CN106837676B - 一种小水电机组节能综合化控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小水电机组节能综合化控制装置及控制方法，包括主控站、通讯单元和现场单元，所述的现场单元输出信号通过线缆与通讯单元输入信号接口连接；通讯单元通过网络接口与主控站互联，同时公开了小水电机组节能综合化控制装置的控制方法，解决目前大部分的小水电机组都是建设于上个世纪，其容量较小，受到当时的技术水平制约，其机组控制系统远远落后于目前的水电计算机监控系统的技术发展现状问题。

Description

一种小水电机组节能综合化控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于水利水电工程设备及流体机械技术领域，具体涉及一种小水电机组节能综合控制装置的实现方案。

背景技术

我国水电理论年发电量6万亿千瓦时，技术可开发容量和经济可开发容量分别为5.42亿千瓦和4.02亿千瓦，资源蕴含世界第一。但目前，我国水电能源利用率还偏低，总体开发利用率尚不足40％，开发及利用前景仍然十分广阔。而目前大部分的小水电机组都是建设于上个世纪，其容量较小，受到当时的技术水平制约，其机组控制系统远远落后于目前的水电计算机监控系统的技术发展现状。随着对小水电规范化管理工作的重视，以及信息化、自动化建设水平的提高，小水电机组也逐步得到人们重视，但对小水电运行信息、水能利用率等效率运行数据掌控几乎为空白。

目前对小水电控制系统主要通过人为经验进行控制，对水电机组进行效率优化控制国内研究机构及厂家也提出了一些解决方案，但都处于研究阶段，对机组效率测量控制市场上也有部分产品，但是由于其功能单一，平台通用性差，通信接口及协议不统一，仅仅实现机组效率测试功能，并未真正意义上的指导机组的整个控制过程，而目前现场机组控制设备仅具有自身的控制功能，并没有考虑到远程控制，协调控制，远程维护和远程诊断等功能，同时现有厂家最求经济效益，对目前的调节功能仅仅满足自身单一的水电机组控制的行业标准，其可靠性和准确性相对来说都比较低。

发明内容

为了解决目前现有技术存在的问题，本专利发明了一套小水电机组节能综合化控制装置的实现方法。本装置包括现场数据采集模块、现场数据处理模块、现场通讯数据采集模块、数据通讯上传模块、主控站数据管理模块、主控制数据存储模块、主控站数据分析模块。

本发明的技术方案为：一种小水电机组节能综合化控制装置，包括主控站、通讯单元和现场单元，其特征在于：所述的现场单元输出信号通过线缆与通讯单元输入信号接口连接；通讯单元通过网络接口与主控站互联。

所述的现场单元包括机组流量、有功功率、上游水位、下游水位、机组转速、导叶开度、振摆系统、水情系统以及监控系统，所述的机组流量、有功功率、上游水位、下游水位、机组转速和导叶开度与数据采集模块连接；振摆系统、水情系统以及监控系统与通讯采集模块连接。

