CN114810469B - 导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数pid闭环控制相结合的控制系统 - Google Patents

导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数pid闭环控制相结合的控制系统 Download PDF

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Abstract

导叶开度模拟量分段开环控制与调速器PID闭环控制相结合的控制系统，包括查表计算模块，循环自加模块一，限幅模块一，循环自减模块，限幅模块二，选择器模块，循环自加模块二，加法器。该系统在开度模式下，监控系统采取查对应数据表，分段开环控制的方式，输出导叶开度模拟量控制信号，调速系统采取PID闭环控制方式，输出液压随动系统控制信号，二者相结合，对机组有功功率进行快速精准调节的全新方法，旨在解决开度模式下采用功率闭环常规脉冲调节方式，有功功率调节速度慢，调节过程易受水锤反作用和机组惯性作用的影响，以及纯开环控制方式下，水头、有功功率与导叶开度对应数据表有偏差导致开度控制有静态偏差等问题。

Description

导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数PID闭环控制 相结合的控制系统
技术领域
本发明属于水电站计算机监控系统领域，具体涉及一种水电站监控系统导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数PID闭环控制相结合的控制方法及系统。
背景技术
目前，水轮发电机组运行过程中，开度模式下监控系统通常采用功率闭环常规脉冲调节方式，通过中间继电器，输出开度增减脉冲给调速器电控系统，以实现控制水轮发电机组开度控制。控制方法详见中国发明专利《一种水电站机组LCU有功脉冲调节系统》，(专利号：ZL201610327273.6)。该方法采用插值算法和修正比例算法改善了水电站机组有功脉冲调节系统在开度调节模式下的功率调节的时效性和可靠性，但由于此种方式从结构上采取的是闭环比例脉宽调制方式，依然存在导叶开度和有功功率调节速度慢，调节过程易受水锤反作用和机组惯性作用的影响等问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种水电站监控系统导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数PID闭环控制相结合的控制方法及系统，旨在解决开度模式下采用功率闭环常规脉冲调节方式，有功功率调节速度慢，调节过程易受水锤反作用和机组惯性作用的影响，以及纯开环控制方式下，水头、有功功率与导叶开度对应数据表有偏差导致开度控制有静态偏差等问题；同时抑制调节速度过快产生严重超调现象，提高机组导叶开度和有功功率的小幅度或末端调整的性能和品质，实现机组导叶开度和有功功率的快速精确稳定实时控制，提高调节品质。
本发明采取的技术方案为：
方案一：
一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器PID闭环控制相结合的控制方法，其特征在于包括：监控系统部分控制方法、调速系统部分控制方法；
监控系统部分控制方法包括以下步骤：
第1步、监控系统控制参数△D,△D1及水头、有功功率与导叶开度一一对应表数据初始化,进入第2步。
第2步、监控系统采集变量有功功率给定值G给定，机组水头w,导叶开度反馈D，进入第3步。
第3步、检测监控系统是否处于开度模式，若是，进入第4步；否则，继续本检测。
第4步、监控系统检测开度模式下AGC是否下发一个新的有功功率给定值G给定，若是，进入第5步；否则，进入第6步。
第5步、监控系统根据AGC下发的新的有功功率给定值G给定和当前机组水头w查水头、有功功率与导叶开度一一对应数据表，计算对应的导叶开度值D表。
水头、有功功率与导叶开度一一对应数据表如表1所示，表1中p、q、x、y都为正整数，1＜x≤p，1＜y≤q，Dx,y为Wx水头Gy有功功率对应的导叶开度；
表1水头、有功功率与导叶开度一一对应数据表
W1 W2 … Wx-1 Wx … Wp-1 Wp
G1 D1,1 D2,1 … Dx-1，1 Dx，1 … Dp-1,1 Dp，1
G2 D1,2 D2,2 … Dx-1，2 Dx，2 … Dp-1,2 Dp，2
… … … … … … … … …
Gy-1 D1，y-1 D2，y-1 … Dx-1，y-1 Dx，y-1 … Dp-1,y-1 Dp，y-1
Gy D1，y D2，y … Dx-1，y Dx，y … Dp-1,y Dp，y
… … … … … … … … …
Gq-1 D1，q-1 D2，q-1 … Dx-1，q-1 Dx，q-1 … Dp-1,q-1 Dp，q-1
Gq D1，q D2，q … Dx-1，q Dx，q … Dp-1,q Dp，q
若Wx-1≤w≤Wx，Gy-1≤g≤Gy，则
D表y-1＝Dx-1，y-1+(Dx，y-1-Dx-1，y-1)(w-Wx-1)/(Wx-Wx-1)。
D表y＝Dx-1，y+(Dx，y-Dx-1，y)(w-Wx-1)/(Wx-Wx-1)。
D表＝d表y-1+(d表y-d表y-1)(g-Gx-1)/(Gx-Gx-1)。进入第6步。
第6步、若∣D表-D∣≧△D1且为初次，进入第7步；若∣D表-D∣≧△D1且为非初次，进入第8步；若∣D表-D∣<△D1且为初次，进入第10步；若∣D表-D∣<△D1且为非初次，进入第11步。
第7步、控制变量D1控制0赋初值D，进入第8步。
第8步、D1控制n＝D1控制n-1+△D，△D为控制参数变化步长，进入第9步。D1控制n-1为D1控制n的上一周期值，n为正整数。
