CN118137898A - 一种水电站微机调速控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水轮发电机技术领域，具体而言，涉及一种水电站微机调速控制方法及系统，该方法的步骤包括：对微机调节器的各个模块及参数进行初始化；获取水电机组数据信号，通过测频模块计算，以获取水电机组的频率信号，并将水电机组的频率信号输入至频差模块进行计算，得到频差值；基于水电机组数据信号及频率信号，通过工况判断模块确定微机调节器的工况处理方式，基于选取的工况处理方式执行运算，获得微机调节器的调节信号；对微机调节器的调节信号进行检错诊断，基于微机调节器的检错结果进行对应处理，若检错诊断未发现问题，则基于微机调节器的调节信号执行输出控制，完成微机控制器的调速控制。

Description

一种水电站微机调速控制方法及系统

技术领域

本发明涉及水轮发电机技术领域，具体而言，涉及一种水电站微机调速控制方法及系统。

背景技术

在水电站的运行中，调速系统的性能对于电力系统的稳定性和运行效率至关重要。就目前而言，传统的调速控制方法通常依赖于模拟控制技术，模拟控制技术虽然在过去几十年里得到了广泛应用，但因其准确性不高、响应速度慢、适应性和灵活性不足等问题，对于复杂的电力系统动态和多变的运行环境时，传统的调速控制方法通常难以满足现代电力系统对高效率和高可靠性的要求，容易因控制信号错误而存在潜在风险等情况。基于此，为了克服上述问题，我们设计了一种水电站微机调速控制方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水电站微机调速控制方法及系统，其不仅能够根据水电机组的实时数据信号和频率信号动态调整控制策略，实现了高精度的频率控制和快速响应的调速能力，而且能够根据不同的运行条件选择最合适的工况处理方式，进一步提高了控制系统的效率和可靠性。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

一种水电站微机调速控制方法，该方法的步骤包括：

对微机调节器的各个模块及参数进行初始化；

获取水电机组数据信号，通过测频模块计算，以获取水电机组的频率信号，并将水电机组的频率信号输入至频差模块进行计算，得到频差值；

基于水电机组数据信号及频率信号，通过工况判断模块确定微机调节器的工况处理方式，基于选取的工况处理方式执行运算，获得微机调节器的调节信号；

对微机调节器的调节信号进行检错诊断，基于微机调节器的检错结果进行对应处理，若检错诊断未发现问题，则基于微机调节器的调节信号执行输出控制，完成微机控制器的调速控制。

可选的，所述水电机组数据信号及频率信号在通过工况判断模块进行确定之前，以及所述对微机调节器的调节信号进行检错诊断之前，分别进行模数转换及数模转换。

可选的，所述微机调节器的工况处理方式包括：开机控制、停机控制、空载控制、发电控制；其中，所述开机控制由开机控制子模块执行，微机调节器根据开机指令，判断微机调节器是否满足开机条件，若满足，则开机并点亮开机指示灯，获取水电机组的频率信号，若水电机组的频率达到设定值，则将开度调整至空载整定开度，并执行P ID运算，根据P ID总值控制水电机组的转速至给定值，若水电机组完成并网，则将开度调整至全开或按水头设定的开度值，直至水电机组开机控制结束。

可选的，所述执行P ID运算，其具体通过P ID运算模块执行，其具体为：调取水电机组的频差值，分别对水电机组的频差值进行比例、微分及积分运算，求和得到P ID总值。

可选的，所述PID运算模块的控制规律为：

e(t)＝r(t)-y(t)

其中，u(t)是PID总值，K_p是比例系数，e(t)是偏差信号，T_I是积分时间常数，T_D是微分时间常数，r(t)是参考输入值，y(t)是实际输出值。

可选的，所述基于微机调节器的检错结果进行对应处理，若微机调节器的检错结果为频率测量错误，则获取此次频率测量结果，并对此次频率测量结果前后的频率值进行比较，判断差值是否在区间[-Δf_max,Δf_max]内，若是，则判断微机调节器的频率测量正常，若否，则舍弃此次频率测量结果，并将此次频率测量结果的前一次频率测量结果进行PID运算，计算公式如下：