所述的通讯单元包括数据采集模块、通讯采集模块、数据处理模块和数据上传模块，所述的数据采集模块、通讯采集模块、数据处理模块和数据上传模块通过网络互连。

所述的主控站包括管理模块、存储模块和分析模块，管理模块、存储模块和分析模块通过网络互连。

所述的管理模块包括数据显示、曲线显示、用户操作、用户调试和装置管理。

所述的分析模块包括曲线拟合、模型构建、限制判断、最优计算和功率分配，

所述的分析模块输出信号与监控系统连接。

其小水电机组节能综合化控制方法包括以下步骤：

第一步、现场单元将采集到的机组参数通过通讯单元传送至主控站；

第二步、主控站数据分析模块根据采集到的机组参数进行机组效率、效率曲线拟合、最优效率及负荷分配计算；

第三步、根据步骤(二)的计算拟合出机组的综合效率特性曲线；

第四步、采用智能拟合方法找到机组等效率曲线、等水头曲线、等开度曲线；

第五步、通过最优控制计算得出各个机组的运行功率，再发送给现场监控系统进行最优负荷的运行，从而实现全厂机组最优负荷分配。

所述的水轮机效率的计算，其数学表达式为：

式中：η_t为水轮机效率，N_g为发电机功率，η_g为发电机效率，Q为机组流量，H为工作水头，g为当地重力加速度。

所述的最优控制计算，其数学表达式为：

式中q_st为全厂总耗水率，q_i为第i台机组的耗水率，而P_i为第i台机组的有功功率，Q_i为第i台机组的过机流量，n为电站总可用机组数。

现场数据采集模块主要功能是通过前端传感器，对小水电机组的有功功率、无功功率、蜗壳进口压力、蜗壳尾水压力、导叶开度、机组频率、流量、上游水位及下游水位等机组实际运行的物理量数据进行采集。采集单元采用基于PC104嵌入式AT96总线系统进行研发设计，实现对现场传感器物理量的采集。

现场数据处理模块主要功能是完成对采集数据的滤波、进行数模转换、参数率定。滤波通过模拟电路进行实现，对信号外的噪声信号进行去除；模数转换通过芯片AD7656进行完成；得到相应通道数字信号后，通过内部软件设置不同的零刻度点和满刻度点来进行标定。

现场通讯数据采集模块主要功能是通过通讯方式对机组部分运行数据进行采集，装置能够方便地与电厂监控系统、电厂MIS系统、生产信息管理系统、效率测试分析中心或者其它测量装置进行双向数据通讯，以实现数据共享。

数据通讯上传模块主要功能是把现地采集模块和通讯模块采集的机组现场运行数据发送到主控站用于分析、计算、存储等处理。

主控站数据管理模块主要功能完成实时数据的融合、管理与发布，对机组当前的运行状态进行同步监视和显示的功能，它以数值、曲线、图表等各种形式，将机组的各种状态分析数据，通过多个不同的页面展现给用户。

主控制数据存储模块为大量高密度数据采集提供的能支持快速、并行访问的数据库系统，特点是访问速度快，大量实时数据被存储到实时性数据库中。主控站数据分析模块首先是通过采集数据对小水电机组的测量结果进行拟合，根据效率测试平台采集实时测量的机组效率以及离线采集的效率数据、机组负荷、水头、导叶开度等数据即可拟合出机组的综合效率特性曲线。其实是进行最优功率的分配，最优有功分配控制是以效率拟合分析系统为基础构建来的，通过效率最优从而达到小水电机组的节能增效的目的。

附图说明

图1是本发明的小水电机组节能综合化控制装置结构框图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

如图1所示为水电一体化控制装置结构框图，小水电机组节能综合化控制装置包括现场数据采集模块、现场数据处理模块、现场通讯数据采集模块、数据通讯上传模块、主控站数据管理模块、主控制数据存储模块、主控站数据分析模块。

现场数据采集模块主要功能是通过前端传感器，对小水电机组实际运行的物理量进行采集。采集单元采用基于PC104嵌入式AT96总线系统进行研发设计，其中采集部分主板使用的为低功耗PC104，采用6U工业插箱结构，分为前后两层，前面为信号采集及处理板卡，包括：系统电源板卡、PC104总线载板板卡、信号采集板卡等构成；后面板为各种计算机接口及传感器信号接口，实现对现场传感器物理量的采集。

现场数据处理模块主要功能是完成对采集数据的滤波、进行数模转换、参数率定。数据的滤波采用纯模拟电路的模拟滤波器，其特点在于不需要晶振模块，同时功耗较低，电源耗电400μA，采用SOIC封装贴片芯片，具有8阶的滤波阶数。滤波后通过数据处理模块中的数模转换进行采集信号的数字化转换，模数转换采用了AD7656芯片，此芯片具有6通道，是16bit逐次逼近(SAR)型ADC,它具有最大4LSBS INL和每通道达250kSPS的采样率,并且在片内包含一个2.5V内部基准电压源和基准缓冲器。参数率定通过软件率定，通过设置不同的零刻度点和满刻度点进行标定。

