水电站低压发电机智能运行装置及智能运行方法与流程

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种水电站低压发电机智能运行装置及智能运行方法。

背景技术：
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当前中国经济已进入新的发展时期，在国民经济持续快速增长、工业现代化进程加快的同时，资源和环境制约趋紧，能源供应出现紧张局面，生态环境压力持续增大。

电能量，是通过不同的电站来产生的能源，电力系统发电站包括火电站、水电站、核电站和新能源电站等，水电站是一种独特而广泛的能源电站，其主要是利用水力冲击方式发电，在电力系统架构中，水电站不仅仅起着生产电能的作用，它还肩负防汛、抗旱、灌溉、防止破坏生态环境，减少环境污染、节约不可再生资源等诸多作用。

水电开发，通过投资拉动、税收增加和相关服务业的发展，能够把地方资源优势转变为经济优势、产业优势，以此带动其他产业发展，形成支撑力强的产业集群，有力促进地方经济的全面发展。因此、大力发展水电事业一方面有利于改善能源危机问题，另一方面有利于缩小城乡差距、改善农村生产生活条件，对于推进地方农业生产、提高农民收入，加快脱贫步伐、促进民族团结、维护社会稳定，具有不可替代的作用。

智能电网是电网技术发展的必然趋势，是社会经济发展的必然选择，它的提出推动了各相关技术的迅猛发展；水电站，由于水力发电的季节性特性及其扰动性，很容易破坏电网的实时平衡，影响电网的安全运行，给电网的调峰、调荷带来直接影响，因此，如何在充分利用水力发电优势同时又让水电站的管控模式达到智能电网的要求，是一个意义重大却又亟待解决的问题。

目前，在中小规模的水电站建设中，大多数低压发电机组运行的控制模式主要是通过低压发电机保护装置和LCU控制屏(现地控制单元)来实现的；其中低压发电机保护装置主要用于发电机的启停和保护，LCU控制屏主要用于水轮机、发电机、辅机、变压器、母线、断路器、隔离开关、接地刀闸等的控制；在水电站控制系统中，尽管低压发电机保护装置和LCU屏柜能够在一定程度上实现低压发电机的自动控制及其其它设备在线监测和远程控制，但是，在发电机有功功率和无功功率调节中，仍然需要电站值守人员根据发电站蓄水位的状况来判断和手动调节发电机的输出功率，并且在一些不具备数据记录功能的设备中，电站发生故障的瞬态数据及其运行的参数都无法得到保存，不方便机组的维护与电站负荷的分析。

以发电机组功率调节为例，众所周知，水力发电，其发电机的输出功率主要由原动力决定的，原动力由导叶开度和水位高度决定,即导叶开度越大、水位越高，原动力就越大；理论上分析，在发电机自身所能承受的最大发电功率之下，导叶的开度越大发电机的输出功率就越大，但是导叶开度另一方面又决定出水量的大小，即如果出水量大于蓄水池上游进水量，则蓄水池水位会持续降低，当降低到其不能产生足够的原动力时，发电机由原来发电模式转为电动机模式，整个发电机组系统就会吸收电网功率，不但不能发电，还会将电网功率白白耗费，因此，需要在水位下降到一定值时候，通过适当调整导叶开度使得蓄水池的水位高度达到一个动态平衡，从而得到持续发电过程；在这个动态平衡调节过程中，导叶的开度是一个非常关键的控制量；中小型水电站中，一般都是通过电站值守人员对水位高度的人为判断来调节导叶开度的，其自动化程度较低，需要值守人员全天候监护。

技术实现要素：
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本发明所要解决的技术问题是：解决上述现有技术存在的问题，而提供一种水电站低压发电机智能运行装置及智能运行方法，使水电站功率调节自动化，并且能够在一定程度上优化发电机的发电功率，使电站的管控模式更加智能化，发电更加高效化，实现水电站的无人值守，从根本上实现运行自动化。

