CN107989742A - 抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定系统及方法 - Google Patents

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宋旭峰
郭旭东
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郝国文
高冠群
刘念浩
郭帅
邓英
温国强
韩娜
王德昌
周文宇
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Abstract

本发明实施例公开了一种抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定系统及方法，所述方法包括：获取抽水蓄能机组工作时的参数；初始化抽水蓄能机组的N维状态空间；计算安全阈值，其中所述安全阈值为抽水蓄能机组参数的安全运行状态与非安全运行状态之间的参数阈值；确定监控抽水蓄能设备在正常运行状态与安全运行状态之间的参数阈值以作为安全阀边线，以及安全运行状态与非安全运行状态之间的参数阈值以作为不可逾越的边线。

Description

抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定系统及方法
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别是一种抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定系统及方法。
背景技术
抽水蓄能电站在电网负责调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用、黑启动和系统容量备用的任务，由此可见抽水蓄能电站对于提高电力系统效率和能量使用率具有非常重要的作用。抽水蓄能电站在使用中，特别是在运行中工况转换和过渡过程下，抽水蓄能机组会进行频繁启停、频繁进行工况转换。如果在工况转换的过渡过程中任何一个设备参数出现异常，都将导致电站处于不稳定状态，给电站安全造成危害，因此抽水蓄能电站中设备的安全阈值参数是实现提前安全保护的屏障。
在现有技术中，抽水蓄能电站中设备的安全阈值参数通常无法通过现场试验获取。如果通过仿真试验的方法获取安全阈值参数时，往往仿真的场景与实际相差很大，且仿真需要单台机组的所有寿命期间的工况都要考虑到，这是个费时费力的工作，难以实现。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明实施例的目的是提供一种抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定系统及方法，能够确定抽水蓄能机组运行参数安全阈值，从而实现对抽水蓄能机组运行的智能监控。
为了实现上述目的，本发明实施例提出了一种抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定方法，包括：
步骤1、获取抽水蓄能机组工作时的参数；
步骤2、根据抽水蓄能机组工作的历史参数和参数对应的状态，确定抽水蓄能机组的正常运行状态空间、安全运行状态空间、非安全运行状态空间；
步骤3、根据所述正常运行状态空间、安全运行状态空间、非安全运行状态空间，确定正常运行状态与安全运行状态之间的参数阈值以作为安全阀边线，并确定安全运行状态与非安全运行状态之间的参数阈值以作为不可逾越的边线。
其中，所述步骤2具体为：
初始化抽水蓄能机组的N维状态空间其中抽水蓄能机组正常运行状态时N维状态空间安全运行状态N维状态空间非安全运行状态时N维状态空间
其中R为状态工作点的集合，X状态空间变量，X0初始状态，Xs安全状态，Xu不安全状态。
其中，所述步骤3具体为：
利用以下公式3.1计算安全阈值，其中所述安全阈值为抽水蓄能机组参数的安全运行状态与非安全运行状态之间的参数阈值；
其中，ψ(t,X0,D)为可达集，不可达集，V(X，e)＝XTPX+K(e)为阈值计算方程；
其中P由PA+ATP＝-Q求解，P是对称的正定矩阵，A为状态变量的系数矩阵，AT为A的转置矩阵；
K(e)为与矩阵Q相关联的阈值系数；
Ψ某一次运行轨迹的集合；
φ为空集；
Q为正定矩阵，可任意选定。
其中，所述方法还包括：根据安全阀边线和不可逾越的边线，生成监控抽水蓄能设备的状态模型；其中所述安全阀边线组成的空间嵌套在所述不可逾越的边线形成的空间内。
其中，所述方法还包括：通过安全阀边线和不可逾越的边线，建立监控抽水蓄能设备的运行监测模型；实时控制监控抽水蓄能设备的工作参数，以使监控抽水蓄能设备工作在安全阀边线内。
其中，所述方法还包括：在监控抽水蓄能设备的工作状态达到安全阀边线与不可逾越的边线的空间时，紧急停机并报警。
同时，本发明实施例还提出了一种抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定系统，包括：
