中小型水輪發(fā)電機組dspic綜合控制器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種中小型水輪發(fā)電機組DSPIC綜合控制器,所述的DSPIC綜合控制器，包括水力測控、水輪機測控、發(fā)電機測控，所述的DSPIC綜合控制器的集勵磁控制單元、轉速控制單元、同期控制單元、過程控制單元、水位測控單元、溫度巡檢單元、機組保護單元、通信單元于一體，采用DSPIC單片機為主控制機,DSPIC單片機一端與采樣單元聯(lián)接，另一端與輸出系統(tǒng)聯(lián)接，還有一端通過通信口與觸摸屏聯(lián)接，一端與電源單元聯(lián)接，并可通過以太網(wǎng)與上位機系統(tǒng)聯(lián)接;所述的勵磁控制、轉速控制、同期控制、過程控制、水位測控和機組保護分別與采樣單元聯(lián)接,共享采樣單元采集的數(shù)據(jù)信息。
【專利說明】
中小型水輪發(fā)電機組DSP IC綜合控制器
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種中小型水輪發(fā)電機組DSPIC綜合控制器。【背景技術】
[0002]水輪發(fā)電機組由水力、水輪機和發(fā)電機組成，是水電站與電力系統(tǒng)重要組成部分， 是一個多變量、時變、非線性系統(tǒng)，水輪發(fā)電機組控制聯(lián)接水力測控、水輪機測控、發(fā)電機測控，一般是通過調速器控制進水量調節(jié)水輪發(fā)電機組的有功功率及頻率，通過勵磁控制器控制發(fā)電機端電壓與輸出的無功功率，根據(jù)水位測控對水輪發(fā)電機組進行經(jīng)濟發(fā)電與負荷控制，在正常運行狀態(tài)下保證負荷的要求、電能質量、經(jīng)濟發(fā)電與靜態(tài)穩(wěn)定性，在事故狀態(tài)下提高電力系統(tǒng)運行的安全性、動態(tài)與暫態(tài)穩(wěn)定性。主要控制單元有:勵磁控制、轉速控制、同期合閘控制、過程控制、水位測控、溫度巡檢、機組保護和通信，其中勵磁控制、轉速控制和同期合閘控制是水電廠中最基本的控制，它對于保證水電站與電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行、電能質量起著關鍵性作用。傳統(tǒng)的控制方式是:勵磁控制、轉速控制、同期控制、過程控制、水位測控、溫度巡檢和機組保護都是從自身的目標出發(fā)，各自構成獨立的工作系統(tǒng)，分開設置控制器，對不同的目標進行控制，其體積龐大、設備分散、響應速度慢、價格高、 安裝維修不便、不能進行資源共享、不便進行調速、勵磁、同期之間的協(xié)調控制及實現(xiàn)最佳控制。
[0003]鑒于水輪發(fā)電機組勵磁控制、轉速控制和同期控制是一個密切關聯(lián)的整體，其耦合性強，忽略或簡化它們之間互相影響與關聯(lián)，不但會影響其控制質量，而且會影響發(fā)電機組運行的安全性、經(jīng)濟性，甚至會影響電力系統(tǒng)運行的安全性、穩(wěn)定性與供電質量。為此，應將水輪機和發(fā)電機勵磁、轉速、同期合閘作為個整體進行綜合協(xié)調控制。同時為了實現(xiàn)永電站綜合自動化與無人值守，還必須將水輪發(fā)電機組的過程控制、水位測控、溫度巡檢和機組保護同時進行自動控制。
【發(fā)明內容】

