中小型水电站智能控制系统及其方法技术方案

本发明专利技术为一种中小型水电站智能控制系统及其方法，设置有远控层、站控层、至少一个单台机组控制层，其中所述单台机组控制层设置有LCU层和传感器层，所述LCU层由至少两个功能LCU控制器组成，每个该功能LCU控制器的输入端分别连接传感器组，该传感器组组成所述传感器层，所述功能LCU控制器间采用EtherCAT实时以太网组网，组成所述LCU层，所述站控层的第一通信端与所述EtherCAT实时以太网连接，第二通信端与所述远控层连接；所述中小型水电站智能控制系统的控制方法为采用发布/订阅机制建立全站统一信息平台，实现智能水电站控制系统的顺序逻辑控制及同步连锁调节控制功能的中小型水电站智能控制系统。

【技术实现步骤摘要】
中小型水电站智能控制系统及其方法
本专利技术涉及水电站控制设备领域，具体涉及一种中小型水电站智能控制系统及其方法。
技术介绍
为贯彻落实“十二五”节能减排总体部署和国务院关于农村水电增效扩容的指示，新时期以信息化、自动化、互动化为特征的新一代水电站增效扩容工作已经全面推进，标志着中小型水电站自动化系统迈向了智能化的发展方向。中小型水电站作为智能电网中的重要绿色能源，全面推进水电增效扩容、提升自动化信息化水平，必将在促进节能减排、消除安全隐患、改善河流生态、服务“三农”和促进地方社会经济发展等方面发挥重要作用。尽管中小水电站的自动化建设已能初步实现了微机保护与PLC为特征的自动控制系统，数据采集、传输、处理模式以电缆硬节点方式或现场总线技术的主从通信方式进行，设备之间不能直接通信，信息必须重复采集，无法实现信息共享，不能协同调节控制，需要进行反复调节，造成发电的不稳定。水电站整个系统的信息交换和通讯多采用电缆传输信号，信息传输效率低下。由于无法对水电站内的LCU运行参数进行实时在线监测，水电站只能定期进行停机检修，造成水资源的巨大浪费。这些不足都与水电站智能化、信息化、自动化、互动化的要求相距甚远。进而如何发展中小水电站智能化系统是一个亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出一种由无线传感器网和工业以太网共同构成全站统一信息平台，实现智能水电站控制系统的顺序逻辑控制及同步连锁调节控制功能的中小型水电站智能控制系统。具体技术方案如下：一种中小型水电站智能控制系统及其方法，设置有远控层、站控层、至少一个单台机组控制层，其中所述单台机组控制层设置有LCU层和传感器层，所述LCU层由至少两个功能LCU控制器组成，每个该功能LCU控制器的输入端分别连接传感器组，该传感器组组成所述传感器层，所述功能LCU控制器间采用EtherCAT实时以太网组网，组成所述LCU层，所述站控层的第一通信端与所述EtherCAT实时以太网连接，第二通信端与所述远控层连接；所述中小型水电站智能控制系统的控制方法为采用发布/订阅机制建立全站统一信息平台，具体为：信号检测，水头信号H、各机组流量信号Qi、来自机组辅机设备LCU水位传感器、流量传感器采集的信号，并实时向订阅者发布；各机组当前出力信号Ni来自机组保护控制LCU保护测控装置采集机端电流电压计算的结果，并实时向订阅者发布；各机组当前的进水阀开度ki来自水工控制LCU的进水阀开度传感器实时检测，并实时向订阅者发布；开度大小决定了该机组能发出有功Pi的值。全站各机组当前总发电量有功NΣ信号由线路变压器控制LCU智能单元实时采集线路侧电流电压计算的结果，并实时向订阅者发布；参数给定，电网要求电站的总计划有功PQ的发电量，调度端运行曲线的控制，由上级调度向各个水电站订阅者发布；各机组发电效率ηi其倒数为单位耗水量qi(由制造厂家提供)，根据水位及功率可监测修正，随机组基本信息向各订阅者发布；各组出力范围Rk(i)由制造厂家提供，随机组基本信息向各订阅者发布。各机组的阀门开度kiL的上下限值决定了该机组发出有功PL的上下限值，随机组基本信息向各订阅者发布。具体步骤为：一、将每个所述功能LCU控制器作为发布和订阅者；二、建立消息模型，消息由一个属性集合{A1，A2，…An}组成，每个属性由一个三元组(datatype，attributename，value)，datatype表示属性的数据类型，包括int，bool，float，string。