水电站自动化

1、好多呀，怎么办？水电站自动化CH1 概述第1节 水电站在电力系统中的作用n 电力系统的组成电源电网火电水电核电风力与潮汐发电输电线路变电站负载电力系统电源输电线路（含变电站）负载n 水电生产的特点1 水能是一种可再生的洁净能源，并可以综合利用；2 水电能源可以储备；3 水电机组具有操作灵活、开/停机快的特点；4 适合担负系统调峰、调频和事故备用任务。n 电力系统的备用容量 系统的备用容量=系统可用电源容量-发电负荷 备用容量包括负荷备用、事故备用和检修备用用于调整系统中短时的负荷波动，并满足计划外负荷增加的需要，一般为系统最大负荷的25%。第二节 水电站自动化的目的和内容n 水电站自动化的目的

2、1 提高水电站运行的可靠性； 2 保证电能质量； ；3 提高水电站运行的经济性；4 提高劳动生产率。n 水电站自动化的内容1 自动控制水电机组的运行方式，实现开机、停机和并网、发电转调相或调相转发电等过程的自动化；2 实现水电机组的安全经济运行；3 实现对辅助设备和主要电气设备的控制、监视和保护；4 完成对水工建筑物运行工况的监视与控制。 n 水电站自动化装置与系统 基础自动系统、综合自动系统 从控制理论的角度分为：顺序控制、恒值控制、跟踪控制第3节 水电站自动化技术的发展情况第4节 计算机技术在水电生产过程中的应用n 计算机技术在水电生产过程中最重要的应用是计算机监控系统，主要完成自动检测、

3、优化计算、自动控制、自动事故处理和运行管理的任务。n 计算机监控系统具有控制功能完善，数据处理方便，操作显示集中，运行安全可靠的特点。它是由计算机技术、信号处理技术、测量技术、网络通讯技术和人机接口技术相互发展和渗透而产生的。n 分层分布式计算机监控系统 水电站电力生产管理的集中性和控制的分散性这一实际需要，要求水电站计算机控制系统采用分层分布式结构。这种结构与水电生产过程的管理结构相一致，一般分为三级：过程控制（仪表）级、控制管理（现地控制）级、生产管理（电站）级。各级既相互独立，又相互联系。该系统概括起来是由集中管理部分、分散控制检测部分和通讯部分组成。 分层分布式水电站计算机监控系统的网

4、络结构有如下几种：星型结构、环型结构、总线结构。n 基于PCC的分层分布式计算机监控系统n 计算机监控系统的功能 1 数据采集和处理：电气量、脉冲量、非电量、数字量、安全运行量；2 实时控制和调节：最优发电控制、无功与电压控制、频率控制；3 记录功能：事件顺序记录、打印记录、事故追忆。CH2 水轮发电机的自动并列第一节 水轮发电机的并列方式n 并列运行：正常情况时，在电力系统中并列运行的同步发电机是以相同的电角速度、出口的折算电压相等的情况运行，称为并列运行。n 并列运行组成的电力系统优点：1 可以提高供电的可靠性；2 可以提高供电的电能质量；3 可使负荷分配更为合理；4 减少电力系统的备用容

5、量，并充分利用各种动力资源。n 准同期并列方式打开机组导叶到空载位置发电机投入励磁调节机组的电压和转速判断发电机是否满足并列条件发电机接近同步转速将机组投入系统并列运行满足不满足 同步发电机准同期并列条件：发电机与电力系统的相序、频率、电压、相位相同。 特点：由于在准同期操作中满足了发电机与电力系统的频率、电压和相位相同的条件。发电机定子回路的电流将为零，对机组将不会产生电流或电磁力矩的冲击。因此，水电站在同期操作中，采用了以自动准同期作为机组正常时的并列方式。但是，准同期存在着非同期并列操作可能，并使机组严重损坏。为了避免非同期并列，在准同期并列时，同期回路带有非同期闭锁。另外，当电力系统发

6、生故障而出现低频、低压时，将给准同期操作带来困难。 可能造成非同期并列的原因：1 发电机的一次或二次接线不正确；2 同期装置工作不正确；3 运行人员误操作。 非同期并列操作可能使机组严重损坏：1 如果相位差为180°时非同期合闸，则发电机定子绕组的冲击电流将比发电机出口的三相短路电流大一倍；2 如果电压或频率不相同，将对机组产生很大的电磁冲击力，甚至高达额定力矩的8-26倍。n 自同期并列方式 自同期具有如下特点：1 不需调整电压、相位和精确调整转速，操作简单；2 由于并列操作时未投励，消除了非同期并列的可能；3 与准同期相比，大大缩短了并列的时间。自同期并列为电力系统发生故障而出现

7、低频、低压时，启动备用机组创造了很好的条件，对于防止事故扩大，迅速恢复系统起到重要作用。由于发电机以自同期投入系统时，未励磁的发电机相当于异步电动机，因此自同期存在如下缺点：1 出现短时间的电流冲击，并使系统电压下降；2 冲击电流引起的电动力可能对定子绕组绝缘和定子绕组端部造成不良影响；3 冲击电磁力矩将使机组大轴产生纽矩，并引起振动。但是，冲击电流和冲击电磁力矩均比发电机出口三相短路时小，并且缩减快，通常不会对发电机造成损害，但冲击电流产生的电动力可能对定子绕组绝缘和端部造成累计性变形和损害。特别是自同期时发电机处于冷状态，造成的不良影响比热状态下的发电机出口三相短路更严重。因此，在事故时机

