付明林

(河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450011)

0 引言

為了提高可再生資源的利用率，節(jié)約資源，走可持續(xù)發(fā)展道路，應(yīng)該充分利用水電、風(fēng)電等自然資源，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，與國(guó)外水電開發(fā)技術(shù)相比，我國(guó)水電的開發(fā)率較低[1]。水庫(kù)發(fā)電對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響與其他資源發(fā)電相比相對(duì)較小，且資源利用率較高。發(fā)電機(jī)控制的自動(dòng)化和智能化程度直接影響著水庫(kù)發(fā)電的效率[2]。水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)在綠色能源不斷發(fā)展的背景下得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，對(duì)提高水庫(kù)水電發(fā)電機(jī)綜合效益具有重要作用。

余向陽等[3]通過最小單位流量對(duì)最優(yōu)轉(zhuǎn)速尋優(yōu)策略進(jìn)行改進(jìn)，采用多變量誤差疊加和雙通道勵(lì)磁控制方法在電機(jī)矢量控制理論的基礎(chǔ)上引入滯環(huán)電流控制，完成水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該方法在控制過程中發(fā)電機(jī)的振蕩次數(shù)較多，存在控制穩(wěn)定性差的問題。李文武等[4]將水閥門伺服電機(jī)，同步發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)分別作為控制系統(tǒng)中的第一級(jí)系統(tǒng)和第二級(jí)系統(tǒng)，分別通過混合靈敏度設(shè)計(jì)方法和μ-綜合方法對(duì)其進(jìn)行控制，結(jié)合水啟動(dòng)時(shí)間和水壓力波動(dòng)時(shí)間等參數(shù)完成水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該方法的控制效果較差，且系統(tǒng)的運(yùn)行能耗高。

為了解決上述方法中存在的問題，本文提出大型數(shù)據(jù)庫(kù)下的水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1 硬件設(shè)計(jì)

水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)由2層構(gòu)成，分別是現(xiàn)地控制單元層和主控層。在水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中引入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，提高水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)的自動(dòng)化水平，水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 主控制層功能

主控制層在水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中的主要作用是對(duì)電站設(shè)備進(jìn)行控制、測(cè)量、保護(hù)與監(jiān)視，是系統(tǒng)的中心，可以作為上級(jí)調(diào)度部門和監(jiān)控系統(tǒng)之間的聯(lián)系橋梁。主控制層在水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中具有以下功能：

a.運(yùn)行監(jiān)視。在LCU(local control unit，液晶顯示觸摸屏)中定期采集機(jī)組運(yùn)行參數(shù)和變壓器運(yùn)行參數(shù)，并將獲取的設(shè)備參數(shù)存儲(chǔ)到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中不斷更新數(shù)據(jù)庫(kù)[5-6]，并將數(shù)據(jù)庫(kù)中存在的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)投放到監(jiān)控系統(tǒng)中，工作人員根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)監(jiān)視生產(chǎn)過程中電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和過程。

b.調(diào)節(jié)與控制。在水庫(kù)水輪機(jī)發(fā)電控制系統(tǒng)的中控室中，系統(tǒng)操作人員可通過鍵盤向機(jī)組LCU傳送相關(guān)的控制指令和調(diào)節(jié)指令，運(yùn)行人員在監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)視機(jī)組的操作過程。

c.人機(jī)接口。由鼠標(biāo)和顯示器構(gòu)成系統(tǒng)的人機(jī)接口，人機(jī)接口的主要作用是方便運(yùn)行人員選擇監(jiān)控方式，包括畫面顯示功能、報(bào)表發(fā)音功能、參數(shù)修改功能和更改時(shí)間功能等。

d.自診斷。自診斷功能的主要作用是獲取水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中的故障位置和故障設(shè)備，記錄并打印故障診斷結(jié)果。

e.通信。各LCU間的聯(lián)系可通過系統(tǒng)的通信功能完成。

1.2 現(xiàn)地控制單元層

現(xiàn)地控制單元層在水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中的主要作用是采集并處理單元中存在的數(shù)據(jù)，具體功能如下：

a.數(shù)據(jù)采集。實(shí)時(shí)采集設(shè)備在電站中的開關(guān)量和模擬量等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)記錄、保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

