專(zhuān)利名稱(chēng)：基于iec61850的數(shù)字化水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于IEC61850的數(shù)字化水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，用于數(shù)字化水電站各型水輪機(jī)組的控制，滿(mǎn)足智能電網(wǎng)的控制要求。
背景技術(shù)：
在全球金融危機(jī)和全球氣候變化下，幾乎所有發(fā)達(dá)國(guó)家都把發(fā)展可再生能源當(dāng)作 振興經(jīng)濟(jì)的重要措施，中國(guó)也是如此，2009年12月25日各部委聯(lián)合發(fā)布《重大技術(shù)裝備自 主創(chuàng)新指導(dǎo)目錄》，百萬(wàn)千瓦級(jí)水電機(jī)組的水輪機(jī)及調(diào)速、勵(lì)磁、發(fā)電機(jī)等附屬設(shè)備及其系 統(tǒng)集成設(shè)計(jì)技術(shù)被作為清潔高效發(fā)電設(shè)備及技術(shù)列入。同時(shí)，國(guó)家提出要建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電 網(wǎng)，以滿(mǎn)足水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能、潮汐能等多種可再生能源的可靠接入，這就對(duì)作為水輪機(jī)的 附屬設(shè)備調(diào)速系統(tǒng)提出了更高的要求。目前應(yīng)用于水電站的水輪機(jī)調(diào)速器大都能可靠運(yùn)行，滿(mǎn)足電站現(xiàn)有需求，但針對(duì) 未來(lái)數(shù)字化水電站和智能電網(wǎng)的建設(shè)，還存在以下不足1)與上位機(jī)和其他設(shè)備的通信辦議不統(tǒng)一，不便于數(shù)字化水電站的組網(wǎng)；2)互操作性差，信息共享度差；3)設(shè)備重復(fù)投資多；4)可靠性、利用率和可維修性有待提高。

發(fā)明內(nèi)容
木發(fā)明的目的是適應(yīng)智能電網(wǎng)的提出和發(fā)展，利用新的應(yīng)用于數(shù)字化變電站的通 信標(biāo)準(zhǔn)IEC61850《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》，設(shè)計(jì)一種基于IEC61850的數(shù)字化水輪機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)與水電站其他智能電子設(shè)備、調(diào)度中心和遠(yuǎn)方控制的互操作及 信息共享，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化水電站的建設(shè)和智能電網(wǎng)的控制。本發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明的基于I EC61850的數(shù)字化水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)站控 層、間隔層和過(guò)程層三層網(wǎng)絡(luò)對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行數(shù)字化控制，水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主體分布在間 隔層和過(guò)程層，處于間隔層的是冗余型水輪機(jī)調(diào)節(jié)器；處于過(guò)程層的是智能液壓伺服系統(tǒng)、 機(jī)組合并單元、系統(tǒng)合并單元、智能壓油系統(tǒng)、智能轉(zhuǎn)速繼電器、機(jī)組智能單元；水輪機(jī)調(diào) 節(jié)器與站控層和間隔層的智能電子設(shè)備構(gòu)成冗余的高速星型以太網(wǎng)，此為間隔層以太網(wǎng)； 水輪機(jī)調(diào)節(jié)器與過(guò)程層的智能電子設(shè)備構(gòu)成冗余的高速星型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，此為過(guò)程層以太 網(wǎng)；各智能電子設(shè)備通信協(xié)議滿(mǎn)足IEC61850標(biāo)準(zhǔn)要求；水輪機(jī)調(diào)節(jié)器通過(guò)間隔層以太網(wǎng)接 受水輪機(jī)組現(xiàn)地控制單元LCU的各種指令和給定，通過(guò)過(guò)程層以太網(wǎng)采集水輪機(jī)組頻率、 有功、接力器開(kāi)度和其他相關(guān)信息，從而控制智能液壓伺服系統(tǒng)將接力器定位于水輪機(jī)調(diào) 節(jié)器指定的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)功。所述水輪機(jī)調(diào)節(jié)器包括電源模塊、CPU模塊、以太網(wǎng)接口和操作終端，CPU模塊通 過(guò)以太網(wǎng)接口接入間隔層和過(guò)程層的高速以太網(wǎng)，各種指令、狀態(tài)、采集數(shù)據(jù)和控制信號(hào)均 通過(guò)高速以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器的各項(xiàng)功能。
