唐戢群，毛 成，文賢馗，肖 永，高曉光，蘇 立

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴陽 550002)

0 引 言

小水電站具有分散性，即單站容量不大，但其資源到處存在；對生態(tài)環(huán)境負影響很??；簡單性，即技術(shù)是成熟的，無須復(fù)雜昂貴的技術(shù)；當(dāng)?shù)鼗串?dāng)?shù)厝罕娔軌騾⑴c建設(shè)，并可盡量使用當(dāng)?shù)夭牧辖ㄔO(shè)；標(biāo)準(zhǔn)化，即較易于實現(xiàn)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化和機電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，以降低造價、縮短工期[1]。但是小水電站存在著管理自動化水平低，不科學(xué)，生產(chǎn)效率低下。大部分工作是由人工來完成的，必然存在著誤差。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對于小水電站的運行要求越來越高，所以進行小水電機組參數(shù)的在線狀態(tài)監(jiān)測是必然趨勢。對于小水電機組參數(shù)而言，其中最重要的一個參數(shù)就是小水電機組效率。實現(xiàn)小水電機組效率的在線監(jiān)測，對于機組的運行具有指導(dǎo)意義，比如可以實時顯示當(dāng)前小水電機組運行效率和耗水率，為小水電站實現(xiàn)經(jīng)濟運行及機組的狀態(tài)監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。在貴州某小水電廠的支持和配合下，我們開發(fā)了小水電機組效率在線監(jiān)測系統(tǒng)。小水電機組效率在線檢測系統(tǒng)對于指導(dǎo)電廠合理調(diào)度用水以及最優(yōu)有功分配具有重要的意義。

水電站水力發(fā)電機組的效率包括水輪機效率和發(fā)電機效率，其中發(fā)電機的效率特性曲線呈平緩狀，平均值也高，曲線的大部分處在95%以上[2]，而水輪機效率特性變化較大，因此，水輪機的效率特性決定了機組的效率特性。

1 系統(tǒng)功能

1.1 水輪機效率計算

不論超聲波測流法、蝸殼差壓法都是在蝸殼進口處和尾水管出口處加裝測壓傳感器獲得蝸殼進口處和尾水管出口處的壓力數(shù)據(jù)，再通過超聲波測流法或蝸殼差壓法獲得機組流量，進而計算獲得水輪機效率。

(1)

式中：ηt為水輪機效率；Ng為發(fā)電機功率；ηg為發(fā)電機效率；Q為機組流量；H為工作水頭；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>

1.2 參數(shù)測量方法

效率監(jiān)測需要測量的參數(shù)有：發(fā)電機功率、機組流量、蝸殼進口壓力、尾水管出口壓力、上游水位、接力器行程等。其中發(fā)電機功率Ng可以通過功率變送器直接采集獲得，或者通過通訊采集獲得。機組流量Q和工作水頭H需要通過采集系統(tǒng)采集或者人工輸入獲得，其他參數(shù)可以通過相應(yīng)的變送器直接采集獲得。

在本系統(tǒng)中所用的超聲波流量計的流速范圍：0.01～25 m/s ，管徑范圍：6～3 500 mm，分辨率：0.025 cm/s，流速精度：讀數(shù)的±0.5%，重復(fù)性：讀數(shù)的0.15%，工作溫度-10～60 ℃，功耗：<15 W,響應(yīng)時間:1 s(1通道)。多聲道超聲流量計是通過傳播時間差法測量超聲脈沖傳播時間得出介質(zhì)流量的速度式流量計。讓聲脈沖在管道內(nèi)沿斜線向逆流和順流方向傳播(見圖1)，分別測量它們的傳播時間，其傳播時間差與介質(zhì)的軸向平均流速有關(guān)，從而使用數(shù)值計算技術(shù)計算出在工作條件下流量計的介質(zhì)軸向平均流速。它支持管道內(nèi)壁內(nèi)貼式安裝及管道外壁直接安裝兩種安裝方式，不受介質(zhì)影響，安裝簡便快速，無需切斷工藝管道，無需工藝停車；

圖1 超聲流量計流速測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of velocity measurement of ultrasonic flowmeter

1.3 系統(tǒng)功能

按照標(biāo)準(zhǔn)化原則，兼容性原則和一體化原則，采用開放架構(gòu)的策略設(shè)計，系統(tǒng)界面友好。系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要由三部分組成：數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)存儲和程序存儲部分、人機接口部分和外部系統(tǒng)通信接口。系統(tǒng)的功能主要包括：

