一种抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估系统及方法与流程

本发明涉及电能充分利用领域，特别涉及一种抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估系统及方法。

背景技术：

抽水蓄能电站是以一定水量作为载体，通过能量转换向电力系统提供电能的一种特殊形式的水力发电站。它与常规电源的区别在于，同时具备水泵和水轮发电机两种工况，在电力负荷低谷时工作在水泵状态，利用电力系统待供的富余电量，将下水库中的水抽到上水库，以势能的形式储存起来；待电力系统负荷高峰时或者事故等情况需要电力供应时，工作在水轮发电机状态，发电送往电力系统，缓解用电压力，起到了调峰作用。因此抽水蓄能电站既是一个吸收低谷电能的电力用户，又是一个提供峰荷电力的水电站。另外由于抽水蓄能发电机组自身的特点，它又有起、停快，工况转换和增、减负荷迅速，运行灵活可靠，强迫停运率较低，跟踪负荷能力强的特点，适宜承担电力系统调频、紧急事故备用和负荷备用，是很好的旋转备用电源，距离负荷中心地区较近的抽水蓄能电站，还可作调相运行，平衡系统无功功率，稳定地区电压，提高电网运行可靠性。

由于抽水蓄能机组在抽水启动过程中当厂用电电压偏移超标、谐波电压或电流总畸变率超标、励磁电压或电流异常、启动装置工作异常以及其它影响机组正常启动的因素出现都将导致机组不能正常启动，因此需要对抽水蓄能电站机组启动过程进行暂态监测与安全评估。

该发明的实施可以实现对抽水蓄能电站各机组启动过程进行暂态监测与安全评估。与现有稳态监测技术相比，本发明不受频率变化的影响，可以实时监测各机组启动过程的电物理量随时间和随频率的变化规律、对各机组的启动过程进行安全评估，为抽水蓄能电站机组启动过程的安全经济运行提供技术保障。从而，提高抽水蓄能电站的经济效益和削峰平谷的社会效益。

技术实现要素：

本发明提供一种抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估系统及方法，旨在解决在抽水蓄能电站各机组启动过程，对电网、机组、励磁系统、启动装置、厂用电系统的运行工况进行暂态监测，对机组启动进行安全评估，确保提高机组启动成功率。

本发明的目的是这样实现的：

一种抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估系统，其特征在于，包括：

暂态监测数据采集信号系统：用于接入电网、机组、励磁系统、启动装置、厂用电系统的交流电压互感器和电流互感器二次侧以及励磁系统直流回路的直流电压传感器和电流传感器的输出信号后，经过信号转换电路将标准电压和电流信号转换成暂态监测数据采集智能终端的输入端可接收的信号；

暂态监测数据采集智能终端：接收经过传输电缆传送的经过暂态监测数据采集信号系统处理的信号，并将信号进行数据处理和暂态特征提取；

通信网络：用于传送经过暂态监测数据采集智能终端数据处理和暂态特征提取的信号；

集中暂态监测与安全评估工作站：接收经过通信网络传输的信号根据应用需求进行抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估。

在上述的一种抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估系统，所述暂态监测数据采集信号系统（10）包括用于监测电网、机组、励磁系统、启动装置、厂用电系统的交流电压和电流的电压互感器和电流互感器；用于监测励磁系统直流回路直流电压和电流的电压传感器和电流传感器；同时与电压互感器和电流互感器连接的信号转换电路；基于与信号转换电路连接的传输电缆。

在上述的一种抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估系统，所述暂态监测数据采集智能终端（20）包括依次连接的同步数据采集单元，电物理量前置处理单元、暂态特征提取单元和数据传输控制单元，海量数据存取单元同时与电物理量前置处理单元和暂态特征提取单元连接；各单元互相配合，实现暂态监测数据采集、存取、处理、暂态特征提取和数据通信功能。

在上述的一种抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估系统，所述通信网络（30）包括与暂态监测数据采集智能终端（20）的通信接口及转换设备、与集中暂态监测与安全评估工作站（40）的通信接口及转换设备、通信电缆或光缆、网络安全设备。

在上述的一种抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估系统，所述集中暂态监测与安全评估工作站（40）包括

数据通信工作站：包括数据通信单元，用于数据通信；

数据服务器：用于数据存储、数据处理、数据库及管理；

工程师工作站：包括暂态监测单元、安全评估单元、故障报警单元、系统维护单元、人机交互单元。

一种抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1、在抽水蓄能电站各机组和励磁系统以及启动装置加装的暂态监测数据采集智能终端；