所述智能液壓伺服系統(tǒng)包括智能控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械液壓伺服系統(tǒng)和接 力器反饋；智能液壓伺服系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)接口接入過(guò)程層的高速以太網(wǎng)；智能控制器包括 電源模塊、CPU模塊和以太網(wǎng)接口，智能控制器通過(guò)以太網(wǎng)接受調(diào)節(jié)器的指令開(kāi)度，通過(guò)采 集接力器反饋以確定接力器實(shí)際開(kāi)度，據(jù)此計(jì)算指令開(kāi)度與實(shí)際開(kāi)度之差控制伺服驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械液壓伺服系統(tǒng)開(kāi)、關(guān)接力器，從而完成接力器開(kāi)度的閉環(huán)控制。所述的智能液壓伺服系統(tǒng)包含A、B兩套，包括:A、B兩套智能控制器、A、B兩套伺 服驅(qū)動(dòng)、A、B兩套伺服電機(jī)、A、B兩套無(wú)油電轉(zhuǎn)、一個(gè)引導(dǎo)閥、一個(gè)主配壓閥和A、B兩套接力 器反饋；兩套智能液壓伺服系統(tǒng)同時(shí)連接到A、B兩套水輪機(jī)組的接力器反饋、A、B兩套伺服 系統(tǒng)，兩套智能液壓伺服系統(tǒng)同時(shí)接受調(diào)節(jié)器的開(kāi)度指令，與接力器開(kāi)度反饋形成閉環(huán)，控 制伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，從而控制引導(dǎo)閥和主配開(kāi)或關(guān)，壓力油進(jìn)入接力器的開(kāi)腔或關(guān)腔， 推動(dòng)接力器開(kāi)或關(guān)到指令開(kāi)度。所述的智能壓力油系統(tǒng)包括智能控制單元、軟啟動(dòng)器、油泵電機(jī)組、自動(dòng)補(bǔ)氣裝 置、壓力油罐、回油箱、壓力罐壓力變送器、壓力罐液位變送器、回油箱液位變送器、漏油箱 及其漏油箱斷路器、漏油箱油泵電機(jī)組和漏油箱液位變送器；智能控制單元以太網(wǎng)口不少 于兩個(gè)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余。所述的水輪機(jī)調(diào)節(jié)器采用A、B兩套控制器，互為熱備冗余，切換時(shí)間小于30US ； 每套控制器以太網(wǎng)口不少于4個(gè)，分別與間隔層和過(guò)程層構(gòu)成高速冗余的星型以太網(wǎng)；水 輪機(jī)調(diào)節(jié)器從間隔層和站控層接受各種指令和狀態(tài)量，包括開(kāi)機(jī)、停機(jī)、調(diào)相、并網(wǎng)、一次調(diào) 頻、負(fù)荷增減令；接受各種數(shù)據(jù)，包括功率給定、水頭、電氣開(kāi)限；水輪機(jī)調(diào)節(jié)器的采樣值和 反饋狀態(tài)量則從過(guò)程層取得，包括接力器反饋采樣值、機(jī)組頻率、系統(tǒng)頻率、機(jī)組有功、智能 液壓伺服系統(tǒng)的狀態(tài)、主配拒動(dòng)信號(hào)、緊急停機(jī)動(dòng)作信號(hào)、事故配壓閥動(dòng)作信號(hào)；水輪機(jī)調(diào) 節(jié)器根據(jù)各種工況下的PID計(jì)算和邏輯判斷，控制過(guò)程層各智能單元，以完成相應(yīng)的功能。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相比常規(guī)調(diào)速系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)將調(diào)速系統(tǒng)的功能分布在不同的智能電子設(shè)備(IED)中；(2)各智能電子設(shè)備(IED)均支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)不同IED之間的互操作
和信息共享；(3)采用10M/100M/1000M以太網(wǎng)交換機(jī)，節(jié)約電纜布線(xiàn)，提高了抗干擾能力；(4)采用高速冗余星型以太網(wǎng)，相比其他網(wǎng)絡(luò)形式，可靠性高，不易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng) 暴；(5)可實(shí)現(xiàn)機(jī)組間的調(diào)速系統(tǒng)冗余控制；(6)由于實(shí)現(xiàn)了信息共享，調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修功能；(7)支持遠(yuǎn)程維護(hù)功能；(8)機(jī)組頻率、系統(tǒng)頻率、機(jī)組有功、接力器開(kāi)度等采樣值和狀態(tài)量可與其他IED 共享，避免了設(shè)備的重復(fù)投資；(9)采用智能液壓伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械液壓系統(tǒng)的數(shù)字化控制，提高機(jī)械液壓系 統(tǒng)的可靠性；(10)本發(fā)明的調(diào)速器具備相對(duì)完整的系統(tǒng)級(jí)設(shè)備重組功能，冗余程度高。