[0004]本實用新型的任務是提供一種基于DSPIC30F6014A單片機(簡稱為DSPIC單片機) 集水電站的水力、水輪機、發(fā)電機的控制、調節(jié)、保護和通信功能于一體的高度集成化、一體化、智能化的綜合控制器。本實用新型的任務是通過如下技術方案來實現(xiàn)的:本實用新型的中小型水輪發(fā)電機組DSPIC綜合控制器，包括水力測控、水輪機測控、發(fā)電機測控，所述的 DSPIC綜合控制器的集勵磁控制單元、轉速控制單元、同期控制單元、過程控制單元、水位測控單元、溫度巡檢單元、機組保護單元、通信單元于一體，采用DSPIC單片機為主控制機， DSPIC單片機一端與采樣單元聯(lián)接，另一端與輸出系統(tǒng)聯(lián)接，還有一端通過通信口與觸摸屏聯(lián)接，一端與電源單元聯(lián)接，并可通過以太網(wǎng)與上位機系統(tǒng)聯(lián)接;所述的勵磁控制、轉速控制、同期控制、過程控制、水位測控和機組保護分別與采樣單元聯(lián)接，共享采樣單元采集的數(shù)據(jù)信息。
[0005]本實用新型的中小型水輪發(fā)電機組DSPIC綜合控制器，它是利用一臺DSPIC單片機對水輪發(fā)電機組勵磁、轉速、同期、水位、溫度巡檢、生產(chǎn)過程及機組保護進行綜合控制。本實用新型的中小型水輪發(fā)電機組DSPIC綜合控制器綜合控制器可以實現(xiàn)中小型水輪發(fā)電機組二次設備高度集成化、一體化、模塊化、小型化、智能化，配上外圍設備可以實現(xiàn)低壓發(fā)電機組1機1柜、一個指令開停機、故障診斷、自動停機、自動調頻調壓、自動調節(jié)有功無功、并根據(jù)水位變化自動調整負荷、進行經(jīng)濟發(fā)電，實現(xiàn)無人值守，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及調節(jié)性能，同時簡化系統(tǒng)的結構、簡化接線、共享資源、減少重復設備、降低成本。綜合控制器用于小型水電站，可以實現(xiàn)一個指令開停機、故障診斷、自動停機、自動調頻調壓、自動調節(jié)有功無功功率、經(jīng)濟發(fā)電、實現(xiàn)無人值守，實現(xiàn)低壓發(fā)電機組一、二次設備1機1柜。本實用新型的DSPIC綜合控制器具有協(xié)調控制、跟蹤系統(tǒng)電壓、頻率功能，提高了調節(jié)性能及系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，同時簡化系統(tǒng)的結構、簡化接線、共享資源、減少重復設備、縮小體積、降低成本，采用模塊化結構，系統(tǒng)功能可靈活擴充?！靖綀D說明】
[0006]圖1是DSPIC綜合控制器原理結構圖，[〇〇〇7]圖中:(A)為采樣單元，(B)為DSPIC單片機，(C)為輸出單元，(D)為電源單元；(E)為觸膜屏；[00〇8] (1)為勵磁控制單元；(2)為轉速控制單元；(3)為同期控制單元；(4)為過程控制單元；(5)為水位測控單元；(6)為溫度巡檢單元；(7)為機組保護單元；(8) 為通信單元；
[0009]AI為模擬量輸入，輸入模擬量有發(fā)電機相電流(]^、113、1(3)、發(fā)電機端線電壓 (1^13、1]1^)、系統(tǒng)電壓〇^)、系統(tǒng)頻率$1)、系統(tǒng)電壓與發(fā)電機電壓的相位差(5)、機組的轉速(N)、勵磁電壓(UL)、勵磁電流(IL);
[0010]DI為開關量輸入，輸入開關量有導水葉開放度(Dw)、水位測量V、斷路器位置信號 DL、控制命令L和測速信號輸入到主控制系統(tǒng)一(A);
[0011]MI為數(shù)字量輸入，輸入數(shù)字量有轉速測量N、給定值⑶。[0〇12] A0為模擬量輸出，輸出模擬量有勵磁控制信號至勵磁功率單元、轉速控制信號至調速電動機或電液轉換器II;[0〇13] D0為開關量輸出，輸出的開關量有斷路器合閘信號HZ;導水葉開度(Dw);[〇〇14] M0為數(shù)字量輸出，輸出的數(shù)字量有故障報警信號輸出至報警器BZ。
