基于LabVIEW的水電站廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃小軍，朱能飛

（江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省靖安縣 330603）

0 引言

我國(guó)水資源十分豐富，各個(gè)地區(qū)水資源分布情況不同，為農(nóng)村小水電站的建立奠定了基礎(chǔ)。查閱文獻(xiàn)[1]數(shù)據(jù)，全國(guó)投入運(yùn)行的農(nóng)村小水電站為50000多座，總裝機(jī)容量超過(guò)60GW[1]。但小水電普遍存在資金短缺、運(yùn)行管理落后、自動(dòng)化程度低下等問(wèn)題，一直制約小水電的發(fā)展。在此背景下，實(shí)現(xiàn)小水電站優(yōu)化管理，降低發(fā)電成本的任務(wù)迫在眉睫，通過(guò)建立LabVIEW平臺(tái)下的廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行數(shù)字化管理系統(tǒng)，不僅在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中能有效降低水資源的消耗，同時(shí)在管理上能進(jìn)一步提高電站運(yùn)行人員的工作效率，在一定程度上實(shí)現(xiàn)水電站經(jīng)濟(jì)效益最大化。目前，基于大型水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)技術(shù)成熟，得到電站人員的一致認(rèn)可[2]，但后期系統(tǒng)存在維護(hù)成本高、更新工作量大以及信息功能過(guò)多時(shí)顯得笨重不實(shí)用等弊端。對(duì)于資金短缺、自動(dòng)化程度低下的農(nóng)村小水電站，不可照搬大型水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)模式。因此，本文在水電站廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，利用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)一款穩(wěn)定可靠、人性化強(qiáng)的水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到鴻源水電站，為水電站運(yùn)行管理工作提供了重要的技術(shù)支撐。

1 廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行原理

水電站廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行主要是按以水定電、以電定水兩種模式進(jìn)行研究[3]。本文采用以電定水準(zhǔn)則來(lái)研究水電站廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。具體來(lái)說(shuō)就是，在滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)下，在給定負(fù)荷條件以及一定水頭下，以耗水量最小為目標(biāo)，獲取機(jī)組最優(yōu)負(fù)荷分配，提高電站的經(jīng)濟(jì)效益。

1.1 數(shù)學(xué)模型

以耗水量最小作為非實(shí)時(shí)負(fù)荷分配問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)，其數(shù)學(xué)模型描述如下：

約束條件：

式中W為發(fā)電機(jī)組在一個(gè)周期下的總耗流量；T為調(diào)度中心單次發(fā)布負(fù)荷任務(wù)的周期，此處周期為一天；n為電廠工作機(jī)組總臺(tái)數(shù)；ΔT為運(yùn)行周期下的單個(gè)時(shí)間段長(zhǎng)度，此處將周期分為24個(gè)時(shí)間段，即每個(gè)時(shí)間段為1h；為機(jī)組的流量特性；為時(shí)間段為t情況下的機(jī)組的啟停狀態(tài)；Ci為開(kāi)機(jī)狀態(tài)下機(jī)組的流量消耗；Di為停機(jī)狀態(tài)下機(jī)組的流量消耗；為時(shí)間段為t情況下的第i號(hào)機(jī)組出力；為調(diào)度中心在單時(shí)段t內(nèi)分配的負(fù)荷；Pimin、Pimax為機(jī)組i的出力上、下限。

1.2 模型求解

本文采用雙重決策方法處理非實(shí)時(shí)負(fù)荷分配問(wèn)題，其第一重為負(fù)荷分配問(wèn)題，第二重為機(jī)組組合問(wèn)題[4]。負(fù)荷分配是獲得機(jī)組流量出力曲線的前提下，針對(duì)給定某一水頭下的發(fā)電任務(wù)，采用第一重動(dòng)態(tài)規(guī)劃法[5]求取機(jī)組最優(yōu)負(fù)荷分配，在此基礎(chǔ)上，考慮不同時(shí)間段系統(tǒng)負(fù)荷間斷變化以及機(jī)組啟停情況，在不同發(fā)電時(shí)間段利用第二重動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解機(jī)組組合優(yōu)化問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)所有時(shí)段內(nèi)耗水率最低的目標(biāo)。