第9步、如果D1控制n>K1*D表，则D1’控制n＝K1*D表，进入第13步；否则，D1’控制n＝D1控制n，进入第13步。
第10步、控制变量D1控制0赋初值D，进入第11步。
第11步、D1控制n＝D1控制n-1-△D，△D为控制参数变化步长，进入第12步。D1控制n-1为D1控制n的上一周期值，n为正整数。
第12步、如果D1控制n<D表，则D1’控制n＝D表，进入第13步；否则，D1’控制n＝D1控制n，进入第13步。
第13步、监控系统输出导叶开度模拟量控制信号D1’控制n，返回第2步。
调速系统部分控制方法，以下步骤：
S1、调速系统数据△D2初始化,进入S2。
S2、调速系统采集监控系统输出的导叶开度模拟量控制信号D1’控制n和查表计算出的对应导叶开度值D表，导叶开度反馈D,有功功率给定G给定、功率反馈Gn以及PID参数向量k(kp，ki，kd)，进入S3。
S3、调速系统检测调速系统是否处于开度模式，若是，进入S4；否则，继续本检测。
S4、若∣D表-D∣<△D2且为初次，进入S5；若∣D表-D∣<△D2且为非初次，进入S6；否则，进入S7。
S5、控制变量D2控制0赋初值0，进入S6。
S6、D2控制n＝D2控制n-1+kp*G给定+ki*(G给定-Gn)+kd*(Gn-Gn-1)，Gn-1为上一周期采集的功率反馈信号。进入S7。D2控制n-1为D2控制n的上一周期值，n为正整数。
S7、D控制n＝D1’控制n-1+D2控制n-1，进入S8。D1’控制n-1为D1’控制n的上一周期值，n为正整数。
S8、调速系统输出导叶开度模拟量控制信号D控制n给液压随动系统电控部分，n++，返回S2。
一种水电站导叶开度模拟量分段开环控制与调速器PID闭环控制相结合的控制系统，包括：监控系统部分、调速系统部分；
监控系统部分包括查表计算模块，循环自加模块，限幅模块一，循环自减模块，限幅模块二，选择器模块；
查表计算模块，采集有功功率给定G给定和机组水头w，查水头、有功功率与导叶开度一一对应表计算，输出计算结果D表给限幅模块一和限幅模块二。
循环自加模块，监测有功功率给定G给定变化且∣D表-D∣<△D1使能信号，并采集导叶开度反馈D。当使能信号初次动作时，D控制0赋初值D。循环自加模块不断对D1控制n循环自加控制参数步长△D，输出D1控制n给限幅模块一。
限幅模块一，采集查表计算模块输出的D表和循环自加模块输出的D1控制n，对D1控制n进行限幅输出，最大值为K1*D表。K1通常取1.4。输出导叶开度模拟量控制信号D1’控制n给选择器模块通道0。
循环自减模块，监测有功功率给定G给定变化且∣D表-D∣<△D1使能信号，并采集导叶开度反馈D。当使能信号初次动作时，D控制0赋初值D。循环自减模块不断对D1控制n循环自减控制参数步长△D，输出D1控制n给限幅模块一。
限幅模块二，采集查表计算模块输出的D表和循环自减模块输出的D1控制n，对D1控制n进行限幅输出，最小值为D表。输出导叶开度模拟量控制信号D1’控制n给选择器模块通道1。
选择器模块，监测∣D表-D∣<△D1选择信号，并采集限幅模块一和限幅模块二输出给选择器模块的导叶开度模拟量控制信号D1’控制n。当∣D表-D∣<△D1不满足时，选择器模块选择通道0，输出限幅模块一输出给选择器模块的导叶开度模拟量控制信号D1’控制n；当∣D表-D∣<△D1满足时，选择器模块选择通道1，输出限幅模块二输出给选择器模块的导叶开度模拟量控制信号D1’控制n。选择器模块将导叶开度模拟量控制信号D1’控制n输出给调速器电控系统。
调速系统部分包括：PID模块，加法器，液压随动系统电控部分；
PID模块，监测∣D表-D∣<△D2使能信号，并采集有功功率给定G给定、功率反馈Gn以及PID参数向量k(kp，ki，kd)。当使能信号动作时，D2控制0赋初值0。D2控制n＝D2控制n-1+kp*G给定+ki*(G给定-Gn)+kd*(Gn-Gn-1)。Gn-1为上一周期采集的功率反馈信号。PID模块输出D2控制给加法器。D2控制n-1为D2控制n的上一周期值，n为正整数。
加法器，采集监控系统选择器模块输出的D1’控制n和PID模块输出的D2控制n，相加后输出导叶开度模拟量控制信号D控制n给液压随动系统电控部分。
液压随动系统电控部分，采集加法器输出的导叶开度模拟量控制信号D控制n，通过处理后输出液压随动系统电控信号B控制。
方案二：
一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数PID闭环控制相结合的控制方法，包括：监控系统部分控制方法、调速系统部分控制方法；
监控系统部分控制方法包括以下步骤：
第1步、监控系统控制参数△D、△D1及水头、有功功率与导叶开度一一对应表数据初始化,进入第2步。
第2步、监控系统采集变量有功功率给定值G给定，机组水头w,导叶开度反馈D，进入第3步。
第3步、检测是否处于开度模式，若是，进入第4步；否则，继续本检测。
第4步、监控系统检测开度模式下AGC是否下发一个新的有功功率给定值G给定，若是，进入第5步；否则，进入第6步。
第5步、监控系统根据AGC下发的新的有功功率给定值G给定和当前机组水头w查水头、有功功率与导叶开度一一对应数据表，计算对应的导叶开度值D表。
水头、有功功率与导叶开度一一对应数据表如表1所示。表1中p、q、x、y都为正整数，1＜x≤p，1＜y≤q，Dx,y为Wx水头Gy有功功率对应的导叶开度；
表1水头、有功功率与导叶开度一一对应数据表
W1 W2 … Wx-1 Wx … Wp-1 Wp
G1 D1,1 D2,1 … Dx-1，1 Dx，1 … Dp-1,1 Dp，1
G2 D1,2 D2,2 … Dx-1，2 Dx，2 … Dp-1,2 Dp，2
… … … … … … … … …
Gy-1 D1，y-1 D2，y-1 … Dx-1，y-1 Dx，y-1 … Dp-1,y-1 Dp，y-1