(1)數(shù)據(jù)采集部分完成對所要采集量的采集功能；

(2)數(shù)據(jù)存儲和程序存儲部分完成對外部存儲器的擴展，其中包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器；

(3)人機接口部分完成鍵盤和顯示部分的功能；

(4)外部系統(tǒng)通信接口主要實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與外部高級運算程序的數(shù)據(jù)共享功能，為外部高級運算程序提供相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；

(5)可以實現(xiàn)打印數(shù)據(jù)；生成數(shù)據(jù)報表；繪制曲線等。

系統(tǒng)的基本特點是設(shè)計簡單，所用元件少，花費小，經(jīng)濟；功能多樣；設(shè)計智能化，兼容性和擴展性好。

目前試點電站為紅楓四級窄巷口電站、五級紅林電站和六級紅巖電站，共8臺機組，總裝機容量共22.5 萬kW。系統(tǒng)平臺主要針對3個電站中的8臺機組展開監(jiān)測研究，主要完成8臺機組的實時效率的監(jiān)測并根據(jù)采集數(shù)據(jù)對各個機組的效率曲線進行擬合，最終實現(xiàn)各個分站的機組的協(xié)調(diào)效率最優(yōu)控制。

2 程序設(shè)計與實現(xiàn)方法

該系統(tǒng)以Microsoft Visual C ++ 6.0為開發(fā)工具，在這個平臺下進行系統(tǒng)設(shè)計與功能的實現(xiàn)。系統(tǒng)可以在Windows 2000/Server，Windows XP或Windows 7(32位或64位)操作系統(tǒng)下運行。這個系統(tǒng)主要實現(xiàn)了數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)保存，曲線繪制的功能。

2.1 數(shù)據(jù)采集

為了適應(yīng)多種現(xiàn)場條件，該系統(tǒng)配備6U高度采集器，DMS600采用嵌入式低功耗模塊化板卡設(shè)計，更加強化了設(shè)備的牢固性和穩(wěn)定性，提高了數(shù)據(jù)采樣速度和AD轉(zhuǎn)換精度，由于可擴展通道較多，并支持多轉(zhuǎn)速，更適合中小型水電機組多機共享式在線監(jiān)測應(yīng)用，對于測點較少的水電機組振擺的監(jiān)測，利用一套盤柜和一套DMS600智能數(shù)據(jù)采集儀即可完成全廠水電機組監(jiān)測。

DMS600數(shù)據(jù)采集器的輸入信號可接受來自渦流傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、壓力變送器和其他標(biāo)準(zhǔn)信號輸入。網(wǎng)絡(luò)通訊可提供非常靈活的以太網(wǎng)、串口連接(RS232/RS485)和USB接口，采用標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，可方便地與其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，形成遠程狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)。

圖2 DMS600 智能數(shù)據(jù)采集儀Fig.2 DMS600 Intelligent data acquisition instrument

2.2 數(shù)據(jù)保存

自動記錄的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲到主控工作站上。針對不同的數(shù)據(jù)，分別采用不同的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)實現(xiàn)。所有的數(shù)據(jù)都采用高效無損壓縮技術(shù)進行存儲，在讀取時，可以自動地高保真快速地還原。采樣現(xiàn)地單元數(shù)據(jù)緩沖技術(shù)及自動數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)，防止網(wǎng)絡(luò)故障引起的數(shù)據(jù)丟失。系統(tǒng)提供自動的增量方式的自動備份功能，以防止服務(wù)器故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫文件損壞。歷史數(shù)據(jù)具備自動稀疏功能及手工稀疏功能。

實時數(shù)據(jù)，存儲機組當(dāng)前運行的狀態(tài)數(shù)據(jù)；主特征數(shù)據(jù)，保存機組穩(wěn)態(tài)運行的數(shù)據(jù)；負荷、開度穩(wěn)定后記錄，等式時間間隔和報警觸發(fā)、功率變化等多種存儲策略。等時存儲時間間隔默認(rèn)為20 min(可調(diào))；暫態(tài)數(shù)據(jù)，高密度存儲機組開停機、變負荷、變勵磁、甩負荷過程、事故停機過程和現(xiàn)場試驗過程的數(shù)據(jù)(連續(xù)存儲，分辨率2 ms)；異常特征數(shù)據(jù)，保存機組發(fā)生預(yù)報警時刻的全部波形數(shù)據(jù)和全部特征數(shù)據(jù)；標(biāo)準(zhǔn)樣本；事故追憶數(shù)據(jù)，以高密保存全部原始波形和特征參量(連續(xù)存儲，分辨率1 ms)；報警事件；現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)(連續(xù)存儲，分辨率1 ms)。