b.數(shù)據(jù)處理。針對(duì)設(shè)備在水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，利用中控室的上位機(jī)進(jìn)行采集，并在系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果作為控制層監(jiān)控的依據(jù)。

c.調(diào)整與控制。在系統(tǒng)中該功能的主要作用是接收主控制層傳輸?shù)目刂泼詈驼{(diào)整命令，對(duì)電站的輔機(jī)和主機(jī)進(jìn)行控制。

d.人機(jī)界面。機(jī)組運(yùn)行參數(shù)、斷路器狀態(tài)、母線和供電線的電壓以及變壓器運(yùn)行參數(shù)等數(shù)據(jù)均顯示在發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的人機(jī)界面中，利用人機(jī)界面中的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)操作人員可對(duì)水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)設(shè)備進(jìn)行控制與操作。

e.報(bào)警。將警鈴、警笛等報(bào)警裝備安放到機(jī)組控制保護(hù)屏中，現(xiàn)地控制單元當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障和問題時(shí)，在人機(jī)界面中顯示產(chǎn)生故障和問題的原因，并向主控制層發(fā)送報(bào)警信息[7-8]。

2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)中構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫(kù)，建立水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)的相關(guān)數(shù)學(xué)模型。

2.1 數(shù)學(xué)模型

不對(duì)水利摩擦阻力進(jìn)行考慮，構(gòu)建彈性水擊模型[9]，即

(1)

Yw為水流慣性時(shí)間常數(shù)；j為水輪機(jī)的水頭；Yr為水擊波r對(duì)應(yīng)的反射時(shí)間常數(shù)；w為水輪機(jī)在工作狀態(tài)下的流量。

水庫(kù)水輪機(jī)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中的線性化模型表示為

(2)

u為水輪機(jī)導(dǎo)葉對(duì)應(yīng)的開度；qm為水輪機(jī)在水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中的輸出機(jī)械力矩；rmξ、rmj、rmy分別為水輪機(jī)力矩m對(duì)轉(zhuǎn)速、水頭和導(dǎo)葉開度的傳遞系數(shù)；rwξ、rwj、rwu分別為流量對(duì)轉(zhuǎn)速ξ、水頭j和導(dǎo)葉開度u的傳遞系數(shù)。

結(jié)合彈性水擊模型和水輪機(jī)線性化模型構(gòu)建水輪機(jī)在水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中的線性化模型，即

(3)

Δξ為水輪機(jī)在水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制過程中的自調(diào)節(jié)力矩分量；Hj(s)為導(dǎo)葉在水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制過程中的調(diào)節(jié)力矩分量。

設(shè)ε為發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)的功角；ξ為發(fā)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速；Am為原動(dòng)機(jī)在水輪水庫(kù)發(fā)電機(jī)控制過程中的輸出機(jī)械功率；AF為發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)的阻尼F功率；R為發(fā)電機(jī)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中的定子電流；xd為時(shí)間d下的電抗。在水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，利用二階模型對(duì)單機(jī)無窮大電力系統(tǒng)進(jìn)行描述，即

(4)

ξN為發(fā)電機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)N下的額定轉(zhuǎn)速；Yj為慣性時(shí)間常數(shù)；Ae為發(fā)電機(jī)電磁輸出功率；F為阻尼系數(shù)；Bt為t時(shí)刻的機(jī)端電壓；O為發(fā)電機(jī)在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下產(chǎn)生的定子電流。

2.2 軟件編寫

大型數(shù)據(jù)庫(kù)下的水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法通過C語言編寫PWM脈沖產(chǎn)生終端程序、主程序、終端程序和定時(shí)器程序[10]，構(gòu)成水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件。并在軟件中數(shù)字化PID算法[11-12]，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)的控制。

PID算法在模擬系統(tǒng)中的表達(dá)式為

(5)

LP為在P比例下的積分系數(shù)；r(t)為采樣偏差；YI、YD均為在模糊均值D控制下的采樣時(shí)刻。

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中用差分方程代替原始的微分方程，對(duì)PID算法進(jìn)行離散化處理[13-14]，此時(shí)式(5)中的微分項(xiàng)和積分項(xiàng)可以表示為

(6)

R(k)為第k次采樣時(shí)，控制系統(tǒng)的偏差值。將式(6)代入式(5)中，完成PID算法的離散化處理，即

(7)