Gy D1，y D2，y … Dx-1，y Dx，y … Dp-1,y Dp，y
… … … … … … … … …
Gq-1 D1，q-1 D2，q-1 … Dx-1，q-1 Dx，q-1 … Dp-1,q-1 Dp，q-1
Gq D1，q D2，q … Dx-1，q Dx，q … Dp-1,q Dp，q
若Wx-1≤w≤Wx，Gy-1≤g≤Gy，则
D表y-1＝Dx-1，y-1+(Dx，y-1-Dx-1，y-1)(w-Wx-1)/(Wx-Wx-1)。
D表y＝Dx-1，y+(Dx，y-Dx-1，y)(w-Wx-1)/(Wx-Wx-1)。
D表＝d表y-1+(d表y-d表y-1)(g-Gx-1)/(Gx-Gx-1)。进入第6步。
第6步、若∣D表-D∣≧△D1且为初次，进入第7步；若∣D表-D∣≧△D1且为非初次，进入第8步；若∣D表-D∣<△D1且为初次，进入第10步；若∣D表-D∣<△D1且为非初次，进入第11步。
第7步、控制变量D1控制0赋初值D，进入第8步。
第8步、D1控制n＝D1控制n-1+△D，△D为控制参数变化步长，进入第9步。D1控制n-1为D1控制n的上一周期值，n为正整数。
第9步、如果D1控制n>K1*D表，则D1’控制n＝K1*D表，进入第13步；否则，D1’控制n＝D1控制n，进入第13步。增益系数K1通常取1.4。
第10步、控制变量D1控制0赋初值D，进入第11步。
第11步、D1控制n＝D1控制n-1-△D，△D为控制参数变化步长，进入第12步。D1控制n-1为D1控制n的上一周期值，n为正整数。
第12步、如果D1控制n<D表，则D1’控制n＝D表，进入第13步；否则，D1’控制n＝D1控制n，进入第13步。
第13步、监控系统输出导叶开度模拟量控制信号D1’控制n，返回第2步。
调速系统部分控制方法，以下步骤：
S1、调速系统数据△D2、△D3初始化,进入S2。
S2、调速系统采集监控系统输出的导叶开度模拟量控制信号D1’控制n和查表计算出的对应导叶开度值D表，导叶开度反馈D,有功功率给定G给定、功率反馈Gn以及PID参数向量k1(kp1，ki1，kd1)、PID参数向量k2(kp2，ki2，kd2)。进入S3。
S3、调速系统检测是否处于开度模式，若是，进入S4；否则，继续本检测。
S4、若∣D表-D∣<△D2且为初次，进入S5；若∣D表-D∣<△D2且为非初次，进入S6；否则，进入S7。
S5、控制变量D2控制0赋初值0，进入S6。
S6、如果∣D表-D∣<△D3，则k＝k2，进入S7；否则，k＝k1，进入S7。
S7、D2控制n＝D2控制n-1+kp*G给定+ki*(G给定-Gn)+kd*(Gn-Gn-1)，Gn-1为上一周期采集的功率反馈信号。进入S8。D2控制n-1为D2控制n的上一周期值，n为正整数。
S8、D控制n＝D1’控制n+D2控制n，进入S9。
S9、调速系统输出导叶开度模拟量控制信号D控制n给液压随动系统电控部分，n++，返回S2。
一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数PID闭环控制相结合的控制系统，包括：监控系统部分、调速系统部分；
所述监控系统部分包括查表计算模块，循环自加模块，限幅模块一，循环自减模块，限幅模块二，选择器模块一；
查表计算模块，采集有功功率给定G给定和机组水头w，查水头、有功功率与导叶开度一一对应表计算，输出计算结果D表给限幅模块一和限幅模块二。
循环自加模块，监测有功功率给定G给定变化且∣D表-D∣<△D1使能信号，并采集导叶开度反馈D。当使能信号初次动作时，D1控制0赋初值D。循环自加模块不断对D1控制n循环自加控制参数步长△D，输出D1控制n给限幅模块一。
限幅模块一，采集查表计算模块输出的D表和循环自加模块输出的D1控制n，对D1控制n进行限幅输出，最大值为K1*D表。K1通常取1.4。输出导叶开度模拟量控制信号D1’控制n给选择器模块一通道0。
循环自减模块，监测有功功率给定G给定变化且∣D表-D∣<△D1使能信号，并采集导叶开度反馈D。当使能信号初次动作时，D1控制0赋初值D。循环自减模块不断对D1控制n循环自减控制参数步长△D，输出D1控制n给限幅模块一。
限幅模块二，采集查表计算模块输出的D表和循环自减模块输出的D1控制n，对D1控制n进行限幅输出，最小值为D表。输出导叶开度模拟量控制信号D1’控制n给选择器模块一通道1。
选择器模块一，监测∣D表-D∣<△D1选择信号，并采集限幅模块一和限幅模块二输出给选择器模块一的导叶开度模拟量控制信号D1’控制n。当∣D表-D∣<△D1不满足时，选择器模块一选择通道0，输出限幅模块一输出给选择器模块一的导叶开度模拟量控制信号D1’控制n；当∣D表-D∣<△D1满足时，选择器模块一选择通道1，输出限幅模块二输出给选择器模块一的导叶开度模拟量控制信号D1’控制n。选择器模块一将导叶开度模拟量控制信号D1’控制n输出给调速器电控系统。
调速系统部分包括：PID模块，选择器模块二,加法器，液压随动系统电控部分；
PID模块，监测∣D表-D∣<△D2使能信号，并采集有功功率给定G给定、功率反馈Gn以及PID参数向量k(kp，ki，kd)。当使能信号动作时，D2控制0赋初值0。D2控制n＝D2控制n-1+kp*G给定+ki*(G给定-Gn)+kd*(Gn-Gn-1)。Gn-1为上一周期采集的功率反馈信号。PID模块输出D2控制n给加法器。
选择器模块二,监测∣D表-D∣<△D3选择信号，其通道0采集PID参数向量k1(kp1，ki1，kd1)，通道1采集PID参数向量k2(kp2，ki2，kd2)。当∣D表-D∣<△D不满足时，选择器模块二选择通道0，输出PID参数向量k＝k1；当∣D表-D∣<△D满足时，选择器模块二选择通道1，输出PID参数向量k＝k2。选择器模块二将PID参数向量k(kp，ki，kd)输出给PID模块。