8、组采用自动自同期并列。打开机组导叶到空载位置发电机断路器合闸发电机投入励磁机组并入系统运行发电机接近同步转速第二节 同期点的选择n 同期点：为了实现机组与系统的并列运行，水电站必须有一部分断路器由同期装置来进行操作，这些用于同期并列的断路器称为同期点。n 同期点的选择：1 如果一个断路器的两侧都有电源，则该断路器应该是同期点（基本原则）；2 发电机或发电机组的断路器；3 在对侧有电源的线路断路器；4 三绕组变压器或自耦变压器与电源连接的各路断路器；5 低压侧与母线连接的双绕组变压器，应有一侧断路器作为同期点；6 分段断路器、母联断路器、旁路断路器。第三节 准同期点条件分析发电机侧瞬时电压 系统

9、侧瞬时电压 n 对电压差的要求并网时冲击电流的瞬时值 当时，发电机吸收系统无功：发电机呈容性，起助磁作用；系统呈感性，起去磁作用。当时，发电机向系统送出无功，情况相反。过大不会引起电磁力矩冲击，但可能会使发电机定子过热，还可能导致绕组端部损坏。国家标准要求：n 对相位差的要求并网时冲击电流的瞬时值 当时，发电机并列后向系统送出有功；当时，发电机并列后向系统吸收有功。国家标准要求：n 对频率差的要求时，将超前，向系统送出有功功率；，时，将滞后，向系统吸收有功功率。第4节 手动准同期n 手动准同期操作所需要的仪表：两只电压表、两只频率表、一只同步表。n 手动准同期并列时的操作：1 当发电机的电压低

10、于或高于系统电压时，调节发电机的励磁电流，以改变机组的电压；2 当发电机的频率低于或高于系统频率时，调节水轮机的导叶开度，以改变机组的转速；3 通过同步表观察频率和相位差，以便选择合适的时机发出合闸，使断路器合闸瞬间的相位差很小。n 手动准同期的缺点是：1 并列的时间较长；2 最佳合闸瞬间的选择与运行人员的经验和操作水平有关；3 不能实现机组的自动启动和并列。因此，手动准同期一般只作为机组备用的并列方式。第5节 自动准同期n 自动准同期装置应具有如下功能：1 自动检查准同期的三个条件，在条件满足时自动提前（包含机械动作时间）发出合闸脉冲，使断路器在相位差为零时接通；2 当频率差不满足要求时，自

11、动向调速器发出调整信号，以消除频率差；3 当电压差不满足要求时，自动向励磁调节器发出调整信号，以消除电压差。n 脉动电压（滑差电压）是指合闸前同期点两侧的电压之差滑差角频率滑差周期是指脉动电压频率差的变化周期 导前时间是从装置发出合闸脉冲到相位差为0的这一段时间第6节 微机型自动准同期装置的工作原理n 频率测量若计算机的若计算机的计数频率为，计数值为，则被测交流信号的周期为：，于是求得交流信号的频率是：n 电压及相位测量富式算法【见作业】CH3 水轮发电机励磁的自动调节第1节 水轮发电机的励磁方式n 励磁电流：同步发电机将旋转的机械能转换成为电能，在转换中需要有一个直流磁场。而产生这个磁场的直

12、流电流称为励磁电流。获得励磁电流的方式：他励发电机、自励发电机n 由直流发电机供电的励磁方式 发电机具有专用的直流发电机（成为励磁机），励磁机与发电机同轴，发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。n 由交流励磁机供电的励磁方式这种励磁机采用交流励磁机提供励磁电流。交流励磁机也装在发电机的大轴上，它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁；励磁机本身通常采用他励方式，由交流副励磁机提供励磁电流；交流副励磁机输出的交流电流经可控硅整流桥整流后供给励磁机励磁。n 无励磁机的励磁方式自并励方式：通过接在发电机出口的整流变压器（亦称并联变压器）取得励磁电流，经整流后供发电机励

13、磁。优点：设备少、结构简单、维护方便；缺点：在发电机或系统发生短路时，由于电压的大幅下降或消失，导致励磁电流的下降或消失，而此时本应大大增加励磁（即强行励磁）来维持电压的。考虑到现代大型电网多采用封闭母线，且高压电网一般都装有快速保护，认为有足够的可靠性，故采用自并励的机组较多。自复励方式：为了克服自并励方式在发生短路时不能提供较大的励磁缺点，发电机还可采用自复励方式。与自并励方式相比，自复励方式除设有整流变压器外，还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器（亦称串联变压器）。自复励方式的特点是，当短路故障发生时电压降低，但电流却巨增，则串联变压器的作用是将该电流转换成为励磁电流。因此，这种

14、励磁方式具有两种励磁电流，即整流变和励磁变的励磁电流。自复励又可分为串联自复励和并联自复励两种。第2节 水轮发电机的有关特性和调节励磁电流的方法n 水轮发电机的有关特性 调节励磁电流的目的是为了实现发电机电压和无功功率的调节。1 电压的调节机端电压与无功电流、励磁电流的关系从上图可知，当励磁电流不变时，发电机的端电压随无功电流的增大而降低。显然，当发电机的无功电流变化时，调节发电机的励磁电流，可以维持的不变。2 无功电流的调节在发电机并列运行时，由于单台发电机的容量有限，此时改变励磁电流将不会引起母线电压的变化。发电机并网运行时，为了改变发电机输出的无功，必须调节励磁电流。3 无功负荷的分配若

