾水 管道（22)、模型出水口（23);所述模型进水口（20)与循环水系统（1)的上游水箱（14)相 连，继而模型进水口（20)连接模型上游引水管道（21) -端，模型上游引水管道（21)的另 一端与模型机组系统（8)的蜗壳进口断面相连；模型下游尾水管道（22) -端与模型机组系 统（8)的尾水管出口断面相连，另一端与模型出水口（23)相连，继而模型出水口（23)与下 游水箱（141)相连通。
2. 如权利要求1所述的水电站过渡过程整体物理模型试验平台，其特征在于：所述励 磁同期保护系统（2)，包括模拟励磁系统和模拟同期系统；励磁同期保护系统（2)连入监控 系统（5)，受监控系统（5)上位机的控制。
3. 如权利要求1所述的水电站过渡过程整体物理模型试验平台，其特征在于：所述调 速控制系统（3)，包括BPLC- II型可编程调节器、数字油缸及接力器；BPLC- II型可编程调节 器由PLC基本单元、A/D转换单元、D/A转换单元、输入扩展单元、数字测频单元、功放单元、 按键和显示单元组成；数字油缸用于液压传动压力的传递、放大，并实现液压油在油缸内部 的循环；接力器位于模型机组系统（8)处，用于控制导水机构的运动。
4. 如权利要求1所述的水电站过渡过程整体物理模型试验平台，其特征在于：所述变 频换相系统（4)，包括变频器和换相装置，两个装置分别在变频和换向操作指令下达时投入 使用。
5. 如权利要求1所述的水电站过渡过程整体物理模型试验平台，其特征在于：所述监 控系统（5)，包括上位机和现地控制单元；所述上位机为高性能计算机，现地控制单元由机 组现地控制单元、调速器电动球阀控制屏、微机励磁屏、公用现地控制单元、变频控制屏、机 组负载调节屏、负载功率屏、综合负载屏、低压配电屏组并列组成，上位机通过数据线与现 地控制单元连接，下达指令、现地控制单元执行。
6. 如权利要求1所述的水电站过渡过程整体物理模型试验平台，其特征在于：所述负 荷系统（6)，包括负载系统、微机监控装置、检测装置与报警装置；所述负载系统由电阻、电 容、电感组成，负载系统的微机监控装置一方面连接监控系统（5)的上位机，另一方面连接 负载系统，用于按指令控制负载系统的类型与大小；检测装置、报警装置也与负载系统相 连。
7. 如权利要求1所述的水电站过渡过程整体物理模型试验平台，其特征在于：所述模 型机组系统（8)，包括蜗壳、窄高型尾水管、转轮、导水机构、同步发电机和水轮机的联轴器 以及支架；模型蜗壳、窄高型尾水管、转轮、导水机构构成模型水轮机，模型水轮机与模型同 步发电机通过水轮机的联轴器相连组成模型水轮发电机组，模型水轮发电机组由支架支撑 固定。
8. 如权利要求1所述的水电站过渡过程整体物理模型试验平台，其特征在于：所述量 测系统（7)的传感器，包括但不限于水位传感器、压力传感器、行程传感器、功率互感器、电 压互感器和电流互感器。
9. 如权利要求1所述的水电站过渡过程整体物理模型试验平台，其特征在于：所述量 测系统（7)，还包括系统结构模块、系统参数设定模块、数据采集模块、数据显示模块、数据 分析模块和数据处理模块； 所述系统结构模块，用于匹配系统硬件通道和软件通道； 所述系统参数设定模块，用于在系统结构模块的参数确定后，确定每一通道的放大倍 数、偏移量、单位、采样间隔和采样长度； 所述数据采集模块，用于实现各被测物理量的实时在线监测和高速同步多通道的数据 米集； 所述数据显示模块，用于显示采样数据的波形、光标读数、标字； 所述数据分析模块，用于提供数学分析库，包括自相关和互相关分析、回归分析、时域 和频域分析以及小波分析； 所述数据处理模块，用于对波形和数据进行裁减、移动或滤波处理。
【文档编号】G01M99/00GK104458316SQ201410854028
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】杨建东, 郭文成, 王学武, 曾威, 李进平, 王炳豹, 张新春, 王超, 杨桀彬, 李玲, 陈捷平 申请人:武汉大学