[0015]圖2是DSPIC綜合控制器的外形結構圖，
[0016]圖中:a為采樣模塊;-b為勵磁控制模塊;-c為轉速同期與過程控制模塊;d為輔助控制保護與通信模塊;e為輸出模塊;f為電源模塊；(E)為觸膜屏。[〇〇17]圖3為DSPIC綜合控制器與水電站監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)接圖，[〇〇18]圖中:(A)為采樣單元，(B)為DSPIC單片機，(C)為輸出單元，(D)為電源單元； (E)為觸膜屏；(G)為以太網(wǎng)，(H)為上位機系統(tǒng)；[0〇19] (1)為勵磁控制單元；(2)為轉速控制單元；(3)為同期控制單元；(4)為過程控制單元；(5)為水位測控單元；(6)為溫度巡檢單元；(7)為機組保護單元；(8)為通信單元?！揪唧w實施方式】
[0020]以下結合附圖的具體實施例對本實用新型進一步說明。(但不是對本實用新型的限制)
[0021]本實用新型的中小型水輪發(fā)電機組DSPIC綜合控制器，包括水力測控、水輪機測控、發(fā)電機測控，其特征在于:所述的DSPIC綜合控制器的集勵磁控制單元(1 )、轉速控制單元(2)、同期控制單元(3)、過程控制單元(4)、水位測控單元(5)、溫度巡檢單元(6)、機組保護單元(7)、通信單元(8)于一體，采用DSPIC單片機(B)為主控制機，DSPIC單片機(B)—端與采樣單元(A)聯(lián)接，另一端與輸出系統(tǒng)(C)聯(lián)接，還有一端通過通信口與觸摸屏(E)聯(lián)接 (見圖1所示)，一端與電源單元(D)聯(lián)接，并可通過以太網(wǎng)(G)與上位機系統(tǒng)(H)聯(lián)接(見圖3 所示)；所述的勵磁控制一(1)、轉速控制一(2)、同期控制--(3)、過程控制一(4)、水位測控一(5)和機組保護一(6)分別與采樣單元一(A)聯(lián)接，共享采樣單元一(A)采集的數(shù)據(jù) fg息。[〇〇22]圖2是DSPIC綜合控制器的外形結構圖，DSPIC綜合控制器各單元用插板式模塊結構插入4U機箱內，其中采樣模塊一a排列在勵磁控制模塊一b前、勵磁控制模塊一b排列在轉速同期過程控制模塊--c前、轉速同期過程控制模塊--c排列在輔助控制保護與通信模塊一d前、輔助控制保護與通信模塊一d排列在輸出模塊一e前、輸出模塊一e排列在電源模塊一f前，觸摸屏一(E)嵌入面板內，(見圖2所示)。[〇〇23] DSPIC綜合控制器采樣單元一(A) —端接至AI—模擬量輸入，AI分別聯(lián)接發(fā)電機相電流(1&、113、1〇)、發(fā)電機端線電壓〇^13、1]1^)、系統(tǒng)電壓--〇^)、系統(tǒng)頻率一卬1)、系統(tǒng)電壓與發(fā)電機電壓的相位差--(8)、機組的轉速--(N)、勵磁電壓--(UL)、勵磁電流--(IL)， 其采樣單元一(A)另一端接至D 1--開關量輸入，D I分別聯(lián)接到導水葉開放度-_-(Dw)、水位測量--V、斷路器位置信號--DL、控制命令--L，采樣單元一(A)還有一端接至MI數(shù)字量輸入，MI—端聯(lián)接轉速測量N、另一端聯(lián)接給定值⑶，采樣單元一(A)聯(lián)接到DSPIC單片機一 (B)(見圖1所示)ASPIC綜合控制器輸出單元——(C)一端接至A0—模擬量輸出，A0—端聯(lián)接勵磁控制信號、另一端聯(lián)接轉速控制信號，輸出單元一(C)另一端接至D 0開關量輸出， D0—端聯(lián)接斷路器合閘信號HZ，另一端聯(lián)接導水葉開度(Dw)，輸出單元一(C)還有一端接至M0數(shù)字量輸出，M0聯(lián)接故障報警信號BZ，輸出單元一(C)與DSPIC單片機一(B)聯(lián)接 (見圖1所示)。