大型数据库下的水库水轮发电机控制系统设计

付明林

(河南水利与环境职业学院，河南 郑州 450011)

0 引言

为了提高可再生资源的利用率，节约资源，走可持续发展道路，应该充分利用水电、风电等自然资源，经调查发现，与国外水电开发技术相比，我国水电的开发率较低[1]。水库发电对环境产生的影响与其他资源发电相比相对较小，且资源利用率较高。发电机控制的自动化和智能化程度直接影响着水库发电的效率[2]。水库水轮发电机控制系统在绿色能源不断发展的背景下得到了广泛的应用，对水库水轮发电机控制系统进行研究，对提高水库水电发电机综合效益具有重要作用。

余向阳等[3]通过最小单位流量对最优转速寻优策略进行改进，采用多变量误差叠加和双通道励磁控制方法在电机矢量控制理论的基础上引入滞环电流控制，完成水库水轮发电机控制系统的设计，该方法在控制过程中发电机的振荡次数较多，存在控制稳定性差的问题。李文武等[4]将水阀门伺服电机，同步发电机和水轮机分别作为控制系统中的第一级系统和第二级系统，分别通过混合灵敏度设计方法和μ-综合方法对其进行控制，结合水启动时间和水压力波动时间等参数完成水库水轮发电机控制系统的设计，该方法的控制效果较差，且系统的运行能耗高。

为了解决上述方法中存在的问题，本文提出大型数据库下的水库水轮发电机控制系统设计方法。

1 硬件设计

水库水轮发电机控制系统由2层构成，分别是现地控制单元层和主控层。在水库水轮发电机控制系统的硬件设计中引入计算机监控系统，提高水库水轮发电机的自动化水平，水库水轮发电机控制系统的结构如图1所示。

图1 水库水轮发电机控制系统结构

1.1 主控制层功能

主控制层在水库水轮发电机控制系统中的主要作用是对电站设备进行控制、测量、保护与监视，是系统的中心，可以作为上级调度部门和监控系统之间的联系桥梁。主控制层在水库水轮发电机控制系统中具有以下功能：

a.运行监视。在LCU(local control unit，液晶显示触摸屏)中定期采集机组运行参数和变压器运行参数，并将获取的设备参数存储到系统的数据库中，在系统运行过程中不断更新数据库[5-6]，并将数据库中存在的数据实时投放到监控系统中，工作人员根据数据库中的数据监视生产过程中电站设备的运行状态和过程。

b.调节与控制。在水库水轮机发电控制系统的中控室中，系统操作人员可通过键盘向机组LCU传送相关的控制指令和调节指令，运行人员在监控系统中监视机组的操作过程。

c.人机接口。由鼠标和显示器构成系统的人机接口，人机接口的主要作用是方便运行人员选择监控方式，包括画面显示功能、报表发音功能、参数修改功能和更改时间功能等。

d.自诊断。自诊断功能的主要作用是获取水库水轮发电机控制系统中的故障位置和故障设备，记录并打印故障诊断结果。

e.通信。各LCU间的联系可通过系统的通信功能完成。

1.2 现地控制单元层

现地控制单元层在水库水轮发电机控制系统中的主要作用是采集并处理单元中存在的数据，具体功能如下：

a.数据采集。实时采集设备在电站中的开关量和模拟量等数据，并将数据记录、保存到数据库中。

b.数据处理。针对设备在水库水轮发电机控制系统中运行产生的数据，利用中控室的上位机进行采集，并在系统内部对采集的数据进行计算，将数据计算结果作为控制层监控的依据。

c.调整与控制。在系统中该功能的主要作用是接收主控制层传输的控制命令和调整命令，对电站的辅机和主机进行控制。

d.人机界面。机组运行参数、断路器状态、母线和供电线的电压以及变压器运行参数等数据均显示在发电机控制系统的人机界面中，利用人机界面中的数据，系统操作人员可对水库水轮发电机设备进行控制与操作。

e.报警。将警铃、警笛等报警装备安放到机组控制保护屏中，现地控制单元当设备出现故障和问题时，在人机界面中显示产生故障和问题的原因，并向主控制层发送报警信息[7-8]。

2 软件设计

根据硬件设计中构建的数据库，建立水库水轮发电机的相关数学模型。

2.1 数学模型

不对水利摩擦阻力进行考虑，构建弹性水击模型[9]，即

(1)

Yw为水流惯性时间常数；j为水轮机的水头；Yr为水击波r对应的反射时间常数；w为水轮机在工作状态下的流量。

水库水轮机在系统运行过程中的线性化模型表示为

(2)

u为水轮机导叶对应的开度；qm为水轮机在水库水轮发电机运行过程中的输出机械力矩；rmξ、rmj、rmy分别为水轮机力矩m对转速、水头和导叶开度的传递系数；rwξ、rwj、rwu分别为流量对转速ξ、水头j和导叶开度u的传递系数。

结合弹性水击模型和水轮机线性化模型构建水轮机在水库水轮发电机控制系统中的线性化模型，即

(3)