步骤2、通过暂态监测数据采集智能终端，高速、实时、高精度、同步数据采集电网、机组、励磁系统、启动装置、厂用电系统的电物理量

步骤3、暂态监测数据采集智能终端对所采集的电物理量进行前置处理和暂态特征提取；

步骤4、采用海量数据轻型传输方法和通信网络将暂态监测数据采集智能终端的暂态特征和其它必要信息上传到集中暂态监测与安全评估工作站；

步骤5、集中暂态监测与安全评估工作站采用时域分析法和机组启动安全评估指标对各机组启动过程进行暂态监测与安全评估。

在上述的一种抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估方法，步骤1的具体方法是：暂态监测数据采集智能终端的输入端连接电网、机组、励磁系统、启动装置、厂用电系统的电压互感器和电流互感器二次侧以及励磁系统直流回路的直流电压传感器和电流传感器的输出端；暂态监测数据采集智能终端的输出端通过通信设备连接通信网络。

在上述的一种抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估方法，步骤2中，所述电物理量包括，采集电网、机组、励磁系统、启动装置、厂用电系统的工频交流电压、电流和励磁系统的直流电压、电流以及采用变频启动装置的非周期交变电压、电流；数据采集的采样速度和数模转换精度满足机组启动过程暂态检测和安全评估的要求；数据采集的来源为各交流采样对象的电压互感器和电流互感器、励磁系统直流回路的直流电压传感器和直流电流传感器。

在上述的一种抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估方法，步骤3中，所述前置处理包括：采集电路的同步性、准确性、抗干扰性、越限保护和模数转化；微处理器输入和输出接口、微处理器通信接口；采样数据的滤波、实时性、有效性、真实性、完整性、可保存性、可传输和可查询性处理；

所述暂态特征提取包括：暂态电气参数提取，包括计算任意时间含非周期交流量、周期交流量、直流量、单调/指数衰减或上升量的暂态电压有效值、暂态电流有效值、暂态有功功率、暂态无功功率和暂态功率因数；暂态过程参数提取，包括计算上述条件下电压和电流从暂态到稳态所经历的时间和幅度变化值；应用需求所需的其它必要信息，例如：越限、异常和故障信息；

将经过前置处理后的电物理量和暂态特征提取后的暂态电气参数、暂态过程参数和应用需求所需的其它必要信息加上时标后存储到存储器中，以便查询和上传；

时标的选取须满足实际应用或实时数据采集相关的规程和规范要求。

在上述的一种抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估方法，步骤4的具体方法是：将暂态监测数据采集智能终端中带时标的暂态电气参数和暂态过程参数和应用需求所需的其它必要信息，通过通信网络，采用定时、召唤或中断传输方式上传到集中暂态监测与安全评估工作站，并存储到暂态监测与安全评估工作站指定的数据库中，以便暂态监测与安全评估。

在上述的一种抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估方法，步骤5中，所述时域分析法定义任意电压、电流变化规律的实时采集数据确定为电压、电流的对应的实时瞬时值；在选取时间段内电压、电流的方均根值确定电压和电流暂态有效值；在选取时间段内电压与电流的乘积对时间的积分求平均值确定暂态等效有功功率；在选取时间段内电压与电流暂态有效值的乘积确定暂态等效视在功率；在选取时间段内暂态等效有功功率与暂态等效视在功率的比值确定暂态等效功率因数；

所述机组启动安全评估指标包括计算厂用电电压偏移超标、谐波电压或电流总畸变率超标、励磁电压或电流异常、启动装置工作异常、其它影响机组正常启动的因素出现导致机组不能正常启动的概率；

集中暂态监测与安全评估工作站包括数据通信单元、数据库及管理系统、控制单元、暂态监测单元、安全评估单元、故障报警单元、系统维护单元、人机交互单元；

所述数据通信单元根据控制单元的应用需求从暂态监测数据采集智能终端获取暂态监测与安全评估所需数据，或通过中断请求接收从暂态监测数据采集智能终端发出的数据，并存储到指定的数据库中，以便暂态监测与安全评估使用；

所述数据库及管理系统对数据通信单元获取和接收的数据，根据控制单元的应用需要进行数据通信、数据存储、数据处理、数据运算、数据查询、数据维护、数据修改和数据更新操作；