[〇〇24]圖3為DSPIC綜合控制器與水電站監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)接圖，DSPIC單片機(B)分別與采樣單元(A)、輸出單元(C)、電源單元(D)、觸膜屏(E)、以太網(wǎng)(G)聯(lián)接，上位機系統(tǒng)(H)接于以太網(wǎng)(G)，勵磁控制單元(1)、轉速控制單元(2)、同期控制單元(3)、過程控制單元(4)、水位測控單元(5)、溫度巡檢單元(6)、機組保護單元(7)、通信單元(8)分別與DSPIC單片機 (B)聯(lián)接。[〇〇25]綜合控制器各單元采用插板式模塊結構插入4U機箱內。其目的旨在協(xié)調勵磁控制、轉速控制和同期合閘控制、跟蹤系統(tǒng)電壓頻率控制、共享資源、減少重復設備、簡化接線、簡化結構、縮小體積、降低成本，在正常狀態(tài)下提高可靠性、調節(jié)精度、合理分配無功功率、提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定極限，事故狀態(tài)下提高電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性，在事故后進行恢復控制迅速恢復供電，提高機組自動化水平和全站的綜合自動化水平，提高電站運行的可靠性、經(jīng)濟性及運行管理水平，實現(xiàn)中小型水電站機組一鍵開停機、故障診斷、自動停機，實現(xiàn)中小型水輪發(fā)電機組綜合自動化和無人值守，更好實現(xiàn)小型水輪發(fā)電機組一次二次設備1機1柜。DSPIC綜合控制器可工作在單機運行、并大電網(wǎng)或并小電網(wǎng)下運行，在正常狀態(tài)、事故狀態(tài)及事故后恢復狀態(tài)下能進行協(xié)調控制:
[0026]對于孤立電站不帶負載，勵磁與轉速調節(jié)分開獨立控制；當發(fā)電機組單機帶負載時，綜合控制器不僅要調節(jié)勵磁電壓，而且要根據(jù)系統(tǒng)功率變化調節(jié)水門開度，維持頻率動態(tài)平衡；當發(fā)電機組與大電網(wǎng)并網(wǎng)時，在正常運行時綜合控制器主要任務是合理分配并列運行的機組間的無功功率、有功功率，維持發(fā)電機組頻率與電壓穩(wěn)定。在系統(tǒng)負荷擾動時， 一般中小型電站機組在大電網(wǎng)中不承擔主要調頻、調相任務，但有抑制、減弱系統(tǒng)的波動的作用，若近區(qū)負荷突變引起輸出力矩的擾動，當擾動尚末沖擊到電網(wǎng)時，一般機端電壓、頻率會發(fā)生一定的擾動，但綜合控制器的作用可減小對大電網(wǎng)影響，在暫態(tài)過程終了時，發(fā)電機輸出的電磁功率不變，勵磁控制穩(wěn)定電壓。
[0027]對發(fā)電機組并入地方小電網(wǎng)，小機組一般不能進相運行，也不承擔調頻任務，但當負載化時，地方電網(wǎng)電壓較高時，若勵磁控制器工作于恒壓工作方式，可能吸取系統(tǒng)無功功率，進相運行，此時根據(jù)水位輸出功率。為此，中小型發(fā)電機組并入地方小電網(wǎng)運行，轉入恒功率因素工作方式，跟隨電網(wǎng)電壓、頻率的變化。為使電網(wǎng)功率平衡，應停掉一些有蓄水能力的電站，最大限度地利用天然水利資源。
