基于灰色关联法的变频供水系统运行效率在线检测方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于灰色关联法的变频供水系统运行效率在线检测方法，包括：建立输出功率、频率扰动量和水压变化量之间的数学模型及约束条件，形成供水系统运行效率在线检测需要的数学模型；在稳态工况下进行频率小信号扰动，以实际压力变化值作为参考序列，并依据模型求出压力变化值作为比较序列，运用灰色关联算法及灰色关联度判据在线检测系统轴输出功率，进而求得变频供水系统效率。本发明可实现在线输出功率检测，无需流量传感器，节约系统安装调试所需时间和成本，使得系统结构更加简单，系统成本更低。本发明可有效保护电机和变频器低频运行引起的效率低下故障，提高系统的寿命和可靠性，为水泵电机安全、高效运行提供可靠保证。
【专利说明】基于灰色关联法的变频供水系统运行效率在线检测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机电一体化测控领域，具体涉及一种基于灰色关联法的变频供水系统运行效率在线检测方法，尤其适用于气压罐变频供水装置水泵运行效率检测。
【背景技术】
[0002]水泵作为一种高耗能通用机械，广泛应用于工农业生产和居民生活的各个领域，每年消耗在水泵机组上的电能占全国总电耗的21%以上，在供水企业中占生产成本的30%?60%。水泵以及水泵系统的效率哪怕仅仅提高1%，都会对我国的节能和环保带来了巨大的利益，而水泵消耗的电能的30%?50%都是可以节约。通过采用变频控制技术能有效地降低水泵的能耗，每年可节电282亿kWh,实现节能减排目标。但变频控制技术实现节能前提是水泵始终运行于高效率区间。然而，供水用户的用水量在空间和时间上具有随机性和不确定性，不能保证水泵始终运行在高效率区间。特别是在用水低谷时间段，由于用水量很小，变频器和水泵工作于低频状态。此时，电机热损耗和低频振动严重，整个变频供水系统能耗急剧增大，系统效率低下。这种工况下不但不能实现节能减排，而且水泵电机因为长期低频运行导致机械振动和电机定子绕组发热严重，降低系统的安全可靠性和使用寿命，对供水的安全可靠性和生产成本产生不利影响，更为严重的甚至导致安全事故的发生。因而，变频供水系统运行效率检测是必须解决问题。
[0003]变频供水系统运行效率实时检测是供水系统实现节能减排、安全可靠供水需重点解决的关键技术问题。变频供水系统运行效率是水泵轴输出功率Ptjut和输入电源功率Pin的比值。电源输入功率Pin通过测量电源输入电压Vin和输入电流iin即可得到，实现较为简便。水泵轴输出功率Ptjut则需要通过测量水压值P (t)和用水流量q(t)得到。水压值p(t)可由压力传感器(通常为水压表)测得，而流量q(t)的测量主要由以下两种方案测得。
[0004]一、流量传感器方案:即通过在水泵的出水口处安装流量传感器，实现流量检测；通常使用的流量传感器检测机构主要为叶轮式，但存在以下三种情况会导致流量检测精度及可靠性性能指标不高:
[0005]①供水流速较大情况下，水质中存在的固体杂物会撞击叶轮，使得叶轮变形及缺损，引起整个机构转动惯量不平衡，导致流量检测失效或精度及数据可靠性大大降低；②水质受到污染呈现酸性或者碱性时，会严重腐蚀叶轮机构，同样导致整个机构转动惯量不平衡，流量检测失效或精度及数据可靠性大大降低；③叶轮式流量检测通过流动的液体传动叶轮片转动，从而带动相关电磁机构动作，将叶轮片的转动信号转化为不同频率的电信号。在管道截面积恒定的情况下，通过采样电信号的频率就可以测量液体的流量。由于要考虑到机构强度及加工精度和加工成本等约束情况，叶轮等转动部件的惯量不可能很小，因而存在一个小流量测量死区范围，所以不能检测诸如滴水、漏水等小流量状态。
[0006]二、专用控制器+专用水泵电机方案:即通过对专用的水泵电机进行扬程特性曲线的反复测试，得出水泵工作于不同流量情况下的特性曲线，并以该曲线作为系统检测流量的参考值，通过检测水泵电机当前运行特性与基准参考特性进行相似度分析，从而得出系统当前的流量值，但这种方法存在严重的问题就是:
[0007]⑴对控制系统的硬件和软件的要求高。因为控制器要采集大量的数据并进行信号处理和求解系统的特征量，并与存储在内存中的基准特征量进行相似度分析，因而对控制器要求高。
[0008]⑵由于系统在长期运行过程中，液体介质常数、电机参数、变频器参数等受到环境因素影响及老化原因发生变化，引起系统的运行特征量变化较大，导致测量的精度和可靠性差；
[0009]⑶由于供水系统是长时间连续运行，因而水泵一旦出现故障，只能采用与控制器严格匹配的电机，而不能使用其他类型的水泵电机，因而导致系统的运行维护成本高，实用性及适用性差。
[0010]因而，变频供水系统运行效率检测方法在国内冶金、钢铁、石油、化工、水处理、矿山以及居民生活用水等领域具有非常广阔的市场前景。
【发明内容】
[0011]本发明的目的在于提出一种低成本、通用性好、结构简单的基于灰色关联法的变频供水系统运行效率在线检测方法。
[0012]一种基于灰色关联法的变频供水系统运行效率在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤:
[0013](I)以采样周期Ts为间隔对供水系统管网的水压值、逆变电路输出频率和输入功率进行采样，将第一次采样值标记为p(i)、f (I)和Pin(I);当前采样次数为k，令k=i ；
[0014](2)建立由M个元素构成的水压值数组{p(i)}、逆变电路输出频率数组{f(i)}，以及输入功率数组{Pin(i)l ;其中i = {k-M+1, k-M+2,...k}，M为预先设定的大于I的正整数，k 为当前采样次数卬
【权利要求】
1.一种基于灰色关联法的变频供水系统运行效率在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)以采样周期Ts为间隔对供水系统管网的水压值、逆变电路输出频率和输入功率进行采样，将第一次采样值标记为P(1)、f (I)和Pin(I);当前采样次数为k，令k=i ； (2)建立由M个元素构成的水压值数组{p(i)}、逆变电路输出频率数组{f(i)}，以及输入功率数组{Pin(i)l ;其中i = {k-M+1, k-M+2,...k}，M为预先设定的大于I的正整数，k 为当前采样次数；P(i) lie =。= O, f(i) |i<=。= O, Pin(i) |i< =。= O ; (3)判断供水系统是否处于稳定状态；如果是，则进入步骤(4);否则，转入步骤(13)； (4)求解水压平均值
2.根据权利要求1所述的基于灰色关联法的变频供水系统运行效率在线检测方法，其特征在于，所述稳定状态的定义为:k k 计算数组{p(i)i的标准差_4 Μ, Σ ,(i)——(f Σ p(^y以及数组{f(i)}的标准差I 一-S?/(/))2判断是否同时满足:％< %和~< ~其中口
【文档编号】G01L3/26GK103487186SQ201310409508
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】李峰平, 彭志辉, 李沛, 付培红, 赵军平, 胡雪林 申请人:温州大学