中小型水電站智能控制系統及其方法技術方案

本發明專利技術為一種中小型水電站智能控制系統及其方法，設置有遠控層、站控層、至少一個單臺機組控制層，其中所述單臺機組控制層設置有LCU層和傳感器層，所述LCU層由至少兩個功能LCU控制器組成，每個該功能LCU控制器的輸入端分別連接傳感器組，該傳感器組組成所述傳感器層，所述功能LCU控制器間采用EtherCAT實時以太網組網，組成所述LCU層，所述站控層的第一通信端與所述EtherCAT實時以太網連接，第二通信端與所述遠控層連接；所述中小型水電站智能控制系統的控制方法為采用發布/訂閱機制建立全站統一信息平臺，實現智能水電站控制系統的順序邏輯控制及同步連鎖調節控制功能的中小型水電站智能控制系統。

【技術實現步驟摘要】
中小型水電站智能控制系統及其方法
本專利技術涉及水電站控制設備領域，具體涉及一種中小型水電站智能控制系統及其方法。
技術介紹
為貫徹落實“十二五”節能減排總體部署和國務院關于農村水電增效擴容的指示，新時期以信息化、自動化、互動化為特征的新一代水電站增效擴容工作已經全面推進，標志著中小型水電站自動化系統邁向了智能化的發展方向。中小型水電站作為智能電網中的重要綠色能源，全面推進水電增效擴容、提升自動化信息化水平，必將在促進節能減排、消除安全隱患、改善河流生態、服務“三農”和促進地方社會經濟發展等方面發揮重要作用。盡管中小水電站的自動化建設已能初步實現了微機保護與PLC為特征的自動控制系統，數據采集、傳輸、處理模式以電纜硬節點方式或現場總線技術的主從通信方式進行，設備之間不能直接通信，信息必須重復采集，無法實現信息共享，不能協同調節控制，需要進行反復調節，造成發電的不穩定。水電站整個系統的信息交換和通訊多采用電纜傳輸信號，信息傳輸效率低下。由于無法對水電站內的LCU運行參數進行實時在線監測，水電站只能定期進行停機檢修，造成水資源的巨大浪費。這些不足都與水電站智能化、信息化、自動化、互動化的要求相距甚遠。進而如何發展中小水電站智能化系統是一個亟待解決的問題。
技術實現思路
本專利技術針對現有技術的不足，提出一種由無線傳感器網和工業以太網共同構成全站統一信息平臺，實現智能水電站控制系統的順序邏輯控制及同步連鎖調節控制功能的中小型水電站智能控制系統。具體技術方案如下：一種中小型水電站智能控制系統及其方法，設置有遠控層、站控層、至少一個單臺機組控制層，其中所述單臺機組控制層設置有LCU層和傳感器層，所述LCU層由至少兩個功能LCU控制器組成，每個該功能LCU控制器的輸入端分別連接傳感器組，該傳感器組組成所述傳感器層，所述功能LCU控制器間采用EtherCAT實時以太網組網，組成所述LCU層，所述站控層的第一通信端與所述EtherCAT實時以太網連接，第二通信端與所述遠控層連接；所述中小型水電站智能控制系統的控制方法為采用發布/訂閱機制建立全站統一信息平臺，具體為：信號檢測，水頭信號H、各機組流量信號Qi、來自機組輔機設備LCU水位傳感器、流量傳感器采集的信號，并實時向訂閱者發布；各機組當前出力信號Ni來自機組保護控制LCU保護測控裝置采集機端電流電壓計算的結果，并實時向訂閱者發布；各機組當前的進水閥開度ki來自水工控制LCU的進水閥開度傳感器實時檢測，并實時向訂閱者發布；開度大小決定了該機組能發出有功Pi的值。全站各機組當前總發電量有功NΣ信號由線路變壓器控制LCU智能單元實時采集線路側電流電壓計算的結果，并實時向訂閱者發布；參數給定，電網要求電站的總計劃有功PQ的發電量，調度端運行曲線的控制，由上級調度向各個水電站訂閱者發布；各機組發電效率ηi其倒數為單位耗水量qi(由制造廠家提供)，根據水位及功率可監測修正，隨機組基本信息向各訂閱者發布；各組出力范圍Rk(i)由制造廠家提供，隨機組基本信息向各訂閱者發布。各機組的閥門開度kiL的上下限值決定了該機組發出有功PL的上下限值，隨機組基本信息向各訂閱者發布。具體步驟為：一、將每個所述功能LCU控制器作為發布和訂閱者；二、建立消息模型，消息由一個屬性集合{A1，A2，…An}組成，每個屬性由一個三元組(datatype，attributename，value)，datatype表示屬性的數據類型，包括int，bool，float，string。