其中，是水电机组的频率变化速度，M_t是水电机组的输入功率，M_g是水电机组的输出功率，T_a是水电机组惯性时间常数，Δf_max是水电机组的频率最大变化量，ΔT是测频的扫描时间。

一种水电站微机调速控制系统，包括：

初始化模块：对微机调节器的各个模块及参数进行初始化；

测频模块：基于水电机组数据信号，计算并获取水电机组的频率信号；

频差模块：根据水电机组的频率信号进行计算，得到频差值；

工况判断模块：基于水电机组数据信号及频率信号确定微机调节器的工况处理方式，基于选取的工况处理方式执行运算，获得微机调节器的调节信号；

检错诊断模块：对微机调节器的调节信号进行检错诊断，基于微机调节器的检错结果进行对应处理，若检错诊断未发现问题，则基于微机调节器的调节信号执行输出控制，完成微机控制器的调速控制。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本发明实施例不仅能够根据水电机组的实时数据信号和频率信号动态调整控制策略，实现了高精度的频率控制和快速响应的调速能力，而且能够根据不同的运行条件选择最合适的工况处理方式，进一步提高了控制系统的效率和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种水电站微机调速控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的微机调节器的调节过程转换逻辑图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

如图1所示，本发明提供了其中一种实施例：一种水电站微机调速控制方法，该方法的步骤包括：

对微机调节器的各个模块及参数进行初始化；

获取水电机组数据信号，通过测频模块计算，以获取水电机组的频率信号，并将水电机组的频率信号输入至频差模块进行计算，得到频差值；

基于水电机组数据信号及频率信号，通过工况判断模块确定微机调节器的工况处理方式，基于选取的工况处理方式执行运算，获得微机调节器的调节信号；

对微机调节器的调节信号进行检错诊断，基于微机调节器的检错结果进行对应处理，若检错诊断未发现问题，则基于微机调节器的调节信号执行输出控制，完成微机控制器的调速控制。

在本实施例中，本实施例的微机调节器主要基于FX2N可编程控制器，当微机调节器给上电源后，首先进入初始化处理，即对FX2N可编程控制器的特定位元件(如辅助继电器等)设置初始状态；对特殊模块(如FX2N-4AD等)设置工作能够做方式及有关参数；对寄存器D特定单元(如存放采样周期等)设置缺省值等。测频及频差模块包括对机频和网频计算，并计算频差值。A/D转化子程序主要是控制A/D转化模块把水头，功率反馈，导叶反馈等模拟信号变化为数字量。工况判断则是根据机组运行工况及状态输入的开关信号，以便确定调节器应当按何种工况进行处理，同时设置工况标志，并点亮工况指示灯。

具体的，所述水电机组数据信号及频率信号在通过工况判断模块进行确定之前，以及所述对微机调节器的调节信号进行检错诊断之前，分别进行模数转换及数模转换。

实施时，对于伺服系统是电液随动系统的微机调速器，各工况运算结果还需通过D/A转换单元边、变为模拟电平，以驱动电液随动系统，对于数字伺服系统，则不需要D/A转化。

在本实施例中，所述微机调节器的工况处理方式包括：开机控制、停机控制、空载控制、发电控制；其中，所述开机控制由开机控制子模块执行，微机调节器根据开机指令，判断微机调节器是否满足开机条件，若满足，则开机并点亮开机指示灯，获取水电机组的频率信号，若水电机组的频率达到设定值，则将开度调整至空载整定开度，并执行P ID运算，根据P ID总值控制水电机组的转速至给定值，若水电机组完成并网，则将开度调整至全开或按水头设定的开度值，直至水电机组开机控制结束。

