水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及水電站模型試驗平臺，具體的說是一種水電站過渡過程整體物理 模型試驗平臺。
【背景技術】
[0002] 模型試驗和數值計算是開展科學研宄、工程應用必不可少的兩種相輔相成的研宄 手段。其中，模型試驗不僅能驗證理論分析和數值計算結果的可靠性和精確性，而且能觀 測、揭示物理現象的在內規律，促進理論分析和數值計算的發展。
[0003] 水電站引水發電系統過渡過程是流體、機械、電氣、甚至結構相互耦合的復雜的動 態過程。一方面，過渡過程理論和數值計算已完整地考慮了水機電聯合過渡過程共同作用； 另一方面，現有的將水、機、電分開研宄的方法及成果無法滿足各類輸水系統復雜布置的電 站（特別是：大型長輸水道地下式水電站、抽水蓄能電站）設計和運行的需要，所以需要開 展包含水力系統、機械系統和電氣系統的水電站過渡過程整體性物理模擬。 【實用新型內容】
[0004] 為了開展水電站過渡過程整體性物理模擬，需要構建相應的整體物理模型試驗平 臺，此平臺應由循環水系統、勵磁同期保護系統、調速控制系統、變頻換相系統、監控系統、 負荷系統、量測系統、模型機組系統、模型水道系統等子系統組成，并且監控系統和量測系 統均包含硬件和軟件兩部分、其他子系統僅包含硬件，然后方可在此平臺上進行大波動、小 波動和水力干擾等過渡過程及其他相關問題的試驗研宄。
[0005] 為了達到上述的目的，水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺的構建必須解決兩 個層面的問題，S卩（1)模型相似律的推導，（2)模型水道機組、量測、控制、模擬負載等硬件 設備的研制與集成整合、軟件系統的開發。第一個層面的問題的研宄與應用實踐已比較成 熟，故本實用新型主要針對第二個層面，即水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺子系統 的研制及基于這些子系統的集成整合的試驗平臺的構建。
[0006] 本實用新型的目的是針對上述現狀設計一種水電站過渡過程整體物理模型試驗 平臺，能夠開展與過渡過程相關的各種基礎性和應用基礎性試驗，并且試驗操作簡單、智 能、方便，試驗現象的觀察、記錄真實、全面、快速，數據的采集、分析高效、準確。
[0007] 一種水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺，包括循環水系統1、勵磁同期保護系 統2、調速控制系統3、變頻換相系統4、監控系統5、負荷系統6、量測系統7、模型機組系統 8和模型水道系統9 ;所述模型機組系統8在其蝸殼進口、尾水管出口處通過法蘭盤分別與 模型水道系統9的上游引水管道21的末斷面、下游尾水管道22的首斷面連接，構成模型引 水發電系統；模型水道系統9通過其進、出水口分別與循環水系統1的上、下游水箱相連，實 現水流的整體循環；在模型引水發電系統上設有量測系統7的傳感器，所述傳感器通過信 號線經模擬通道與量測系統7的動態數據采集裝置相連；調速控制系統3通過接力器連接 模型機組系統8,用于控制模型機組系統8的導水機構運動；所述模型機組系統8的發電機 上設有測頻裝置，用于將信號引入監控系統5,同時監控系統5通過電信號的測量，與量測 系統7的上位機同時下達導水機構動作的指令，并由監控系統5的現地控制單元和調速控 制系統3聯合執行；勵磁同期保護系統2、變頻換相系統4、負荷系統6通過信號線與監控系 統5相連，受監控系統5的上位機的控制，實現模型機組負荷的增減、變頻換相、加勵磁與同 期并網。
[0008] 所述循環水系統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與蓄水池10相連通，供水管道12末端設有閥門和水泵 11 ;上游水箱14、下游水箱141的進水管15分別與供水管道12相連通，上游水箱14、下游 水箱141的出水管16分別與回水渠道13相連通；供水管道12與回水渠道13相連接處設 有排氣閥18 ;供水管道12上還設有電磁流量計19 ;所述水泵11、排氣閥18通過信號線引 入監控系統5,受監控系統5上位機的控制；電磁流量計19通過信號線引入量測系統7,由 量測系統7采集電磁流量計19測量的數據。
