基于LabVIEW的水电站厂内经济运行系统设计

黄小军，朱能飞

（江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省靖安县 330603）

0 引言

我国水资源十分丰富，各个地区水资源分布情况不同，为农村小水电站的建立奠定了基础。查阅文献[1]数据，全国投入运行的农村小水电站为50000多座，总装机容量超过60GW[1]。但小水电普遍存在资金短缺、运行管理落后、自动化程度低下等问题，一直制约小水电的发展。在此背景下，实现小水电站优化管理，降低发电成本的任务迫在眉睫，通过建立LabVIEW平台下的厂内经济运行数字化管理系统，不仅在生产运行过程中能有效降低水资源的消耗，同时在管理上能进一步提高电站运行人员的工作效率，在一定程度上实现水电站经济效益最大化。目前，基于大型水电站经济运行系统技术成熟，得到电站人员的一致认可[2]，但后期系统存在维护成本高、更新工作量大以及信息功能过多时显得笨重不实用等弊端。对于资金短缺、自动化程度低下的农村小水电站，不可照搬大型水电站经济运行系统模式。因此，本文在水电站厂内经济运行原理的基础上，利用LabVIEW软件开发一款稳定可靠、人性化强的水电站经济运行系统，并将其应用到鸿源水电站，为水电站运行管理工作提供了重要的技术支撑。

1 厂内经济运行原理

水电站厂内经济运行主要是按以水定电、以电定水两种模式进行研究[3]。本文采用以电定水准则来研究水电站厂内经济运行。具体来说就是，在满足电力系统安全稳定运行的基础下，在给定负荷条件以及一定水头下，以耗水量最小为目标，获取机组最优负荷分配，提高电站的经济效益。

1.1 数学模型

以耗水量最小作为非实时负荷分配问题的目标函数，其数学模型描述如下：

约束条件：

式中W为发电机组在一个周期下的总耗流量；T为调度中心单次发布负荷任务的周期，此处周期为一天；n为电厂工作机组总台数；ΔT为运行周期下的单个时间段长度，此处将周期分为24个时间段，即每个时间段为1h；为机组的流量特性；为时间段为t情况下的机组的启停状态；Ci为开机状态下机组的流量消耗；Di为停机状态下机组的流量消耗；为时间段为t情况下的第i号机组出力；为调度中心在单时段t内分配的负荷；Pimin、Pimax为机组i的出力上、下限。

1.2 模型求解

本文采用双重决策方法处理非实时负荷分配问题，其第一重为负荷分配问题，第二重为机组组合问题[4]。负荷分配是获得机组流量出力曲线的前提下，针对给定某一水头下的发电任务，采用第一重动态规划法[5]求取机组最优负荷分配，在此基础上，考虑不同时间段系统负荷间断变化以及机组启停情况，在不同发电时间段利用第二重动态规划求解机组组合优化问题，以实现所有时段内耗水率最低的目标。

1.3 非实时负荷分配

给定水头下获取机组流量出力是计算负荷分配的关键过程，本文根据已处理的数字化模型综合曲线，利用Matlab进行程序编写求取对应水头下流量特性曲线，如图1绘制了部分水头下的流量特性曲线。在已知机组流量出力曲线的基础上，对于任意水头，从该时段的负荷值出发，以一定的步长对负荷进行离散、插值，获取最优的负荷分配结果。

图1 部分水头下的流量特性曲线Figure 1 Flow characteristics of a part of the head

2 系统功能模块设计及关键技术

根据水电站用户实际需求，采用Microsoft Access 2010、LabVIEW开发工具，构建了界面登入、系统查询、计算分析、数据处理、图形管理、数据库6种功能模块，利用LabVIEW平台实现了数据库的连接、机组数据查询、动力特性和机组有功负荷计算以及曲线绘制等关键技术[6]。如图2所示为厂内经济运行系统功能结构。

2.1 数据库模块

（1）数据库的创建。LabVIEW软件平台不支持数据库的创建，本文借助第三方数据库系统Microsoft Access 2010建立数据库[7]，数据库在用户实际需求的基础上存储、处理动力特性数据、历史日负荷数据、电站基本信息等。