1.3 非實(shí)時(shí)負(fù)荷分配

給定水頭下獲取機(jī)組流量出力是計(jì)算負(fù)荷分配的關(guān)鍵過(guò)程，本文根據(jù)已處理的數(shù)字化模型綜合曲線，利用Matlab進(jìn)行程序編寫(xiě)求取對(duì)應(yīng)水頭下流量特性曲線，如圖1繪制了部分水頭下的流量特性曲線。在已知機(jī)組流量出力曲線的基礎(chǔ)上，對(duì)于任意水頭，從該時(shí)段的負(fù)荷值出發(fā)，以一定的步長(zhǎng)對(duì)負(fù)荷進(jìn)行離散、插值，獲取最優(yōu)的負(fù)荷分配結(jié)果。

圖1 部分水頭下的流量特性曲線Figure 1 Flow characteristics of a part of the head

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)水電站用戶(hù)實(shí)際需求，采用Microsoft Access 2010、LabVIEW開(kāi)發(fā)工具，構(gòu)建了界面登入、系統(tǒng)查詢(xún)、計(jì)算分析、數(shù)據(jù)處理、圖形管理、數(shù)據(jù)庫(kù)6種功能模塊，利用LabVIEW平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)的連接、機(jī)組數(shù)據(jù)查詢(xún)、動(dòng)力特性和機(jī)組有功負(fù)荷計(jì)算以及曲線繪制等關(guān)鍵技術(shù)[6]。如圖2所示為廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)。

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建。LabVIEW軟件平臺(tái)不支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建，本文借助第三方數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)Microsoft Access 2010建立數(shù)據(jù)庫(kù)[7]，數(shù)據(jù)庫(kù)在用戶(hù)實(shí)際需求的基礎(chǔ)上存儲(chǔ)、處理動(dòng)力特性數(shù)據(jù)、歷史日負(fù)荷數(shù)據(jù)、電站基本信息等。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖Figure 2 The system software interface design block diagram

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。利用LabVIEW內(nèi)部供給的數(shù)據(jù)庫(kù)工具包 Database Connectivity Toolkit（LabVIEW SQL Toolkit）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)，在此之前需要利用UDL連接數(shù)據(jù)庫(kù)，成功完成數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，便可采用工具包實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的基本操作[8]。

2.2 系統(tǒng)查詢(xún)模塊

系統(tǒng)查詢(xún)模塊主要是針對(duì)水電站的特征數(shù)據(jù)，包括機(jī)組流量特性數(shù)據(jù)、日負(fù)荷數(shù)據(jù)以及電站基本信息數(shù)據(jù)。該模塊包含兩大功能：查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)中所有數(shù)據(jù)、按照條件進(jìn)行搜索查詢(xún)。例如，流量特性數(shù)據(jù)可按照出力、水頭實(shí)現(xiàn)條件搜索查詢(xún)，很大程度上提高用戶(hù)的工作效率。與此同時(shí)，系統(tǒng)查詢(xún)功能還以表格以及圖形樣式供用戶(hù)進(jìn)行選擇如圖3所示。

在后臺(tái)程序框圖的編寫(xiě)過(guò)程中，主要利用Database Connectivity Toolkit工具包中的DB Tools Select Date.vi來(lái)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合其他控件實(shí)現(xiàn)查詢(xún)功能，如圖4所示。若在輸入端condition添加條件查詢(xún)信息，用戶(hù)便可按條件進(jìn)行搜索查詢(xún)，如圖5所示。

圖3 系統(tǒng)查詢(xún)功能結(jié)構(gòu)圖Figure 3 System query function structure diagram