其具有 雙間隔層以太網(wǎng)、雙過(guò)程層以太網(wǎng)、雙套調(diào)節(jié)控制器、雙智能液壓伺服系統(tǒng)控制器、雙交流伺服式無(wú)油電轉(zhuǎn)、雙聯(lián)濾油器、雙緊急停機(jī)、雙接力器反饋、雙路機(jī)組PT測(cè)頻、殘壓測(cè)頻和 齒盤(pán)測(cè)頻冗余、雙路系統(tǒng)頻率、雙路有功輸入、雙路供電電源，供13個(gè)部件可實(shí)現(xiàn)冗余，可 形成8192組正常工作組態(tài)，如果考慮機(jī)組間調(diào)速器冗余，可形成16384組正常工作組態(tài)，極 大地提高了調(diào)速器的可靠性、利用率和可維修性；本發(fā)明的電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)采用雙無(wú)油電液轉(zhuǎn)換器作為電液轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，兩者互為冗 余，具有如下特點(diǎn)。①對(duì)油質(zhì)無(wú)要求，不卡塞，不受溫度影響，調(diào)速器整機(jī)油耗??；復(fù)中精度高且重復(fù) 性好，零位調(diào)整方便；②引導(dǎo)閥的定位精度和復(fù)中精度，是單電轉(zhuǎn)的兩倍③伺服電機(jī)的力矩比單電轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的力矩減小一倍，有利于提高無(wú)油電轉(zhuǎn)的響
應(yīng)頻率； ④雙無(wú)油電轉(zhuǎn)采用位移輸出，在穩(wěn)態(tài)下，主配壓閥芯是穩(wěn)定不動(dòng)的，減小了主配壓 閥的磨損；⑤雙無(wú)油電轉(zhuǎn)的切換無(wú)需其他機(jī)械部件，切換穩(wěn)定可靠，無(wú)擾動(dòng)；⑥每個(gè)無(wú)油電轉(zhuǎn)部配有操作手輪，無(wú)需液壓閥進(jìn)行切換即可純手動(dòng)操作接力器；⑦無(wú)油電轉(zhuǎn)集成復(fù)中功能，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)需另加定中機(jī)構(gòu)；⑧雙無(wú)油電轉(zhuǎn)采用的是對(duì)稱(chēng)冗余，其維修性和可利用率要高于非對(duì)稱(chēng)冗余，有利 于減少備件；本發(fā)明的機(jī)械液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，易調(diào)整，易操作，方便檢修維護(hù)。當(dāng)有緊急事故需緊急停機(jī)時(shí)，A套緊急停機(jī)閥動(dòng)作，切斷引導(dǎo)閥的控制油，同時(shí)將 主配活塞上腔通排油，主配活塞上移，導(dǎo)葉接力器將以設(shè)定的調(diào)保時(shí)間全關(guān)。當(dāng)A套緊急停 機(jī)閥有故障時(shí)，迅速投入B套緊急停機(jī)閥，切斷A套緊急停機(jī)閥的壓力油的同時(shí)切斷引導(dǎo) 閥的控制油，并使主配活塞上腔通排油，主配活塞上移，導(dǎo)葉接力器將以設(shè)定的調(diào)保時(shí)間全 關(guān)。采用雙聯(lián)濾油器，保證調(diào)速器的油質(zhì)。具備機(jī)手動(dòng)操作功能(調(diào)速器切機(jī)手動(dòng)后，操作無(wú)油電轉(zhuǎn)的手輪，即可開(kāi)、關(guān)接力 器)，不依賴(lài)于控制系統(tǒng)而獨(dú)立工作，便于機(jī)組檢修維護(hù)，也可以作為一種后備運(yùn)行方式。


圖1是數(shù)字化水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是水輪機(jī)調(diào)節(jié)器硬件邏輯框圖。圖3是智能液壓伺服系統(tǒng)邏輯框圖。圖4包含A、B兩套智能液壓伺服系統(tǒng)示意圖。圖5是智能壓力油系統(tǒng)。圖6水輪機(jī)機(jī)組間水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)冗余示意圖。圖7是機(jī)械液壓系統(tǒng)圖。
具體實(shí)施例方式圖1數(shù)字化水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及工作原理本發(fā)明的調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字化水電站的站控層、間隔層和過(guò)程層三層以太網(wǎng)進(jìn)行 控制，調(diào)速系統(tǒng)的主體分布在間隔層和過(guò)程層，處于間隔層的是冗余型水輪機(jī)調(diào)節(jié)器，含兩 套互為主備用的控制器；處于過(guò)程層的是A、B兩套智能液壓伺服系統(tǒng)、機(jī)組合并單元、系統(tǒng) 合并單元、智能壓油系統(tǒng)、智能轉(zhuǎn)速繼電器、機(jī)組智能單元；水輪機(jī)調(diào)節(jié)器與站控層和間隔 