参数获取模块，用于获取抽水蓄能机组工作时的参数；
状态确定模块，用于根据抽水蓄能机组工作的历史参数和参数对应的状态，确定抽水蓄能机组的正常运行状态空间、安全运行状态空间、非安全运行状态空间；
边线确定模块，用于根据所述正常运行状态空间、安全运行状态空间、非安全运行状态空间，确定正常运行状态与安全运行状态之间的参数阈值以作为安全阀边线，并确定安全运行状态与非安全运行状态之间的参数阈值以作为不可逾越的边线。
其中，所述状态确定模块用于执行以下操作：
初始化抽水蓄能机组的N维状态空间其中抽水蓄能机组正常运行状态时N维状态空间安全运行状态N维状态空间非安全运行状态时N维状态空间
其中R为状态工作点的集合，X状态空间变量，X0初始状态，Xs安全状态，Xu不安全状态。
其中，所述边线确定模块用于执行以下操作：
利用以下公式3.1计算安全阈值，其中所述安全阈值为抽水蓄能机组参数的安全运行状态与非安全运行状态之间的参数阈值；
其中，ψ(t,X0,D)为可达集，不可达集，V(X，e)＝XTPX+K(e)为阈值计算方程；
其中P由PA+ATP＝-Q求解，P是对称的正定矩阵，A为状态变量的系数矩阵，AT为A的转置矩阵；
K(e)为与矩阵Q相关联的阈值系数；
Ψ某一次运行轨迹的集合；
φ为空集；
Q为正定矩阵，可任意选定。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：上述技术方案提出了一种抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定系统及方法，能够很好的确定正常运行区域、安全运行区域、非安全运行区域，这样就可以通过实时的抽水蓄能机组的参数来确定当前的抽水蓄能机组的运行在哪一个区域，从而实现对抽水蓄能机组运行状态的实时监控。
附图说明
图1为本发明实施例的监控抽水蓄能设备的运行监测模型图；
图2为本发明实施例的方法流程图；
图3为本发明实施例中的二阶系统风电机组转速安全阈值计算示意图；
图4为本发明实施例的系统示意框图。
具体实施方式
为了说明本发明的一种基下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例提出了一种抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定方法，其流程如图2所示的，包括：
步骤1、获取抽水蓄能机组工作时的参数；并根据监控抽水蓄能设备工作时的参数以及对应的状态，利用数值状态方程进行辨识以确定运行工况数学模型；
步骤2、初始化抽水蓄能机组的N维状态空间其中抽水蓄能机组正常运行状态时N维状态空间安全运行状态N维状态空间非安全运行状态时N维状态空间
步骤2、利用以下公式3.1计算安全阈值，其中所述安全阈值为抽水蓄能机组参数的安全运行状态与非安全运行状态之间的参数阈值；
其中，所述公式3.1中包括可达集ψ(t,X0,D)、不可达集和阈值计算方程组成V(X，e)＝XTPX+K(e)，其中P由PA+ATP＝-Q求解，K(e)为与矩阵Q相关联的阈值系数；
步骤3、根据公式3.1确定监控抽水蓄能设备在正常运行状态与安全运行状态之间的参数阈值以作为安全阀边线，以及安全运行状态与非安全运行状态之间的参数阈值以作为不可逾越的边线。
其中R为状态工作点的集合，X状态空间变量，X0初始状态，Xs安全状态，Xu不安全状态；
其中P由PA+ATP＝-Q求解，P是对称的正定矩阵，A为状态变量的系数矩阵，AT为A的转置矩阵；
K(e)为与矩阵Q相关联的阈值系数；
Ψ某一次运行轨迹的集合；
φ为空集；
Q为正定矩阵，可任意选定。
其中，所述方法还包括：通过安全阀边线和不可逾越的边线，建立监控抽水蓄能设备的运行监测模型；实时控制监控抽水蓄能设备的工作参数，以使监控抽水蓄能设备工作在安全阀边线内。
其中，所述方法还包括：在监控抽水蓄能设备的工作状态达到安全阀边线与不可逾越的边线的空间时，紧急停机并报警。
其中，所述方法还包括：根据安全阀边线和不可逾越的边线，生成监控抽水蓄能设备的状态模型；其中所述安全阀边线组成的空间嵌套在所述不可逾越的边线形成的空间内。
抽水蓄能电站在电网负责调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用、黑启动和系统容量备用的任务，特别对运行中的工况转换和过渡过程下，抽水蓄能机组的频繁启停、频繁进行工况转换；如果在工况转换的过渡过程中任何一个设备参数出现异常，将导致电站处于不稳定状态，给电站安全造成危害。因此，安全阈值参数是实现提前安全保护的屏障，通常无法通过现场试验获取，如果通过仿真试验的方法获取，往往仿真的场景与实际相差很大，同时，这个仿真需要单台机组的所有寿命期间的工况都要考虑到，这是个费时费力的工作，难以实现，因此，我们发明了一种抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定系统及安全阈值获取方法，用于对机组进行安全评估。