15、以发电机各自的额定容量作为基准值，则各台发电机承担的无功电流标幺值应该相等，即，。综上所述，无论是单机还是并列运行，为了保持发电机的端电压不变，调节无功以及实现无功的合理分配，都要求对发电机的励磁电流进行调节。4 功角特性和电力系统的稳定 励磁电流的调节还可以起到改善电力系统稳定的作用。在发电机励磁电流和导叶开度不变的条件下，虽然功角特性上有两个对应于输入功率P的运行点，但只有其中的a点是可以稳定运行的。由此可得发电机稳定运行的必要条件：电力系统的静态稳定两个条件：；发电机的工作点不过分接近极限功率。储备系数，正常时；事故后根据，定子感应电动势与励磁电流有关，若增加发电机输出功率P时，增大励磁

16、电流即提高，则可以在提高功率的同时，又保证了静态稳定性。n 调节励磁电流的方法1 改变励磁机励磁回路的电阻：有转动部分，存在着不灵敏区、有失灵区、精度差和速度慢的缺陷，已淘汰。2 改变励磁机的附加励磁电流：一般采用电磁型。3 改变可控硅的导通角：并励或复励的励磁方式中，根据发电机电压、电流或功率因数的变化，相应地改变可控硅整流器的导通角，以达到调节发电机励磁电流的目的。第3节 自动调节励磁装置的任务及其要求n 自动调节励磁装置（AVR）的任务1 维持发电机端电压水平；2 合理分配各机组的无功负荷；3 提高同步发电机并列运行的稳定性；4 加速短路后的电压恢复过程和改善异步电动机的启动条件；5 改

17、善自同期或发电机失磁运行时电力系统的工作条件；6 防止水轮发电机突然甩负荷时电压过度升高。n 对自动调节励磁装置（AVR）的要求1 工作可靠：AVR装置本身发生故障，可能迫使机组停机，甚至可能对电力系统造成严重影响；2 有足够的输出容量：AVR的容量既要满足正常运行时调节的要求，又要满足发生短路故障时强励的要求；3 动作迅速：采用快速动作的AVR对改善系统的稳定性和提高输送能力具有重要意义；4 无失灵区：没有失灵区的AVR有助于提高系统的静态稳定性。第4节 继电强行励磁、强行减磁和自动灭磁n 强行励磁发生短路时，电力系统和水电站的电压可能大幅度降低。此时，为保证系统稳定运行和加快切除故障后的电

18、压恢复，应使发电机的励磁电流迅速加大到顶值，既实行强行励磁。衡量强励作用的两个重要指标：强励时励磁电压的上升速度快和强励倍数大。n 强行减磁 当机组甩负荷时，由于机组转速的急剧上升，而引起发电机端电压的升高，此时为了保证发电机定子绝缘的安全，应立即减少发电机转子回路的励磁电流，即实行强行减磁。n 自动灭磁自动灭磁是在发电机内部或其出口短路时，切断励磁电流，并在很短的时间内使转子磁场中储存的大量能量迅速消释，而不至产生危及转子绝缘的过电压。评价灭磁装置的两个重要指标：灭磁时间短；灭磁过程中转子电压不应超过允许值，通常取其额定电压的45倍。理想的灭磁过程是，始终保持转子绕组的端电压为最大允许值不变

19、，直至励磁回路断开为止。对于采用可控硅励磁装置的发电机，则可以考虑应用晶闸管的有源逆变特性来进行转子回路的快速灭磁。第5节 可控硅励磁系统中的整流原理 同步发电机励磁系统中整流电路的主要任务是将交流电压变换为直流电压，供给发电机励磁绕组（或励磁机的励磁绕组）。n 三相桥式不可控整流电路n 三相桥式全控整流电路通常将自然换流点至触发时刻之间的电角度 称为控制角（或称为移相角），三相桥式全控整流电路要求控制角 必须同步。整流状态：当控制角时，三相桥式全控整流电路与三相桥式不可控整流电路的整流特性相同，输出电压的平均值最大。当控制角时，晶闸管将不在自然换流点换流，而是滞后一个角，三相桥式全控整流电路

20、输出电压为连续的。当控制角时，三相桥式全控整流电路输出电压的波形已处于临界连续状态，其平均值明显小于时的值。逆变工作状态：当控制角时，输出平均电压为负值，三相桥式全控整流电路工作在逆变状态。同步发电机的励磁装置采用三相桥式全控整流电路可以应用逆变状态来实现快速灭磁和快速减磁。三相桥式全控整流电路的工作特点是：1 既可工作于整流状态，将交流转换为直流，给同步发电机转子绕组励磁；2 也可工作于逆变状态，将整流转换为交流，在同步发电机灭磁时，利用逆变将存储在发电机励磁绕组中的能量转换成交流电能并馈送回电网。 第6节 自动励磁调节器的基本原理n 自动励磁控制的基本工作原理为：通过PT和CT测量发电机定

21、子电压，与给定电压比较后获得电压差，经综合放大后得到控制信号。根据控制信号和同步信号计算可控硅的导同角，从而控制发电机的励磁电流，使发电机的电压稳定。n 当扰动使发电机电压升高（降低）时的自动控制过程如下：扰动使电压升高电压差减少控制信号减少导通角增加励磁电流降低电压恢复n 自动励磁调节器应满足下列要求：1 维持发电机电压稳定，并实现机组间无功功率的合理分配；2 增（减）磁操作及增（减）磁上（下）限自动限位；3 正常停机时，电压给定值自动复归到额定位置；4 紧急停机时，自动减磁到下限位置。n 可控硅励磁系统组成基本单元及其作用：1 测量比较单元：用于测量机端电压的变化，并将测量值与给定值进行比