Δξ为水轮机在水库水轮发电机控制过程中的自调节力矩分量；Hj(s)为导叶在水库水轮发电机控制过程中的调节力矩分量。

设ε为发电机对应的功角；ξ为发电机的实际转速；Am为原动机在水轮水库发电机控制过程中的输出机械功率；AF为发电机对应的阻尼F功率；R为发电机在系统运行过程中的定子电流；xd为时间d下的电抗。在水库水轮发电机控制系统的软件设计中，利用二阶模型对单机无穷大电力系统进行描述，即

(4)

ξN为发电机在运行状态N下的额定转速；Yj为惯性时间常数；Ae为发电机电磁输出功率；F为阻尼系数；Bt为t时刻的机端电压；O为发电机在系统运行状态下产生的定子电流。

2.2 软件编写

大型数据库下的水库水轮发电机控制系统设计方法通过C语言编写PWM脉冲产生终端程序、主程序、终端程序和定时器程序[10]，构成水库水轮发电机控制系统的软件。并在软件中数字化PID算法[11-12]，实现水库水轮发电机的控制。

PID算法在模拟系统中的表达式为

(5)

LP为在P比例下的积分系数；r(t)为采样偏差；YI、YD均为在模糊均值D控制下的采样时刻。

在系统软件设计中用差分方程代替原始的微分方程，对PID算法进行离散化处理[13-14]，此时式(5)中的微分项和积分项可以表示为

(6)

R(k)为第k次采样时，控制系统的偏差值。将式(6)代入式(5)中，完成PID算法的离散化处理，即

(7)

A(k)为调节器在第k次采样时对应的输出；Y为采样周期，水库水轮发电机控制系统的精度随着采样周期Y的减小而提高；R(k-1)为第k-1次采样时，控制系统对应的偏差值。

大型数据库下的水库水轮发电机控制系统的软件流程如图2所示。

图2 水轮水库发电机控制系统的软件流程

3 仿真分析

为了验证大型数据库下的水轮水库发电机控制系统设计方法的整体有效性，需要对该方法进行测试。

3.1 控制稳定性测试

采用本文方法、文献[3]方法和文献[4]方法进行发电机控制测试，将发电机的振荡次数作为指标，对比不同方法的控制稳定性，振荡次数越少，表明系统的控制稳定性越强，不同方法的测试结果如表1所示。

表1 控制稳定性测试

分析表1中的数据可知，采用本文方法设计的系统进行测试时，在系统运行60 s时，发电机出现了1次振荡，其余时间均没有发生振荡，文献[3]方法和文献[4]方法设计的系统在不同时间内均存在振荡现象。由上述测试结果可知，本文方法设计的系统只存在1次振荡，表明该方法设计的系统具有较高的控制稳定性，因为该方法在水库水轮发电机控制系统的软件中，构建了水轮机数学模型，采用PID控制算法在水轮机数学模型的基础上对水库水轮发电机进行控制，可有效减少发电机的振荡次数，提高水库水轮发电机控制系统的控制稳定性。

3.2 控制效果测试

将发电机转子角、输出有功电磁功率和水轮机水门开度作为指标，对比本文方法、文献[3]方法和文献[4]方法的控制效果，测试结果如图3所示。

图3 控制效果测试

由图3a可知，本文方法的发电机转子角曲线存在一定规律，而文献[3]方法和文献[4]方法的发电机转子角曲线呈不规律状态，表明发电机转子角在系统运行过程中的波动较大。由图3b可知，当系统运行5 s以后，本文方法的发电机输出有功电磁功率保持平稳，基本不发生波动，文献[3]方法和文献[4]方法的发电机输出有功电磁功率在系统运行过程中的波动较大，无法在短时间内保持平稳。由图3c可知，本文方法的水轮机水门开度与文献[3]方法和文献[4]方法相比，波动较小。通过上述测试结果可知，本文方法设计的水轮水库发电机控制系统具有较好的控制效果。

3.3 系统能耗测试

将电磁阀耗电量作为指标，对本文方法、文献[3]方法和文献[4]方法的系统能耗进行测试，电磁阀耗电量越高，系统的能耗越高，电磁阀耗电量Vs计算式为

Vs=0.1Is×2M

(8)

M为水库水轮发电机系统的开阀次数；Is为进行开关动作时电磁阀中存在的线圈电流。

本文方法、文献[3]方法和文献[4]方法的电磁阀耗电量测试结果如图4所示。

图4 不同方法的电磁阀耗电量

由图4可知，随着发电机控制系统运行时间的增长，本文方法、文献[3]方法和文献[4]方法的电磁阀耗电量均有所增长，但在相同时间内，本文方法的电磁阀耗电量均低于文献[3]方法和文献[4]方法的电磁阀耗电量，表明本文方法设计的水轮水库发电机控制系统的能耗较低。

4 结束语

电能具有可再生性这一优点，在社会生活和生产过程中得到了广泛的应用，具有重要的研究意义。我国河流众多，水力发电具有良好的发展前景。但目前我国水库水轮发电机控制系统存在控制稳定性差、控制效果差和系统能耗高的问题，因此，本文提出大型数据库下的水库水轮发电机控制系统设计方法，该方法在软件设计中构建了水轮机的数学模型，为水轮水库发电系统的优化设计提供了相关依据，解决了目前方法中存在的问题，为水力发电技术的发展奠定了基础。