所述控制单元通过人机交互单元，根据应用需求对数据通信单元、数据库及管理系统、暂态监测单元、安全评估单元、故障报警单元和系统维护单元进行控制，实现相应的功能；

所述暂态监测单元设置电网、机组、励磁系统、启动装置和厂用电系统在机组启动过程中的暂态工况监测功能，即：监测交流频率，电压和电流实时瞬时值、暂态有效值，暂态等效有功功率、无功功率、视在功率和功率因数以及直流电压、电流随时间的变化规律，以数据和曲线的显示呈现出来；历史数据查询功能；越限报警功能；故障诊断功能；

所述安全评估单元根据机组启动安全评估指标的实时和历史数据对机组启动的安全性进行评估，当机组不能正常启动的概率低于机组启动成功率考核指标50%时，定义机组可以安全启动；当机组不能正常启动的概率大于机组启动成功率考核指标50%，小于机组启动成功率考核指标80%时，定义机组可以比较安全启动；当机组不能正常启动的概率大于机组启动成功率考核指标80%，小于或等于机组启动成功率考核指标100%时，定义机组启动存在安全隐患；当机组不能正常启动的概率大于机组启动成功率考核指标时，定义机组不能安全启动；

安全评估单元设置机组启动安全评估指标的实时数据和历史数据的显示和查询功能；机组启动安全评估分析功能，当存在安全隐患时，安全评估单元将发出报警信息，提出消除安全隐患的措施建议；

所述故障报警单元根据从暂态监测数据采集智能终端获取的故障信息和集中暂态监测与安全评估工作站自检故障信息，发出声响和文字报警信息，提示故障类型、名称、地点、时间和处理措施；

所述系统维护单元设置数据备份、数据更新、系统恢复、参数设置、功能设置功能；

所述人机交互单元设置键盘、鼠标、数据输入/输出接口和显示功能。

现有技术通常采用频域分析法对采集的物理量进行频域分析，实用于稳态分析的场合。在变频系统和非周期交流系统频域分析方法不适用。

与现有的监控系统相比，本系统具有下列技术特点和功能：1、高速同步数据采集、时域分析和实时显示功能：高速同步采集各机组和励磁系统以及变频启动装置sfc的启动过程中不同频率的暂态电压和暂态电流波形。2、暂态监测智能终端的暂态分量特征提取功能：提取各机组和励磁系统以及变频启动装置sfc的启动过程中的暂态特征，包括：暂态极值、时间常数、衰减系数以及暂态振荡周期；电压骤降或电压骤升等。3、海量实时数据轻型传输与存储功能：将各机组和励磁系统以及变频启动装置sfc的启动过程中的海量实时全信息数据采样保存在智能终端（在线监测设备），通过特征提取，将特征数据轻型化传输到集中控制室，保存于主站设备（实时分析和安全评估设备）中。4、抽水蓄能机组启动暂态过程在线监测和实时分析功能：提供各机组和励磁系统以及变频启动装置sfc的启动过程中的暂态工况实时显示（波形和数据）；电压、电流、功率等运行参数的越限报警和预警提示。5、抽水蓄能机组启动过程安全评估功能：完成启动成功率记录和分析；启动失败原因分析；机组启动过程安全评估指标的选取和计算；机组启动过程安全性评估等功能。

本发明采用时域分析方法，可以准确地监测和计算抽水蓄能电站机组启动过程中的暂态电气参数和暂态过程参数。不受频率变化的影响，实时监测各机组启动过程的电物理量随时间和随频率的变化规律、对各机组的启动过程进行安全评估，用于抽水蓄能电站机组启动暂态过程在线监控和安全评估系统、变频拖动大功率电动设备启动过程的在线监控；推广应用于调频调峰机组的启动或工况转换暂态过程的在线监控、各类发电厂机组启动暂态过程在线监控、电网和供用电系统的电能质量和运行工况暂态过程的在线监控。具有提高运行管理水平、设备维护水平和企业经济效益的作用。为抽水蓄能电站机组启动过程、变频拖动大功率电动设备启动过程的安全经济运行提供技术保障。从而，提高抽水蓄能电站的经济效益和削峰平谷的社会效益。

附图说明

图1是本发明涉及的方法实施例流程图。

图2是本发明涉及的系统实施例总体系统结构框图。

图3是本发明涉及的系统实施例集中暂态监测与安全评估工作站结构框图。

图4是本发明涉及的系统最简实施例系统连接原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估方法

抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估方法实施例流程图如图1所示，由图1可见：

1、所述步骤一、在抽水蓄能电站各机组和励磁系统以及启动装置加装的暂态监测数据采集智能终端1：

暂态监测数据采集智能终端的输入端连接电网、机组、励磁系统、启动装置、厂用电系统的电压互感器和电流互感器二次侧以及励磁系统直流回路的直流电压传感器和电流传感器的输出端；暂态监测数据采集智能终端的输出端通过通信设备连接通信网络。