22、较；2 调差单元：用于改变调差系数Kq，以实现合理分配各机组间的无功；3 综合放大单元：对所测量的电压差进行综合，计算出实现消除电压差的控制信号Uc，在励磁控制中通常采用了PID调节规律；4 移相触发单元：根据综合放大单元PID控制规律输出Uc和同步信号，转变为脉冲相位的变化，并以此脉冲触发可控硅整流桥（即励磁系统的功率输出部分）的可控硅晶闸管，使其导通角随Uc的变化而改变，从而达到自动调节励磁的目的。移相触发单元由同步、移相、脉冲形成和脉冲放大等环节组成；【同步内容看作业】5 手动单元：用于手动调节励磁电流，调差单元和综合放大单元均退出工作，此时调节器属于开环运行情况，一般在装置故障时采用。

23、第7节 可控硅励磁的数字控制原理n 微机励磁调节器的构成1 计算机系统：包括CPU、RAM、EPROM、总线及辅助电路等，是控制系统核心。2 开关量输入部分：由光电隔离并行接口构成的开关量输入部分用于检测外部输入的接点或电平信号。3 开关量输出部分：由光电隔离并行接口构成的开关量输出部分具有输出驱动能力和电平转换能力，用于输出包括可控硅触发脉冲、灭磁控制等开关型控制信号，并向其它系统报告励磁系统的工作状态。4 模拟量输入部分：由信号处理（信号滤波、放大、阻抗匹配、电流/电压转换等）、多路转换、采样保持和A/D转换组成了模拟量输入部分，用于将交流电压、电流等模拟信号转换为数字信号，并输入到计算机

24、。在励磁控制中要求模拟量输入电路的实时性强，能够完成三相电压和电流的同步采样。5 计数器/中断：用于完成导通角脉宽、60°角中断以及频率计算等任务的定时和计数。6 通信接口：用于完成励磁调节器与其他控制系统的数字信息的交换，现多采用KAN网、MB网Profibus等现场总线技术。7 人机接口：由触摸屏、液晶显示器、鼠标等设备实现人机交互，接受操作人员的命令和显示励磁系统的工作状态信息。n 采样控制1 PID调节位置型离散PID控制算法的表达式为：式中：为第k个采样周期的控制信号；为第k个采样周期的偏差信号；为比例增益；为积分时间常数；为微分时间常数；为采样周期，若采样周期足够小，离散

25、系统与连续系统非常接近。比例控制的作用是按的大小成比例地改变控制信号的强度，使趋于减少，比例控制不能消除稳态误差，稳态误差的大小与成正比；积分控制的作用为消除稳态偏差；微分控制的作用是按预测的偏差信号变化趋势进行调节，可以减少超调量，缩短调整时间，改善调节系统的动态品质，提高系统的稳定性。2 最优励磁控制3 数字移相原理数字移相是把PID计算确定的晶闸管触发角 折算为计算脉冲个数N。折算公式为：【计算题请参考作业题8】第8节 自动调节系统的稳定性分析【据说劳斯判据每年必考，自己去看课件和自控书！】CH4 水轮发电机组频率和功率的自动控制第一节 概述n 电力系统的功率平衡与频率稳定电力系统的频率

26、是指电力系统中同步发电机产生的正弦交流电压的频率，是电力系统运行参数中最重要的参数之一。在稳态运行条件下，所有发电机同步运行，整个电力系统的频率是相等的。电力系统的频率稳定与否，取决于系统的有功功率是否平衡。并网运行发电机组的功率控制，就是维持电力系统功率的平衡，使系统的频率偏差在容许的范围内。n 电力系统的日负荷（小时）481216202410001500200025003000平均负荷基荷腰荷峰荷0电力调度中心根据统计资料来制定系统日负荷曲线，如图所示。图中，黑线为计划负荷，红线为实际负荷，其差值为计划外负荷。n 调频机组与调频电站由于计划外负荷是随机变化的，因此必须采取必要的技术手段，将

27、电力系统的频率维持在正常水平。这就要求在系统中划出一部分机组甚至几个水电站执行调频任务，是系统的总发电功率随时跟踪用户的总耗用功率，这些机组或电站称为调频机组或调频电站。调频容量的大小取决于系统在10分钟内最大负荷上升的速度和系统频率的允许偏差值，一般约为系统最大负荷的810%。对调频机组功率控制的要求是：1 维持系统频率在50±0.2Hz/s；2 能够在调频机组和电站间实现有功功率的优化分配；3 能够防止输电线路过负荷运行；4 保证电钟的准确性；5 保证有一部分机组有旋转备用容量。n 运行机组间负荷优化分配原则基本原则：满足电力系统的功率平衡；避开机组的非安全运行区运行；实现运行机

28、组间的负荷优化分配，使系统的总发电费用最少。有调节能力水电站运行机组间负荷优化分配的准则是，在满足电力系统功率平衡和机组稳定性约束的条件下，使水电站的总发电引用水量最小；径流式水电站运行机组间负荷优化分配的准则是，在满足水电站流量平衡和机组稳定性约束的条件下，使水电站的总发电量最大。在由水、火电站组成的混合系统中，运行机组间负荷优化分配是指：在来水量一定的条件下，根据水库的调节性能，使系统总费用最少的方案。第二节 频率和有功功率自动调节的方法n 水轮发电机组转速的调整是由水轮机调速系统来实现的。因此，发电机的功率-频率特性取决于调速系统的特性。n 当系统的负荷变化引起频率（转速）改变时，调速器