本发明公开了一种抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定系统及安全阈值获取方法，抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定系统组成如图4所示，现场的数据通过数据采集模块-b或现场监控系统-a，经过安全监控模块-e的软件和硬件进行抽水蓄能机组运行数据处理、计算、显示及获取主要运行参数的安全阀值；并能根据历史纪录的数据求出参数的阀值系数，设定监控工况转换过程中的参数(运行转速、蜗壳输出压力和导叶开度)的安全阈值，控制保护上限。机组运行期间的安全数据经安全监控模块面板-d显示，并由安全监控软件进行数据处理和运算，根据安全框架理论的安全阈值获取方法，计算安全阈值和保护报警输出；同时，将关键安全参数和安全不可逾越边线画成图线输出显示在安全监控模块面板-d上。为机组运行提供安全保障。
本发明实施例的抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定系统组成如图4所示，它通过数据采集模块-2，现场的数据通过数据采集模块-b或现场监控系统-a，经过安全监控模块-e的软件和硬件进行抽水蓄能机组运行数据处理、计算、显示及获取主要运行参数的安全阀值；并能根据历史纪录的数据求出参数的阀值系数，设定监控工况转换过程中的参数(运行转速、蜗壳输出压力和导叶开度)的安全阈值，控制保护上限。机组运行期间的安全数据经安全监控模块面板-d显示，并由安全监控软件进行数据处理和运算，根据安全框架理论的安全阈值获取方法，计算安全阈值和保护报警输出；同时，将关键安全参数和安全不可逾越边线画成图线输出显示在安全监控模块面板-d上。运行状态数据可经过安全监控模块面板-d的手动按钮(5-运行参数显示按钮、6-阈值参数显示按钮，7-不安全参数显示按钮，8-状态操作按钮)数据显示和状态控制，根据抽水蓄能机组的运行参数和工况修改设计安全框架参数和计算安全阈值。
安全阈值获取方法是由风电机组运行安全框架(如图1所示)组成，安全框架可划分为运行状态稳定阈-1(初始化N维状态空间正常运行N维状态空间安全运行N维状态空间)和非安全阈-2(非安全运行N维状态空间)，实际风电机组运行转速就对应着上述的运行状态空间，但将非安全阈-2状态空间从发电运行区间分离出来，并控制这个非安全阈-2的边界线条件，使风电机组运行轨迹控制在安全区域中。它是一种非安全阈-2的状态空间分离的方法-3，它由阈值计算方程3.1，转速的安全阈值系数，构造不可逾越的边线，控制转速的安全阈值，使风电机组的转速的运行轨迹在图1所示的正常运行状态的区域内，实现风电机组的安全运行。
本发明实施例提出了一种抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定系统及安全阈值获取方法，抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定系统组成如图4所示，现场的数据通过数据采集模块-b或现场监控系统-a，经过安全监控模块-e的软件和硬件进行抽水蓄能机组运行数据处理、计算、显示及获取主要运行参数的安全阀值；并能根据历史纪录的数据求出参数的阀值系数，设定监控工况转换过程中的参数(运行转速、蜗壳输出压力和导叶开度)的安全阈值，控制保护上限。机组运行期间的安全数据经安全监控模块面板-d显示，并由安全监控软件进行数据处理和运算，根据安全框架理论的安全阈值获取方法，计算安全阈值和保护报警输出；同时，将关键安全参数和安全不可逾越边线画成图线输出显示在安全监控模块面板-d上。
在安全监控系统中，安全框架由安全阈-3、运行状态稳定阈和非安全阈组成(图1)；抽水蓄能机组参数的安全阈是由安全阈值计算方程、安全阈值边界线和不可逾越安全边界线组成，参数的安全阈由安全阈值系数调整的安全阈值边界线确定。调用安全阈值计算方程3.1，完成非安全区域和安全区域的分离。
安全监控系统(图4)可经过手动按钮操作运行状态和数据，可经过安全监控模块面板-d的手动按钮(5-运行参数显示按钮、6-阈值参数显示按钮，7-不安全参数显示按钮，8-操作按钮)数据显示和状态控制，根据抽水蓄能机组的运行参数和工况修改设计安全框架参数和计算安全阈值。根据图2所示的安全阈值边界计算软件程序，处理现场输入的数据，辨识运行过程状态空间方程，调用安全阈值计算方程-3.1，完成安全阈-3的状态空间分离-1.3，并计算参数的安全阈值系数和安全阈值点，构成安全阈值边界线-3.2和不可逾越的安全边线-3.3，实现抽水蓄能机组运行安全监控。
抽水蓄能机组运行安全监控是通过对阈值参数监控完成，参数的阈值计算方程组3.1，由可达集ψ(t,X0,D)、不可达集和阈值计算方程组成V(X，e)＝XTPX+K(e)，其中P由PA+ATP＝-Q求解，k(e)为阈值系数与Q矩阵相关，安全阈值的数值方程求解按实施案例中的安全阈值边线软件程序框图(图2)完成。
