一种带流道保护及蓄能型水电站闸门或阀门的控制系统

1.本发明属于闸门或阀门启闭技术领域，尤其涉及一种带流道保护及蓄能型水电站闸门或阀门(含隧洞进口闸门)控制系统。


背景技术：

2.众多水电站为保证流道安全和控制进水均要设置压力前池进水闸、隧洞进口闸门、有调压井水电站调压井处设事故阀(闸)门。而闸门或阀门的启闭方式大多采用电力卷扬式，即通过电动机带动启闭机绳鼓正反转，钢丝绳缠绕提起或者放下闸门；而调压井处安装的阀门亦是通过交流异步电动机正反转并经过减速机构带动阀板转动900实现阀门开启或者关闭。这些闸门或者阀门的操作电动机都是厂用电系统供电，一旦发生系统解列等事故往往厂用电同时失电，则这些闸门或阀门失去操作电源往往不能动作；即使厂用电有电，但这些闸(阀)发生流道破裂等严重事故时目前根本没有任何保护去驱动闸门或阀门紧急关闭。一般水电站这些闸门或阀门仅仅是正常开停机时用以控制流道进水，一般也就通过人工现场手动或者中控室远动控制开启或者关闭；基本没有监测流道严重事故(压力钢管破裂、水轮机主阀或者堵头破裂、顶盖破裂、输水隧洞因故开裂等)时紧急关闭闸(阀)的功能，故国内外水电站流道严重事故目前没有任何保护，一旦流道破裂即发生厂房透水事故，引起水淹厂房，人员伤亡、机电设备毁损等严重后果。


