本發(fā)明屬于水利水電工程設(shè)備及流體機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種小水電機(jī)組節(jié)能綜合控制裝置的實(shí)現(xiàn)方案。
背景技術(shù)：
我國(guó)水電理論年發(fā)電量6萬(wàn)億千瓦時(shí)，技術(shù)可開(kāi)發(fā)容量和經(jīng)濟(jì)可開(kāi)發(fā)容量分別為5.42億千瓦和4.02億千瓦，資源蘊(yùn)含世界第一。但目前，我國(guó)水電能源利用率還偏低，總體開(kāi)發(fā)利用率尚不足40％，開(kāi)發(fā)及利用前景仍然十分廣闊。而目前大部分的小水電機(jī)組都是建設(shè)于上個(gè)世紀(jì)，其容量較小，受到當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平制約，其機(jī)組控制系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于目前的水電計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。隨著對(duì)小水電規(guī)范化管理工作的重視，以及信息化、自動(dòng)化建設(shè)水平的提高，小水電機(jī)組也逐步得到人們重視，但對(duì)小水電運(yùn)行信息、水能利用率等效率運(yùn)行數(shù)據(jù)掌控幾乎為空白。
目前對(duì)小水電控制系統(tǒng)主要通過(guò)人為經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制，對(duì)水電機(jī)組進(jìn)行效率優(yōu)化控制國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)及廠家也提出了一些解決方案，但都處于研究階段，對(duì)機(jī)組效率測(cè)量控制市場(chǎng)上也有部分產(chǎn)品，但是由于其功能單一，平臺(tái)通用性差，通信接口及協(xié)議不統(tǒng)一，僅僅實(shí)現(xiàn)機(jī)組效率測(cè)試功能，并未真正意義上的指導(dǎo)機(jī)組的整個(gè)控制過(guò)程，而目前現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組控制設(shè)備僅具有自身的控制功能，并沒(méi)有考慮到遠(yuǎn)程控制，協(xié)調(diào)控制，遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷等功能，同時(shí)現(xiàn)有廠家最求經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)目前的調(diào)節(jié)功能僅僅滿(mǎn)足自身單一的水電機(jī)組控制的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其可靠性和準(zhǔn)確性相對(duì)來(lái)說(shuō)都比較低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決目前現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本專(zhuān)利發(fā)明了一套小水電機(jī)組節(jié)能綜合化控制裝置的實(shí)現(xiàn)方法。本裝置包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理模塊、現(xiàn)場(chǎng)通訊數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通訊上傳模塊、主控站數(shù)據(jù)管理模塊、主控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、主控站數(shù)據(jù)分析模塊。
本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種小水電機(jī)組節(jié)能綜合化控制裝置，包括主控站、通訊單元和現(xiàn)場(chǎng)單元，其特征在于：所述的現(xiàn)場(chǎng)單元輸出信號(hào)通過(guò)線(xiàn)纜與通訊單元輸入信號(hào)接口連接；通訊單元通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與主控站互聯(lián)。
所述的現(xiàn)場(chǎng)單元包括機(jī)組流量、有功功率、上游水位、下游水位、機(jī)組轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開(kāi)度、振擺系統(tǒng)、水情系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)，所述的機(jī)組流量、有功功率、上游水位、下游水位、機(jī)組轉(zhuǎn)速和導(dǎo)葉開(kāi)度與數(shù)據(jù)采集模塊連接；振擺系統(tǒng)、水情系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)與通訊采集模塊連接。