假设运行功率、导叶开度和蜗壳尾压为定值，抽水蓄能机组转速的运行方程近似是个二阶系统，我们计算出的安全阈值区间如图3所示园域所示，a为安全阈值系数，可根据现场不同的运行历史数据确定，在本案中，分别选a＝0.02，0.04，对应发电正常停机与故障甩负荷；a＝0.07，0.09，对应抽水正常停机和故障停机电甩负荷的运行工况.安全阈值边线包围的区域为正常运行安全区域。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定方法，其特征在于，包括：
步骤1、获取抽水蓄能机组工作时的参数；
步骤2、根据抽水蓄能机组工作的历史参数和参数对应的状态，确定抽水蓄能机组的正常运行状态空间、安全运行状态空间、非安全运行状态空间；
步骤3、根据所述正常运行状态空间、安全运行状态空间、非安全运行状态空间，确定正常运行状态与安全运行状态之间的参数阈值以作为安全阀边线，并确定安全运行状态与非安全运行状态之间的参数阈值以作为不可逾越的边线。
2.根据权利要求1所述的抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
初始化抽水蓄能机组的N维状态空间其中抽水蓄能机组正常运行状态时N维状态空间安全运行状态N维状态空间非安全运行状态时N维状态空间
其中R为状态工作点的集合，X状态空间变量，X0初始状态，Xs安全状态，Xu不安全状态。
3.根据权利要求1所述的抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
利用以下公式3.1计算安全阈值，其中所述安全阈值为抽水蓄能机组参数的安全运行状态与非安全运行状态之间的参数阈值；
其中，ψ(t,X0,D)为可达集，不可达集，V(X，e)＝XTPX+K(e)为阈值计算方程；
其中P由PA+ATP＝-Q求解，P是对称的正定矩阵，A为状态变量的系数矩阵，AT为A的转置矩阵；
K(e)为与矩阵Q相关联的阈值系数；
Ψ某一次运行轨迹的集合；
φ为空集；
Q为正定矩阵，可任意选定。
4.根据权利要求1所述的抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定方法，其特征在于，所述方法还包括：根据安全阀边线和不可逾越的边线，生成监控抽水蓄能设备的状态模型；其中所述安全阀边线组成的空间嵌套在所述不可逾越的边线形成的空间内。
5.根据权利要求1所述的抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定方法，其特征在于，所述方法还包括：通过安全阀边线和不可逾越的边线，建立监控抽水蓄能设备的运行监测模型；实时控制监控抽水蓄能设备的工作参数，以使监控抽水蓄能设备工作在安全阀边线内。
6.根据权利要求5所述的抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定方法，其特征在于，所述方法还包括：在监控抽水蓄能设备的工作状态达到安全阀边线与不可逾越的边线的空间时，紧急停机并报警。
7.一种抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定系统，其特征在于，包括：
参数获取模块，用于获取抽水蓄能机组工作时的参数；
状态确定模块，用于根据抽水蓄能机组工作的历史参数和参数对应的状态，确定抽水蓄能机组的正常运行状态空间、安全运行状态空间、非安全运行状态空间；
边线确定模块，用于根据所述正常运行状态空间、安全运行状态空间、非安全运行状态空间，确定正常运行状态与安全运行状态之间的参数阈值以作为安全阀边线，并确定安全运行状态与非安全运行状态之间的参数阈值以作为不可逾越的边线。
8.根据权利要求7所述的抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定系统，其特征在于，所述状态确定模块用于执行以下操作：
初始化抽水蓄能机组的N维状态空间其中抽水蓄能机组正常运行状态时N维状态空间安全运行状态N维状态空间非安全运行状态时N维状态空间
其中R为状态工作点的集合，X状态空间变量，X0初始状态，Xs安全状态，Xu不安全状态。
9.根据权利要求7所述的抽水蓄能机组运行参数安全阀值整定系统，其特征在于，所述边线确定模块用于执行以下操作：
利用以下公式3.1计算安全阈值，其中所述安全阈值为抽水蓄能机组参数的安全运行状态与非安全运行状态之间的参数阈值；
其中，ψ(t,X0,D)为可达集，不可达集，V(X，e)＝XTPX+K(e)为阈值计算方程；
其中P由PA+ATP＝-Q求解，P是对称的正定矩阵，A为状态变量的系数矩阵，AT为A的转置矩阵；
K(e)为与矩阵Q相关联的阈值系数；
Ψ某一次运行轨迹的集合；
φ为空集；
Q为正定矩阵，可任意选定。
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