2、所述步骤二、通过暂态监测数据采集智能终端，高速、实时、高精度、同步数据采集电网、机组、励磁系统、启动装置、厂用电系统的电物理量2：

所述电物理量包括，采集电网、机组、励磁系统、启动装置、厂用电系统的工频交流电压、电流和励磁系统的直流电压、电流以及采用变频启动装置的非周期交变电压、电流。数据采集的采样速度和数模转换精度满足机组启动过程暂态检测和安全评估的要求。数据采集的来源为各交流采样对象的电压互感器和电流互感器、励磁系统直流回路的直流电压传感器和直流电流传感器。

3、所述步骤三、暂态监测数据采集智能终端对所采集的电物理量进行前置处理和暂态特征提取3：

所述前置处理包括：采集电路的同步性、准确性、抗干扰性、越限保护和模数转化；微处理器输入和输出接口、微处理器通信接口；采样数据的滤波、实时性、有效性、真实性、完整性、可保存性、可传输和可查询性等处理。

所述暂态特征提取包括：暂态电气参数提取，即：计算任意时间含非周期交流量、周期交流量、直流量、单调/指数衰减或上升量的暂态电压有效值、暂态电流有效值、暂态有功功率、暂态无功功率和暂态功率因数等暂态电气参数；暂态过程参数提取，即：计算上述条件下电压和电流从暂态到稳态所经历的时间和幅度变化值等暂态过程参数；应用需求所需的其它必要信息，例如：越限、异常和故障等信息。

将经过前置处理后的电物理量和暂态特征提取后的暂态电气参数、暂态过程参数和应用需求所需的其它必要信息加上时标后存储到存储器中，以便查询和上传。

时标的选取须满足实际应用或实时数据采集相关的规程和规范要求。

4、所述步骤四、采用海量数据轻型传输方法和通信网络将暂态监测数据采集智能终端的暂态特征和其它必要信息上传到集中暂态监测与安全评估工作站4：

将暂态监测数据采集智能终端中带时标的暂态电气参数和暂态过程参数和应用需求所需的其它必要信息，通过通信网络光纤或通信电缆，采用定时、召唤或中断传输方式上传到集中暂态监测与安全评估工作站，并存储到暂态监测与安全评估工作站指定的数据库中，以便暂态监测与安全评估。

5、所述步骤五、集中暂态监测与安全评估工作站采用时域分析法和机组启动安全评估指标对各机组启动过程进行暂态监测与安全评估5：

所述时域分析法定义任意电压、电流变化规律的实时采集数据确定为电压、电流的对应的实时瞬时值；在选取时间段内电压、电流的方均根值确定电压和电流暂态有效值；在选取时间段内电压与电流的乘积对时间的积分求平均值确定暂态等效有功功率；在选取时间段内电压与电流暂态有效值的乘积确定暂态等效视在功率；在选取时间段内暂态等效有功功率与暂态等效视在功率的比值确定暂态等效功率因数。

所述机组启动安全评估指标包括计算厂用电电压偏移超标、谐波电压或电流总畸变率超标、励磁电压或电流异常、启动装置工作异常、其它影响机组正常启动的因素出现导致机组不能正常启动的概率。

集中暂态监测与安全评估工作站包括数据通信单元、数据库及管理系统、控制单元、暂态监测单元、安全评估单元、故障报警单元、系统维护单元、人机交互单元。

所述数据通信单元根据控制单元的应用需求从暂态监测数据采集智能终端获取暂态监测与安全评估所需数据，或通过中断请求接收从暂态监测数据采集智能终端发出的数据，并存储到指定的数据库中，以便暂态监测与安全评估使用。

所述数据库及管理系统对数据通信单元获取和接收的数据，根据控制单元的应用需要进行数据通信、数据存储、数据处理、数据运算、数据查询、数据维护、数据修改和数据更新等操作。

所述控制单元通过人机交互单元，根据应用需求对数据通信单元、数据库及管理系统、暂态监测单元、安全评估单元、故障报警单元和系统维护单元进行控制，实现相应的功能。

所述暂态监测单元设置电网、机组、励磁系统、启动装置和厂用电系统在机组启动过程中的暂态工况监测功能，即：监测交流频率，电压和电流实时瞬时值、暂态有效值，暂态等效有功功率、无功功率、视在功率和功率因数以及直流电压、电流随时间的变化规律，以数据和曲线的显示呈现出来；历史数据查询功能；越限报警功能；故障诊断功能。