加法器，采集监控系统选择器模块一输出的D1’控制n和PID模块输出的D2控制n，相加后输出导叶开度模拟量控制信号D控制n给液压随动系统电控部分。
液压随动系统电控部分，采集加法器输出的导叶开度模拟量控制信号D控制n，通过处理后输出液压随动系统电控信号B控制。
本发明的技术效果如下：
控制方法既有开环控制快速的特点，又有分段开环控制超调量小的优势，还有监控系统闭环控制不具备而调速器PID闭环控制具有的精准实时的长处，从而同时满足了调节过程速动性好、超调量小，调节稳定后无静差的要求，提高了动态和静态调节品质。
方案一：本发明一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器PID闭环控制相结合的控制方法及系统，具有以下优点：
优点①具有开环控制快速的特点，从而提高了调节过程速动性。
优点②具有闭环控制精准的优点，调节稳定后无静差，提高了动态和静态调节品质。
优点③通过分段开环控制可以避免了调节速度过快导致的超调量过大的问题，从而提高了调节过程的调节品质。
优点④通过调速系统中采用PID闭环控制方法，替代监控系统中闭环控制，可以提高调节的实时性，有效提高机组导叶开度和有功功率的小幅度或末端调节性能，提高调节品质。
优点⑥通过分段开环控制避免调节过程中受到水锤反作用和机组惯性作用的影响，降低整个控制系统发散振荡的风险。
方案二：本发明一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数PID闭环控制相结合的控制方法及系统，具有以下优点：
优点①具有开环控制快速的特点，从而提高了调节过程速动性。
优点②具有闭环控制精准的优点，调节稳定后无静差，提高了动态和静态调节品质。
优点③通过分段开环控制可以避免了调节速度过快导致的超调量过大的问题，从而提高了调节过程的调节品质。
优点④通过调速系统中采用PID闭环控制方法，替代监控系统中闭环控制，可以提高调节的实时性，有效提高机组导叶开度和有功功率的小幅度或末端调节性能，提高调节品质。
优点⑤通过变参数PID闭环控制可以进一步提高机组导叶开度和有功功率的小幅度或末端调整的性能和品质。
优点⑥通过分段开环控制避免调节过程中受到水锤反作用和机组惯性作用的影响，降低整个控制系统发散振荡的风险。
附图说明
图1是本发明的一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器PID闭环控制相结合的控制结构图。
图2是本发明的一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器PID闭环控制相结合的控制方法监控系统部分流程图。
图3是本发明的一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器PID闭环控制相结合的控制方法调速系统部分流程图。
图4是本发明的一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数PID闭环控制相结合的控制结构图。
图5是本发明的一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数PID闭环控制相结合的控制方法调速系统部分流程图。
具体实施方式
实施例一：
本发明属于水电站计算机电控系统领域，涉及一种全新的水电站监控系统与调速系统控制方法及结构，更具体讲，是一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器PID闭环控制相结合的控制方法及结构。该方法基于水头、有功功率与导叶开度对应数据表，在开度模式下，监控系统采取查对应数据表，分段开环控制的方式，输出导叶开度模拟量控制信号，调速系统采取PID闭环控制方式，输出液压随动系统控制信号，二者相结合，对机组有功功率进行快速精准调节的全新方法，旨在解决开度模式下采用功率闭环常规脉冲调节方式，有功功率调节速度慢，调节过程易受水锤反作用和机组惯性作用的影响，以及纯开环控制方式下，水头、有功功率与导叶开度对应数据表有偏差导致开度控制有静态偏差等问题，同时抑制调节速度过快产生严重超调现象，提高机组导叶开度和有功功率的小幅度或末端调整的性能和品质，实现机组导叶开度和有功功率的快速精确稳定实时控制，提高调节品质。
监控系统由于控制对象复杂多样，数量巨大，且控制器硬件性能水平有限，电控系统程序执行的循环扫描周期相对较长，IO输出刷新周期甚至达到1秒，在这种应用背景环境情况下，监控系统进行闭环控制若采用PID闭环控制反而会由于输出控制信号刷新实时性欠佳导致控制性能不好，通常只采用积分闭环控制，而不采用PID闭环控制，但监控系统通过采用积分闭环控制方法，机组导叶开度和有功功率的小幅度或末端或者末端调节性能不佳，采用闭环控制方法，尽管可以提高小幅度或末端调节性能，但作用有限。本发明的一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器PID闭环控制相结合的控制方法，在调速系统中采用PID闭环控制方法，替代监控系统中积分闭环控制，可以有效提高机组导叶开度和有功功率的小幅度或末端调节性能，提高调节品质。调速系统电控系统控制程序执行的循环扫描周期可以达到0.01秒，实时性强，没有应用背景环境局限的影响，可以采用PID闭环控制结构，配合监控系统导叶开度分段开环控制，实现机组导叶开度和有功功率的快速精确稳定实时控制。
本发明的一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器PID闭环控制相结合的控制方法采用先监控系统分段开环控制，后调速系统PID闭环控制的控制方法。