29、通过改变水轮机的进水量，调节发电机的输入功率以适应负荷的需要。n 频率调差系数调差系数主要取决于调速器的静态调节特性，它与机组间有功功率的分配密切相关。n 一次调频与二次调频 一次调频是在电力系统出现频率差时，根据调速器的调差系数来分配机组间的负荷，由调速器完成功率调节，一次调频存在频率差； 二次调频是在调速器调节的基础上，由自动发电控制来重新调整各运行机组的负荷，通过改变调速器的整定值，使频率静态特性曲线向上（下）平移，最终消除频率差。n 利用调速器进行一次调频（有差调节） 【小编不干了，公式请手动补齐】n台机组的调节方程改写为：系统计划外负荷：额定功率和调差系数：等值机组的调差系数：系统频

30、率的相对变化值：调节结束后，每台机组承担的计划外负荷为：当系统利用调速器实现频率的一次调节时，存在频率偏差，且其偏差值与计划外负荷成正比，以及与各台机组的调差系数成正比。频率偏差与系统的总运行机组容量成反比，大容量的系统在小负荷波动时，不会造成较大频率差。n 主导发电机法（无差调节） 这种调频方法是让系统中一台容量较大的机组以无差特性（调差系数）运行，由它来承担全部计划外负荷，其余机组则按有差特性运行。前者称为主导机组，后者称为基载机组。其调节方程为：主导调频机组：， 按无差特性运行；其余调频机组：计划外负荷： 式中：为第i台调频机组计划外负荷分配系数。n 分区调频法当多个区域（或省）级电力系

31、统联合成一个大的电力系统时，为了配合分区调度管理，同时也为了避免集中调频的范围过大而产生的技术困难，在联合系统中一般采用分区调频法。分区调频法的特点是，区内非计划负荷的变动主要由该区内的调频厂来负担，其它区的调频厂只是支援性质，因此区间联络线上的功率基本上应该维持为计划的数值。所以，分区调频方程式必须能判断当时负荷的变动是否发生在本区之内，并采取相应的调节措施。在联合电力系统中可以根据联络线上功率增量和频率变化的符号，来判断负荷变化的区域。第3节 自动发电控制（AGC）n 调功运行：当电力系统正常运行时，系统中的绝大多数运行机组不参与调频，而按电站的日负荷曲线所规定的方式运行，并按优化方式分配

32、机组间负荷，称为调功运行。n 电力系统中发电功率的控制一般分为三种情况：1 由调速器实现的控制，通常称为频率的一次调整控制；2 由自动发电控制实现的控制，通常称为频率的二次调整控制；3 由经济运行要求实现的控制，通常称为经济运行控制。由调速器实现调频以控制发电机组的输出功率，其响应速度较快，可适应小负荷、短时间的波动（即一次调频）；对周期在10s至多23min以内而幅值变化较大的负荷，已经不能由调速器本身的调频特性来进行调整控制，就需要由计算机监控系统根据电力系统的频率差，来启动AGC来控制运行机组的负荷（即二次调频）；对于周期在3min以上的负荷波动，可以根据以往实测负荷的变化情况和预测几分

33、钟后总负荷变化趋势，由自动发电系统计算出发电机组最经济的输出功率，由控制系统进行自动功率控制（即经济运行）。n 自动发电控制系统包括两个部分：1 负荷分配器：根据电力系统的频率差，按照一定的机组间负荷优化分配准则来计算水电站内各运行机组的最优目标出力。2 水轮发电组功率控制器：根据负荷分配器所确定的最优目标出力，控制调速器的调节特性，是发电机组在电力系统额定频率下所发出的实际功率与目标功率相一致。n 调频与负荷分配自动发电控制中的负荷分配器通常采用以“基点经济功率”和“分配系数”来表示每台发电机组输出功率的方法，即各台机组的目标功率按以下公式分配：上式表明，在自动发电控制中各台机组的目标功率，

34、取决于各台发电机组总的实际发电功率和总的基点经济功率，以及系统的频率偏差和功率偏差。自动发电控制系统的任务是针对变化周期为10s3min 的负荷进行调整的。负荷的控制调整可以全部由计算机系统来承担。其中，负荷分配由电站级计算机系统完成，而功率控制则由机组级计算机控制系统来实现。n 水电机组有功功率的自动控制对于水轮机调速系统而言，转速反馈几乎不起作用，调速控制不存在稳定性问题，而在功率控制时只考虑其速动性问题，即在满足水压和功率波动约束条件下，使功率控制的调整时间尽可能短。 n 水轮机组有功功率控制的数学模型功率控制器功率给定调速器水轮发电机组有功功率负荷分配器功率测量n 有功功率的控制策略设

35、：为机组的目标功率，为机组的实际功率。由于水电机组的功率控制是通过调速器来实现的，在一般情况下，调速器接受控制系统的开关量控制信号，因此机组功率控制属于开关型反馈控制，其基本控制原理是根据功率偏差确定控制信号，通过调速器调整机组的导叶开度，改变机组的出力，使机组的功率跟踪计划功率，使，并具有稳定、快速和平稳的控制品质。在功率控制中，通常是根据所采用的控制策略制定控制脉冲的宽度和个数，来适应功率调节值的大小。其中包括：等周期调制控制、 PID调制控制、基于李雅普诺夫函数的开关控制、智能控制和最优时间控制等功率控制策略。 等周期调制控制要预先整定好控制脉冲的宽度，控制脉冲个数的多少来适应功率调节值