所述的通訊單元包括數(shù)據(jù)采集模塊、通訊采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)上傳模塊，所述的數(shù)據(jù)采集模塊、通訊采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)上傳模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互連。
所述的主控站包括管理模塊、存儲(chǔ)模塊和分析模塊，管理模塊、存儲(chǔ)模塊和分析模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互連。
所述的管理模塊包括數(shù)據(jù)顯示、曲線(xiàn)顯示、用戶(hù)操作、用戶(hù)調(diào)試和裝置管理。
所述的分析模塊包括曲線(xiàn)擬合、模型構(gòu)建、限制判斷、最優(yōu)計(jì)算和功率分配，
所述的分析模塊輸出信號(hào)與監(jiān)控系統(tǒng)連接。
其小水電機(jī)組節(jié)能綜合化控制方法包括以下步驟：
第一步、現(xiàn)場(chǎng)單元將采集到的機(jī)組參數(shù)通過(guò)通訊單元傳送至主控站；
第二步、主控站數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)采集到的機(jī)組參數(shù)進(jìn)行機(jī)組效率、效率曲線(xiàn)擬合、最優(yōu)效率及負(fù)荷分配計(jì)算；
第三步、根據(jù)步驟(二)的計(jì)算擬合出機(jī)組的綜合效率特性曲線(xiàn)；
第四步、采用智能擬合方法找到機(jī)組等效率曲線(xiàn)、等水頭曲線(xiàn)、等開(kāi)度曲線(xiàn)；
第五步、通過(guò)最優(yōu)控制計(jì)算得出各個(gè)機(jī)組的運(yùn)行功率，再發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)負(fù)荷的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)全廠機(jī)組最優(yōu)負(fù)荷分配。
所述的水輪機(jī)效率的計(jì)算，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
式中：ηt為水輪機(jī)效率，Ng為發(fā)電機(jī)功率，ηg為發(fā)電機(jī)效率，Q為機(jī)組流量，H為工作水頭，g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>
所述的最優(yōu)控制計(jì)算，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
式中qst為全廠總耗水率，qi為第i臺(tái)機(jī)組的耗水率，而Pi為第i臺(tái)機(jī)組的有功功率，Qi為第i臺(tái)機(jī)組的過(guò)機(jī)流量，n為電站總可用機(jī)組數(shù)。
現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊主要功能是通過(guò)前端傳感器，對(duì)小水電機(jī)組的有功功率、無(wú)功功率、蝸殼進(jìn)口壓力、蝸殼尾水壓力、導(dǎo)葉開(kāi)度、機(jī)組頻率、流量、上游水位及下游水位等機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的物理量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。采集單元采用基于PC104嵌入式AT96總線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器物理量的采集。
現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理模塊主要功能是完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的濾波、進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換、參數(shù)率定。濾波通過(guò)模擬電路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，對(duì)信號(hào)外的噪聲信號(hào)進(jìn)行去除；模數(shù)轉(zhuǎn)換通過(guò)芯片AD7656進(jìn)行完成；得到相應(yīng)通道數(shù)字信號(hào)后，通過(guò)內(nèi)部軟件設(shè)置不同的零刻度點(diǎn)和滿(mǎn)刻度點(diǎn)來(lái)進(jìn)行標(biāo)定。
現(xiàn)場(chǎng)通訊數(shù)據(jù)采集模塊主要功能是通過(guò)通訊方式對(duì)機(jī)組部分運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，裝置能夠方便地與電廠監(jiān)控系統(tǒng)、電廠MIS系統(tǒng)、生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)、效率測(cè)試分析中心或者其它測(cè)量裝置進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通訊，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。