在实施中，所示开机控制模块：当调速器接到开机令时，先判断是否满足开机条件，如果满足，置开机标志，并点亮开机指示灯。然后检测机组频率，当频率达到并超过45Hz时，将启动开度关到空载整定开度，并转入空载控制程序了，进行PID运算，自动控制机组转速于给定值。当机组并网后，则把开度限制自动放开至100％开度或按水头设定的开度值。开机过程结束，清楚开机状态，灭开机指示灯。置发电标志并点亮发电指示灯。停机控制模块：当调速器接到停机令时，先判别机组是否在调相，则从停机子程序转出，先进入调相转发电，再由发电转停机。如果机组不在调相，则置停机标志，并点亮停机指示灯，然后判别功率给定值是否不在零位。若是，自动减功率给定，一直到功率为零。再把开度开关打开限制减至空载，等待发电机开关跳开后，进一步把开度限制关到全关，延长2min，确保集资转速降到零后，清除停机标志，停机灭火。空载控制模块：当机组开机后，频率升至大雨4Hz时，机组进入空载工况，或者机组在空载工况主要是进行PID运算，使机组转速维持在空载定植范围内。空载运行总是采用频率调节模式。发电控制模块：发电运行分为大网运行和孤网运行两种情况。在孤网运行时，总是采用频率调节模式。在大网运行时，可选择前述三种调节模式中的任一种调节模式。

在本实施例中，所述执行PID运算，其具体通过P ID运算模块执行，其具体为：调取水电机组的频差值，分别对水电机组的频差值进行比例、微分及积分运算，求和得到PID总值。

实施时，PID运算模块由PID控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，它根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律为：

e(t)＝r(t)-y(t)

其中，u(t)是PID总值，Kp是比例系数，e(t)是偏差信号，T_I是积分时间常数，T_D是微分时间常数，r(t)是参考输入值，y(t)是实际输出值。比例作用的引入是为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号，以最快速度产生控制作用，使偏差向减小的趋势变化。积分作用的引入，主要是为了保证被控量在稳态时对设定值的无静差跟踪。微分作用的引入，主要是为了改善闭环系统的稳定性和动态响应的速度。微分作用使控制作用于被控量，从而与偏差量未来变化趋势形成近似的比例关系。

在本实施例中，所述基于微机调节器的检错结果进行对应处理，若微机调节器的检错结果为频率测量错误，则获取此次频率测量结果，并对此次频率测量结果前后的频率值进行比较，判断差值是否在区间[-Δf_max,Δf_max]内，若是，则判断微机调节器的频率测量正常，若否，则舍弃此次频率测量结果，并将此次频率测量结果的前一次频率测量结果进行PID运算，计算公式如下：

其中，是水电机组的频率变化速度，M_t是水电机组的输入功率，M_g是水电机组的输出功率，T_a是水电机组惯性时间常数，Δf_max是水电机组的频率最大变化量，ΔT是测频的扫描时间。

本实施例以机频的测量故障的判断为例对频率测量故障的判断做简单的介绍，当测频模块在规定的时间内没有向PLC发出中断要求时，判断测频出现了故障。当测频模块与PLC之间的中断要求一切正常时，按照上述的方法进行处理。

除此之外，若微机调节器的检错结果为随动系统故障，则由于随动系统的输出(在此为导叶开度)滞后PID计算值，为准确进行随动系统的故障判断，在这里引入一个一阶惯性环节来模拟随动系统的动作：即有：

离散化，有：

Y_PID(s)＝(T_yS+1)Y(s)

根据PID计算得到的Y_PID的值，代入进行计算可得到一个导叶开度的比较值D620，将实际的导叶开度值D56与D620进行比较得到差值D102，并将此时的导叶开度值D56与其之前所测得的导叶开度值进行做差比较得到D104。若D102大于某一个数而D104小于某一个数，这表明导叶的开度小于其应该达到的开度，并且导叶的动作方向是有关的趋势；若D102小于某一个数而D104大于某一个数，这表明导叶的开度大于其应该达到的开度，并且导叶的动作方向是有开的趋势。而当导叶开度小于P ID计算值时，在随动系统正常时，必有向开启方向运动的趋势；反之，当导叶开度大于P ID计算值时，在随动系统正常时，必有向关闭方向运动的趋势。故以上两种情况就将其作为随动故障的判断条件。