36、的大小。针对等周期调制控制的缺陷，PID调制控制根据功率偏差及其变化的速度，采用了变脉冲宽度的控制策略。基于李氏函数的开关控制是建立在状态反馈的基础上的，其开关极性的切换取决于开关线。【详情见作业纸】CH5 辅助设备的自动控制n 水电站的辅助设备主要是指提供主设备正常运行条件的油、气、水系统。其中包括：水轮机进水阀及其操作系统、油系统、压缩空气系统、技术供水系统和排水系统等辅助设备。n 水电站辅助设备的自动控制中，包含了各种类型的信号器、变送器和自动化仪表。其中：1 信号器是对物理量进行的测量与指示的元件；2 变送器是将测量的物理量线性的转换为标准电信号的器件；3 仪表是信号检测、变送、控制及

37、指示为一体的装置。第一节 自动控制的信号元件信号元件包括有：转速信号器、温度信号器、压力信号器、位移信号器和液压信号器等，用于水电站运行中各种运行参数（物理量）的测量与指示。n 转速测量与转速信号水电机组的转速测量对于水电机组状态检测和控制是十分重要的，其测量精度及其可靠性直接关系到水轮机调节的性能和水电机组运行的安全性。当时，发出飞逸信号，命令机组事故紧急停机；当时，发出过速信号，命令机组事故停机；当时，发出信号，命令同期投入；当时，发出制动信号，对机组进行刹车。转速测量的频率法VS周期法【见作业纸】n 温度信号器与温度传感器在水电机组的及其辅助设备中，各发热部件和摩擦表面的工作温度均有一定

38、的限制。若温度超过这个限度，则可能引起这些部件和摩擦表面烧毁。因此，必须对发热部件和摩擦表面的工作温度进行检测。被检测的部件和摩擦表面包括：1 水轮机导轴承、发电机推力轴承和上下导轴承的轴瓦温度；2 发电机线圈和铁芯的温度；3 集油槽内的油温和空气冷却器前后的空气温度等。电接点水银温度信号器：一定质量的水银的体积随温度的变化而变化，且水银具有导电性。n 热电阻传感器：热电阻是利用电阻与温度成一定函数关系的金属导体或半导体材料制成的感温元件。当温度变化时，电阻相应也发生变化。只要事先知道这种关系，而且能够把阻值测量出来，由此就可以测量导体或半导体周围介质的温度。n 热电偶传感器：体积小、热容量和

39、热惯性小，可用于快速测温。n 线性位移传感器：在水电机组的自动检测与控制中，经常需要测量机械位移（如主接力器行程等）。所谓线性位移量是指被测部件的相对位置与参考点之间距离所产生的相对变化量。差压变压器式位移传感器是一种利用互感原理制成的位移传感器，即是一种利用线圈的互感作用将位移转换成感应电势的装置，主要由线圈和铁芯构成n 压力传感器与压力信号器 压力信号器用于监视油、气、水系统的压力。在机组制动系统压力油槽、技术供水及气系统上均装有压力信号器，以实现对压力值的监视和自动控制。筒式压力传感器：这种压力传感器主要由一个薄壁金属圆筒（又称弹簧管）和两对水银开关接点组成。其中弹簧管是一根中空的椭圆截

40、面，并弯成圆形的金属管，且管的一端开口，一端不通。被监测的气体经管开口引入管内，在压力 的作用下，由于管内、外侧的面积不相等，管外表面的圆周方向和轴向均产生应力，使管子的自由端移动。电接点压力信号器：这种信号器由弹簧管和相应电路组成，用于指示被测气体压力，并在压力达到上、下限值时，发出信号。电感式压力变送器：压力变送器是一种将被测介质的压力值转换成为电气信号的装置，用于进行压力的远距离测量、集中检测和自动记录。电感式压力变送器主要由弹簧管和电感式位移变换器组成，其工作原理为：被测压力作用于弹性元件产生位移，然后由电感式位移变换器将位移线性地转换成为电气信号。霍尔元件式压力变送器：霍尔元件式压力

41、变送器主要由弹簧管、霍尔元件和放大电路组成，其工作原理为：被测压力作用于弹性元件产生位移，然后由霍尔元件式位移变换器将位移线性地转换成为电气信号。n 液位信号器：用于监视机组推力轴承油槽、上下导轴承油槽和漏油槽的油位，并可用于对机组顶盖漏水、集水井排水及机组调相运行时转轮室等处的液位进行监视和自动控制。浮子式液位信号器：这种液位信号器主要由浮子、磁钢、导管和水银开关组成。当液位到达设定值时发出信号。电极式水位信号器：利用水的导电性原理工作，并靠电极监视水位的高低。该电路任务是控制压缩空气排水，使转轮室的水位保持在一定范围。n 液流监控器用于对管道内的流体流通情况进行自动监视，当管道内流量很小或

42、中断时，可自动发出信号，投入备用水源或作用于停机。主要用于发电机冷却水、水轮机导轴承润滑水及其它却水的监视。动作原理：有水流时，借助水流的冲击，将浮子及磁钢推动上升到一定位置。使水银开关的常闭接点断开；如果水流减少到一定程度或中断，则浮子及磁钢下降，使水银开关接点闭合，从而发出断流信号。n 油的作用与油混水信号器油混水检测水轮发电机油系统中，混入回油箱或漏油箱内水的含量，当油箱内混入的水分超过一定限量时发出信号。油在水电设备运行中的作用为：散热作用、润滑作用、液压作用。n 剪断销信号器水轮机调速器通过主接力器及传动机构来操作导叶，当其中某（几）扇导叶被卡时，用于该导叶传动的剪断销被剪断，从而不