所述安全评估单元根据机组启动安全评估指标的实时和历史数据对机组启动的安全性进行评估，当机组不能正常启动的概率低于机组启动成功率考核指标50%时，定义机组可以安全启动；当机组不能正常启动的概率大于机组启动成功率考核指标50%，小于机组启动成功率考核指标80%时，定义机组可以比较安全启动；当机组不能正常启动的概率大于机组启动成功率考核指标80%，小于或等于机组启动成功率考核指标100%时，定义机组启动存在安全隐患；当机组不能正常启动的概率大于机组启动成功率考核指标时，定义机组不能安全启动。

安全评估单元设置机组启动安全评估指标的实时数据和历史数据的显示和查询功能；机组启动安全评估分析功能，当存在安全隐患时，安全评估单元将发出报警信息，提出消除安全隐患的措施建议。

所述故障报警单元根据从暂态监测数据采集智能终端获取的故障信息和集中暂态监测与安全评估工作站自检故障信息，发出声响和文字报警信息，提示故障类型、名称、地点、时间和处理措施。

所述系统维护单元设置数据备份、数据更新、系统恢复、参数设置、功能设置功能。

二、抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估系统

1、总体

如图2，本系统包括暂态监测数据采集信号系统10、暂态监测数据采集智能终端20、通信网络30、集中暂态监测与安全评估工作站40。

其工作原理是：暂态监测数据采集信号系统10接入电网、机组、励磁系统、启动装置、厂用电系统的交流电压互感器和电流互感器二次侧以及励磁系统直流回路的直流电压传感器和电流传感器的输出信号后经过信号转换电路将标准电压和电流信号转换成暂态监测数据采集智能终端20的输入端可接收的信号，然后经过传输电缆传送至暂态监测数据采集智能终端20的输入端；经过暂态监测数据采集智能终端20的数据处理和暂态特征提取后，通过通信网络30上传至集中暂态监测与安全评估工作站40，由该站根据应用需求进行抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估。

2、子系统

所述暂态监测数据采集信号系统10包括用于监测电网、机组、励磁系统、启动装置、厂用电系统的交流电压和电流的电压互感器和电流互感器；用于监测励磁系统直流回路直流电压和电流的电压传感器和电流传感器；信号转换电路和传输电缆。

所述暂态监测数据采集智能终端20包括高速、实时、高精度、同步数据采集单元，海量数据存取单元、电物理量前置处理单元、暂态特征提取单元和数据传输控制单元。各单元互相配合，实现暂态监测数据采集、存取、处理、暂态特征提取和数据通信功能。

所述通信网络30包括与暂态监测数据采集智能终端20的通信接口及转换设备、与集中暂态监测与安全评估工作站40的通信接口及转换设备、通信电缆或光缆、网络安全设备。

所述集中暂态监测与安全评估工作站40包括数据通信工作站，实现数据通信单元功能；数据服务器，实现数据存储、数据处理、数据库及管理系统功能；工程师工作站，实现暂态监测单元、安全评估单元、故障报警单元、系统维护单元、人机交互单元功能。

3、原理

本发明涉及的系统实施例集中暂态监测与安全评估工作站原理示意图如图3所示。

控制单元控制数据通信单元从暂态监测数据采集智能终端实时或召唤采集暂态监测和安全评估所需数据并存放到数据库；人机交互单元根据应用需求操作暂态监测单元、安全评估单元、故障报警单元和系统维护单元，通过控制器和数据管理系统，进行数据处理、更新、查询、计算、分析和显示，并完成暂态监测、安全评估、故障报警和系统维护功能。

4、最简实施例

本发明涉及的系统最简实施例如图4所示。n个暂态监测数据采集智能终端的输入分别连接n个机组端的交流电压互感器和出口电流互感器二次侧以及励磁系统直流回路的直流电压传感器和电流传感器的输出信号；1个暂态监测数据采集智能终端的输入连接接入变频启动装置sfc的输入电源侧，即：厂用电系统的交流电压互感器和电流互感器二次侧，经过utp5网线将各暂态监测数据采集智能终端20连接到1000m光交换机。经过暂态监测数据采集智能终端的数据处理和暂态特征提取后，1000m光交换机通过单模/多模光缆将暂态监测数据采集智能终端的数据上传至集中暂态监测与安全评估工作站40前置的光纤收发器/光交换机，经过光电转换后送到集中暂态监测与安全评估工作站40，由该站根据应用需求进行抽水蓄能电站机组启动暂态监测与安全评估。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。