另外，在本实施例中，微机调节器包括下述几种调节模式：

频率调节模式(转速调节模式)：

频率调节模式适用于机组空载自动运行，单机带孤立负荷或机组并入小电网运行，机组并入大电网作调频方式运行等情况。频率调节模式有下列主要特征：(1)人工频率死区，人工开度死区和人工功率死区等环节全部切除；(2)采用P ID调节规律，即微分环节投入；(3)调差反馈信号取自P ID调节器的输出Y，并构成调速器的静特性；(4)微机调速器的功率给定实时跟踪机组实时功率P，其本身不参与闭环调节。(5)在空载运行时，可选择系统频率跟踪方式。

开度调节模式：

开度调节模式是机组并入大电网运行时采用的一种调节模式。主要用于机组带基荷动运行工况。开度调节模式有下列主要特征：人工频率死区，人工开度死区和人工功率死区等环节均投入运行；(2)采用P I控制规律，即微分环节节除；(3)调差反馈信号取自P ID调节器的输出Y，并构成调速器的静特性；(4)微机调节器通过开度给定变更机组负荷，而功率给定不参与闭环负荷调节，功率给定实时跟踪机组实际功率，以保证由该调节模式切换至功率调节模式时实现无扰动切换。

功率调节模式：

功率调节模式是机组并入大电网后带基荷运行时应优先采用的一种调节模式。功率调节模式有下列主要特征：(1)人工频率死区，人工开度死区和人工功率死区等环节均投入运行；(2)采用PI控制规律，即微分环节节除；(3)调差反馈信号取自机组功率，并构成调速器的静特性；(4)微机调节器通过功率给定变更机组负荷，故特别适合水电站实施AGC功能。而开度给定不参与闭环负荷调节，开度给定实时跟踪导叶开度值，以保证由该调节模式切换至开度调节模式或频率调节模式时实现无扰动切换。

本实施例基于上述三种调节方式设置了一种转换方法，其具体如图2所示，机组自动开机后进入空载运行，调速器处于“频率调节模式”工作。当发电机出口开关闭合时，机组并入电网工作，此时调速器可在三种模式下的任何一种调节模式工作。若事先设定为频率调节模式，机组并网后，调节模式不变；若事先设定为功率调节模式，则转为功率调节模式；若事先设定为开度调节模式，则转为开度调节模式。当调速器在功率调节模式下工作时，若检测出机组功率反馈故障，或有人工切换命令时，则调速器自动切换至“开度调节”模式工作。调速器工作于“功率调节”或“开度调节”模式时，若电网频率偏离额定值过大(超过人工频率死区整定值)，且保持一段时间(如持续15s)，调速器自动切换至“频率调节”模式工作。当调速器处于“功率调节”或“开度调节”模式下带负荷运行时，由于某种故障导致发电机出口开关跳闸，机组甩掉负荷，同时调速器也自动切换至“频率调节”模式，使机组运行于空载工况。

在本实施例中，通过上述实施例的方法还可以提供一种水电站微机调速控制系统，包括：

初始化模块：对微机调节器的各个模块及参数进行初始化；

测频模块：基于水电机组数据信号，计算并获取水电机组的频率信号；

频差模块：根据水电机组的频率信号进行计算，得到频差值；

工况判断模块：基于水电机组数据信号及频率信号确定微机调节器的工况处理方式，基于选取的工况处理方式执行运算，获得微机调节器的调节信号；

检错诊断模块：对微机调节器的调节信号进行检错诊断，基于微机调节器的检错结果进行对应处理，若检错诊断未发现问题，则基于微机调节器的调节信号执行输出控制，完成微机控制器的调速控制。