層智能電子設(shè)備(IED)構(gòu)成冗余的高速星型以太網(wǎng)，此為間隔層以太網(wǎng)；水輪機(jī)調(diào)節(jié)器與 過(guò)程層智能電子設(shè)備(IED)構(gòu)成冗余的高速星型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，此為過(guò)程層以太網(wǎng)；各智能 電子設(shè)備(IED)通信協(xié)議滿(mǎn)足IEC61850標(biāo)準(zhǔn)要求；水輪機(jī)調(diào)節(jié)器通過(guò)間隔層以太網(wǎng)接受機(jī) 組現(xiàn)地控制單元LCU的各種指令和給定，通過(guò)過(guò)程層以太網(wǎng)采集機(jī)組頻率、有功、接力器開(kāi) 度和其他相關(guān)信息，從而控制智能液壓伺服系統(tǒng)將接力器定位于調(diào)節(jié)器指定的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn) 機(jī)組的調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)功等功能。一、圖2是水輪機(jī)調(diào)節(jié)器硬件邏輯框圖所述水輪機(jī)調(diào)節(jié)器可以采用A、B兩套控制器，互為熱備冗余，切換時(shí)間小于30US， 切換無(wú)擾動(dòng)；當(dāng)然也可以采用一套控制器；圖2中是采用一套控制器的水輪機(jī)調(diào)節(jié)器硬件 邏輯框圖；每套控制器包括電源模塊、CPU模塊、以太網(wǎng)接口和操作終端，CPU模塊通過(guò)以太 網(wǎng)接口接入間隔層和過(guò)程層的高速以太網(wǎng)，各種指令、狀態(tài)、采集數(shù)據(jù)和控制信號(hào)均通過(guò)高 速太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸。調(diào)節(jié)器從間隔層和站控層接受各種指令和狀態(tài)量，如開(kāi)機(jī)、停機(jī)、調(diào)相、并網(wǎng)、一次 調(diào)頻、負(fù)荷增減令等，還可接受各種數(shù)據(jù)，如功率給定、水頭、電氣開(kāi)限等，調(diào)節(jié)器的采樣值 和反饋狀態(tài)量則從過(guò)程層取得，如接力器反饋采樣值、機(jī)組頻率、系統(tǒng)頻率、機(jī)組有功、智能 液壓伺服系統(tǒng)的狀態(tài)、主配拒動(dòng)信號(hào)、緊急停機(jī)動(dòng)作信號(hào)、事故配壓閥動(dòng)作信號(hào)等，調(diào)節(jié)器 根據(jù)各種工況下的PID計(jì)算和邏輯判斷，控制過(guò)程層各智能單元，以完成相應(yīng)的功能。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的狀態(tài)檢修，調(diào)節(jié)器還接受智能壓油系統(tǒng)和智能轉(zhuǎn)速繼電器的 相關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)量。調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)站控層以太網(wǎng)支持遠(yuǎn)程維護(hù)功能。相比傳統(tǒng)的調(diào)速器，無(wú)需模擬量采集通道、輸入/輸出通道和模擬量輸出通道， 實(shí)現(xiàn)了正真的全數(shù)字化和信息共享，可靠性更高，節(jié)約投資成本，且具有互操作性，滿(mǎn)足 IEC61850 協(xié)議。二、圖3是智能液壓伺服系統(tǒng)邏輯框所述智能液壓伺服系統(tǒng)包括智能控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械液壓伺服系統(tǒng)和接 力器反饋；智能液壓伺服系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)接口接入過(guò)程層的高速太網(wǎng)；智能控制器包括電 源模塊、CPU模塊和以太網(wǎng)接口，智能控制器通過(guò)以太網(wǎng)接受調(diào)節(jié)器的指令開(kāi)度，通過(guò)采集 接力器反饋以確定接力器實(shí)際開(kāi)度，據(jù)此計(jì)算指令開(kāi)度與實(shí)際開(kāi)度之差控制伺服驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械液壓伺服系統(tǒng)開(kāi)、關(guān)接力器，從而完成接力器開(kāi)度的閉環(huán)控制。
如圖4 智能液壓伺服系統(tǒng)包含A、B兩套，包括:A、B兩套智能控制器、A、B兩套伺 服驅(qū)動(dòng)、A、B兩套伺服電機(jī)、A、B兩套無(wú)油電轉(zhuǎn)、一個(gè)引導(dǎo)閥、一個(gè)主配壓閥和A、B兩套接力 器反饋。兩套智能液壓伺服系統(tǒng)同時(shí)連接到A、B兩套機(jī)組的接力器反饋、A、B兩套伺服系 統(tǒng)，兩套智能液壓伺服系統(tǒng)同時(shí)接受調(diào)節(jié)器的開(kāi)度指令，與接力器開(kāi)度反饋形成閉環(huán)，控制 伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，從而控制引導(dǎo)閥和主配開(kāi)或關(guān)，壓力油進(jìn)入接力器的開(kāi)腔或關(guān)腔，推 動(dòng)接力器開(kāi)或關(guān)到指令開(kāi)度。