2.3 曲線繪制

根據(jù)效率測試平臺采集實時測量的機組效率及離線采集的效率數(shù)據(jù)、機組負荷、水頭、導(dǎo)葉開度等數(shù)據(jù)可擬合出機組的綜合效率特性曲線。對于指導(dǎo)水輪機最優(yōu)運行而言，最重要的就是找到最優(yōu)效率工況點，因此效率曲線擬合的目的是根據(jù)實際測量的數(shù)據(jù)，采用智能擬合方法找到機組等效率曲線、等水頭曲線、等開度曲線。根據(jù)上述曲線，可以找到任何水頭下的最優(yōu)效率負荷/開度點，進而為實現(xiàn)最優(yōu)有功控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

在本方案中，等水頭曲線主要指在同一水頭下，機組負荷或開度/流量與機組效率之間的關(guān)系曲線，而等效率曲線則指在為保證同樣的效率，機組水頭與負荷/開度/流量之間的關(guān)系曲線。實際上對于同一臺水輪機而言，等水頭曲線是一個曲線族，該曲線族中的每一條曲線都代表了一個水頭下的機組負荷或開度/流量與機組效率之間的關(guān)系曲線。由這一族曲線，可以通過插值法找到任意一個有效水頭下的機組負荷或開度/流量與機組效率之間的關(guān)系曲線，而等效率曲線也類似。

從效率的測量計算方法中可以看出，機組效率是機組負荷、水頭、流量的非線性函數(shù)?？梢员硎緸椋?/p>

η=f(N,H,Q)

(2)

在實際的工程實踐中，由于機組效率與機組負荷/開度/流量是一個非線性的關(guān)系，因此采用逼近方法實現(xiàn)單一的數(shù)學(xué)公式獲得精確的效率與機組負荷/開度/流量之間的關(guān)系是不現(xiàn)實的，因此大多采用數(shù)據(jù)擬合方法去逼近其關(guān)系。通常采用的方法有分段三次樣條函數(shù)、三維網(wǎng)格化三次樣條函數(shù)、一般多項式最小二乘擬合、三維一般多項式最小二乘擬合，除此之外，還有切比雪夫最小二乘擬合、Akima插值法等，其擬合效果誤差精度、計算量等具有不同的特點。機組效率曲線擬合分析模型可運用多種方法實現(xiàn)，并可以進行對比。根據(jù)小水電機組效率在線監(jiān)測系統(tǒng)采集測量的實時機組效率及離線采集的效率數(shù)據(jù)實現(xiàn)曲線智能擬合分析功能。并且能根據(jù)該效率數(shù)據(jù)、機組負荷、水頭、導(dǎo)葉開度等數(shù)據(jù)基于智能算法自動擬合出不同特點的小水電機組的綜合特性曲線，并根據(jù)曲線研究出其最優(yōu)效率區(qū)域。

3 現(xiàn)場試驗

系統(tǒng)安裝并調(diào)試好后，在貴州某小水電廠對各項功能進行了測試，做了效率試驗。由所得的試驗數(shù)據(jù)繪制效率特性曲線，由于篇幅限制，只繪出水頭～負荷～效率三維曲線(曲面)和機組效率與負荷關(guān)系曲線見圖3。

圖3 效率～水頭～機組負荷三維擬合曲面Fig.3 Three dimensional fitting surface of efficiency-head-unit load

圖4 機組效率～負荷關(guān)系曲線Fig.4 Unit efficiency and unit load relation curve

4 結(jié) 語

本小水電機組效率在線監(jiān)測系統(tǒng)，在貴州某小型水電廠投運后，運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了效率在線監(jiān)測，達到了預(yù)期的目的。采用小水電機組效率在線監(jiān)測系統(tǒng)，為機組及電站經(jīng)濟運行、狀態(tài)檢修等提供了有利的條件，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

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