數(shù)據(jù)通訊上傳模塊主要功能是把現(xiàn)地采集模塊和通訊模塊采集的機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送到主控站用于分析、計(jì)算、存儲(chǔ)等處理。
主控站數(shù)據(jù)管理模塊主要功能完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的融合、管理與發(fā)布，對(duì)機(jī)組當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行同步監(jiān)視和顯示的功能，它以數(shù)值、曲線(xiàn)、圖表等各種形式，將機(jī)組的各種狀態(tài)分析數(shù)據(jù)，通過(guò)多個(gè)不同的頁(yè)面展現(xiàn)給用戶(hù)。
主控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊為大量高密度數(shù)據(jù)采集提供的能支持快速、并行訪(fǎng)問(wèn)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，特點(diǎn)是訪(fǎng)問(wèn)速度快，大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)庫(kù)中。主控站數(shù)據(jù)分析模塊首先是通過(guò)采集數(shù)據(jù)對(duì)小水電機(jī)組的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行擬合，根據(jù)效率測(cè)試平臺(tái)采集實(shí)時(shí)測(cè)量的機(jī)組效率以及離線(xiàn)采集的效率數(shù)據(jù)、機(jī)組負(fù)荷、水頭、導(dǎo)葉開(kāi)度等數(shù)據(jù)即可擬合出機(jī)組的綜合效率特性曲線(xiàn)。其實(shí)是進(jìn)行最優(yōu)功率的分配，最優(yōu)有功分配控制是以效率擬合分析系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)建來(lái)的，通過(guò)效率最優(yōu)從而達(dá)到小水電機(jī)組的節(jié)能增效的目的。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明的小水電機(jī)組節(jié)能綜合化控制裝置結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
如圖1所示為水電一體化控制裝置結(jié)構(gòu)框圖，小水電機(jī)組節(jié)能綜合化控制裝置包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理模塊、現(xiàn)場(chǎng)通訊數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通訊上傳模塊、主控站數(shù)據(jù)管理模塊、主控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、主控站數(shù)據(jù)分析模塊。
現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊主要功能是通過(guò)前端傳感器，對(duì)小水電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的物理量進(jìn)行采集。采集單元采用基于PC104嵌入式AT96總線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)，其中采集部分主板使用的為低功耗PC104，采用6U工業(yè)插箱結(jié)構(gòu)，分為前后兩層，前面為信號(hào)采集及處理板卡，包括：系統(tǒng)電源板卡、PC104總線(xiàn)載板板卡、信號(hào)采集板卡等構(gòu)成；后面板為各種計(jì)算機(jī)接口及傳感器信號(hào)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器物理量的采集。
現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理模塊主要功能是完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的濾波、進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換、參數(shù)率定。數(shù)據(jù)的濾波采用純模擬電路的模擬濾波器，其特點(diǎn)在于不需要晶振模塊，同時(shí)功耗較低，電源耗電400μA，采用SOIC封裝貼片芯片，具有8階的濾波階數(shù)。濾波后通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊中的數(shù)模轉(zhuǎn)換進(jìn)行采集信號(hào)的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換采用了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和每通道達(dá)250kSPS的采樣率,并且在片內(nèi)包含一個(gè)2.5V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)緩沖器。參數(shù)率定通過(guò)軟件率定，通過(guò)設(shè)置不同的零刻度點(diǎn)和滿(mǎn)刻度點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。