[0028]當系統(tǒng)出現(xiàn)大擾動時，由于系統(tǒng)的結構或參數(shù)發(fā)生了較大變化，因而系統(tǒng)的潮流及各發(fā)電機輸出的電功率也隨之發(fā)生突然變化。但是，由于水輪機和調速機構有一定的慣性，需要經(jīng)過一定時間以后才能改變水輪機輸出的機械功率，這樣可能破壞了發(fā)電機與水輪機間的功率平衡，在發(fā)電機組的軸上便出現(xiàn)了不平衡轉矩。一般遭受擾動時各發(fā)電機組功率平衡不同，機組轉動慣量也不同，各機組轉速變化的不同。因而各發(fā)電機轉子之間將產(chǎn)生相對運動，即相關擺動，此時勵磁的微分調節(jié)過程會惡化轉速的調節(jié)作用，綜合控制器自適用為PI調節(jié)方式，若與系統(tǒng)失步，即與電網(wǎng)解列。[〇〇29]當水電機組并入大電網(wǎng)時，正常運行時電網(wǎng)頻率變化很小，負荷變化不大，機組出力接近給定值。但對機組與孤立小電網(wǎng)并列或單機運行時，機組出力隨負荷變化，當負荷與給定功率偏差較大時，就會產(chǎn)生較大的頻率偏差，控制器根據(jù)頻率偏差和功率偏差的大小， 可以判斷水電機組是并大電網(wǎng)或并小電網(wǎng)。
[0030]當系統(tǒng)出現(xiàn)低頻振蕩時，控制器的PSS附加控制信號，提供正阻尼，以補償系統(tǒng)負阻尼，抑制低頻振蕩。[〇〇31] 跟蹤控制是在機組起動、升壓后，自動跟蹤電網(wǎng)電壓與頻率，加快同期并列過程。[0〇32] 勵磁控制單元-(1)、轉速控制單元--(2)、同期控制單元--(3)、過程控制單元一(4)、水位測控單元一(5)、溫度巡檢單元-(6)、機組保護單元一(7)單元分別與采樣單元一(A)聯(lián)接，共享采樣單元一(A)采集的信息，這不僅可保證各單元采集的數(shù)據(jù)信息一致性，同時可保證有關單元協(xié)調控制正確性，這也是綜合控制器與分立裝置的重大區(qū)別。[〇〇33] DSPIC綜合控制器各單元用插板式模塊結構插入4U機箱內，其中采樣模塊一a排列在勵磁控制模塊一b前、勵磁控制模塊一b排列在轉速同期過程控制模塊一C前、轉速同期過程控制模塊一c排列在輔助控制保護與通信模塊一d前、輔助控制保護與通信模塊一d排列在輸出模塊一e前、輸出模塊一e排列在電源模塊一f前，觸摸屏一(E)嵌入面板內， 其結構緊湊、接線簡單、美觀大方、維修方便。[〇〇34] DSPIC綜合控制器輸出方式，按可控硅單元分為單相半控、單相全控、三相半控、三相全控，工作方式有恒電壓、恒勵磁電流、恒無功、恒功率因素、恒控制角，這可適用于不同機組及不同運行方式的需要。[〇〇35] DSPIC綜合控制器有多種工作方式，可工作于單機模式，也可工作于雙機模式，當單機時，則自動工作于所述的單機模式，當兩臺機并列運行時，則工作于所述的雙機模式。 雙機模式兩機分為A機與B機，設定A機為主控機，B機作為熱備用機，兼對A機進行監(jiān)控，當診斷到A機出故障，或用按鍵手動進行雙機切換時，切換至B機;雙機模式提高了運行可靠牲。[〇〇36]綜合控制器采用DSPIC單片機作為硬件平臺，DSPIC是一種將單片機的特征同數(shù)字信號處理器(DSP)的能力結構在一起的器件，它具有豐富的外圍部件，完整的DSP引擎， 改進的中斷能力，DSPIC存儲器，靈活的重編程能力，強大的開發(fā)環(huán)境引腳數(shù)少，使用優(yōu)化的高級語言，方便PIC系列單片機用戶移植現(xiàn)有的代碼，因此選用DSPIC作為硬件平臺能滿足小型水輪發(fā)電機組監(jiān)控功能與性能要求，而且比較可靠與經(jīng)濟。采用模塊化結構，獨立與分散相結合，系統(tǒng)功能可靈活擴充。
【主權項】