三、機(jī)械液壓系統(tǒng)如圖7所示圖中1_伺服電機(jī)、2-手動(dòng)手輪、3-滾珠自動(dòng)復(fù)中裝置、4-零位調(diào)整桿、5-調(diào)整桿 組件、6-關(guān)機(jī)時(shí)間調(diào)整螺母、7-開(kāi)機(jī)時(shí)間調(diào)整桿、8-復(fù)中下彈簧、9-引導(dǎo)閥活塞、10-引導(dǎo)閥 襯套、11-主配閥活塞、12-主配閥閥體、13-主配閥托簧、14-事故配壓閥、15-分段關(guān)閉單向 閥、16-分段關(guān)閉先導(dǎo)閥、17-分段關(guān)閉主閥、18-事故配壓先導(dǎo)閥、19-雙聯(lián)濾油器、20-壓力 表、21-緊急停機(jī)電磁閥、22-緊急停機(jī)液動(dòng)閥。根據(jù)具體要求，液壓伺服系統(tǒng)可以采用其他形式，如比例伺服閥型液壓伺服系統(tǒng)、 數(shù)字閥液壓伺服系統(tǒng)等，智能控制器也可采用單套形式。冗余智能控制器兩套智能控制器互為主備用，可手動(dòng)切換，也可故障后切換，切換時(shí)間小于30US， 切換無(wú)擾動(dòng)。每個(gè)智能控制器以太網(wǎng)口不少于兩個(gè)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余。每套智能控制器可自動(dòng)判斷伺服系統(tǒng)故障和反饋故障，從而實(shí)現(xiàn)A/B套伺服系統(tǒng) (伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服電機(jī)+無(wú)油電轉(zhuǎn))切換和A/B套接力器反饋切換。智能控制器會(huì)實(shí)時(shí)反饋接力器開(kāi)度和智能液壓伺服系統(tǒng)的狀態(tài)給調(diào)節(jié)器，接力器 開(kāi)度還會(huì)實(shí)時(shí)反饋給機(jī)組IXU，供機(jī)組開(kāi)、停機(jī)等邏輯順控和監(jiān)視記錄用。智能液壓伺服系 統(tǒng)的狀態(tài)包括濾油器堵塞信號(hào)、伺服驅(qū)動(dòng)器故障、伺服電機(jī)故障、無(wú)油電轉(zhuǎn)反饋故障、接力 器反饋故障、緊急停機(jī)狀態(tài)等。智能液壓伺服系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的機(jī)械液壓伺服系統(tǒng)，多了智能控制器，取消了機(jī)械 反饋，代之以電氣反饋，可以完成機(jī)械液壓伺服系統(tǒng)的自閉環(huán)控制，自成一個(gè)穩(wěn)定的伺服系 統(tǒng)，簡(jiǎn)單可靠，除了可以接受調(diào)節(jié)器和機(jī)組LCU的各種指令外，還可與調(diào)節(jié)器和其他智能電 子設(shè)備共享接力器開(kāi)度、智能液壓伺服系統(tǒng)的各種狀態(tài)，滿(mǎn)足IEC61850協(xié)議的要求，是一 種數(shù)字式的、智能的液壓伺服系統(tǒng)。四、智能壓力油系統(tǒng)如圖5所示智能壓力油系統(tǒng)包括智能控制單元、軟啟動(dòng)器、油泵電機(jī)組、自動(dòng)補(bǔ)氣裝置、壓力 油罐、回油箱、壓力罐壓力變送器、壓力罐液位變送器、回油箱液位變送器、漏油箱及其漏油 箱斷路器、漏油箱油泵電機(jī)組和漏油箱液位變送器。智能控制單元主要任務(wù)是保持壓力罐的壓力和液位在正常工作范圍；同時(shí)還要保 持漏油箱的油位低于設(shè)定值。智能控制單元以太網(wǎng)口不少于兩個(gè)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余。其通過(guò)以太網(wǎng)可以接受油 泵啟、停指令，也可輸出壓力、液位、油泵電機(jī)電流等采樣值和事故低油壓等信號(hào)。五、智能轉(zhuǎn)速繼電器如圖1 智能轉(zhuǎn)速繼電器具有兩個(gè)以太網(wǎng)口，可以接入過(guò)程層高速冗余星型以太 網(wǎng)，通過(guò)以太網(wǎng)可以接受機(jī)組頻率，作為殘壓測(cè)頻值；智能轉(zhuǎn)速繼電器還與兩個(gè)齒盤(pán)測(cè)速探 頭相連，實(shí)現(xiàn)齒盤(pán)測(cè)頻；這樣就可實(shí)現(xiàn)雙路測(cè)頻。智能轉(zhuǎn)速繼電器可以選擇殘壓測(cè)頻，也可以選擇齒盤(pán)測(cè)頻；根據(jù)設(shè)置的轉(zhuǎn)速門(mén)檻 值，輸出不同轉(zhuǎn)速開(kāi)關(guān)信號(hào)，以GOOSE信號(hào)輸出給相關(guān)智能電子設(shè)備(IED)。其齒盤(pán)測(cè)速值 還需以數(shù)據(jù)的形式輸出給水輪機(jī)調(diào)節(jié)器。