技术实现要素：

3.本发明要解决的三个主要技术问题是：1正常运行时利用本装置可以借助厂用电对系统进行可靠、灵活、方便的操控；2厂用电因故失电时，利用装置自身蓄能保证对电动机和操控系统可靠供电，完成闸门或阀门操控的能量供应；3流道发生严重事故时，本发明的带流道保护操控装置能自动发出相应操作命令(含流道发生严重事故时紧急关闭闸门或阀门命令，实施可靠有效关闭闸门操作。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种带流道保护及蓄能型水电站闸门或阀门的控制系统，包括：变频器、控制保护单元、备用电源系统、备用电源自动投入系统，所述变频器分别与原有常规控制单元、控制保护单元连接，所述备用电源系统分别与所述变频器、所述控制保护单元、原有常规控制单元、备用电源自动投入系统连接。
5.可选地，所述备用电源系统包括：蓄电池组、蓄电池充放电管理单元，所述蓄电池组分别与所述变频器、所述蓄电池充放电管理单元连接。
6.可选地，还包括流道监测保护装置，测量水电站流道内流速(可计算出输入水力功率w
水入
)及发电机输出电磁功率w
电出
；当w
水入
＞＞w
电出
时，则判定为发生严重透水事故。
7.可选地，还包括电源保护系统，所述电源保护系统与所述变频器连接，作为输入电源过电压、缺相保护。
8.可选地，所述本装置与原有常规控制单元连接，所述电机与所述变频器连接，实现与原操控装置“兼容”，运行人员手动操作作为当本装置故障时的“备用”。
9.必备的所述变频器的容量根据被控电机的容量选配。
10.可选地，所述蓄电池充放电管理单元包括：电池巡检单元及电池故障报警单元，所述分别与所述蓄电池、电池巡检单元、电池故障报警单元连接。
11.本发明的技术效果为：
12.1.正常运行时利用本装置可以借助厂用电对系统进行灵活方便的操控；
13.2.厂用电因故失电时，利用装置自身蓄能保证对电动机和操控系统可靠供电，完成闸门或阀门操控的能量供应；
14.3.流道发生严重事故时，本发明的带流道保护操控装置能自动发出相应操作命令(含流道发生严重事故时紧急关闭闸门或阀门命令，实施可靠有效关闭闸门操作。
15.4.本系统自带蓄能系统，在厂用电正常时经蓄能装置充电系统给蓄电池充电(可大电流主充或者小电流浮充电)，并对蓄电池和充电过程进行巡回监测；发现充放电过程或者电池故障自动报警并通知运行值班人员。
附图说明
16.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
17.图1为本发明实施例一的水电站闸门或阀门的操控系统图；
18.图2为本发明实施例二的某电站引水流道示意图。
19.其中，1为压力隧洞，2为应急闸门，3为阻抗式调压井，4为压力钢管，5为分岔钢管，6.1为1#球阀，6.2为2#球阀,6.3为3#球阀，7.1为1#机组，7.2为2#机组,7.3为3#球阀堵头。
具体实施方式
20.需要说明的是，本技术中的实施例及实施例中的各部分构成一个整体，既解决了正常运行时利用本装置灵活方便的对闸门实施控制操作；又解决了发生重大流道破裂事故时有保护装置发出关闭闸(阀)命令；同时还解决了发生重大流道破裂事故水淹厂房厂用电同时中断时的提闸能源问题。使得正常运行时闸门能灵活可靠操作,流道事故时可靠关闭事故闸门。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
21.实施例一
22.如图1所示，本实施例中提供一种带流道保护及蓄能型水电站闸门或阀门的控制系统，本系统(兼容)原闸门常规监控启闭机系统、原有用于控制闸门启闭机系统运行的控制系统和与控制系统通讯连接的上位机。
23.本系统包括：控制保护单元，本实施例中采用原有机组lcu作为控制保护单元，由高可靠plc装置构成，所述plc上设有模拟量输入输出接口、数字量输入输出接口、通讯接口，可通过厂内以太网与上位机连接，接受上位机指令进行操作，向上位机上传本控制保护单元运行工况。本实施例中，控制保护单元的输入量包括：闸/阀门流道流速传感器模拟量(4～20ma)信号，流道水流浊度传感器模拟量(4～20ma)信号，发电机出口电磁功率(4～20ma)信号；若为多台发电机电站可改为线路出口开关柜功率变送器及断路器开关量信号；闸/阀开关命令信号开关量，闸/阀门开度传感器模拟量(4～20ma)信号；
24.变频器，变频器与原有常规控制单元(正反转交流接触器)连接，变频器还分别与
电源保护系统、控制保护单元连接。变频器的容量根据被控电动机容量选配，电源保护系统可以进行防雷、缺相保护；本系统采用变频器取代原有两个交流接触器控制电动机正反转的常规接线，变频器可以方便灵活的实现无触点输出电源改变相序，从而控制电动机正反转；另外，变频器自身带有电流、电压、频率等保护和软启动功能，不再需要另外配置荷载扭矩传感器等外部昂贵的保护；除此之外，变频器启动后可方便准确计时，启动过程超时即停机，防止闸门位移传感器和控制回路因故不能断开引起的启闭机不能停止，闸门提起或者落下过程中闸门已经操作到位而不能停机拉断启闭钢丝绳闸门从空中落下砸坏门槽、门页等恶性事故；一般大于15kw变频器有直流输出端口，本实施例中，变频器将多台变频器前级整流输出引出连接构成直流母线，保证其中一台变频器因故前级输入电压故障，或者前级整流器故障时，其他变频器可经过此直流母线向这台前级电源或者前级整流器故障的变频器提供直流电源。将原变频器输出直流端经ats后作为输入端，可以实现蓄电池供电系统自动投入的逻辑功能，并保证蓄电池不能向变频器前级整流电路倒送电的止逆功能，只能向变频器后级电路逆变电路供电的功能，提高了电路整体可靠性，简化了电路结构，提高了电路对原交流因故失电的快速反应能力。
25.备用电源系统，备用电源系统分别与变频器、控制保护单元、原有常规控制单元连接；
26.备用电源自动投入系统ats，备用电源自动投入系统ats与所述备用电源系统连接，当交流系统因故失电时，自动投入备用电源系统ats向变频器的后级逆变器供电，并自动对变频器的前级整流器止逆，即该电子式备用电源自动投入ats能快速自动将蓄电池系统电压直接接入变频器直流输入端，实现了原厂用电交流供电系统与蓄电池蓄能系统无痕迹切换，极大的提高了本装置供电可靠性和时效性。