本发明采用的技术方案是：一种水电站低压发电机智能运行装置，以32位DSP单片机为处理器MCU，处理器MCU分别连接：

模拟采样电路，模拟采样电路的输出端连接处理器MCU，模拟采样电路的输入端连接蓄水池的多个水位传感器；

通讯电路，处理器MCU与通讯电路连接通讯，通讯模块又与远程监控上位机通讯；

开入开出电路，处理器MCU与开入开出电路连接通信，而开入开出电路则与开出继电器及遥信检测连接；

保护电路，保护电路的输出端连接保护执行机构及故障录波；

电源电路，电源电路输出分两路，一路连接处理器MCU，另一路作为直流电源输出；

触摸屏，触摸屏与处理器MCU连接通信。

功率调节电路，处理器MCU与功率调节电路连接通信，功率调节电路输出连接并调节发电机导叶开度；

存储电路，处理器MCU与存储器连接通信。

一种基于上述水电站低压发电机智能运行装置的智能运行方法，水电站低压发电机智能运行装置通过水位传感器检测水位高度，由处理器MCU通过对蓄水池当前水位的判断来自动调节水电站低压发电机导叶开度，对发电功率优化调节：当监测到水位上升的时候，水电站低压发电机智能运行装置控制增加发电机导叶开度，加大出水量，使得水位维持到一个新的动态平衡点，提升发电机原动力，增加发电机水力发电功率；当水位下降的时候水电站低压发电机智能运行装置控制减少导叶开度，减少出水量，使得水位维持在新的动态平衡点，让发电机持续运行在发电模式，保持水电站的发电功率，使水电站低压发电机发电功率调节自动化，并优化发电机的发电功率。

上述技术方案中，具体方法是：水电站在排水量和进水量达到平衡时，导叶开度为x，蓄水池的水位动态平衡高度为H；当某一时刻上游水流量增大，智能运行装置在单位时间内监测到蓄水池的实时水位H1处在上升状态，即H1-H>0，则表示可以加大导叶的开度，增加发电机的发电功率；增加发电机导叶开度调节后的导叶开度x1，必需要满足能够保持蓄水池水位的动态平衡，即蓄水池进水量和出水量要相等，这样才能保证不会因为导叶开度调整过大而出现水位下降；同理，当某一时刻上游水流量减少时，智能运行装置在单位时间内监测到蓄水池的实时水位H1处在下降状态，即H1-H<0，为保持发电机持续工作在发电状态，需要减少发电机导叶的开度，调整后的导叶开度x2一方面需要满足能够保持水位动态平衡，另一方面还需要满足水位平衡点不低于警戒水位点，该水位点为临界水位点，如果持续低于此水位点，发电机原动力不足可能出现吸收功率状态；由于上游水流量是随机的，无法准确测量，因此水电站低压发电机智能运行装置在通过蓄水池水位传感器来测量蓄水池水位的实时高度和变化趋势时，对发电机导叶开度实时控制中引入负反馈调节机制，通过对当前水位测量值的变化判断出上游水流量增加时，首先以Δx1增量，适量加大导叶开度，再通过对水位持续监测判断水位在调整后的变化速率，即ΔH＝H1-H的变化，如果水位上升速度大于0即ΔH>0，则继续以Δx1增量增加导叶开度并继续观测水位，判断水位高度变化，直到水位处在稳定平衡状态；同理，当上游水流量减少时，Δx2为减量，首先以Δx2减量适量减少发电机导叶开度，再通过对水位变化速率ΔH＝H-H1的判断来控制是否持续减少导叶的开度，如果水位下降速率不为0，即ΔH>0，则应继续以Δx2减量减少导叶开度并继续测量水位，判断水位高度变化，直到水位处在稳定平衡状态。

上述技术方案中，在调整发电机导叶开度过程中，具体操作包括：

①、水位上升时候，为实现快速调整水位到平衡点，首先，导叶开度调整步长Δx1适当取较大值，调整后如果水位上升速度明显下降，则后续调节过程中，应将调整步长Δx1减少，作微调；

②、水位下降时候，为防止水位下降过快出现原动力不足情况，首先将发电机导叶开度减量调整步长Δx2取较大值，让水位处于上升状态，然后再通过较少Δx2来实现微调；

③、发电机导叶开度调整的最终平衡点应该为额定水位高度区，即水位平衡点，大于警戒水位点并且留有一定的裕度，防止水位下降时来不及调整导叶开度，水位就迅速低于临界值区域，因此，在每次调整过程中应根据当前水位和警戒水位点的差值来适当考虑导叶开度的调整步长，即当前水位和警戒水位的差值较少时，也就是说当前水位快要达到警戒水位时，应该先调整减少导叶开度，使得蓄水池能够蓄水，将水位首先控制在额定的水位高度区，再适量增大导叶开度的调整步长，使得当前水位平衡。