现场通讯数据采集模块主要通过通讯功能获取机组的已有的各项运行数据。通过与监控系统通信获取机组上导、下导、水导的各个瓦温，机组油温、机组定子温度等；通过与状态监测系统通信获得机组摆度、振动、压力脉动、气隙、局放量等参数；通过与水情系统通信获取水库上游水位、尾水位及降雨量等参数。本装置提供的通讯方式有RS232/RS485、以太网、及其他通讯方式。RS232/RS485可支持的通讯规约包括：CDT(循环远动)规约；NC2000外部设备传送规约；H9000串行通讯规约；H201主变油色谱在线监测装置通讯规约；MGA2000主变油色谱监测装置通讯规约等；以太网可支持Modbus-TCP和自定义的TCP/IP协议。

数据通讯上传模块主要功能是把现地采集模块和通讯模块采集的机组现场运行数据发送到主控站用于分析、计算、存储等处理。本装置的数据通讯上传模块主要通过以太网进行连接，主要通过Modbus-TCP协议进行数据传输。

主控站数据管理模块功能具备图形方式和表格方式，监视可针对某站点的单一参量(如某机组的水位或流量)进行，也可进行不同参量的图形和报表的组合，画面定义能根据应用的需求生成，并支持组态方式定义界面，对于标准的图形显示界面，采用控件方式实现。其中显示的数据有实时有功功率、无功功率、系统频率(Hz)、功率因数、发电机转速(rpm)、机组运行的状态、现地实时流量(m3/s)、上游水位、下游水位、蜗壳进口压力、尾水出口压力、实时效率、功率曲线统计，可进行月、年统计且可指定时间区间、效率曲线统计，可进行月、年统计且可指定时间区间、每台机组和所有机组总发电量、可以显示机组不同水头下的效率特性曲线。

装置的数据管理模块也提供直观的、可组态的多个监测画面，从不同的角度，分层次展现机组的状态信息。这些画面包括：轴心轨迹图、压力脉动图、水力能量参数监测图、短时趋势跟踪监测、轴向振动图、空化振动频谱监测图。

数据管理模块还包括自定义曲线及其显示：除了系统本身所提供的特性曲线外，用户还可以查看某一工况下任何两个参数的关系，也可以在同一绘图面板上查看不同机组(这里指己做过效率试验的机组)的同一特性曲线的对比情况“用户只需完成X、Y坐标对应的参数等的配置就能查看自己所定义的曲线”。

主控制数据存储模块软件采用Visual C++瞄向对象方法编写，在Windows Server系列平台上有良好的兼容性。数据库管理系统采用MS SQLServer 2000/2005/2008平台，该平台在数据系统的可伸缩性、使用的易用性等方面具有明显的优势。

主控站数据分析模块具有机组效率计算功能、效率曲线拟合功能、最优效率计算功能及负荷分配等功能。

计算获得水轮机效率

其中：η_t为水轮机效率，N_g为发电机功率，η_g为发电机效率，Q为机组流量，H为工作水头，g为当地重力加速度。

其中N_g可以通过功率变送器直接采集获得，或者通过通讯采集获得。Q和H需要通过采集系统采集或者认为输入获得。

根据装置采集实时测量的机组各项数据计算出的效率值、机组负荷、水头、导叶开度等数据可拟合出机组的综合效率特性曲线。等水头曲线主要指在同一水头下，机组负荷或开度/流量与机组效率之间的关系曲线，而等效率曲线则指在为保证同样的效率，机组水头与负荷/开度/流量之间的关系曲线。

从效率的测量计算方法中可以看出。机组效率是机组负荷、水头、流量的非线性函数。可以表示为：

η＝f(N,H,Q)

由于机组效率与机组负荷/开度/流量是一个非线性的关系，大多采用数据拟合方法去逼近其关系。

对于一个等水头曲线而言，任意一个区间的机组效率可以表述为效率与机组负荷/开度/流量之间的函数关系：

η(x)＝η_i(x)＝a_i+b_i(x-x_i)+c_i(x-x_i)²+d_i(x-x_i)³(x_i≤x≤x_i+1)

