本发明是小水电站自动控制系统及其设计方法。特别适用于低压小水电站的自动控制。 据估算，全国水能资源理论藏量6.8亿千瓦，年发电量5.9万亿千瓦小时。可开发水能资源3.7亿千瓦，年发电量1.9万亿千瓦小时。全国现有小水电站约70000座，装机容量超过1000万千瓦。其中68000多座（占97%）为1000千瓦以下的低压电站。这类电站多数设备陈旧，手动操作，保护不全，故障发现与事故处理全靠人工，突甩负荷必须手动关阀停机。机组与人员极不安全。电能质量差，管理人员多，年运行费高。而且电站历来采用以水轮发电机组为核心的单站设计法设计。不仅设计工作量大，而且设计、制造、安装、调试很繁琐，易出差错〔水电站机电设计手册（电气二次），水电站机电设计手册编写组，水利电力出版社1984年12月第一版〕。计算机检索表明，国内外至今尚无小水电站适用的自动控制系统及其设计方法的发明。
本发明的目的在于克服目前小水电站及其设计中的上述缺点，发明一种小水电站自动控制系统及其设计方法，实现小水电站的优化设计，提高电站运行的可靠性与自动化水平。
本发明从系统工程观点出发，采用以自动控制调节保护屏为核心的、设备优化组合并形成完整系列的系统设计方法设计小水电站。它以单台水轮发电机组为一单元，采用电子技术，把自动控制调节保护屏和小型低压水轮发电机组、自动化元件及辅助装置，进水阀，导叶操作器、励磁控制器、低压动力屏与遥控台联成一体，构成一个交流电源操作、直流电源备用、有自动控制调节保护功能的小水电站自动控制系统。电子元件与集成电路固定在插件板上，各部分间用接插件相连。用程序控制取代传统的机械电气控制和手动操作。自动控制调节保护屏包括电子调速器以及程序控制器、励磁调节器、继电保护及信号装置、操作电源、机械电气接口。它们全用模块结构、自成体系、相互独立，并由程序控制器把它们连成一体、协同动作。电子调速器是一个由电子功频调节器、自同期装置、程序控制器、保护及自控测频继电器组成的多功能电子调速器。设计时，用户只须提供电站设计的基本参数及运行方式。就可根据控制设备类型、运行方式、自动化程度，进水阀与水轮机型式、发电机励磁方式，遥控台通信方式进行设备与接口选型，迅速组成一个完整的小水电站自动控制系统、大大减少新建电站的设计安装调试工作量，避免差错。旧电站的改造也非常方便。
本发明的小水电站自动控制系统及其设计方法的特点是：1、与传统的单站设计方法比，使电站机电设计工作量减少80%以上，且简化了电站设备，避免了设计施工差错;2、节省投资而自动化水平大大提高。与传统的手动控制系统相比，采用本发明的全自动无人值班型增加投资1-1.5万元（人民币）、半自动少人值班型增加约千元，比用传统分离设备构成类似的自动控制系统节省投资3～5万元，还能满足出口小水电机组的配套急需;3、系统表计齐全、保护完善。开停机程序控制，操作电源可靠，运行方式切换方便，电压与频率（单机运行），有功与无功功率（并网运行）均能自动调节，自行并网、实现无人或少人值班并简化厂房及生活区设计。
下面结合附图说明本发明的实施例。
图1是小水电站自动控制系统框图
图2是自动控制调节保护屏框图
图3是电子调速器结构图。
采用本发明的小水电站自动控制系统的系统设计方法，由于从系统工程观点出发，进行以自动控制调节保护屏为核心的电站优化设计并形成可供任意选择的完整系列。新建电站的机电设计只须按照用户提供地电站基本参数和运行方式根据A、控制设备类型
A1、电子控制型
A2、微型计算机控制型
或A3、可编程控制型
B、运行方式
B1、单机运行
B2、并网运行
或B3、单机或并网运行任意选择
C、自动化程度
C1、全自动无人值班
或C2半自动少人值班
D、水轮机S型式
D1、立轴式-D1.1.混流式
D1.2轴流式
D2、卧轴式-D2.1.混流式
D2.2.轴流式
或D3、冲击式
E、发电机F励磁方式
E1、无刷励磁
E2、电抗分流励磁
或E3、组合励磁
F、进水阀1型式
F1、重锤阀
F2、倒虹吸管进水真空破坏阀
F3、自闭式弧形门
或F4、自动操作的闸阀
G、遥控台8通信方式
G1载波通信
G2有线通信
G3无线通信
G4激光通信
或G5数字通信
进行设备与接口选型。并提供一张主接线图和对外电缆走向图，即可由用户自行安装小水电站自动控制系统。旧电站的改造也只须改变系统的机械电气接口设计。
本实施例是35千瓦400伏小水电站自动控制系统。系统选型为A1电子控制型B3单机运行与并网动行任意选择/C1全自动无人值班（水轮机S和发电机F自动控制但有手动备用）/D1.1立轴式混流式水轮机S/E1发电机F无刷励磁/F2进水阀1为倒虹吸管进水真空破坏阀/G2遥控台8有线通信。接遥控台8的自动控制调节保护屏6是本系统的核心。水轮发电机组3由水轮机S和发电机F构成。水轮机S上接导叶操作器4，发电机F接励磁控制器5。自动化元件及辅助装置2由监测水轮机工况的传感器、响应控制命令的执行器和保护水轮机的保护器构成，低压动力屏7包括400伏低压发电机进线开关、用户及站用馈线开关、电流电压互感器、测量表计及操作开关和交流备用电源自动切换装置。遥控台8由测量表计、电站故障显示、控制调节按钮及信号和有线通信机组成。