监控系统导叶开度分段开环控制尤其适用于机组导叶开度和有功功率的大幅度快速调整的情形，通常分为两段，前一段增益系数K1通常大于1，目的是提高机组导叶开度和有功功率调节的速度，后一段增益系数通常等于1，目的是防止机组导叶开度和有功功率调节过程出现严重超调，提高改善调节品质。分段切换条件为查表计算导叶开度D表与导叶开度D差值绝对值小于△D1。分段开环控制可以有效避免水轮发电机组调节过程中受到引水管路水锤反作用和机组惯性作用的影响，降低整个控制系统出现导叶开度和有功功率发散振荡的风险。
调速系统导叶开度PID闭环控制尤其适用于机组导叶开度和有功功率的小幅度或末端精确调整的情形。
调速系统闭环控制投入条件为查表计算导叶开度D表与导叶开度D差值绝对值小于△D2。
本发明的一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器PID闭环控制相结合的控制方法，监控系统部分控制方法详细过程步骤如下：
第1步、监控系统控制参数△D,△D1及水头、有功功率与导叶开度一一对应表数据初始化,进入第2步。
第2步、监控系统采集变量有功功率给定值G给定，机组水头w,导叶开度反馈D，进入第3步。
第3步、监控系统检测监控系统是否处于开度模式，若是，进入第4步；否则，继续本检测。
第4步、监控系统检测开度模式下AGC是否下发一个新的有功功率给定值G给定，若是，进入第5步；否则，进入第6步。
第5步、监控系统根据AGC下发的新的有功功率给定值G给定和当前机组水头w查水头、有功功率与导叶开度一一对应数据表，计算对应的导叶开度值D表。
水头、有功功率与导叶开度一一对应数据表如表1所示，表1中p、q、x、y都为正整数，1＜x≤p，1＜y≤q，Dx,y为Wx水头Gy有功功率对应的导叶开度；
表1水头、有功功率与导叶开度一一对应数据表
W1 W2 … Wx-1 Wx … Wp-1 Wp
G1 D1,1 D2,1 … Dx-1，1 Dx，1 … Dp-1,1 Dp，1
G2 D1,2 D2,2 … Dx-1，2 Dx，2 … Dp-1,2 Dp，2
… … … … … … … … …
Gy-1 D1，y-1 D2，y-1 … Dx-1，y-1 Dx，y-1 … Dp-1,y-1 Dp，y-1
Gy D1，y D2，y … Dx-1，y Dx，y … Dp-1,y Dp，y
… … … … … … … … …
Gq-1 D1，q-1 D2，q-1 … Dx-1，q-1 Dx，q-1 … Dp-1,q-1 Dp，q-1
Gq D1，q D2，q … Dx-1，q Dx，q … Dp-1,q Dp，q
若Wx-1≤w≤Wx，Gy-1≤g≤Gy，则
D表y-1＝Dx-1，y-1+(Dx，y-1-Dx-1，y-1)(w-Wx-1)/(Wx-Wx-1)。
D表y＝Dx-1，y+(Dx，y-Dx-1，y)(w-Wx-1)/(Wx-Wx-1)。
D表＝d表y-1+(d表y-d表y-1)(g-Gx-1)/(Gx-Gx-1)。进入第6步。
第6步、若∣D表-D∣≧△D1且为初次，进入第7步；若∣D表-D∣≧△D1且为非初次，进入第8步；若∣D表-D∣<△D1且为初次，进入第10步；若∣D表-D∣<△D1且为非初次，进入第11步。
第7步、控制变量D1控制0赋初值D，进入第8步。
第8步、D1控制n＝D1控制n-1+△D，△D为控制参数变化步长，进入第9步。(D1控制n-1为D1控制n的上一周期值，n为正整数)
第9步、如果D1控制n>K1*D表，则D1’控制n＝K1*D表，进入第13步；否则，D1’控制n＝D1控制n，进入第13步。
第10步、控制变量D1控制0赋初值D，进入第11步。
第11步、D1控制n＝D1控制n-1-△D，△D为控制参数变化步长，进入第12步。(D1控制n-1为D1控制n的上一周期值，n为正整数)
第12步、如果D1控制n<D表，则D1’控制n＝D表，进入第13步；否则，D1’控制n＝D1控制n，进入第13步。
第13步、监控系统输出导叶开度模拟量控制信号D1’控制n，返回第2步。
调速系统部分控制方法，以下步骤：
S1、调速系统数据△D2初始化,进入S2。
S2、调速系统采集监控系统输出的导叶开度模拟量控制信号D1’控制n和查表计算出的对应导叶开度值D表，导叶开度反馈D,有功功率给定G给定、功率反馈Gn以及PID参数向量k(kp，ki，kd)，进入S3。
S3、调速系统检测调速系统是否处于开度模式，若是，进入S4；否则，继续本检测。
S4、若∣D表-D∣<△D2且为初次，进入S5；若∣D表-D∣<△D2且为非初次，进入S6；否则，进入S7。
S5、控制变量D2控制0赋初值0，进入S6。
S6、D2控制n＝D2控制n-1+kp*G给定+ki*(G给定-Gn)+kd*(Gn-Gn-1)，Gn-1为上一周期采集的功率反馈信号。进入S7。(D2控制n-1为D2控制n的上一周期值，n为正整数)
S7、D控制n＝D1’控制n-1+D2控制n-1，进入S8。(D1’控制n-1为D1’控制n的上一周期值，n为正整数)
S8、调速系统输出导叶开度模拟量控制信号D控制n给液压随动系统电控部分，n++，返回S2。
本发明的一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器PID闭环控制相结合的控制结构图如图1所示，主要由监控系统部分和调速系统部分组成。
监控系统部分包括：查表计算模块1，循环自加模块2，限幅模块一3，循环自减模块4，限幅模块二5，选择器模块6；
查表计算模块1，采集有功功率给定G给定和机组水头w，查水头、有功功率与导叶开度一一对应表计算，输出计算结果D表给限幅模块一3和限幅模块二5。
循环自加模块2，监测有功功率给定G给定变化且∣D表-D∣<△D1使能信号，并采集导叶开度反馈D。当使能信号初次动作时，D控制0赋初值D。循环自加模块2不断对D1控制n循环自加控制参数步长△D，输出D1控制n给限幅模块一3。
限幅模块一3，采集查表计算模块1输出的D表和循环自加模块2输出的D1控制n，对D1控制n进行限幅输出，最大值为K1*D表。K1通常取1.4。输出导叶开度模拟量控制信号D1’控制n给选择器模块6通道0。