43、至影响处于联动情况的其它导叶的关闭。剪断销信号器用于反映水轮机导叶连杆的剪断销事故：1 在正常停机过程中，如果有导叶被卡，剪断销被剪断则发出报警信号；2 在事故停机过程中，如果发生剪断销被剪断，则除发出报警信号外，还应作用紧急停机。第2节 自动控制的执行元件 为了实现水电生产过程的自动控制，在水电站的油、气、水管路上必须装设电磁操作或液压操作的自动阀门。其中包括：电磁阀、电磁空气阀、电磁配压阀和液压操作阀等，统称它们为执行元件。n 电磁阀：将电气信号转换为机械动作，用以自动控制油、气、水管路阀门的开启和关闭，是自动化系统中的重要执行元件之一，常用于机组的制动、调相和冷却等操作系统的管路中。n

44、电磁空气阀：将电气信号转换为机械动作，主要用于机组供气、制动系统和碟阀密封围带充气的低压系统，实现供气管道阀门的开启和关闭的自动控制。n 电磁配压阀：电磁配压阀是一种液压中间放大的变换元件，一般与液压操作阀、油阀等组合使用。第3节 辅助设备的自动控制将介绍油压装置、技术供水装置、集水井排水装置和空气压缩装置自动的原理。n 油压装置的自动控制油压装置可以自动操作，还可以手动操作。自动操作又分为连续运行、断续运行和备用状态三种方式。油压装置的自动补气是指自动控制压油槽的油位在其容积的3035%。n 技术供水装置的自动控制 技术供水装置的用途：对水电站运行设备进行冷却和润滑。 技术供水系统的水源：水

45、源的选择须考虑用水设备的水量、水压、水温和水质的要求以保证用水设备的安全运行。一般作为技术供水的水源可有：上游水库、下游尾水和地下水源。 技术供水系统的方式： 技术供水方式因水电站水头范围不同而不同。常用的供水方式有自流供水、水泵供水和混合供水供水三种。当水电站的平均水头（h）在2080m范围内，且水温和水质符合要求时，一般采用自流供水。当水电站的水头不满足要求时，可采用水泵供水。水泵供水又分为有蓄水池和无蓄水池两种。当水电站的水头为1220m时，一般采用自流和水泵供水的混合供水方式。技术供水系统的控制方式：1 技术供水系统采用水泵供水并设置蓄水池时，水泵电动机的控制方式为：自动启动和停止工作

46、水泵，维持蓄水池水位在规定的范围内；当工作水泵故障或用水量大增而使蓄水池水位下降到备用泵启动水位时，自动启动备用泵并报警。2 技术供水系统采用水泵供水并不设置蓄水池时，水泵电动机的控制方式为：工作水泵随着机组的启动而自动启动，并在机组运行期间保持运行；当供水总管的水压下降到备用泵启动水压时，自动启动备用泵并报警；机组停机过程结束后，自动停止水泵；供水管路上的阀门应随机组的启动和停止而自动启动和停止。n 集水井排水装置的自动控制 为了保证水电站的生产安全，使厂房不至潮湿和被淹，采用集水井排水装置来自动排除厂房渗漏水和生产污水。 集水井排水装置根据水位信号器发出的信号，自动启动和停止工作水泵，维持

47、集水井水位在规定的范围内；当工作水泵故障或排水量大增而使集水井水位下降到备用泵启动水位时，自动启动备用泵并报警。n 空气压缩装置的自动控制空气压缩装置为机组调相运行和制动等提供压缩空气。空气压缩装置的自动控制应实现如下操作：1 根据压力信号器发出的信号，自动向储气罐充气，维持储气罐气压在规定的范围内；在空气压缩机启动或停止过程中，自动关闭或打开空压机的无负荷阀，对水冷式空压机还须自动供给和停止冷却水；2 当储气罐的气压降低到工作压力下限时，自动启动备用空压机并报警；3 当压力过高或空压机出口温度过高时发出报警信号。第4节 蝴蝶阀和进水口闸门的自动控制在水轮机的过水系统中，装设在水轮机蜗壳前的阀

48、门为蝴蝶阀和装设在进水口处的闸门为进水口闸门，都是用于打开或关闭进入水轮机的水流。n 蝴蝶阀的作用：1 减少停机时的漏水量：当机组较长时间停机时，导叶漏水几乎不可避免，漏水流量可达机组最大流量的23%。由于蝴蝶阀关闭较严，可大大减少漏水。2 缩短机组启动时间：机组停机时，一般不希望关闭进水口闸门，因为这样放掉引水管的水以后，机组启动时又要重新充水，延长了启动时间。3 构成机组检修的安全工作条件：在岔管引水的水电站，当其中一台机组检修时，为了不影响其它机组的运行，可关闭蝴蝶阀。由于蝴蝶阀只有全开和全关两种状态，故只能用于切断水源，而不能用于流量的调节。n 蝴蝶阀的构成 蝴蝶阀由阀体、活门、密封装