現(xiàn)場(chǎng)通訊數(shù)據(jù)采集模塊主要通過(guò)通訊功能獲取機(jī)組的已有的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過(guò)與監(jiān)控系統(tǒng)通信獲取機(jī)組上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)的各個(gè)瓦溫，機(jī)組油溫、機(jī)組定子溫度等；通過(guò)與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信獲得機(jī)組擺度、振動(dòng)、壓力脈動(dòng)、氣隙、局放量等參數(shù)；通過(guò)與水情系統(tǒng)通信獲取水庫(kù)上游水位、尾水位及降雨量等參數(shù)。本裝置提供的通訊方式有RS232/RS485、以太網(wǎng)、及其他通訊方式。RS232/RS485可支持的通訊規(guī)約包括：CDT(循環(huán)遠(yuǎn)動(dòng))規(guī)約；NC2000外部設(shè)備傳送規(guī)約；H9000串行通訊規(guī)約；H201主變油色譜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置通訊規(guī)約；MGA2000主變油色譜監(jiān)測(cè)裝置通訊規(guī)約等；以太網(wǎng)可支持Modbus-TCP和自定義的TCP/IP協(xié)議。
數(shù)據(jù)通訊上傳模塊主要功能是把現(xiàn)地采集模塊和通訊模塊采集的機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送到主控站用于分析、計(jì)算、存儲(chǔ)等處理。本裝置的數(shù)據(jù)通訊上傳模塊主要通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行連接，主要通過(guò)Modbus-TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
主控站數(shù)據(jù)管理模塊功能具備圖形方式和表格方式，監(jiān)視可針對(duì)某站點(diǎn)的單一參量(如某機(jī)組的水位或流量)進(jìn)行，也可進(jìn)行不同參量的圖形和報(bào)表的組合，畫(huà)面定義能根據(jù)應(yīng)用的需求生成，并支持組態(tài)方式定義界面，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的圖形顯示界面，采用控件方式實(shí)現(xiàn)。其中顯示的數(shù)據(jù)有實(shí)時(shí)有功功率、無(wú)功功率、系統(tǒng)頻率(Hz)、功率因數(shù)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm)、機(jī)組運(yùn)行的狀態(tài)、現(xiàn)地實(shí)時(shí)流量(m3/s)、上游水位、下游水位、蝸殼進(jìn)口壓力、尾水出口壓力、實(shí)時(shí)效率、功率曲線(xiàn)統(tǒng)計(jì)，可進(jìn)行月、年統(tǒng)計(jì)且可指定時(shí)間區(qū)間、效率曲線(xiàn)統(tǒng)計(jì)，可進(jìn)行月、年統(tǒng)計(jì)且可指定時(shí)間區(qū)間、每臺(tái)機(jī)組和所有機(jī)組總發(fā)電量、可以顯示機(jī)組不同水頭下的效率特性曲線(xiàn)。
裝置的數(shù)據(jù)管理模塊也提供直觀的、可組態(tài)的多個(gè)監(jiān)測(cè)畫(huà)面，從不同的角度，分層次展現(xiàn)機(jī)組的狀態(tài)信息。這些畫(huà)面包括：軸心軌跡圖、壓力脈動(dòng)圖、水力能量參數(shù)監(jiān)測(cè)圖、短時(shí)趨勢(shì)跟蹤監(jiān)測(cè)、軸向振動(dòng)圖、空化振動(dòng)頻譜監(jiān)測(cè)圖。
數(shù)據(jù)管理模塊還包括自定義曲線(xiàn)及其顯示：除了系統(tǒng)本身所提供的特性曲線(xiàn)外，用戶(hù)還可以查看某一工況下任何兩個(gè)參數(shù)的關(guān)系，也可以在同一繪圖面板上查看不同機(jī)組(這里指己做過(guò)效率試驗(yàn)的機(jī)組)的同一特性曲線(xiàn)的對(duì)比情況“用戶(hù)只需完成X、Y坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的參數(shù)等的配置就能查看自己所定義的曲線(xiàn)”。