循环自减模块4，监测有功功率给定G给定变化且∣D表-D∣<△D1使能信号，并采集导叶开度反馈D。当使能信号初次动作时，D控制0赋初值D。循环自减模块4不断对D1控制n循环自减控制参数步长△D，输出D1控制n给限幅模块一3。
限幅模块二5，采集查表计算模块1输出的D表和循环自减模块4输出的D1控制n，对D1控制n进行限幅输出，最小值为D表。输出导叶开度模拟量控制信号D1’控制n给选择器模块6通道1。
选择器模块6，监测∣D表-D∣<△D1选择信号，并采集限幅模块一3和限幅模块二5输出给选择器模块6的导叶开度模拟量控制信号D1’控制n。当∣D表-D∣<△D1不满足时，选择器模块6选择通道0，输出限幅模块一3输出给选择器模块6的导叶开度模拟量控制信号D1’控制n；当∣D表-D∣<△D1满足时，选择器模块6选择通道1，输出限幅模块二5输出给选择器模块6的导叶开度模拟量控制信号D1’控制n。选择器模块6将导叶开度模拟量控制信号D1’控制n输出给调速器电控系统。
调速系统部分包括：PID模块7，加法器8，液压随动系统电控部分9；
PID模块7，监测∣D表-D∣<△D2使能信号，并采集有功功率给定G给定、功率反馈Gn以及PID参数向量k(kp，ki，kd)。当使能信号动作时，D2控制0赋初值0。D2控制n＝D2控制n-1+kp*G给定+ki*(G给定-Gn)+kd*(Gn-Gn-1)。Gn-1为上一周期采集的功率反馈信号。PID模块7输出D2控制给加法器8。D2控制n-1为D2控制n的上一周期值，n为正整数。
加法器8，采集监控系统选择器模块6输出的D1’控制n和PID模块7输出的D2控制n，相加后输出导叶开度模拟量控制信号D控制n给液压随动系统电控部分9。
液压随动系统电控部分9，采集加法器8输出的导叶开度模拟量控制信号D控制n，通过处理后输出液压随动系统电控信号B控制。
本发明的一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器PID闭环控制相结合的控制方法，监控系统部分流程图如图2所示。
本发明的一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器PID闭环控制相结合的控制方法，调速系统部分流程图如图3所示。
实施例二：
为了进一步提高机组导叶开度和有功功率的小幅度或末端调整的性能和品质，在一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器PID闭环控制相结合的控制方法及结构基础上进行优化改良，实现变参数PID闭环控制，形成一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数PID闭环控制相结合的控制方法及结构。
该方法基于水头、有功功率与导叶开度对应数据表，在开度模式下，监控系统采取查对应数据表，分段开环控制的方式，输出导叶开度模拟量控制信号，调速系统采取变参数PID闭环控制方式，输出液压随动系统控制信号，二者相结合，对机组有功功率进行快速精准调节的全新方法，旨在解决开度模式下采用功率闭环常规脉冲调节方式，有功功率调节速度慢，调节过程易受水锤反作用和机组惯性作用的影响，以及纯开环控制方式下，水头、有功功率与导叶开度对应数据表有偏差导致开度控制有静态偏差等问题，同时抑制调节速度过快产生严重超调现象，大幅提高机组导叶开度和有功功率的小幅度或末端调整的性能和品质，实现机组导叶开度和有功功率的快速精确稳定控制，提高调节品质。
监控系统由于控制对象复杂多样，数量巨大，且控制器硬件性能水平有限，电控系统程序执行的循环扫描周期相对较长，IO输出刷新周期甚至达到1秒，在这种应用背景环境情况下，监控系统进行闭环控制若采用PID闭环控制反而会由于输出控制信号刷新实时性欠佳导致控制性能不好，通常只采用积分闭环控制，而不采用PID闭环控制，但监控系统通过采用积分闭环控制方法，机组导叶开度和有功功率的小幅度或末端或者末端调节性能不佳，采用变积分闭环控制方法，尽管可以提高小幅度或末端调节性能，但作用有限。本发明的一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数PID闭环控制相结合的控制方法，在调速系统中采用变参数PID闭环控制方法，替代监控系统中积分闭环控制，可以大幅提高机组导叶开度和有功功率的小幅度或末端调节性能，提高调节品质。调速系统电控系统控制程序执行的循环扫描周期可以达到0.01秒，实时性强，没有应用背景环境局限的影响，可以采用变参数PID闭环控制结构，配合监控系统导叶开度分段开环控制，实现机组导叶开度和有功功率的快速精确稳定实时控制。
本发明的一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数PID闭环控制相结合的控制方法采用先监控系统分段开环控制，后调速系统变参数PID闭环控制的控制方法。
监控系统导叶开度分段开环控制尤其适用于机组导叶开度和有功功率的大幅度快速调整的情形，通常分为两段，前一段增益系数K1通常大于1，目的是提高机组导叶开度和有功功率调节的速度，后一段增益系数通常等于1，目的是防止机组导叶开度和有功功率调节过程出现严重超调，提高改善调节品质。分段切换条件为查表计算导叶开度D表与导叶开度D差值绝对值小于△D1。分段开环控制可以有效避免水轮发电机组调节过程中受到引水管路水锤反作用和机组惯性作用的影响，降低整个控制系统出现导叶开度和有功功率发散振荡的风险。
调速系统导叶开度PID闭环控制尤其适用于机组导叶开度和有功功率的小幅度或末端精确调整的情形。导叶开度变参数PID闭环控制可以进一步提高机组导叶开度和有功功率的小幅度或末端调整的性能和品质。变参数闭环控制切换条件为查表计算导叶开度D表与导叶开度D差值绝对值小于△D3。
调速系统闭环控制投入条件为查表计算导叶开度D表与导叶开度D差值绝对值小于△D2。
