小水電機(jī)組效率在線監(jiān)測系統(tǒng)

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(fù)影響很小；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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化和機(jī)電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，以降低造價(jià)、縮短工期[1]。但是小水電站存在著管理自動(dòng)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(yùn)行要求越來越高，所以進(jìn)行小水電機(jī)組參數(shù)的在線狀態(tài)監(jiān)測是必然趨勢。對于小水電機(jī)組參數(shù)而言，其中最重要的一個(gè)參數(shù)就是小水電機(jī)組效率。實(shí)現(xiàn)小水電機(jī)組效率的在線監(jiān)測，對于機(jī)組的運(yùn)行具有指導(dǎo)意義，比如可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前小水電機(jī)組運(yùn)行效率和耗水率，為小水電站實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及機(jī)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(jī)組效率在線監(jiān)測系統(tǒng)。小水電機(jī)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(jī)組的效率包括水輪機(jī)效率和發(fā)電機(jī)效率，其中發(fā)電機(jī)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(jī)效率特性變化較大，因此，水輪機(jī)的效率特性決定了機(jī)組的效率特性。

1 系統(tǒng)功能

1.1 水輪機(jī)效率計(jì)算

不論超聲波測流法、蝸殼差壓法都是在蝸殼進(jìn)口處和尾水管出口處加裝測壓傳感器獲得蝸殼進(jìn)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(jī)組流量，進(jìn)而計(jì)算獲得水輪機(jī)效率。

(1)

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>

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(jī)功率、機(jī)組流量、蝸殼進(jìn)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(jī)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(jī)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(jì)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(shí)間:1 s(1通道)。多聲道超聲流量計(jì)是通過傳播時(shí)間差法測量超聲脈沖傳播時(shí)間得出介質(zhì)流量的速度式流量計(jì)。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(shí)間，其傳播時(shí)間差與介質(zhì)的軸向平均流速有關(guān)，從而使用數(shù)值計(jì)算技術(shù)計(jì)算出在工作條件下流量計(jì)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(jì)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(jì)，系統(tǒng)界面友好。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要由三部分組成：數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和程序存儲(chǔ)部分、人機(jī)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(chǔ)和程序存儲(chǔ)部分完成對外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，其中包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；

(3)人機(jī)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與外部高級(jí)運(yùn)算程序的數(shù)據(jù)共享功能，為外部高級(jí)運(yùn)算程序提供相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；

(5)可以實(shí)現(xiàn)打印數(shù)據(jù)；生成數(shù)據(jù)報(bào)表；繪制曲線等。

系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單，所用元件少，花費(fèi)小，經(jīng)濟(jì)；功能多樣；設(shè)計(jì)智能化，兼容性和擴(kuò)展性好。

目前試點(diǎn)電站為紅楓四級(jí)窄巷口電站、五級(jí)紅林電站和六級(jí)紅巖電站，共8臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量共22.5 萬kW。系統(tǒng)平臺(tái)主要針對3個(gè)電站中的8臺(tái)機(jī)組展開監(jiān)測研究，主要完成8臺(tái)機(jī)組的實(shí)時(shí)效率的監(jiān)測并根據(jù)采集數(shù)據(jù)對各個(gè)機(jī)組的效率曲線進(jìn)行擬合，最終實(shí)現(xiàn)各個(gè)分站的機(jī)組的協(xié)調(diào)效率最優(yōu)控制。

2 程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法

該系統(tǒng)以Microsoft Visual C ++ 6.0為開發(fā)工具，在這個(gè)平臺(tái)下進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能的實(shí)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(yùn)行。這個(gè)系統(tǒng)主要實(shí)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(jì)，更加強(qiáng)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(kuò)展通道較多，并支持多轉(zhuǎn)速，更適合中小型水電機(jī)組多機(jī)共享式在線監(jiān)測應(yīng)用，對于測點(diǎn)較少的水電機(jī)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(jī)組監(jiān)測。

DMS600數(shù)據(jù)采集器的輸入信號(hào)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(hào)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換，形成遠(yuǎn)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(dòng)記錄的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)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(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。所有的數(shù)據(jù)都采用高效無損壓縮技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，在讀取時(shí)，可以自動(dòng)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(dòng)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(dòng)的增量方式的自動(dòng)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(dòng)稀疏功能及手工稀疏功能。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行的狀態(tài)數(shù)據(jù)；主特征數(shù)據(jù)，保存機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的數(shù)據(jù)；負(fù)荷、開度穩(wěn)定后記錄，等式時(shí)間間隔和報(bào)警觸發(fā)、功率變化等多種存儲(chǔ)策略。等時(shí)存儲(chǔ)時(shí)間間隔默認(rèn)為20 min(可調(diào))；暫態(tài)數(shù)據(jù)，高密度存儲(chǔ)機(jī)組開停機(jī)、變負(fù)荷、變勵(lì)磁、甩負(fù)荷過程、事故停機(jī)過程和現(xiàn)場試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)(連續(xù)存儲(chǔ)，分辨率2 ms)；異常特征數(shù)據(jù)，保存機(jī)組發(fā)生預(yù)報(bào)警時(shí)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(chǔ)，分辨率1 ms)；報(bào)警事件；現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)(連續(xù)存儲(chǔ)，分辨率1 ms)。