六、機(jī)組合并單元和系統(tǒng)合并單元如圖1 機(jī)組合并單元對(duì)機(jī)組電流互感器、電壓互感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣、合并和處理，通過(guò)兩個(gè)以太網(wǎng)口輸出機(jī)組頻率、有功、無(wú)功、電流采樣值、電壓采樣值、相位等數(shù)據(jù)，供 機(jī)組其他智能電子設(shè)備(IED)使用。系統(tǒng)合并單元對(duì)系統(tǒng)電流互感器、電壓互感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣、合并和處理，通過(guò)兩 個(gè)以太網(wǎng)口輸出系統(tǒng)頻率、有功、無(wú)功、電流采樣值、電壓采樣值、相位等數(shù)據(jù)，供電站其他 智能電子設(shè)備(IED)使用。七、機(jī)組智能單元如圖1 機(jī)組智能單元具有兩個(gè)以太網(wǎng)口、多路模擬量采集通道和開(kāi)關(guān)量輸入/輸 出通道，可以采集機(jī)組各部位的溫度、擺動(dòng)、液位、冷卻水的狀態(tài)等，以確定機(jī)組工作狀態(tài)， 機(jī)組若需要緊急停機(jī)或事故停機(jī)，機(jī)組智能單元可分別作用于智能液壓伺服系統(tǒng)的緊急停 機(jī)電磁閥或事故配壓閥的電磁閥。事故配壓閥作為機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的一個(gè)后備保擴(kuò)，其液壓油路繞過(guò)主配壓閥，直接 動(dòng)作接力器，實(shí)現(xiàn)機(jī)組保護(hù)停機(jī)，所以，其控制電磁閥直接接入機(jī)組智能單元，由機(jī)組IXU 通過(guò)GOOSE信號(hào)控制，或通過(guò)機(jī)械液壓過(guò)速裝置控制。冗余緊急停機(jī)和主配拒動(dòng)主配拒動(dòng)信號(hào)和緊急停機(jī)電磁閥的控制是調(diào)速器的后備保護(hù)，其直接與機(jī)組智能 單元相連，由機(jī)組IXU判斷機(jī)組頻率大于一級(jí)過(guò)速設(shè)定值，而主配還沒(méi)有動(dòng)作時(shí)，則通過(guò) GOOSE信號(hào)動(dòng)作緊急停機(jī)電磁閥，實(shí)行緊急停機(jī)。該系統(tǒng)配置兩套緊急停機(jī)電磁閥和位置反饋節(jié)點(diǎn)，互為冗余，機(jī)組LCU根據(jù)機(jī)組 保護(hù)需要而控制。八、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為了數(shù)字化水電站的可靠運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇很重要。為了提高網(wǎng)絡(luò)層的 可靠性，這里在間隔層和過(guò)程層均采用雙星形冗余以太網(wǎng)，藉此構(gòu)建10M/100M/1000M冗余 以太網(wǎng)。雙星形冗余以太網(wǎng)采用兩個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)，構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立的星形以太網(wǎng)，如圖1 中的過(guò)程層，每個(gè)IED都有兩個(gè)獨(dú)立的以太網(wǎng)接口，擁有不同的IP地址，分別接入不同的子 網(wǎng)，通過(guò)IED雙網(wǎng)口的客戶(hù)機(jī)連接在IED內(nèi)部，享有相同服務(wù)器的服務(wù)。雙星形冗余以太網(wǎng)有雙網(wǎng)雙工模式和雙網(wǎng)熱備模式。雙網(wǎng)雙工模式下，服務(wù)器對(duì) 客戶(hù)1和客戶(hù)2進(jìn)行無(wú)差別的處理；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)01或者網(wǎng)絡(luò)02發(fā)生故障時(shí)，另一網(wǎng)絡(luò)將繼續(xù)工 作，保證通信的不間斷。在雙網(wǎng)熱備模式下，網(wǎng)絡(luò)01正常工作，網(wǎng)絡(luò)02保持連接；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)01 發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)02注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)01曾注冊(cè)過(guò)的帶緩沖的報(bào)告控制塊(BRCB)，利用BRCB的緩 沖功能，可以實(shí)現(xiàn)重要信息無(wú)丟失的網(wǎng)絡(luò)切換；同時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)02保持了連接，通過(guò)TCP/IP 辦議的TCP_KEEPALIVE參數(shù)，IED可以同時(shí)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)02運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)02發(fā)生故障時(shí)， 可以直接報(bào)警檢修；這種雙網(wǎng)熱備模式不僅減少了信息處理量，而且還保證了通信的可靠 性。