本发明的一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数PID闭环控制相结合的控制方法监控系统部分控制方法与一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数PID闭环控制相结合的控制方法监控系统部分相同，详细过程步骤如下：
第1步、监控系统控制参数△D、△D1及水头、有功功率与导叶开度一一对应表数据初始化,进入第2步。
第2步、监控系统采集变量有功功率给定值G给定，机组水头w,导叶开度反馈D，进入第3步。
第3步、检测是否处于开度模式，若是，进入第4步；否则，继续本检测。
第4步、监控系统检测开度模式下AGC是否下发一个新的有功功率给定值G给定，若是，进入第5步；否则，进入第6步。
第5步、监控系统根据AGC下发的新的有功功率给定值G给定和当前机组水头w查水头、有功功率与导叶开度一一对应数据表，计算对应的导叶开度值D表。
水头、有功功率与导叶开度一一对应数据表如表1所示。表1中p、q、x、y都为正整数，1＜x≤p，1＜y≤q，Dx,y为Wx水头Gy有功功率对应的导叶开度；
表1水头、有功功率与导叶开度一一对应数据表
Figure BDA0003614890190000151
Figure BDA0003614890190000161
若Wx-1≤w≤Wx，Gy-1≤g≤Gy，则
D表y-1＝Dx-1，y-1+(Dx，y-1-Dx-1，y-1)(w-Wx-1)/(Wx-Wx-1)。
D表y＝Dx-1，y+(Dx，y-Dx-1，y)(w-Wx-1)/(Wx-Wx-1)。
D表＝d表y-1+(d表y-d表y-1)(g-Gx-1)/(Gx-Gx-1)。进入第6步。
第6步、若∣D表-D∣≧△D1且为初次，进入第7步；若∣D表-D∣≧△D1且为非初次，进入第8步；若∣D表-D∣<△D1且为初次，进入第10步；若∣D表-D∣<△D1且为非初次，进入第11步。
第7步、控制变量D1控制0赋初值D，进入第8步。
第8步、D1控制n＝D1控制n-1+△D，△D为控制参数变化步长，进入第9步。(D1控制n-1为D1控制n的上一周期值，n为正整数)
第9步、如果D1控制n>K1*D表，则D1’控制n＝K1*D表，进入第13步；否则，D1’控制n＝D1控制n，进入第13步。
第10步、控制变量D1控制0赋初值D，进入第11步。
第11步、D1控制n＝D1控制n-1-△D，△D为控制参数变化步长，进入第12步。(D1控制n-1为D1控制n的上一周期值，n为正整数)
第12步、如果D1控制n<D表，则D1’控制n＝D表，进入第13步；否则，D1’控制n＝D1控制n，进入第13步。
第13步、监控系统输出导叶开度模拟量控制信号D1’控制n，返回第2步。
调速系统部分控制方法，以下步骤：
S1、调速系统数据△D2、△D3初始化,进入S2。
S2、调速系统采集监控系统输出的导叶开度模拟量控制信号D1控制和查表计算出的对应导叶开度值D表，导叶开度反馈D,有功功率给定G给定、功率反馈Gn以及PID参数向量k1(kp1，ki1，kd1)、PID参数向量k2(kp2，ki2，kd2)。进入S3。
S3、调速系统检测是否处于开度模式，若是，进入S4；否则，继续本检测。
S4、若∣D表-D∣<△D2且为初次，进入S5；若∣D表-D∣<△D2且为非初次，进入S6；否则，进入S7。
S5、控制变量D2控制0赋初值0，进入S6。
S6、如果∣D表-D∣<△D3，则k＝k2，进入S7；否则，k＝k1，进入S7。
S7、D2控制n＝D2控制n-1+kp*G给定+ki*(G给定-Gn)+kd*(Gn-Gn-1)，Gn-1为上一周期采集的功率反馈信号。进入S8。(D2控制n-1为D2控制n的上一周期值，n为正整数)
S8、D控制n＝D1’控制n+D2控制n，进入S9。
S9、调速系统输出导叶开度模拟量控制信号D控制n给液压随动系统电控部分，n++，返回S2。
本发明的一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数PID闭环控制相结合的控制系统图如图4所示，主要由监控系统部分和调速系统部分组成。
所述监控系统部分包括查表计算模块1，循环自加模块2，限幅模块一3，循环自减模块4，限幅模块二5，选择器模块一10；
查表计算模块1，采集有功功率给定G给定和机组水头w，查水头、有功功率与导叶开度一一对应表计算，输出计算结果D表给限幅模块一3和限幅模块二5。
循环自加模块2，监测有功功率给定G给定变化且∣D表-D∣<△D1使能信号，并采集导叶开度反馈D。当使能信号初次动作时，D1控制0赋初值D。循环自加模块2不断对D1控制n循环自加控制参数步长△D，输出D1控制n给限幅模块一3。
限幅模块一3，采集查表计算模块1输出的D表和循环自加模块2输出的D1控制n，对D1控制n进行限幅输出，最大值为K1*D表。K1通常取1.4。输出导叶开度模拟量控制信号D1’控制n给选择器模块一10通道0。
循环自减模块4，监测有功功率给定G给定变化且∣D表-D∣<△D1使能信号，并采集导叶开度反馈D。当使能信号初次动作时，D1控制0赋初值D。循环自减模块4不断对D1控制n循环自减控制参数步长△D，输出D1控制n给幅模块一3。
限幅模块二5，采集查表计算模块1输出的D表和循环自减模块4输出的D1控制n，对D1控制n进行限幅输出，最小值为D表。输出导叶开度模拟量控制信号D1’控制n给选择器模块一10。
选择器模块一10，监测∣D表-D∣<△D1选择信号，并采集限幅模块一3和限幅模块二5输出给选择器模块一10的导叶开度模拟量控制信号D1’控制n。当∣D表-D∣<△D1不满足时，选择器模块一10选择通道0，输出限幅模块一3输出给选择器模块一10的导叶开度模拟量控制信号D1’控制n；当∣D表-D∣<△D1满足时，选择器模块一10选择通道1，输出限幅模块二5输出给选择器模块一10的导叶开度模拟量控制信号D1’控制n。选择器模块一10将导叶开度模拟量控制信号D1’控制n输出给调速器电控系统。