2.3 計(jì)算分析

此模塊是系統(tǒng)核心部分，包括有功負(fù)荷分配和動(dòng)力特性數(shù)據(jù)計(jì)算功能。此系統(tǒng)結(jié)合動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法求解某一水頭下運(yùn)行最優(yōu)分配，同時(shí)還可計(jì)算機(jī)組動(dòng)力特性數(shù)據(jù)并提供結(jié)果查詢(xún)，為特性數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析提供條件。

2.4 曲線擬合

LabVIEW程序框圖的函數(shù)窗口的數(shù)學(xué)選項(xiàng)卡包含了線性擬合、多項(xiàng)式擬合、最小二乘擬合等模塊[9]。選取Curve Fitting里面的擬合模塊，同時(shí)按照用戶(hù)所需求的功能將其與另外的模塊相結(jié)合，便可實(shí)現(xiàn)曲線擬合功能。本文為了最大程度上滿足用戶(hù)對(duì)擬合曲線的多樣性選擇，套用條件語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)不同擬合方式下的相關(guān)數(shù)據(jù)分析功能，如圖6所示。

圖4 查詢(xún)所有數(shù)據(jù)記錄的程序框圖Figure 4 Query block diagram of all data records

圖5 條件搜索查詢(xún)程序框圖Figure 5 Conditions search query program block diagram

圖6 曲線擬合程序框圖Figure 6 Curve fitting program diagram

3 實(shí)例應(yīng)用

鴻源水電站位于江西省靖安縣高湖鎮(zhèn)山口村，該電站水庫(kù)容量為0.77億m3，屬多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，單機(jī)容量7MW，總裝機(jī)容量為21MW，額定流量4.95m3/s，額定水頭為165m。多年平均發(fā)電量5920萬(wàn)kWh，水庫(kù)正常蓄水位369m。電站實(shí)際運(yùn)行結(jié)果與非實(shí)時(shí)負(fù)荷優(yōu)化分配結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 DP算法在不同出力下優(yōu)化的耗流量對(duì)比結(jié)果Table 1 Comparison of the consumption flow rates optimized by the DP under different output forces

由表1可知，與電站實(shí)際發(fā)電相比，采用DP優(yōu)化耗流量一天內(nèi)可節(jié)約耗水 26164.8m3，按機(jī)組90% 的轉(zhuǎn)換效率計(jì)算，節(jié)約電量為10.6kWh。

如圖7所示為機(jī)組流量出力數(shù)據(jù)條件查詢(xún)。根據(jù)電站歷史日負(fù)荷曲線、日平均水頭，求解機(jī)組最優(yōu)負(fù)荷分配，利用此系統(tǒng)結(jié)合動(dòng)態(tài)規(guī)劃計(jì)算電站日負(fù)荷分配結(jié)果如圖8所示，以及優(yōu)化出力過(guò)程和實(shí)際電站出力耗水量如圖9所示。

由圖9可知，采用優(yōu)化出力的耗流量與電站實(shí)際耗流量相比，整體上能夠節(jié)約1%～3%的水資源，可見(jiàn)，在滿足電站負(fù)荷平衡與安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，通過(guò)負(fù)荷優(yōu)化分配，能夠有效降低電站耗水率，提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

圖7 機(jī)組流量出力數(shù)據(jù)條件查詢(xún)Figure 7 Unit flow output data condition query

圖8 鴻源電站日負(fù)荷及優(yōu)化結(jié)果Figure 8 Daily load and optimization results of Hongyuan Power Station

圖9 耗流量對(duì)比界面圖Figure 9 Consumption flow comparison interface diagram

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了鴻源水電站廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)，建立了以電定水準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)模型，以雙重動(dòng)態(tài)規(guī)劃法為基礎(chǔ)，構(gòu)建了基于LabVIEW平臺(tái)的水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。從運(yùn)行效果可以看出，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、直觀性強(qiáng)、交互性強(qiáng)，為指導(dǎo)水電站運(yùn)行及管理提供了技術(shù)方案。同時(shí)，該系統(tǒng)可廣泛推廣至農(nóng)村小水電站，在滿足基本需求的情況下，以較低的投資成本實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)效益。