attributename表示屬性的名稱，它是一個字符串，value表示屬性的量值，其值域是該屬性能表示的范圍。事件可表示：Event＝U{attribute}；三、確定發布/訂閱語言，由一個屬性約束組合{C1，C2…Cn}構成，約束是一個無狀態的布爾表達式，表示為type、attribute、operator、value，Type表示該約束的數據類型，attribute表示該約束所針對的屬性的名稱，operator是數據類型所對應的測試操作符，包括>、<、＝、≥、≤，發布/訂閱語言可分別表示為Distribute/Subscription＝U{constraint}；四、數據匹配算法為采用基于內容的發布/訂閱系統的匹配算法，將所有的訂閱集中，充分利用訂閱間的共同成分，整合成一個數據拓撲結構，并將這些數據拓撲結構建立索引，盡量降低匹配算法的空間復雜度和時間復雜度，定義訂閱閾值規則描述某訂閱者需求數據項的閾值規則，用f表示，f是一個四元約束組合{Ma，L，H，Mb}，其中Ma表示小于Ma的值，L，H表示合法區間值，Mb表示大于Mb的值，F(Ei)＝{f1(E1),f2(E2),…,fn(En)}Ei＝{A1,A2,…,An}fi(Ei)＝{C1A1,C2A2,…,CnAn}表示對整個消息Ei計算匹配閾值，將所有的訂閱分解為約束集合，去除重復的約束，將這些約束組織成一個多維索引結構，按照其數據類型(type)、屬性名稱(name)、比較符(operator)逐級建立索引，每一個最終索引項是一個約束列表。本專利技術能滿足中小水電站智能控制系統安全性、可靠性、互操作性、開放性、可擴充性和使用靈活性的需求；利用訂閱/發布機制使各控制LCU能同步實現設備間信息共享，使各設備不依賴主站就能相互通信，消除信息“孤島”；在設備旁設置無線傳感元件監測設備的轉速、溫度、水位，流量，振動、開度等非電氣量，上傳至上級控制LCU，形成面向對象的信息結構化數據庫；依托LCU設備間的高效實時通信，形成全站統一信息通信平臺實時共享各傳感器采集的數據；LCU層直接負責處理數據，能協同高效完成全站自動發電控制(AGC)、自動電壓控制(AVC)、自動開停機等操作；另外，這也將實現協同聯動的調節控制策略、在線監測、遠程診斷及技術服務的高級應用功能,在水電站自動化的關鍵技術和裝備技術上實現重大突破和廣泛應用。為更好的實現本專利技術，可進一步為：所述功能LCU控制器設置有單片機，該單片機的信號采集端經zigbee通信芯片與對應的傳感器組連接，通信端與通信處理芯片相連，同步端與GPS同步時鐘芯片相連。數據采集的過程是由數據自動產生程序控制，由傳感器采集轉速、溫度、水位，流量，振動、開度等非電氣量，然后將采集的信號傳送至ZigBee通信芯片轉換成數模信號，并在LCU內部的單片機完成數據處理，之后傳輸至EtherCAT實時以太網，數據分發過程是由通信處理芯片ET1100負責按照發布/訂閱機制向系統中的LCU層提供消息的發布、訂閱、退訂和通知服務，所述功能LCU控制器分別為機組控制LCU、機組保護控制LCU、水工控制LCU、機組輔助控制LCU和線路變壓器控制LCU。所述單臺機組控制層為兩個以上時及控制多臺發電機組時，控制策略為：(1)各機組效率ηi及流量微增率qi的計算：ηi＝102N/HtQγ式中γ—水的重度，(2)發電機出力N，出力N由三相功率表測得，(3)水輪機水頭Ht，(4)機組工作流量Q，在工程上，通常把在某一水頭電廠水輪發電機組發出的單位功率(1KW)在單位時間(1s)內所消耗的水量叫做流量微增率，即由于效率與流量微增率互為倒數，即可以通過流量微增率q0求取機組效率本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種中小型水電站智能控制系統，其特征在于：設置有遠控層、站控層、至少一個單臺機組控制層，其中所述單臺機組控制層設置有LCU層和傳感器層，所述LCU層由至少兩個功能LCU控制器組成，每個該功能LCU控制器的輸入端分別連接傳感器組，該傳感器組組成所述傳感器層，所述功能LCU控制器間采用EtherCAT實時以太網組網，組成所述LCU層，所述站控層的第一通信端與所述EtherCAT實時以太網連接，第二通信端與所述遠控層連接；所述中小