1.中小型水輪發(fā)電機組DSPIC綜合控制器，包括水力測控單元、水輪機測控單元、發(fā)電 機測控單元，其特征在于:所述的DSPIC綜合控制器集勵磁控制單元、轉速控制單元、同期 控制單元、過程控制單元、水位測控單元、溫度巡檢單元、機組保護單元、通信單元于一體， 采用DSPIC單片機為主控制機，DSPIC單片機一端與采樣單元聯(lián)接，另一端與輸出系統(tǒng)聯(lián) 接，還有一端通過通信口與觸摸屏聯(lián)接，一端與電源單元聯(lián)接，并可通過以太網(wǎng)與上位機系 統(tǒng)聯(lián)接；勵磁控制單元、轉速控制單元、同期控制單元、過程控制單元、水位測控單元、機組 保護單元分別與采樣單元聯(lián)接，共享采樣單元采集的數(shù)據(jù)信息。2.根據(jù)權利要求1所述的中小型水輪發(fā)電機組DSPIC綜合控制器，其特征在于，所述的 DSPIC綜合控制器各單元用插板式模塊結構插入4U機箱內，其中采樣模塊排列在勵磁控制 模塊前、勵磁控制模塊排列在轉速同期過程控制模塊前、轉速同期過程控制模塊排列在輔 助控制保護與通信模塊前、輔助控制保護與通信模塊排列在輸出模塊前、輸出模塊排列在 電源模塊前，觸摸屏嵌入面板內。3.根據(jù)權利要求1所述的中小型水輪發(fā)電機組DSPIC綜合控制器，其特征在于，所述的 DSPIC綜合控制器采樣單元一端接至AI—模擬量輸入，AI分別聯(lián)接發(fā)電機相電流(Ia、Ib、 1〇)、發(fā)電機端線電壓(1^13、1]1^)、系統(tǒng)電壓(1^)、系統(tǒng)頻率$1)、系統(tǒng)電壓與發(fā)電機電壓的 相位差(8)、機組的轉速(N)、勵磁電壓(UL)、勵磁電流(IL)，其采樣單元(A)另一端接至D 1--開關量輸入，DI分別聯(lián)接到導水葉開放度、水位測量、斷路器位置信號、控制命令，采樣 單元還有一端接至M1--數(shù)字量輸入，MI—端聯(lián)接轉速測量N、另一端聯(lián)接給定值⑶，采樣單 元聯(lián)接到DSPIC單片機；DSPIC綜合控制器輸出單元一端接至A0—模擬量輸出，A0—端聯(lián)接 勵磁控制信號、另一端聯(lián)接轉速控制信號，輸出單元另一端接至DO開關量輸出，DO—端聯(lián)接 斷路器合閘信號，另一端聯(lián)接導水葉開度，輸出單元還有一端接至M0-數(shù)字量輸出，M0聯(lián)接 故障報警信號，輸出單元與DSPIC單片機聯(lián)接。4.根據(jù)權利要求1所述的中小型水輪發(fā)電機組DSPIC綜合控制器，其特征在于，所述的 DSPIC綜合控制器DSPIC單片機分別與采樣單元(A)、輸出單元(C)、電源單元(D)、觸膜屏 (E)、以太網(wǎng)(G)聯(lián)接，上位機系統(tǒng)(H)接于以太網(wǎng)(G)，勵磁控制單元(1)、轉速控制單元(2)、 同期控制單元(3)、過程控制單元(4)、水位測控單元(5)、溫度巡檢單元(6)、機組保護單元 (7)、通信單元(8)分別與DSPIC單片機(B)聯(lián)接。5.根據(jù)權利要求1所述的中小型水輪發(fā)電機組DSPIC綜合控制器，其特征在于，所述的 DSPIC綜合控制器，當單機時，則自動工作于單機模式，當兩臺機并列運行時，則工作于雙機 模式;雙機模式兩機分為A機與B機，設定A機為主控機，B機作為熱備用機，兼對A機進行監(jiān) 控，當診斷到A機出故障，或用按鍵手動進行雙機切換時，切換至B機。
【文檔編號】F03B15/00GK205605355SQ201620147569
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年2月29日
【發(fā)明人】施隆照, 戴樹梅
【申請人】福建省智能科技有限公司