49、置、锁定装置和附属部件构成。n 蝴蝶阀开启控制蝴蝶阀开启条件：导叶处于全关位置；蝴蝶阀处于全关位置；机组无事故；无蝴蝶阀开启命令。蝴蝶阀开启控制过程：打开旁通阀，对蜗壳充水；当蝴蝶阀前后的水压基本平衡后，空气围带排气；排气完成后，将蝴蝶阀打开到全开位置；投入锁定并关闭旁通阀。n 蝴蝶阀关闭控制：拔出锁定；打开旁通阀；将蝴蝶阀关闭至全关位置；对空气围带充气；投入锁定并关闭旁通阀。n 进水闸门的操作必须满足下列条件：1 正常提升和关闭，且提升时应满足充水开度的要求；2 机组事故时，应在两分钟内自动紧急关闭闸门；3 闸门全开后，若由于某种原因使闸门下降到一定的位置，则应自动将闸门重新提升到全开位置。

50、CH6 水轮发电机组的自动程序控制第一节 机组自动程序控制的任务和要求n 机组自动程序控制的任务应用计算机技术、自动控制技术和检测技术，借助于自动化元件及装置，组成一个不间断进行的操作过程，代替生产过程中所有手动操作，即实现机组调速操作系统、励磁操作系统和油、气、水辅助设备系统的逻辑控制和监视，从而实现单机生产流程的自动化。同时，机组自动化系统（LCU）还应有良好的通信接口与其它系统进行数据交换。因此，机组自动化又是实现全厂生产过程综合自动化的基础。n 机组自动程序控制的要求1 根据一个操作指令，机组能迅速、可靠地完成各种工况的转换；2 当机组或辅助设备（如调速器、励磁调节器和油、气、水系统）

51、出现事故或故障时，应能迅速准确地进行诊断，或将机组解列，或用报警系统向运行人员指明事故（或故障）的性质和部位，指导运行人员进行处理；3 作为全厂综合自动化的基础，应能方便地与其他系统进行通信，从而实现对机组的远方控制和经济运行；4 根据全厂自动化系统的指令，完成机组有功和无功功率的调整；5 系统应简单、可靠，并方便运行人员进行操作。n 机组自动系统的图例及符号1 图形符号2 文字符号基本文字符号文字符号辅助文字符号补充文字符号用于表示电气设备、装置和元器件的名称；单字母符号双字母符号用于表示电气设备、装置和元器件的功能、状态和特征；当上述文字符号不敷使用时予以补充； C 电容器； H 信号元件

52、； L 电感（抗）器； K 继电器、接触器； M 电动机； G 发电机； T 变压器； F 保护元件；B 非电量到电量变换器。GB 蓄电池； 其中，G 电源，B 非电量到电量变换器；QF 断路器； 其中，Q 开关，F 保护元件；SYN 同步； ON 开启； RED 红色。KT 时间继电器； 其中，K 继电器， T 时间；MD 直流电动机； 其中，M 电动机， D 直流；QC 转换开关； 其中，Q 开关器件，C 转换。OFF 断开； DC 直流； SYN 同步。第2节 机组润滑、冷却、制动及调相压水系统的自动化n 水轮机轴承润滑和冷却1 巴氏合金轴瓦：采用油润滑，轴瓦因摩擦产生的热量靠轴承内油冷

53、却器的循环冷却水带走。这种方式要求轴承油槽内的油位保持一定高度，且轴瓦的温度不应超过规定的允许值。 冷却水中断时，不要求立即停机；当温度越限时，则根据越限的程度发出故障报警或事故停机信号；为了节约用水，冷却水只在开机运行时才投入。2 橡胶轴瓦：采用水进行润滑和冷却。 这种方式要求润滑水不得中断，否则会引起轴瓦温度急剧上升，导致轴承损坏。因此需立即投入备用润滑水，并发出报警信号；如果备用水电磁阀启动后，仍无水流，则经过一定时限（3KT:2 3s）后作用于事故停机。n 发电机冷却1 空气冷却方式：通常采用密闭式自循环通风，即借助于在空气冷却器中循环的冷风带走发电机内部的热量，而空气冷却器则靠循环的

54、冷却水进行冷却。 冷却水由机组总冷却水电磁配压阀控制，电磁配压阀随机组的开机和停机而打开和关闭；冷却水的投入情况采用示流信号器监视，中断时发故障信号，但不作用于停机。2 水内冷方式：通常采用经过处理的循环冷却水直接通入发电机转子绕组、定子绕组的空心导线内部和铁芯中的冷却水管，将热量带走。采用水内冷方式时，对冷却水的水质、水压和流量有严格的要求，故需单独设置供水系统。短时间的冷却水中断都可能导致发电机温度急剧上升，因此对供水可靠性的要求要严格得多。一般有主、备用水源，可以互相切换，冷却水中断超过一定时限后要作用于事故停机。n 机组制动系统的自动化1 机械制动：当机组转速下降到额定转速的35%左右时，用压缩空气顶起装设于发电机转子制动环下面的制动轴瓦，对机组进行制动。其所以不在发停机令的同时就加闸是为了减少闸瓦的摩损。2 水力制动：在冲击式机组上设置专门的制动喷嘴，停机时打开制动喷嘴，将水流射到水斗的背面以进行制动，这样就可以在停机一开始就进行制动以缩短停机时间。3 电气制动：设置三相短路电阻，在停机时通过专用开关，将三相短路电阻接入发电机定子回路，以实现电气制动。在机组转动部分完全静止后，应撤除制动，以便于下次机组启动；在停机过程中，若遇导叶剪断销被剪断，有些导叶