[0009] 所述勵磁同期保護系統2,包括模擬勵磁系統和模擬同期系統；前者由單片微機、 大規模集成電路、STD總線組成，后者的核心部件是單片微機；勵磁同期保護系統2連入監 控系統5,受監控系統5上位機的控制。
[0010] 所述調速控制系統3,包括BPLC- II型可編程調節器、數字油缸及接力器；BPLC- II 型可編程調節器由PLC基本單元（FX2C-64MT)、A/D轉換單元（FX-4AD)、D/A轉換單元 (FX-2DA)、輸入擴展單元（FX-16EX)、數字測頻單元、功放單元、按鍵和顯示單元組成，生產 商為西門子公司；數字油缸用于液壓傳動壓力的傳遞、放大，并實現液壓油在油缸內部的循 環；接力器位于模型機組系統8處，用于控制導水機構的運動。
[0011] 所述變頻換相系統4,包括變頻器和換相裝置，兩個裝置分別在變頻和換向操作指 令下達時投入使用。
[0012] 所述監控系統5,包括上位機和現地控制單元；所述上位機為高性能計算機，現地 控制單元由機組現地控制單元、調速器電動球閥控制屏、微機勵磁屏、公用現地控制單元、 變頻控制屏、機組負載調節屏、負載功率屏、綜合負載屏、低壓配電屏組并列組成，上位機通 過數據線與現地控制單元連接，下達指令、現地控制單元執行。現地控制單元的生產商為武 漢電力科技開發有限公司。
[0013] 所述負荷系統6,包括負載系統、微機監控裝置、檢測裝置與報警裝置；所述負載 系統由電阻、電容、電感組成，負載系統的微機監控裝置一方面連接監控系統5的上位機， 另一方面連接負載系統，用于按指令控制負載系統的類型與大小；檢測裝置、報警裝置也與 負載系統相連。
[0014] 所述量測系統7,包括傳感器、動態數據采集裝置、上位機；所述上位機與動態數 據采集裝置連接，動態數據采集裝置通過信號線連接布置于模型機組系統8、模型水道系統 9和循環水系統1上的傳感器，采集傳感器測量到的模擬量信號。
[0015] 所述模型機組系統8,包括蝸殼、窄高型尾水管、轉輪、導水機構、同步發電機和水 輪機的聯軸器以及支架；模型蝸殼、窄高型尾水管、轉輪、導水機構構成模型水輪機，模型水 輪機與模型同步發電機通過水輪機的聯軸器相連組成模型水輪發電機組，模型水輪發電機 組最后由支架支撐、固定。
[0016] 所述模型水道系統9,包括模型進水口 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 ;所述模型進水口 20與循環水系統1的上游水箱14相連，繼而模型 進水口 20連接模型上游引水管道21-端，模型上游引水管道21的另一端與模型機組系統 8的蝸殼進口斷面相連；模型下游尾水管道22 -端與模型機組系統8的尾水管出口斷面相 連，另一端與模型出水口 23相連，繼而模型出水口 23與下游水箱141相連通。
[0017] 所述傳感器，包括但不限于水位傳感器、壓力傳感器、行程傳感器、功率互感器、電 壓互感器和電流互感器。
[0018] 本實用新型水電站過渡過程整體物理模型試驗平臺的優點是：本實用新型為開展 水電站水機電過渡過程模型試驗提供了硬件與軟件平臺。帶模型機組與模擬負荷系統的整 體性試驗將水電站過渡過程研宄向前推進了一大步，不僅試驗重復性好、其結果規律性強， 如機組調保參數隨導水機構關閉時間和關閉規律的變化，機組轉速升高、蝸殼最大動水壓 力以及尾水管最小動水壓力發生時間次序及其與導水機構關閉時間的關系等；而且能在一 定精度下，定量給出機組調保參數的大小，尤其是機組轉速升高值和尾水管進口最小動水 壓力（包括進口斷面最小動水壓力分布）。并且能進行小波動和水力干擾試驗，正確地反映 了水輪機工作特性、調速器主要參數和引水發電管道系統水力特性的影響，為科學研宄、工