在這里，過(guò)程層采用雙網(wǎng)雙工模式，保證網(wǎng)絡(luò)切換的無(wú)擾動(dòng)，間隔層則采用雙網(wǎng)熱備模 式，在保證可靠性的前提下，以減少信息處理量。九、水輪機(jī)機(jī)組間水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)冗余如圖6所示如果A、B兩臺(tái)水輪機(jī)機(jī)組的過(guò)程層組成一個(gè)以太網(wǎng)，那么A、B兩臺(tái)機(jī)組的水輪機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)就可形成機(jī)組間的水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)冗余，也就是說(shuō)如果A機(jī)組的水輪機(jī)調(diào)節(jié)器因 故障退出后，可由B機(jī)組的水輪機(jī)調(diào)節(jié)器在控制B機(jī)組的同時(shí)，也控制A機(jī)組。
權(quán)利要求
一種基于IEC61850的數(shù)字化水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，包括水輪機(jī)調(diào)速器，其特征在于水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)站控層、間隔層和過(guò)程層三層網(wǎng)絡(luò)對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行數(shù)字化控制，水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主體分布在間隔層和過(guò)程層，處于間隔層的是水輪機(jī)調(diào)節(jié)器；處于過(guò)程層的是智能液壓伺服系統(tǒng)、機(jī)組合并單元、系統(tǒng)合并單元、智能壓油系統(tǒng)、智能轉(zhuǎn)速繼電器、機(jī)組智能單元；水輪機(jī)調(diào)節(jié)器與站控層和間隔層的智能電子設(shè)備構(gòu)成冗余的高速星型以太網(wǎng)，此為間隔層以太網(wǎng)；水輪機(jī)調(diào)節(jié)器與過(guò)程層的智能電子設(shè)備構(gòu)成冗余的高速星型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，此為過(guò)程層以太網(wǎng)；各智能電子設(shè)備通信協(xié)議滿(mǎn)足IEC61850標(biāo)準(zhǔn)要求；水輪機(jī)調(diào)節(jié)器通過(guò)間隔層以太網(wǎng)接受水輪機(jī)組現(xiàn)地控制單元LCU的各種指令和給定，通過(guò)過(guò)程層以太網(wǎng)采集水輪機(jī)組頻率、有功、接力器開(kāi)度和其他相關(guān)信息，從而控制智能液壓伺服系統(tǒng)將接力器定位于水輪機(jī)調(diào)節(jié)器指定的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)功。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于IEC61850的數(shù)字化水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于所述 水輪機(jī)調(diào)節(jié)器包括電源模塊、CPU模塊、以太網(wǎng)接口和操作終端，CPU模塊通過(guò)以太網(wǎng)接口 接入間隔層和過(guò)程層的高速以太網(wǎng)，各種指令、狀態(tài)、采集數(shù)據(jù)和控制信號(hào)均通過(guò)高速以太 網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器的各項(xiàng)功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于IEC61850的數(shù)字化水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于 所述智能液壓伺服系統(tǒng)包括智能控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械液壓伺服系統(tǒng)和接力器反饋； 智能液壓伺服系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)接口接入過(guò)程層的高速以太網(wǎng)；智能控制器包括電源模塊、 CPU模塊和以太網(wǎng)接口，智能控制器通過(guò)以太網(wǎng)接受調(diào)節(jié)器的指令開(kāi)度，通過(guò)采集接力器反 饋以確定接力器實(shí)際開(kāi)度，據(jù)此計(jì)算指令開(kāi)度與實(shí)際開(kāi)度之差，控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)機(jī) 械液壓伺服系統(tǒng)開(kāi)、關(guān)接力器，從而完成接力器開(kāi)度的閉環(huán)控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于IEC61850的數(shù)字化水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于 