A(k)為調(diào)節(jié)器在第k次采樣時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出；Y為采樣周期，水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的精度隨著采樣周期Y的減小而提高；R(k-1)為第k-1次采樣時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的偏差值。

大型數(shù)據(jù)庫(kù)下的水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件流程如圖2所示。

圖2 水輪水庫(kù)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件流程

3 仿真分析

為了驗(yàn)證大型數(shù)據(jù)庫(kù)下的水輪水庫(kù)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的整體有效性，需要對(duì)該方法進(jìn)行測(cè)試。

3.1 控制穩(wěn)定性測(cè)試

采用本文方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行發(fā)電機(jī)控制測(cè)試，將發(fā)電機(jī)的振蕩次數(shù)作為指標(biāo)，對(duì)比不同方法的控制穩(wěn)定性，振蕩次數(shù)越少，表明系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性越強(qiáng)，不同方法的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 控制穩(wěn)定性測(cè)試

分析表1中的數(shù)據(jù)可知，采用本文方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，在系統(tǒng)運(yùn)行60 s時(shí)，發(fā)電機(jī)出現(xiàn)了1次振蕩，其余時(shí)間均沒有發(fā)生振蕩，文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在不同時(shí)間內(nèi)均存在振蕩現(xiàn)象。由上述測(cè)試結(jié)果可知，本文方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)只存在1次振蕩，表明該方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較高的控制穩(wěn)定性，因?yàn)樵摲椒ㄔ谒畮?kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件中，構(gòu)建了水輪機(jī)數(shù)學(xué)模型，采用PID控制算法在水輪機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上對(duì)水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，可有效減少發(fā)電機(jī)的振蕩次數(shù)，提高水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性。

3.2 控制效果測(cè)試

將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角、輸出有功電磁功率和水輪機(jī)水門開度作為指標(biāo)，對(duì)比本文方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的控制效果，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 控制效果測(cè)試

由圖3a可知，本文方法的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角曲線存在一定規(guī)律，而文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角曲線呈不規(guī)律狀態(tài)，表明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角在系統(tǒng)運(yùn)行過程中的波動(dòng)較大。由圖3b可知，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行5 s以后，本文方法的發(fā)電機(jī)輸出有功電磁功率保持平穩(wěn)，基本不發(fā)生波動(dòng)，文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的發(fā)電機(jī)輸出有功電磁功率在系統(tǒng)運(yùn)行過程中的波動(dòng)較大，無法在短時(shí)間內(nèi)保持平穩(wěn)。由圖3c可知，本文方法的水輪機(jī)水門開度與文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法相比，波動(dòng)較小。通過上述測(cè)試結(jié)果可知，本文方法設(shè)計(jì)的水輪水庫(kù)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)具有較好的控制效果。

3.3 系統(tǒng)能耗測(cè)試

將電磁閥耗電量作為指標(biāo)，對(duì)本文方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的系統(tǒng)能耗進(jìn)行測(cè)試，電磁閥耗電量越高，系統(tǒng)的能耗越高，電磁閥耗電量Vs計(jì)算式為

Vs=0.1Is×2M

(8)

M為水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的開閥次數(shù)；Is為進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作時(shí)電磁閥中存在的線圈電流。

本文方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的電磁閥耗電量測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同方法的電磁閥耗電量

由圖4可知，隨著發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，本文方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的電磁閥耗電量均有所增長(zhǎng)，但在相同時(shí)間內(nèi)，本文方法的電磁閥耗電量均低于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的電磁閥耗電量，表明本文方法設(shè)計(jì)的水輪水庫(kù)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的能耗較低。

4 結(jié)束語

電能具有可再生性這一優(yōu)點(diǎn)，在社會(huì)生活和生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用，具有重要的研究意義。我國(guó)河流眾多，水力發(fā)電具有良好的發(fā)展前景。但目前我國(guó)水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)存在控制穩(wěn)定性差、控制效果差和系統(tǒng)能耗高的問題，因此，本文提出大型數(shù)據(jù)庫(kù)下的水庫(kù)水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該方法在軟件設(shè)計(jì)中構(gòu)建了水輪機(jī)的數(shù)學(xué)模型，為水輪水庫(kù)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了相關(guān)依據(jù)，解決了目前方法中存在的問題，為水力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。