调速系统部分包括：PID模块7，选择器模块二11,加法器8，液压随动系统电控部分9；
PID模块7，监测∣D表-D∣<△D2使能信号，并采集有功功率给定G给定、功率反馈Gn以及PID参数向量k(kp，ki，kd)。当使能信号动作时，D2控制0赋初值0。D2控制n＝D2控制n-1+kp*G给定+ki*(G给定-Gn)+kd*(Gn-Gn-1)。Gn-1为上一周期采集的功率反馈信号。PID模块7输出D2控制n给加法器8。
选择器模块二11,监测∣D表-D∣<△D3选择信号，其通道0采集PID参数向量k1(kp1，ki1，kd1)，通道1采集PID参数向量k2(kp2，ki2，kd2)。当∣D表-D∣<△D不满足时，选择器模块二11选择通道0，输出PID参数向量k＝k1；当∣D表-D∣<△D满足时，选择器模块二11选择通道1，输出PID参数向量k＝k2。选择器模块二11将PID参数向量k(kp，ki，kd)输出给PID模块7。
加法器8，采集监控系统选择器模块已10输出的D1’控制n和PID模块7输出的D2控制n，相加后输出导叶开度模拟量控制信号D控制n给液压随动系统电控部分9。
液压随动系统电控部分9，采集加法器8输出的导叶开度模拟量控制信号D控制n，通过处理后输出液压随动系统电控信号B控制。
本发明的一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数PID闭环控制相结合的控制方法监控系统部分流程图，与一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数PID闭环控制相结合的控制方法监控系统部分流程图相同，如图2所示。
本发明的一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数PID闭环控制相结合的控制方法，调速系统部分流程图如图5所示。

Claims (1)

1.一种水电站监控系统开度模式导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数PID闭环控制相结合的控制系统，其特征在于:包括监控系统部分、调速系统部分；
所述监控系统部分包括查表计算模块(1)，循环自加模块(2)，限幅模块一(3)，循环自减模块(4)，限幅模块二(5)，选择器模块一(10)；
查表计算模块(1)，采集有功功率给定G给定和机组水头w，查水头、有功功率与导叶开度一一对应表计算，输出计算结果D表给限幅模块一(3)和限幅模块二(5)；
循环自加模块(2)，监测有功功率给定G给定变化且∣D表-D∣<△D1使能信号，并采集导叶开度反馈D；当使能信号初次动作时，D1控制0赋初值D；循环自加模块(2)不断对D1控制n循环自加控制参数步长△D，输出D1控制n给限幅模块一(3)；
限幅模块一(3)，采集查表计算模块(1)输出的D表和循环自加模块(2)输出的D1控制n，对D1控制n进行限幅输出，最大值为K1*D表；输出导叶开度模拟量控制信号D1’控制n给选择器模块一(10)通道0；
循环自减模块(4)，监测有功功率给定G给定变化且∣D表-D∣<△D1使能信号，并采集导叶开度反馈D；当使能信号初次动作时，D1控制0赋初值D；循环自减模块(4)不断对D1控制n循环自减控制参数步长△D，输出D1控制n给限幅模块一(3)；
限幅模块二(5)，采集查表计算模块(1)输出的D表和循环自减模块(4)输出的D1控制n，对D1控制n进行限幅输出，最小值为D表；输出导叶开度模拟量控制信号D1’控制n给选择器模块一(10)通道1；
选择器模块一(10)，监测∣D表-D∣<△D1选择信号，并采集限幅模块一(3)和限幅模块二(5)输出给选择器模块一(10)的导叶开度模拟量控制信号D1’控制n；当∣D表-D∣<△D1不满足时，选择器模块一(10)选择通道0，输出限幅模块一(3)输出给选择器模块一(10)的导叶开度模拟量控制信号D1’控制n；当∣D表-D∣<△D1满足时，选择器模块一(10)通道1输出限幅模块二(5)输出给选择器模块一(10)的导叶开度模拟量控制信号D1’控制n；选择器模块一(10)将导叶开度模拟量控制信号D1’控制n输出给调速器电控系统；
调速系统部分包括：PID模块(7)，选择器模块二(11),加法器(8)，液压随动系统电控部分(9)；
PID模块(7)，监测∣D表-D∣<△D2使能信号，并采集有功功率给定G给定、功率反馈Gn以及PID参数向量k(kp，ki，kd)；当使能信号动作时，D2控制0赋初值0；D2控制n＝D2控制n-1+kp*G给定+ki*(G给定-Gn)+kd*(Gn-Gn-1)；Gn-1为上一周期采集的功率反馈信号；PID模块(7)输出D2控制n给加法器(8)；
选择器模块二(11),监测∣D表-D∣<△D3选择信号，其通道0采集PID参数向量k1(kp1，ki1，kd1)，通道1采集PID参数向量k2(kp2，ki2，kd2)；当∣D表-D∣<△D不满足时，选择器模块二(11)选择通道0，输出PID参数向量k＝k1；当∣D表-D∣<△D满足时，选择器模块二(11)选择通道1，输出PID参数向量k＝k2；选择器模块二(11)将PID参数向量k(kp，ki，kd)输出给PID模块(7)；
加法器(8)，采集监控系统选择器模块一(10)输出的D1’控制n和PID模块(7)输出的D2控制n，相加后输出导叶开度模拟量控制信号D控制n给液压随动系统电控部分(9)；液压随动系统电控部分(9)，采集加法器(8)输出的导叶开度模拟量控制信号D控制n，通过处理后输出液压随动系统电控信号B控制。
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