上式中x可以是机组负荷，也可以是机组开度、流量等。

而根据实际测量的η_i和对应时刻的x_i可以求解出a_i、b_i、c_i、d_i,那么再根据a_i、b_i、c_i、d_i的值可以求解出任一个x对应的机组效率。而在获得多组a_i、b_i、c_i、d_i(i＝1....n)之后，就可以求就在该水头下，功率限制区之内的任意负荷、开度、流量下的机组效率了。

再积累多个水头下的效率曲线后，通过同样的样条拟合方法，可以求解任何有效水头下功率限制区之内的任意负荷、开度、流量下的机组效率。

对于指导水轮机最优运行而言，重要的是找到最优效率工况点，因此效率曲线拟合的目的是根据实际测量的数据，采用智能拟合方法找到机组等效率曲线、等水头曲线、等开度曲线。根据上述曲线，可以找到任何水头下的最优效率负荷/开度点，进而为实现最优有功控制提供数据依据。

以耗水率最低为指标最优控制的目标函数：

式中q_st为全厂总耗水率，q_i为第i台机组的耗水率，而P_i为第i台机组的有功功率，Q_i为第i台机组的过机流量，n为电站总可用机组数。通过最优控制计算得出各个机组的运行功率P_i，再发送给现场监控系统进行最优负荷的运行，从而实现全厂机组最优负荷分配。

按照小水电机组节能综合化控制装置，实现了对小水电机组效率、稳定性及运行工况的测控功能。装置能够进行机组运行效率的测量、曲线拟合及最优负荷控制，最终实现小水电机组节能控制。

Claims (6)

1.一种小水电机组节能综合化控制装置的控制方法，所述装置包括主控站、通讯单元和现场单元，其特征在于：所述的现场单元输出信号通过线缆与通讯单元输入信号接口连接；通讯单元通过网络接口与主控站互联；控制方法包括以下步骤：

第一步、现场单元将采集到的机组参数通过通讯单元传送至主控站；

第二步、主控站数据分析模块根据采集到的机组参数进行机组效率、效率曲线拟合、最优效率及负荷分配计算；

第三步、根据步骤(二)的计算拟合出机组的综合效率特性曲线；

第四步、采用智能拟合方法找到机组等效率曲线、等水头曲线、等开度曲线；

第五步、通过最优控制计算得出各个机组的运行功率，再发送给现场监控系统进行最优负荷的运行，从而实现全厂机组最优负荷分配；水轮机效率的计算，其数学表达式为：

式中：η_t为水轮机效率，N_g为发电机功率，η_g为发电机效率，Q为机组流量，H为工作水头，g为当地重力加速度；

最优控制计算，其数学表达式为：

式中q_st为全厂总耗水率，q_i为第i台机组的耗水率，而P_i为第i台机组的有功功率，Q_i为第i台机组的过机流量，n为电站总可用机组数。

2.根据权利要求1所述的一种小水电机组节能综合化控制装置的控制方法，其特征在于：所述的现场单元包括机组流量、有功功率、上游水位、下游水位、机组转速、导叶开度、振摆系统、水情系统以及监控系统，所述的机组流量、有功功率、上游水位、下游水位、机组转速和导叶开度与数据采集模块连接；振摆系统、水情系统以及监控系统与通讯采集模块连接。

3.根据权利要求1所述的一种小水电机组节能综合化控制装置的控制方法，其特征在于：所述的通讯单元包括数据采集模块、通讯采集模块、数据处理模块和数据上传模块，所述的数据采集模块、通讯采集模块、数据处理模块和数据上传模块通过网络互连。

4.根据权利要求1所述的一种小水电机组节能综合化控制装置的控制方法，其特征在于：所述的主控站包括管理模块、存储模块和分析模块，管理模块、存储模块和分析模块通过网络互连。

5.据权利要求4所述的一种小水电机组节能综合化控制装置的控制方法，其特征在于：所述的管理模块包括数据显示、曲线显示、用户操作、用户调试和装置管理。

6.据权利要求4所述的一种小水电机组节能综合化控制装置的控制方法，其特征在于：所述的分析模块包括曲线拟合、模型构建、限制判断、最优计算和功率分配，所述的分析模块输出信号与监控系统连接。

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