上述技术方案中，发电机导叶调整完成的判断条件是水位变化速率ΔH为0，在实际处理过程中，ΔH不可能为精确的0值，因此本发明完成调整的判断条件为|ΔH|<ε，其中，ε为一个正数；ε选取过大会降低调节精度；选取过小会增加水位调节接近平衡点时的微调次数，使得因为对导叶开度频繁调节而造成执行机构的损伤，因此ε的选取，需要根据实际情况和实际需要来确定。

上述技术方案中，水电站多发电机组发电时的多机组调节，需要保证蓄水池水位的平衡和每台机组的负荷平衡，因此在水位上升时，优先调整负荷量最低的机组；在水位下降时候，优先调整负荷量最高的机组，每台机组的负荷量通过导叶开度来判断，机组的负荷量越大则导叶开度就越大；在多机组调整过程中，需要判断机组负荷量的大小，每台机组接入其他机组的负荷量信号；确定优先调节的机组，其调节过程与单机组调整相同。

本发明的水电站低压发电机智能运行装置及智能运行方法，主要用于水电站低压机组一体化控制，除了能够实现低压发电机的测量、保护和远方控制等基本功能外，该装置还可以通过水位传感器来检测水位高度，进而通过对蓄水池当前水位的判断来自动调节导叶开度，从而达到对发电功率优化调节功能：当监测到水位上升的时候，装置控制增加导叶开度，加大出水量，使得水位维持到一个新的动态平衡点从而提升发电机原动力，增加发电机水力发电功率；当水位下降的时候装置控制减少导叶开度，减少出水量，使得水位维持在新的动态平衡点，让发电机持续运行在发电模式，保持水电站的发电功率。该装置能够让水电站功率调节达到自动化，并且能够在一定的程度上优化发电机的发电功率，让电站的管控模式更加智能化，发电更加高效化，实现水电站的无人值守，从根本上实现运行的自动化。

基本功能包括：

1、四遥功能，即遥测、遥信、遥控、遥调功能：

遥测包括发电机有功功率、无功功率、功率因素、机端电流、机端电压、励磁电流、励磁电压；遥信包括导叶位置、机端断路器位置、闸门位置、灭磁开关位置、保护信号等；遥控包括启停机遥控等；遥调包括发电机有功和无功。