attributename表示属性的名称，它是一个字符串，value表示属性的量值，其值域是该属性能表示的范围。事件可表示：Event＝U{attribute}；三、确定发布/订阅语言，由一个属性约束组合{C1，C2…Cn}构成，约束是一个无状态的布尔表达式，表示为type、attribute、operator、value，Type表示该约束的数据类型，attribute表示该约束所针对的属性的名称，operator是数据类型所对应的测试操作符，包括>、<、＝、≥、≤，发布/订阅语言可分别表示为Distribute/Subscription＝U{constraint}；四、数据匹配算法为采用基于内容的发布/订阅系统的匹配算法，将所有的订阅集中，充分利用订阅间的共同成分，整合成一个数据拓扑结构，并将这些数据拓扑结构建立索引，尽量降低匹配算法的空间复杂度和时间复杂度，定义订阅阈值规则描述某订阅者需求数据项的阈值规则，用f表示，f是一个四元约束组合{Ma，L，H，Mb}，其中Ma表示小于Ma的值，L，H表示合法区间值，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}表示对整个消息Ei计算匹配阈值，将所有的订阅分解为约束集合，去除重复的约束，将这些约束组织成一个多维索引结构，按照其数据类型(type)、属性名称(name)、比较符(operator)逐级建立索引，每一个最终索引项是一个约束列表。本专利技术能满足中小水电站智能控制系统安全性、可靠性、互操作性、开放性、可扩充性和使用灵活性的需求；利用订阅/发布机制使各控制LCU能同步实现设备间信息共享，使各设备不依赖主站就能相互通信，消除信息“孤岛”；在设备旁设置无线传感元件监测设备的转速、温度、水位，流量，振动、开度等非电气量，上传至上级控制LCU，形成面向对象的信息结构化数据库；依托LCU设备间的高效实时通信，形成全站统一信息通信平台实时共享各传感器采集的数据；LCU层直接负责处理数据，能协同高效完成全站自动发电控制(AGC)、自动电压控制(AVC)、自动开停机等操作；另外，这也将实现协同联动的调节控制策略、在线监测、远程诊断及技术服务的高级应用功能,在水电站自动化的关键技术和装备技术上实现重大突破和广泛应用。为更好的实现本专利技术，可进一步为：所述功能LCU控制器设置有单片机，该单片机的信号采集端经zigbee通信芯片与对应的传感器组连接，通信端与通信处理芯片相连，同步端与GPS同步时钟芯片相连。数据采集的过程是由数据自动产生程序控制，由传感器采集转速、温度、水位，流量，振动、开度等非电气量，然后将采集的信号传送至ZigBee通信芯片转换成数模信号，并在LCU内部的单片机完成数据处理，之后传输至EtherCAT实时以太网，数据分发过程是由通信处理芯片ET1100负责按照发布/订阅机制向系统中的LCU层提供消息的发布、订阅、退订和通知服务，所述功能LCU控制器分别为机组控制LCU、机组保护控制LCU、水工控制LCU、机组辅助控制LCU和线路变压器控制LCU。所述单台机组控制层为两个以上时及控制多台发电机组时，控制策略为：(1)各机组效率ηi及流量微增率qi的计算：ηi＝102N/HtQγ式中γ—水的重度，(2)发电机出力N，出力N由三相功率表测得，(3)水轮机水头Ht，(4)机组工作流量Q，在工程上，通常把在某一水头电厂水轮发电机组发出的单位功率(1KW)在单位时间(1s)内所消耗的水量叫做流量微增率，即由于效率与流量微增率互为倒数，即可以通过流量微增率q0求取机组效率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中小型水电站智能控制系统，其特征在于：设置有远控层、站控层、至少一个单台机组控制层，其中所述单台机组控制层设置有LCU层和传感器层，所述LCU层由至少两个功能LCU控制器组成，每个该功能LCU控制器的输入端分别连接传感器组，该传感器组组成所述传感器层，所述功能LCU控制器间采用EtherCAT实时以太网组网，组成所述LCU层，所述站控层的第一通信端与所述EtherCAT实时以太网连接，第二通信端与所述远控层连接；所述中小型水电站智能控制系统的控制方法为采用发布/订阅机制建立全站统一信息平台，具体步骤为：一、将每个所述功能LCU控制器作为发布和订阅者；二、建立消息模型，消息由一个属性集合{A1，A2，…An}组成，每个属性由一个三元组(data