图2 系统功能结构设计框图Figure 2 The system software interface design block diagram

（2）数据库的访问。利用LabVIEW内部供给的数据库工具包 Database Connectivity Toolkit（LabVIEW SQL Toolkit）实现数据库访问，在此之前需要利用UDL连接数据库，成功完成数据库的连接，便可采用工具包实现数据库的基本操作[8]。

2.2 系统查询模块

系统查询模块主要是针对水电站的特征数据，包括机组流量特性数据、日负荷数据以及电站基本信息数据。该模块包含两大功能：查询数据库中所有数据、按照条件进行搜索查询。例如，流量特性数据可按照出力、水头实现条件搜索查询，很大程度上提高用户的工作效率。与此同时，系统查询功能还以表格以及图形样式供用户进行选择如图3所示。

在后台程序框图的编写过程中，主要利用Database Connectivity Toolkit工具包中的DB Tools Select Date.vi来读取数据库中的所有数据，同时结合其他控件实现查询功能，如图4所示。若在输入端condition添加条件查询信息，用户便可按条件进行搜索查询，如图5所示。

图3 系统查询功能结构图Figure 3 System query function structure diagram

2.3 计算分析

此模块是系统核心部分，包括有功负荷分配和动力特性数据计算功能。此系统结合动态规划算法求解某一水头下运行最优分配，同时还可计算机组动力特性数据并提供结果查询，为特性数据的进一步分析提供条件。

2.4 曲线拟合

LabVIEW程序框图的函数窗口的数学选项卡包含了线性拟合、多项式拟合、最小二乘拟合等模块[9]。选取Curve Fitting里面的拟合模块，同时按照用户所需求的功能将其与另外的模块相结合，便可实现曲线拟合功能。本文为了最大程度上满足用户对拟合曲线的多样性选择，套用条件语句实现不同拟合方式下的相关数据分析功能，如图6所示。

图4 查询所有数据记录的程序框图Figure 4 Query block diagram of all data records

图5 条件搜索查询程序框图Figure 5 Conditions search query program block diagram

图6 曲线拟合程序框图Figure 6 Curve fitting program diagram

3 实例应用

鸿源水电站位于江西省靖安县高湖镇山口村，该电站水库容量为0.77亿m3，属多年调节水库，单机容量7MW，总装机容量为21MW，额定流量4.95m3/s，额定水头为165m。多年平均发电量5920万kWh，水库正常蓄水位369m。电站实际运行结果与非实时负荷优化分配结果见表1。

表1 DP算法在不同出力下优化的耗流量对比结果Table 1 Comparison of the consumption flow rates optimized by the DP under different output forces

由表1可知，与电站实际发电相比，采用DP优化耗流量一天内可节约耗水 26164.8m3，按机组90% 的转换效率计算，节约电量为10.6kWh。

如图7所示为机组流量出力数据条件查询。根据电站历史日负荷曲线、日平均水头，求解机组最优负荷分配，利用此系统结合动态规划计算电站日负荷分配结果如图8所示，以及优化出力过程和实际电站出力耗水量如图9所示。

由图9可知，采用优化出力的耗流量与电站实际耗流量相比，整体上能够节约1%～3%的水资源，可见，在满足电站负荷平衡与安全稳定运行的前提下，通过负荷优化分配，能够有效降低电站耗水率，提高经济运行水平。

图7 机组流量出力数据条件查询Figure 7 Unit flow output data condition query

图8 鸿源电站日负荷及优化结果Figure 8 Daily load and optimization results of Hongyuan Power Station

图9 耗流量对比界面图Figure 9 Consumption flow comparison interface diagram

4 结束语

本文研究了鸿源水电站厂内经济运行系统，建立了以电定水准则的数学模型，以双重动态规划法为基础，构建了基于LabVIEW平台的水电站经济运行系统设计。从运行效果可以看出，该系统操作简单、直观性强、交互性强，为指导水电站运行及管理提供了技术方案。同时，该系统可广泛推广至农村小水电站，在满足基本需求的情况下，以较低的投资成本实现最大的经济效益。