2.3 曲線繪制

根據(jù)效率測試平臺(tái)采集實(shí)時(shí)測量的機(jī)組效率及離線采集的效率數(shù)據(jù)、機(jī)組負(fù)荷、水頭、導(dǎo)葉開度等數(shù)據(jù)可擬合出機(jī)組的綜合效率特性曲線。對于指導(dǎo)水輪機(jī)最優(yōu)運(yùn)行而言，最重要的就是找到最優(yōu)效率工況點(diǎn)，因此效率曲線擬合的目的是根據(jù)實(shí)際測量的數(shù)據(jù)，采用智能擬合方法找到機(jī)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(fù)荷/開度點(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)。

在本方案中，等水頭曲線主要指在同一水頭下，機(jī)組負(fù)荷或開度/流量與機(jī)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(jī)組水頭與負(fù)荷/開度/流量之間的關(guān)系曲線。實(shí)際上對于同一臺(tái)水輪機(jī)而言，等水頭曲線是一個(gè)曲線族，該曲線族中的每一條曲線都代表了一個(gè)水頭下的機(jī)組負(fù)荷或開度/流量與機(jī)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(gè)有效水頭下的機(jī)組負(fù)荷或開度/流量與機(jī)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(jì)算方法中可以看出，機(jī)組效率是機(jī)組負(fù)荷、水頭、流量的非線性函數(shù)。可以表示為：

η=f(N,H,Q)

(2)

在實(shí)際的工程實(shí)踐中，由于機(jī)組效率與機(jī)組負(fù)荷/開度/流量是一個(gè)非線性的關(guān)系，因此采用逼近方法實(shí)現(xiàn)單一的數(shù)學(xué)公式獲得精確的效率與機(jī)組負(fù)荷/開度/流量之間的關(guān)系是不現(xiàn)實(shí)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(xiàng)式最小二乘擬合、三維一般多項(xiàng)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(jì)算量等具有不同的特點(diǎn)。機(jī)組效率曲線擬合分析模型可運(yùn)用多種方法實(shí)現(xiàn)，并可以進(jìn)行對比。根據(jù)小水電機(jī)組效率在線監(jiān)測系統(tǒng)采集測量的實(shí)時(shí)機(jī)組效率及離線采集的效率數(shù)據(jù)實(shí)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(jī)組負(fù)荷、水頭、導(dǎo)葉開度等數(shù)據(jù)基于智能算法自動(dòng)擬合出不同特點(diǎn)的小水電機(jī)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(yàn)

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

圖3 效率～水頭～機(jī)組負(fù)荷三維擬合曲面Fig.3 Three dimensional fitting surface of efficiency-head-unit load

圖4 機(jī)組效率～負(fù)荷關(guān)系曲線Fig.4 Unit efficiency and unit load relation curve

4 結(jié) 語

本小水電機(jī)組效率在線監(jiān)測系統(tǒng)，在貴州某小型水電廠投運(yùn)后，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了效率在線監(jiān)測，達(dá)到了預(yù)期的目的。采用小水電機(jī)組效率在線監(jiān)測系統(tǒng)，為機(jī)組及電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(shí)意義。

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[1] 編委會(huì)．中國電力百科全書水力發(fā)電卷．北京：中國電力出版社，2001：539-542.

[2] 梁朝暉. 貴港水電站燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)效率試驗(yàn)論證[J]. 廣西電力工程，2001,(2):38-42.

[3] Environmental Integration of Small Hydropower Plants[R]. European Small Hydropower Association, 2005.

[4] 邵國輝，趙 越，趙英男．卡倫Ⅲ水電站2號(hào)機(jī)組效率試驗(yàn)研究[J]．中國農(nóng)村水利水電，2014,(4)：151-154．

[5] 陳大冶．豐潭水電站機(jī)組的效率測試分析[J]．小水電，2014,(5)：11-15．

[6] 張萬福，周二寶，歐世強(qiáng)，等．紀(jì)村電站機(jī)組效率試驗(yàn)與效率在線監(jiān)測系統(tǒng)建立[J]．水電站機(jī)電技術(shù)，2011,(8)：47-50．

[7] 鄭 源，李賢慶．利用蝸殼壓差法測流做原型水輪機(jī)效率試驗(yàn)[J]．河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，(5)：101-104．

[8] 喬 娟，張立仁，姚 濤. 某地區(qū)小水電增效擴(kuò)容改造方案及評(píng)價(jià)[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2013，(6):153-155.

[9] 穆建軍. 農(nóng)村水電技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2004，(6):88-89.