27.进一步，本系统还包括流道监测保护装置，用于测量水电站流道内流速及发电机输出功率；本实施例中的流道监测装置能自动适时判断流道发生严重透水事故，并自动发出紧急关闭闸门或阀门命令，并监控闸门或阀门动作过程。
28.本实施例在中，流道监测保护装置包括测量水电站流道内流速的流速传感器和安装于发动机出口开关柜的功率变送器；流速传感器和功率变送器的模拟量输入端接入原机组plc实施，结合采集的发电机出口断路器位置信号，根据发电机出口断路器合闸状态，则当前本发电机输出的电磁功率p出可适时精确测出；根据闸门后流道内水的流速以及流道断面面积可以精确计算出通过流道水量q；而对于已建电站水头h是固定的，则输入水轮发电机的适时水能则w
入
＝9.81qh可精确算出；按照物理学的能量守恒定律，当：w
水入
＞＞w
电出
,则可立即判定本水轮发电机组的流道、压力钢管或者是机组顶盖损坏，水流大量外溢(正在或者即将发生重大水力事故)；经plc软件编程可生成判断流道严重故障并发出紧急关闭闸门或阀门命令，并作用紧急关闭前池闸门，切断水流保证人员、机组、厂房、设备安全。
29.本实施例中，还可选配水质传感器(可选配)可适时连续测量水质；当河道发生泥石流时，水质传感器将水质出现大量泥浆信号传递给plc处理，发出关闭进水口闸门或阀门的命令。可防止洪水季节泥石流灌入隧洞，修复时清理隧洞特别费工费力费时问题；也防止泥石流进入机组损坏水轮机转轮、导叶。
30.进一步，变频器连接有交流三相异步电动机，由启闭机生产厂根据闸门启门力要求配置电动机的型号、容量、电压等级等参数；设计本系统时根据启闭机生产厂家匹配电动
机参数进行本装置设计。
31.进一步，备用电源系统包括：
32.440v直流的蓄电池组，蓄电池组的容量根据控制电动机容量选配，本实施例中，采用15kw电动机可选配20ah蓄电池36只；
33.蓄电池充放电管理单元，用于控制电池的充电、放电(含主充、浮充、核对性放电)、电池巡检及电池故障报警；
34.所述蓄电池充放电管理单元包括：电池巡检单元及电池故障报警单元，所述巡检装置分别与所述蓄电池组、电池故障报警单元连接。
35.进一步，本系统还可包括光电转换单元(视本装置与上位机安装处距离远近而决定，如果距离较远则通过光电转换经光纤传输；如果距离很近，可以直接用屏蔽双绞线传输)，所述控制保护单元与所述光电转换单元(或者直接与plc开关量输出端)电性连接，所述光电转换单元与远程控制中心通讯连接。本实施例中，将电信号转换成光信号通过有线光纤传输，也可配置无线通讯通道。上位机经通讯通道上下传送适时运行工况，操控命令；还可另配工业电视系统传输并在远程控制中心的终端，显示现场适时运行工况及现场图像。
36.本系统还包括现地操作单元，所述现地操作单元与所述控制保护单元连接，用于对在操作单元上操作控制及修改保护单元定值，本实施例中现地操作单元采用触摸屏。
37.工作过程为:有厂用电时,依靠厂用电电能控制闸门或阀门操控；厂用电因故失电时,经变频器逆变向驱动电动机供电；本装置带各种保护及自动控制功能，能完成闸门或阀门正常运行的各种操控以及流道破坏等紧急事故时紧急关闭闸门或阀门的操作。本装置备用电源系统在厂用电正常时，经备用电源系统中的蓄电池充放电管理单元给蓄电池充电(可大电流主充或者小电流浮充电)，并对蓄电池和充放电过程进行巡回监测，当发现充放电过程或者电池故障，自动报警并通知运行值班人员。
38.本系统还兼容原有常规监控利用两个交流接触器控制电动机正反转的控制系统，当本系统故障时用户可选择使用原系统现场手动作操控为整套装置的备用。
39.实施例二
40.如图2所示，取水口进水闸门后经数千米有压隧洞1至阻抗式调压井3，调压井3出口的压力钢管4的进口段设有应急闸门2，应急闸门2由厂用电供电操控；应急闸门2后设有分岔钢管5，分岔钢管5的末端各有一个φ2500球阀，分别为1#球阀6.1，2#球阀6.2，3#球阀6.3。因3号机组检修球阀，又要保证1#机组7.1～2#机组7.2运行，遂用了一个3#球阀堵头将拆除3#球阀后的3#岔管封堵，7.1～7.2号机继续运行。运行中因封堵头破裂，大水从裂口涌出，淹没厂房引起厂用电中断；应急阀门因无电(也没有保护命令关阀)不能操作切断水流，造成人员多人死亡，厂内机电设备严重受损，厂外淹没场镇，公路，造成严重损失。
41.如果能采用本应急闸门或阀门操控装置，厂用电正常时能方便进行现场近控、中控室远动控制；一旦出现前述机组主阀爆裂事故时，压力钢管4内水流流速因没有经主阀、蜗壳、转轮、尾水流道约束而直接从破裂堵头处涌出，破裂处水流为孔口自由出流状态，流速大大增加；压力钢管4内流速传感器采集到流速变化信号，经事先编定程序，立即根据流道流速算出输入本电站水量q,又根据水量q、水头h算出该流道输入本电站系统水力总势能w
水
；同时由于事故时水淹厂房全部发电过程停止，不论发电机出口断路器是否跳闸，但输出
电磁功率w
电
总量为零，输入本电站水系统能量w
水
数值大大增加，即：w
水
＞＞w
电
则可判断压力钢管4流道出现爆管(爆阀)事故，可立即发出关阀命令；由于此时厂用电已经消失，但本装置的备用电源系统会自动投入向变频器5直流输入端供电，保证关阀电动机根据关阀指令执行快速关闭阀门命令；并同时发出电站流道事故信号。按照设计规范，闸门或阀门应能在2分钟内由“全开”关到“全关”。阀门堵头刚爆裂瞬间大水冲入厂房内，厂房内有一定空间迟缓洪水，会有一定损失，但2分钟内就会完全切断水流，不会造成水流一直持续不断涌出，造成那么大的损失，阀门快速关闭，人员逃生也就有较大希望。
42.在本实施例中，可编程控制器plc，变频器，蓄电池根据控制对象阀门的重要程度，可以冗余双配置，进一步提高装置的可靠性。
43.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭示的技术范围内，可想到的相关变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。