2、检测机组电气故障、机械故障：

包括检测发电机差动，失磁，振动，温升等故障，使得发电机持续稳定运行。

3、监测机组负荷以及水位情况：

主要指监测出线断路器电流来获得负荷情况，通过读取水位传感器的信号来获得蓄水池水位。

4、故障告警，事故停机，故障数据上传：

故障告警设置和故障告警后自动停机及其故障信息上传到后台监控系统。

5、防各种误动和拒动：

6、水位自动开、停机：

当水位达到发电水位门槛值时自动启动发电机发电，当水位下降到停机水位门槛值时自动停机。

7、发电机保护功能：

包括发电机三段过流保护、发电机过负荷保护、发电机低电压保护、发电机过电压保护、发电机定子超温保护、发电机过频和低频保护等。

8、有功功率自动调节：

通过监测蓄水池实时水位来自动调节导叶开度，进而达到对发电功率优化调节。

9、故障录波。

10、GPRS对时和网络对时。

11、远方通信，可以支持数据上传和远方功率调度。

附图说明：

图1为本发明电路结构框图；

图2为水电站低压发电机单机组导叶开度调整流程图；

图3为水电站低压发电机多机组导叶开度调整流程图。

具体实施方式：

参见图1、图2、图3，本发明一种水电站低压发电机智能运行装置，以32位DSP单片机为处理器MCU，处理器MCU分别连接：

模拟采样电路，模拟采样电路的输出端连接处理器MCU，模拟采样电路的输入端连接蓄水池的多个水位传感器；

通讯电路，处理器MCU与通讯电路连接通讯，通讯模块又与远程监控上位机通讯；

开入开出电路，处理器MCU与开入开出电路连接通信，而开入开出电路则与开出继电器及遥信检测连接；

保护电路，保护电路的输出端连接保护执行机构及故障录波；

电源电路，电源电路输出分两路，一路连接处理器MCU，另一路作为直流电源输出；

触摸屏，触摸屏与处理器MCU连接通信。

功率调节电路，处理器MCU与功率调节电路连接通信，功率调节电路输出连接并调节发电机导叶开度；

存储电路，处理器MCU与存储器连接通信。

一种基于上述水电站低压发电机智能运行装置的智能运行方法，水电站低压发电机智能运行装置通过水位传感器检测水位高度，由处理器MCU通过对蓄水池当前水位的判断来自动调节水电站低压发电机导叶开度，对发电功率优化调节：当监测到水位上升的时候，水电站低压发电机智能运行装置控制增加发电机导叶开度，加大出水量，使得水位维持到一个新的动态平衡点，提升发电机原动力，增加发电机水力发电功率；当水位下降的时候水电站低压发电机智能运行装置控制减少导叶开度，减少出水量，使得水位维持在新的动态平衡点，让发电机持续运行在发电模式，保持水电站的发电功率，使水电站低压发电机发电功率调节自动化，并优化发电机的发电功率；具体方法是：水电站在排水量和进水量达到平衡时，导叶开度x，蓄水池的水位动态平衡高度为H；当某一时刻上游水流量增大时，智能运行装置在单位时间内监测到蓄水池的实时水位H1处在上升状态，即H1-H>0，则表示可以加大导叶的开度，增加发电机的发电功率；增加发电机导叶开度调节后的导叶开度x1，必需要满足能够保持蓄水池水位的动态平衡，即蓄水池进水量和出水量要相等，这样才能保证不会因为导叶开度调整过大而出现水位下降；同理，当某一时刻上游水流量减少时，智能运行装置在单位时间内监测到蓄水池的实时水位H1处在下降状态，即H1-H<0，为保持发电机持续工作在发电状态，需要减少发电机导叶的开度，调整后的导叶开度x2一方面需要满足能够保持水位动态平衡，另一方面还需要满足水位平衡点不低于警戒水位点，该水位点为临界水位点，如果持续低于此水位点，发电机原动力不足可能出现吸收功率状态；由于上游水流量是随机的，无法准确测量，因此水电站低压发电机智能运行装置在通过蓄水池水位传感器来测量蓄水池水位的实时高度和变化趋势时，对发电机导叶开度实时控制中引入负反馈调节机制，当通过对当前水位测量值的变化判断出上游水流量增加时，首先以Δx1增量适量加大导叶开度，再通过对水位持续监测判断水位在调整后的变化速率，即ΔH＝H1-H的变化，如果水位上升速度大于0，即ΔH>0，则继续以Δx1增量增加导叶开度并继续观测水位，判断水位高度变化，直到水位处在稳定平衡状态；同理，当上游水流量减少时，Δx2为减量，首先以Δx2为减量适量减少发电机导叶开度，再通过对水位变化速率ΔH＝H-H1的判断来控制是否持续减少导叶的开度，如果水位下降速率不为0，即ΔH>0，则应继续以Δx2减量减少导叶开度并继续测量水位，判断水位高度变化，直到水位处在稳定平衡状态。

在调整发电机导叶开度过程中，具体操作包括：

①、水位上升时候，为实现快速调整水位到平衡点，首先导叶开度调整步长Δx1适当取较大值，调整后如果水位上升速度明显下降，则后续调节过程中，应将调整步长Δx1减少，作微调；

②、水位下降时候，为防止水位下降过快出现原动力不足情况，首先将发电机导叶开度减量调整步长Δx2取较大值，让水位处于上升状态，然后再通过较少的减量Δx2来实现微调；