智能液壓伺服系統(tǒng)包含A、B兩套，包括:A、B兩套智能控制器、A、B兩套伺服驅(qū)動(dòng)、A、B兩套 伺服電機(jī)、A、B兩套無(wú)油電轉(zhuǎn)、一個(gè)引導(dǎo)閥、一個(gè)主配壓閥和A、B兩套接力器反饋；兩套智能 液壓伺服系統(tǒng)控制器同時(shí)連接到A、B兩套水輪機(jī)組的接力器反饋、A、B兩套伺服系統(tǒng)，兩套 智能液壓伺服系統(tǒng)同時(shí)接受調(diào)節(jié)器的開(kāi)度指令，與接力器開(kāi)度反饋形成閉環(huán)，控制伺服電 機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，從而控制引導(dǎo)閥和主配開(kāi)或關(guān)，壓力油進(jìn)入接力器的開(kāi)腔或關(guān)腔，推動(dòng)接力 器開(kāi)或關(guān)到指令開(kāi)度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于IEC61850的數(shù)字化水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于 智能壓力油系統(tǒng)包括智能控制單元、軟啟動(dòng)器、油泵電機(jī)組、自動(dòng)補(bǔ)氣裝置、壓力油罐、回油 箱、壓力罐壓力變送器、壓力罐液位變送器、回油箱液位變送器、漏油箱及其漏油箱斷路器、 漏油箱油泵電機(jī)組和漏油箱液位變送器；智能控制單元以太網(wǎng)口不少于兩個(gè)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò) 冗余。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于IEC61850的數(shù)字化水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于 水輪機(jī)調(diào)節(jié)器采用A、B兩套控制器，互為熱備冗余，切換時(shí)間小于30US ；每套控制器以太網(wǎng) 口不少于4個(gè)，分別與間隔層和過(guò)程層構(gòu)成高速冗余的星型以太網(wǎng)；水輪機(jī)調(diào)節(jié)器從間隔 層和站控層接受各種指令和狀態(tài)量，包括開(kāi)機(jī)、停機(jī)、調(diào)相、并網(wǎng)、一次調(diào)頻、負(fù)荷增減令；接 受各種數(shù)據(jù)，包括功率給定、水頭、電氣開(kāi)限；水輪機(jī)調(diào)節(jié)器的采樣值和反饋狀態(tài)量則從過(guò) 程層取得，包括接力器反饋采樣值、機(jī)組頻率、系統(tǒng)頻率、機(jī)組有功、智能液壓伺服系統(tǒng)的狀 態(tài)、主配拒動(dòng)信號(hào)、緊急停機(jī)動(dòng)作信號(hào)、事故配壓閥動(dòng)作信號(hào)；水輪機(jī)調(diào)節(jié)器根據(jù)各種工況下的 PID計(jì)算和邏輯判斷，控制過(guò)程層各智能單元，以完成相應(yīng)的功能。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于IEC61850的數(shù)字化水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)站控層、間隔層和過(guò)程層三層網(wǎng)絡(luò)對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行數(shù)字化控制，水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主體分布在間隔層和過(guò)程層，處于間隔層的是水輪機(jī)調(diào)節(jié)器；處于過(guò)程層的是智能液壓伺服系統(tǒng)、機(jī)組合并單元、系統(tǒng)合并單元、智能壓油系統(tǒng)、智能轉(zhuǎn)速繼電器、機(jī)組智能單元；水輪機(jī)調(diào)節(jié)器與站控層和間隔層的智能電子設(shè)備構(gòu)成冗余的高速星型以太網(wǎng)，此為間隔層以太網(wǎng)；水輪機(jī)調(diào)節(jié)器與過(guò)程層的智能電子設(shè)備構(gòu)成冗余的高速星型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，此為過(guò)程層以太網(wǎng)；各智能電子設(shè)備通信協(xié)議滿(mǎn)足IEC61850標(biāo)準(zhǔn)要求；水輪機(jī)調(diào)節(jié)器通過(guò)以太網(wǎng)接受各種指令和給定，采集相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)功。
文檔編號(hào)F03B15/00GK101871417SQ201010202520
公開(kāi)日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月3日
發(fā)明者呂桂林, 徐健文, 陳啟明 申請(qǐng)人:武漢四創(chuàng)自動(dòng)控制技術(shù)有限責(zé)任公司