可以理解的，本实施例所提供水电站微机调速控制系统与上述实施例所提供的水电站微机调速控制方法出于相同的发明构思，关于本发明实施例中各个模块更加具体的工作原理参考上述实施方式，在本发明实施例中不做赘述。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水电站微机调速控制方法，其特征在于，该方法的步骤包括：

对微机调节器的各个模块及参数进行初始化；

获取水电机组数据信号，通过测频模块计算，以获取水电机组的频率信号，并将水电机组的频率信号输入至频差模块进行计算，得到频差值；

基于水电机组数据信号及频率信号，通过工况判断模块确定微机调节器的工况处理方式，基于选取的工况处理方式执行运算，获得微机调节器的调节信号；

对微机调节器的调节信号进行检错诊断，基于微机调节器的检错结果进行对应处理，若检错诊断未发现问题，则基于微机调节器的调节信号执行输出控制，完成微机控制器的调速控制。

2.根据权利要求1所述的水电站微机调速控制方法，其特征在于，所述水电机组数据信号及频率信号在通过工况判断模块进行确定之前，以及所述对微机调节器的调节信号进行检错诊断之前，分别进行模数转换及数模转换。

3.根据权利要求2所述的水电站微机调速控制方法，其特征在于，所述微机调节器的工况处理方式包括：开机控制、停机控制、空载控制、发电控制；其中，所述开机控制由开机控制子模块执行，微机调节器根据开机指令，判断微机调节器是否满足开机条件，若满足，则开机并点亮开机指示灯，获取水电机组的频率信号，若水电机组的频率达到设定值，则将开度调整至空载整定开度，并执行PID运算，根据PID总值控制水电机组的转速至给定值，若水电机组完成并网，则将开度调整至全开或按水头设定的开度值，直至水电机组开机控制结束。

4.根据权利要求3所述的水电站微机调速控制方法，其特征在于，所述执行PID运算，其具体通过PID运算模块执行，其具体为：调取水电机组的频差值，分别对水电机组的频差值进行比例、微分及积分运算，求和得到PID总值。

5.根据权利要求4所述的水电站微机调速控制方法，其特征在于，所述PID运算模块的控制规律为：

e(t)＝r(t)-y(t)

其中，u(t)是PID总值，K_p是比例系数，e(t)是偏差信号，T_I是积分时间常数，T_D是微分时间常数，r(t)是参考输入值，y(t)是实际输出值。

6.根据权利要求5所述的水电站微机调速控制方法，其特征在于，所述基于微机调节器的检错结果进行对应处理，若微机调节器的检错结果为频率测量错误，则获取此次频率测量结果，并对此次频率测量结果前后的频率值进行比较，判断差值是否在区间[-Δf_max,Δf_max]内，若是，则判断微机调节器的频率测量正常，若否，则舍弃此次频率测量结果，并将此次频率测量结果的前一次频率测量结果进行PID运算，计算公式如下：

其中，是水电机组的频率变化速度，M_t是水电机组的输入功率，M_g是水电机组的输出功率，T_a是水电机组惯性时间常数，Δf_max是水电机组的频率最大变化量，ΔT是测频的扫描时间。

7.一种水电站微机调速控制系统，其特征在于，包括：

初始化模块：对微机调节器的各个模块及参数进行初始化；

测频模块：基于水电机组数据信号，计算并获取水电机组的频率信号；

频差模块：根据水电机组的频率信号进行计算，得到频差值；

工况判断模块：基于水电机组数据信号及频率信号确定微机调节器的工况处理方式，基于选取的工况处理方式执行运算，获得微机调节器的调节信号；

检错诊断模块：对微机调节器的调节信号进行检错诊断，基于微机调节器的检错结果进行对应处理，若检错诊断未发现问题，则基于微机调节器的调节信号执行输出控制，完成微机控制器的调速控制。