③、发电机导叶开度调整的最终平衡点应该为额定水位高度区，即水位平衡点，大于警戒水位点并且留有一定的裕度，防止水位下降时来不及调整导叶开度，水位就迅速低于临界值区域，因此，在每次调整过程中应根据当前水位和警戒水位点的差值来适当考虑导叶开度的调整步长，即当前水位和警戒水位的差值较少时，也就是说当前水位快要达到警戒水位时，应该先调整减少导叶开度，使得蓄水池能够蓄水，将水位首先控制在额定的水位高度区，再适量增大导叶开度的调整步长，使得当前水位平衡。

发电机导叶调整完成的判断条件是水位变化速率ΔH为0，在实际处理过程中，ΔH不可能为精确的0值，因此调整的判断条件为|ΔH|<ε，其中，ε为一个正数；ε选取过大会降低调节精度；选取过小会增加水位调节接近平衡点时的微调次数，使得因为对导叶开度频繁调节而造成执行机构的损伤，因此ε的选取，需要根据实际情况和实际需要来确定；水电站多发电机组发电时的多机组调节，需要保证蓄水池水位的平衡和每台机组的负荷平衡，因此在水位上升时，优先调整负荷量最低的机组；在水位下降时候，优先调整负荷量最高的机组，每台机组的负荷量通过导叶开度来判断，机组的负荷量越大则导叶开度就越大；在多机组调整过程中，需要判断机组负荷量的大小，每台机组接入其他机组的负荷量信号；确定优先调节的机组，其调节过程与单机组调整相同。

下面结合附图1对本发明的组成电路作进一步说明：

(1)处理器MCU

处理器MCU为装置的运算、故障处理、通讯的核心模块，主要作用为模拟采集量的精确计算、开入量扫描、保护量的逻辑判断、装置通讯处理、数据存储等，是装置运行的过程中各种信息交互和输入输出及其所有控制命令的的核心。

(2)模拟采样电路

主要功能为装置对低压机组三相交流电的IA、IB、IC、Ua、Ub、Uc、COSф、F及其水电站蓄水池水位h等模拟量的滤波和采样。模块包括交流电流、电压及其水位测量电路，一方面用于将系统二次侧电流、电压转换为弱电信号，输送给MCU模块进行AD转换，并起强弱电隔离作用；另一方面用于将蓄水池水位信号转化为模拟电位信号，输送到MCU模块进行A/D转换；在MCU中经过精确计算得出电压电流和水位的精确值。

(3)开入开出电路

主要功能为装置遥信开入采集、遥信变位、事故遥信、正常遥控等信号提供接口及其检测回路，最多可支持32路开入量和9路开出量，并且开入接口电压支持AC/DC220V。

(4)保护电路

主要功能为装置提供保护跳闸采集电路和出口电路，采集电路将系统二次侧电流、电压转换为弱电信号，输送给MCU模块进行AD转换，并起强弱电隔离作用；跳闸出口电路主要提供装置跳闸回路，当出现故障时为电站的控制断路器提供跳闸出口。保护模块可实现低压发电机保护，包括速断保护、三段过流保护、反时限过流保护、定子过负荷、过电压保护、频率异常保护等。

(5)电源电路

电源模块将外部提供的交、直流电源转换为保护装置工作所需电压，输出+5V、±9V和+24V，是装置运行动力模块。

(6)通讯电路

主要为装置提供485通讯、TCP/IP通讯接口和外围电路，方便装置与外部器件或者上位机通讯，将装置采集的数据和故障信息转出及其接受远方操作命令，实现装置遥控功能。

(7)触摸屏

由飞利浦公司出品的32位ARM单片机实现，速度快，片内存储容量大，网络接口能力强，采用实时多任务操作系统，界面、网络等实时性好，主要功能为装置提供友好的人机交互界面，将装置采集的数据信息显示出来，并且提供触摸式手动输入，可以方便更改装置的保护和通讯参数。

(8)功率调节电路

主要功能为装置提供功率控制出口，通过对导叶开度量的控制来调节电站功率平衡点从而优化电站的有功功率达到提高发电效率的作用。

(9)存储电路

主要功能为装置采集数据信息及其系统参数的存储，采集数据信息包括历史遥信变位信息、故障录波形信息、故障跳闸信息、故障告警信息等，系统参数包括保护软压板、通讯参数、保护整定参数等；存储模块可保存不少于500个最近发生的事件报告及运行报告,至少支持10套保护定值存储和修改。