型水電站智能控制系統的控制方法為采用發布/訂閱機制建立全站統一信息平臺，具體步驟為：一、將每個所述功能LCU控制器作為發布和訂閱者；二、建立消息模型，消息由一個屬性集合{A1，A2，…An}組成，每個屬性由一個三元組(data?type，attribute?name，value)；其中data?type表示屬性的數據類型，包括int，bool，float，string；attribute?name表示屬性的名稱，它是一個字符串；value表示屬性的量值，其值域是該屬性能表示的范圍,事件表示Event＝U{attribute}；三、確定發布/訂閱語言，由一個屬性約束組合{C1，C2…Cn}構成，約束是一個無狀態的布爾表達式，表示為type、attribute、operator、value；其中Type表示該約束的數據類型，attribute表示該約束所針對的屬性的名稱，operator是數據類型所對應的測試操作符，包括>、<、＝、≥、≤，發布/訂閱語言可分別表示為Distribute/Subscription＝U{constraint}；四、數據匹配算法：為采用基于內容的發布/訂閱系統的匹配算法，將所有的訂閱集中，充分利用訂閱間的共同成分，整合成一個數據拓撲結構，并將這些數據拓撲結構建立索引，盡量降低匹配算法的空間復雜度和時間復雜度，定義訂閱閾值規則描述某訂閱者需求數據項的閾值規則，用f表示，f是一個四元約束組合{Ma，L，H，Mb}，其中Ma表示小于Ma的值，L，H表示合法區間值，Mb表示大于Mb的值，F(Ei)＝{f1(E1),f2(E2),…,fn(En)}Ei＝{A1,A2,…,An}fi(Ei)＝{C1A1,C2A2,…,CnAn}表示對整個消息Ei計算匹配閾值，將所有的訂閱分解為約束集合，去除重復的約束，將這些約束組織成一個多維索引結構，按照其數據類型(type)、屬性名稱(name)、比較符(operator)逐級建立索引，每一個最終索引項是一個約束列表。...

【技術特征摘要】
1.一種中小型水電站智能控制系統，其特征在于：設置有遠控層、站控層、至少一個單臺機組控制層，其中所述單臺機組控制層設置有LCU層和傳感器層，所述LCU層由至少兩個功能LCU控制器組成，每個該功能LCU控制器的輸入端分別連接傳感器組，該傳感器組組成所述傳感器層，所述功能LCU控制器間采用EtherCAT實時以太網組網，組成所述LCU層，所述站控層的第一通信端與所述EtherCAT實時以太網連接，第二通信端與所述遠控層連接；所述中小型水電站智能控制系統的控制方法為采用發布/訂閱機制建立全站統一信息平臺，具體步驟為：一、將每個所述功能LCU控制器作為發布和訂閱者；二、建立消息模型，消息由一個屬性集合{A1，A2，…An}組成，每個屬性由一個三元組(datatype，attributename，value)；其中datatype表示屬性的數據類型，包括int，bool，float，string；attributename表示屬性的名稱，它是一個字符串；value表示屬性的量值，其值域是該屬性能表示的范圍,事件表示Event＝U{attribute}；三、確定發布/訂閱語言，由一個屬性約束組合{C1，C2…Cn}構成，約束是一個無狀態的布爾表達式，表示為type、attribute、operator、value；其中Type表示該約束的數據類型，attribute表示該約束所針對的屬性的名稱，operator是數據類型所對應的測試操作符，包括>、<、＝、≥、≤，發布/訂閱語言可分別表示為Distribute/Subscription＝U{constraint}；四、數據匹配算法：為采用基于內容的發布/訂閱系統的匹配算法，將所有的訂閱集中，充分利用訂閱間的共同成分，整合成一個數據拓撲結構，并將這些數據拓撲結構建立索引，盡量降低匹配算法的空間復雜度和時間復雜度，定義訂閱閾值規則描述某訂閱者需求數據項的閾值規則，用f表示...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張太勤，鄧振利，唐昆明，孫小江，黃煉，
申請(專利權)人：重慶新世紀電氣有限公司，重慶電力高等專科學校，
類型：發明
國別省市：重慶;85