自动控制调节保护屏6由电子调速器11、继电保护及信号装置9、程序控制器10、励磁调节器12、操作电源13和机械电气接口14构成。继电保护及信号装置9由两大部分构成，共有九种保护功能：电气事故保护及信号装置提供1、发电机欠电压过电流保护跳闸及信号;2、发电机过电压保护跳闸及信号;3、电网失电保护及信号;4、发电机过负荷保护及信号;机械事故保护及信号装置提供;5、机组过速保护及信号;6、机组低频保护及信号;7、轴承油位下降保护及信号;8、冷却水、润滑水供应中断保护及信号;9、轴承温度过热保护及信号。程序控制器10由继电器、集成电路和电子元件构成，它把继电保护及信号装置9、电子调速器11、励磁调节器12、操作电源13和机械电气接口14有机地联成一体协同动作，也有8种功能：1、单机及并网运行手动选择或自动切换;2、手动准同期及自同期合闸方式手动选择或自动切换;3、频率调节、电压调节、有功调节及无功调节的手动选择或自动切换;4、程控启动;5、正常停机连动;6、事故停机连动;7、电网失电时机组由并网运行转为单机运行;8、电网恢复供电时先灭磁再自同期合闸。励磁调节器12由发电机输出电压反馈回路，电压比较器和程序控制器组成。采用组合励磁，能按程序控制器选定的运行及同期方式自动切换励磁调节及同期条件，还可程控遥控。操作电源13由220V交流电源切换器、整流电源、蓄电池、逆变器和控制接点构成。操作电源为交流整流式，有48V、±15V两种电压，48V供继电保护及信号装置9和程序控制器10，±15V供电子功频调节器34;48V镍镉蓄电池作备用，交流电中断时自动切换，保证停机及进水阀1的紧急关闭。机械电气接口14将电子调速器11与连接水轮机调速轴的导叶操作器4连接以控制水轮机导水叶开度;将励磁调节器12与发电机F上的励磁控制器5连接以控制发电机励磁电流大小;连接遥控台8使电站能受遥控台远距离操纵。由于该小水电站自动控制系统采用系列化、标准化设计，新建或改建电站设计只须根据不同型号规格的水轮机，发电机选用相应的机械电气接口14，大大简化了电站的机电设计。电子调速器11是一个由电子功频调节器34、保护及自控测频继电器15、自同期装置16、和程序控制器17组成的程序控制型多功能电子调速器、也可用微机替代程序控制器17构成微机控制型多功能电子调速器，用于调节水轮机导水叶开度。能按自动控制命令或人工命令完成调速任务;精度则取决于电子功频调节器34和导叶操作器4。电子功频调节器34由电网测频回路27、发电机测频回路29、标准频率28、频率比较器31、功率比较器32、功率给定33和综合放大器30组成。它能按程序控制器17选定的运行及同期方式自动切换功频调节条件及同期条件;进行机组转速及负荷自动调节与机组间负荷自动分配;提供过速和低速信号及自同期并网信号;电网失电能自动转为单机运行。电子功频调节器34也可用微机控制构成微机控制功频调节器。保护及自控测频继电器15由电网事故保护18、过速保护19、甩负荷保护20、单机启动21、低频保护22和制动23组成。
自动控制调节保护屏6上有可供选择的“单机”和“并网”运行按钮，选择单机运行时按“单机”按钮、“单机”指示灯亮。系统完好则“允许开机”指示灯亮。按下“开机”按钮发出开机命令，打开进水阀1，水流向水轮机S带动发电机F运转。按下“励磁”按钮，励磁信号经励磁控制器5控制发电机F励磁电流大小。发电机F发出的电流经低压动力屏7输出。并网运行则按下“并网”按钮，发电机F发出的电流经低压动力屏7输向电网。如想把发电量从35KW减到25KW时，把功率给定旋钮33调到相应位置，其信号经功率比较器32到程序控制器17，使发电量从35KW降至25KW。也能按水位自给定功率。电网测频回路27与发电机测频回路29，频率比较器31保证并网运行时发电机F的频率与电网频率同步。当发电机F的转速超过额定值110%时，甩负荷保护20断开用电负荷;超过140%时，由过速保护19紧急停机;单机启动转速达额定值95%时，单机起动21使发电机F挂上负荷;转速降至85%时，低频保护22使发电机F卸去负荷;转速降至30%时，制动23使水轮发电机组3停止运行;电网24发生事故时，电网事故保护18动作使发电机脱网，机组单机运行，维持站用电及近区用电。
实施例2是160千瓦400伏小水电站自动控制系统。系统选型为A3/B1/C2/D2/E3/F1/G1。即可编程控制/单机运行/半自动少人值班（水轮机S自动控制，发电机F手动控制）/卧轴式/发电机F组合励磁/进水阀1用重锤阀/遥控台8用载波通信。
实施例3是320千瓦、400伏小水电站自动控制系统。系统选型为A2/B2/C2/D3/E2/F3/G3。即微机控制/并网运行/半自动少人值班/冲击式水轮机S/发电机F用电抗分流励磁/进水阀1为自闭式弧形门/遥控台8用无线通信。
实施例4为500千瓦、400伏小水电站自动控制系统。系统选型为A2/B3/C1/D2/E3/F4/G4或G5。即微机控制/单机或并网运行任选/全自动无人值班/卧轴式水轮机S/组合励磁发电机F/进水阀1用自动操作的闸阀/遥控台8采用数字或激光通信。