主控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊軟件采用Visual C++瞄向?qū)ο蠓椒ň帉?xiě)，在Windows Server系列平臺(tái)上有良好的兼容性。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)采用MS SQLServer 2000/2005/2008平臺(tái)，該平臺(tái)在數(shù)據(jù)系統(tǒng)的可伸縮性、使用的易用性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
主控站數(shù)據(jù)分析模塊具有機(jī)組效率計(jì)算功能、效率曲線(xiàn)擬合功能、最優(yōu)效率計(jì)算功能及負(fù)荷分配等功能。
計(jì)算獲得水輪機(jī)效率
其中：ηt為水輪機(jī)效率，Ng為發(fā)電機(jī)功率，ηg為發(fā)電機(jī)效率，Q為機(jī)組流量，H為工作水頭，g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>
其中Ng可以通過(guò)功率變送器直接采集獲得，或者通過(guò)通訊采集獲得。Q和H需要通過(guò)采集系統(tǒng)采集或者認(rèn)為輸入獲得。
根據(jù)裝置采集實(shí)時(shí)測(cè)量的機(jī)組各項(xiàng)數(shù)據(jù)計(jì)算出的效率值、機(jī)組負(fù)荷、水頭、導(dǎo)葉開(kāi)度等數(shù)據(jù)可擬合出機(jī)組的綜合效率特性曲線(xiàn)。等水頭曲線(xiàn)主要指在同一水頭下，機(jī)組負(fù)荷或開(kāi)度/流量與機(jī)組效率之間的關(guān)系曲線(xiàn)，而等效率曲線(xiàn)則指在為保證同樣的效率，機(jī)組水頭與負(fù)荷/開(kāi)度/流量之間的關(guān)系曲線(xiàn)。
從效率的測(cè)量計(jì)算方法中可以看出。機(jī)組效率是機(jī)組負(fù)荷、水頭、流量的非線(xiàn)性函數(shù)?？梢员硎緸椋?/p>
η＝f(N,H,Q)
由于機(jī)組效率與機(jī)組負(fù)荷/開(kāi)度/流量是一個(gè)非線(xiàn)性的關(guān)系，大多采用數(shù)據(jù)擬合方法去逼近其關(guān)系。
對(duì)于一個(gè)等水頭曲線(xiàn)而言，任意一個(gè)區(qū)間的機(jī)組效率可以表述為效率與機(jī)組負(fù)荷/開(kāi)度/流量之間的函數(shù)關(guān)系：
η(x)＝ηi(x)＝ai+bi(x-xi)+ci(x-xi)2+di(x-xi)3(xi≤x≤xi+1)
上式中x可以是機(jī)組負(fù)荷，也可以是機(jī)組開(kāi)度、流量等。
而根據(jù)實(shí)際測(cè)量的ηi和對(duì)應(yīng)時(shí)刻的xi可以求解出ai、bi、ci、di,那么再根據(jù)ai、bi、ci、di的值可以求解出任一個(gè)x對(duì)應(yīng)的機(jī)組效率。而在獲得多組ai、bi、ci、di(i＝1....n)之后，就可以求就在該水頭下，功率限制區(qū)之內(nèi)的任意負(fù)荷、開(kāi)度、流量下的機(jī)組效率了。
再積累多個(gè)水頭下的效率曲線(xiàn)后，通過(guò)同樣的樣條擬合方法，可以求解任何有效水頭下功率限制區(qū)之內(nèi)的任意負(fù)荷、開(kāi)度、流量下的機(jī)組效率。
對(duì)于指導(dǎo)水輪機(jī)最優(yōu)運(yùn)行而言，重要的是找到最優(yōu)效率工況點(diǎn)，因此效率曲線(xiàn)擬合的目的是根據(jù)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)，采用智能擬合方法找到機(jī)組等效率曲線(xiàn)、等水頭曲線(xiàn)、等開(kāi)度曲線(xiàn)。根據(jù)上述曲線(xiàn)，可以找到任何水頭下的最優(yōu)效率負(fù)荷/開(kāi)度點(diǎn)，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)有功控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
以耗水率最低為指標(biāo)最優(yōu)控制的目標(biāo)函數(shù)：
式中qst為全廠總耗水率，qi為第i臺(tái)機(jī)組的耗水率，而Pi為第i臺(tái)機(jī)組的有功功率，Qi為第i臺(tái)機(jī)組的過(guò)機(jī)流量，n為電站總可用機(jī)組數(shù)。通過(guò)最優(yōu)控制計(jì)算得出各個(gè)機(jī)組的運(yùn)行功率Pi，再發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)負(fù)荷的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)全廠機(jī)組最優(yōu)負(fù)荷分配。
按照小水電機(jī)組節(jié)能綜合化控制裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小水電機(jī)組效率、穩(wěn)定性及運(yùn)行工況的測(cè)控功能。裝置能夠進(jìn)行機(jī)組運(yùn)行效率的測(cè)量、曲線(xiàn)擬合及最優(yōu)負(fù)荷控制，最終實(shí)現(xiàn)小水電機(jī)組節(jié)能控制。