type，attribute name，value)；其中data type表示属性的数据类型，包括int，bool，float，string；attribute name表示属性的名称，它是一个字符串；value表示属性的量值，其值域是该属性能表示的范围,事件表示Event＝U{attribute}；三、确定发布/订阅语言，由一个属性约束组合{C1，C2…Cn}构成，约束是一个无状态的布尔表达式，表示为type、attribute、operator、value；其中Type表示该约束的数据类型，attribute表示该约束所针对的属性的名称，operator是数据类型所对应的测试操作符，包括>、<、＝、≥、≤，发布/订阅语言可分别表示为Distribute/Subscription＝U{constraint}；四、数据匹配算法：为采用基于内容的发布/订阅系统的匹配算法，将所有的订阅集中，充分利用订阅间的共同成分，整合成一个数据拓扑结构，并将这些数据拓扑结构建立索引，尽量降低匹配算法的空间复杂度和时间复杂度，定义订阅阈值规则描述某订阅者需求数据项的阈值规则，用f表示，f是一个四元约束组合{Ma，L，H，Mb}，其中Ma表示小于Ma的值，L，H表示合法区间值，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}表示对整个消息Ei计算匹配阈值，将所有的订阅分解为约束集合，去除重复的约束，将这些约束组织成一个多维索引结构，按照其数据类型(type)、属性名称(name)、比较符(operator)逐级建立索引，每一个最终索引项是一个约束列表。...

【技术特征摘要】
1.一种中小型水电站智能控制系统，其特征在于：设置有远控层、站控层、至少一个单台机组控制层，其中所述单台机组控制层设置有LCU层和传感器层，所述LCU层由至少两个功能LCU控制器组成，每个该功能LCU控制器的输入端分别连接传感器组，该传感器组组成所述传感器层，所述功能LCU控制器间采用EtherCAT实时以太网组网，组成所述LCU层，所述站控层的第一通信端与所述EtherCAT实时以太网连接，第二通信端与所述远控层连接；所述中小型水电站智能控制系统的控制方法为采用发布/订阅机制建立全站统一信息平台，具体步骤为：一、将每个所述功能LCU控制器作为发布和订阅者；二、建立消息模型，消息由一个属性集合{A1，A2，…An}组成，每个属性由一个三元组(datatype，attributename，value)；其中datatype表示属性的数据类型，包括int，bool，float，string；attributename表示属性的名称，它是一个字符串；value表示属性的量值，其值域是该属性能表示的范围,事件表示Event＝U{attribute}；三、确定发布/订阅语言，由一个属性约束组合{C1，C2…Cn}构成，约束是一个无状态的布尔表达式，表示为type、attribute、operator、value；其中Type表示该约束的数据类型，attribute表示该约束所针对的属性的名称，operator是数据类型所对应的测试操作符，包括>、<、＝、≥、≤，发布/订阅语言可分别表示为Distribute/Subscription＝U{constraint}；四、数据匹配算法：为采用基于内容的发布/订阅系统的匹配算法，将所有的订阅集中，充分利用订阅间的共同成分，整合成一个数据拓扑结构，并将这些数据拓扑结构建立索引，尽量降低匹配算法的空间复杂度和时间复杂度，定义订阅阈值规则描述某订阅者需求数据项的阈值规则，用f表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：张太勤，邓振利，唐昆明，孙小江，黄炼，
申请(专利权)人：重庆新世纪电气有限公司，重庆电力高等专科学校，
类型：发明
国别省市：重庆;85