小水電機組效率在線監測系統

唐戢群，毛 成，文賢馗，肖 永，高曉光，蘇 立

(貴州電網有限責任公司電力科學研究院，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；對生態環境負影響很小；簡單性，即技術是成熟的，無須復雜昂貴的技術；當地化，即當地群眾能夠參與建設，并可盡量使用當地材料建設；標準化，即較易于實現設計標準化和機電設備標準化，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，生產效率低下。大部分工作是由人工來完成的，必然存在著誤差。隨著科學技術的發展，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的在線狀態監測是必然趨勢。對于小水電機組參數而言，其中最重要的一個參數就是小水電機組效率。實現小水電機組效率的在線監測，對于機組的運行具有指導意義，比如可以實時顯示當前小水電機組運行效率和耗水率，為小水電站實現經濟運行及機組的狀態監測奠定基礎。在貴州某小水電廠的支持和配合下，我們開發了小水電機組效率在線監測系統。小水電機組效率在線檢測系統對于指導電廠合理調度用水以及最優有功分配具有重要的意義。

水電站水力發電機組的效率包括水輪機效率和發電機效率，其中發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據，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為發電機功率；ηg為發電機效率；Q為機組流量；H為工作水頭；g為當地重力加速度。

1.2 參數測量方法

效率監測需要測量的參數有：發電機功率、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需要通過采集系統采集或者人工輸入獲得，其他參數可以通過相應的變送器直接采集獲得。

在本系統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：讀數的±0.5%，重復性：讀數的0.15%，工作溫度-10～60 ℃，功耗：<15 W,響應時間: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流量的速度式流量計。讓聲脈沖在管道內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的軸向平均流速有關，從而使用數值計算技術計算出在工作條件下流量計的介質軸向平均流速。它支持管道內壁內貼式安裝及管道外壁直接安裝兩種安裝方式，不受介質影響，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 系統功能

按照標準化原則，兼容性原則和一體化原則，采用開放架構的策略設計，系統界面友好。系統的硬件設計主要由三部分組成：數據采集部分、數據存儲和程序存儲部分、人機接口部分和外部系統通信接口。系統的功能主要包括：

(1)數據采集部分完成對所要采集量的采集功能；

(2)數據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據存儲器；

(3)人機接口部分完成鍵盤和顯示部分的功能；

(4)外部系統通信接口主要實現系統數據與外部高級運算程序的數據共享功能，為外部高級運算程序提供相應的基礎數據；

(5)可以實現打印數據；生成數據報表；繪制曲線等。

系統的基本特點是設計簡單，所用元件少，花費小，經濟；功能多樣；設計智能化，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。系統平臺主要針對3個電站中的8臺機組展開監測研究，主要完成8臺機組的實時效率的監測并根據采集數據對各個機組的效率曲線進行擬合，最終實現各個分站的機組的協調效率最優控制。

2 程序設計與實現方法

該系統以Microsoft Visual C ++ 6.0為開發工具，在這個平臺下進行系統設計與功能的實現。系統可以在Windows 2000/Server，Windows XP或Windows 7(32位或64位)操作系統下運行。這個系統主要實現了數據通訊，數據保存，曲線繪制的功能。

2.1 數據采集

為了適應多種現場條件，該系統配備6U高度采集器，DMS600采用嵌入式低功耗模塊化板卡設計，更加強化了設備的牢固性和穩定性，提高了數據采樣速度和AD轉換精度，由于可擴展通道較多，并支持多轉速，更適合中小型水電機組多機共享式在線監測應用，對于測點較少的水電機組振擺的監測，利用一套盤柜和一套DMS600智能數據采集儀即可完成全廠水電機組監測。

DMS600數據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準信號輸入。網絡通訊可提供非常靈活的以太網、串口連接(RS232/RS485)和USB接口，采用標準通訊協議，可方便地與其他系統進行數據交換，形成遠程狀態監測網。

圖2 DMS600 智能數據采集儀Fig.2 DMS600 Intelligent data acquisition instrument

2.2 數據保存

自動記錄的數據統一存儲到主控工作站上。針對不同的數據，分別采用不同的數據存儲技術實現。所有的數據都采用高效無損壓縮技術進行存儲，在讀取時，可以自動地高保真快速地還原。采樣現地單元數據緩沖技術及自動數據恢復技術，防止網絡故障引起的數據丟失。系統提供自動的增量方式的自動備份功能，以防止服務器故障導致數據庫文件損壞。歷史數據具備自動稀疏功能及手工稀疏功能。

實時數據，存儲機組當前運行的狀態數據；主特征數據，保存機組穩態運行的數據；負荷、開度穩定后記錄，等式時間間隔和報警觸發、功率變化等多種存儲策略。等時存儲時間間隔默認為20 min(可調)；暫態數據，高密度存儲機組開停機、變負荷、變勵磁、甩負荷過程、事故停機過程和現場試驗過程的數據(連續存儲，分辨率2 ms)；異常特征數據，保存機組發生預報警時刻的全部波形數據和全部特征數據；標準樣本；事故追憶數據，以高密保存全部原始波形和特征參量(連續存儲，分辨率1 ms)；報警事件；現場試驗數據(連續存儲，分辨率1 ms)。

2.3 曲線繪制

根據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據、機組負荷、水頭、導葉開度等數據可擬合出機組的綜合效率特性曲線。對于指導水輪機最優運行而言，最重要的就是找到最優效率工況點，因此效率曲線擬合的目的是根據實際測量的數據，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。根據上述曲線，可以找到任何水頭下的最優效率負荷/開度點，進而為實現最優有功控制提供數據依據。

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。可以表示為：

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系，因此采用逼近方法實現單一的數學公式獲得精確的效率與機組負荷/開度/流量之間的關系是不現實的，因此大多采用數據擬合方法去逼近其關系。通常采用的方法有分段三次樣條函數、三維網格化三次樣條函數、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，并可以進行對比。根據小水電機組效率在線監測系統采集測量的實時機組效率及離線采集的效率數據實現曲線智能擬合分析功能。并且能根據該效率數據、機組負荷、水頭、導葉開度等數據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，并根據曲線研究出其最優效率區域。

3 現場試驗

系統安裝并調試好后，在貴州某小水電廠對各項功能進行了測試，做了效率試驗。由所得的試驗數據繪制效率特性曲線，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～負荷關系曲線Fig.4 Unit efficiency and unit load relation curve

4 結 語

本小水電機組效率在線監測系統，在貴州某小型水電廠投運后，運行穩定可靠，實現了效率在線監測，達到了預期的目的。采用小水電機組效率在線監測系統，為機組及電站經濟運行、狀態檢修等提供了有利的條件，具有十分重要的現實意義。

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

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