基于FPGA的生物质机组电能质量与机组效率测控系统的制作方法

基于fpga的生物质机组电能质量与机组效率测控系统
技术领域
1.本发明属于可再生能源发电领域，涉及一种生物质机组监测与调试系统，尤其是涉及一种基于fpga的生物质机组电能质量与机组效率测控系统。


背景技术：

2.生物质能作为一种可再生能，相比于其它的如风能、潮汐能等能源，生物质能有着更良好的稳定性，但是受限于其使用的燃料燃烧值各有不同，相比于传统火电在稳定性上仍具有一定缺陷。现如今生物质能电厂越来越多，首要问题变为如何有效地监控生物质能机组的电能质量以及电能不稳定时机组的调整的问题，来迅速快速调节生物质能电厂的发电稳定性。
3.现有如采用51单片机来实现生物质机组的电能质量测控与改善，还存在较大的局限性，如运算速度过慢、芯片无保护易损毁等问题存在。现如今电网对于系统稳定性要求越来越高，在智能电网的框架下许许多多的新能源并入了电网之中，这就要求机组的适应性与可控性更高，传统的数据处理器越来越无法满足要求，其对系统性能改善的作用速度减慢，影响系统稳定性。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的硬件不稳定、运算能力低的问题而提供一种更加精确、高效的基于fpga的生物质机组电能质量与机组效率测控系统。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种基于fpga的生物质机组电能质量与机组效率测控系统，包括依次连接的采样模块、主控模块和上位机，其中，
7.该采样模块与待测汽轮机连接，用于采集汽轮机信号；
8.该主控模块根据汽轮机信号迭代求解获取排气焓值和经济性指标值，基于所述排气焓值和经济性指标值产生对待测汽轮机的工作状态进行调控的调控指令，实现对待测汽轮机的优化控制，所述主控模块包括fpga开发板；
9.该上位机与主控模块实现信息交互。
10.进一步地，所述采样模块包括电压电流采样电路、功率采样电路和频率采样电路。
11.进一步地，所述主控模块还包括与fpga开发板连接的以太网phy芯片。
12.进一步地，所述fpga开发板还连接有带隔离器的rj45接口。
13.进一步地，所述主控模块还包括与fpga开发板连接的flash芯片。
14.进一步地，所述上位机与主控模块之间采用arp协议进行通讯。
15.进一步地，采用热功率平衡计算获得所述排气焓值。
16.进一步地，基于所述排气焓值产生调控指令具体为：
17.101)依次判断每一段蒸汽是否在湿蒸汽区，对处于湿蒸汽区的各段进行下一步骤；
18.102)基于各段曲线拟合获得各段焓值；
19.103)基于各点焓值进行热功率平衡计算，获得当次的排气焓值；
20.104)判断是否满足|h
c1-h
c2
|≤ε，h
c1
为上次迭代求解值，h
c2
为本次迭代求解值，ε为设定阈值，若是，则执行步骤105)，若否，则将已知焓值与曲线拟合焓值相加得到新焓值，返回步骤103)；
21.105)基于最新的排气焓值产生调控指令。
22.进一步地，所述经济性指标包括汽轮机的缸效率和热效率，利用反平衡法计算获得。
23.进一步地，基于所述经济性指标值产生调控指令具体为：
24.201)基于汽轮机信号运算获得主汽流量d0；
25.202)判断是否满足|d
0-d
′0|≤ε，d
′0为上次迭代获得的主汽流量，ε为设定阈值，若是，则执行步骤203)，若否，则令d0＝d
′0，返回步骤201)；
26.203)计算各项经济性指标；
27.204)计算获得汽轮机功率pc；
28.205)判断汽轮机功率pc是否等于额定功率p0，若否，则产生调控指令，直至汽轮机功率pc等于额定功率p0。
29.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
30.1、本发明能够在极短时间内完成对机组的调整，实现了对生物质电厂运行及并网时出现的机组波动做出及时调整，并且提高了机组的经济性，从长远来看，每年生物质能电厂较长，经济型的提升可以为电厂节省了不菲的开支。同时解决了最大的隐患，便是机组并网时机组运行不稳定的情况，使其最短时间内恢复正常运行，减小了经济损失。本发明解决了生物质能电厂发电并网时以及日常工作功率波动时的发电机组电压、电流、有功无功功率调整等问题，增强电能质量，减小对电网的影响。
31.2、相比于传统技术，本发明监控可靠性更高，迭代模拟运算速度更快，精度更高，对于新能源电网稳定性有着极其重要的作用，克服了传统技术对监测可靠性不高、数据传输不及时、系统运行安全性不高等缺点，实现了可靠、安全、实时的对生物质发电机电能质量监测与改善。
32.3、对于生物质能发电，本发明采用的fpga实现了对其电能高效稳定改进的优势。fpga并行能力强大，对多任务处理具有很强的可靠性，减小了对电网的影响，大大提高电能质量监测系统的准确可靠性与实时性，并且对电能质量进行调节改善。本发明通过fpga芯片构建的嵌入式控制器，可以利用fpga芯片本身的优势，如可并行运算，大大提升本控制系统的控制效率与准确度，以达到减少机组损耗，控制机组输出电能质量的目的。
33.4、本发明具有以太网phy芯片，采用以太网通信方式对数据进行传输，将所采集的数据实时、可靠地传输给嵌入式系统，生物质发电机的电能质量监测得到可视化显示。
34.5、本发明在调控过程采用迭代方式进行实时优化，让机组稳定性求解更上一步。
附图说明
35.图1为本发明的框架结构示意图；
36.图2为本发明工作过程总体流程图；
37.图3为基于排气焓监测的机组功率控制流程图；
38.图4为经济指标计算流程图；
39.图5为经济型调整流程图。
具体实施方式
40.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
41.如图1所示，本实施例提供一种基于fpga的生物质机组电能质量与机组效率测控系统，包括依次连接的采样模块1、主控模块2和上位机3，采样模块1与待测汽轮机连接，用于采集汽轮机信号，包括待测汽轮机的电压、电流、功率和频率等信号；主控模块2根据汽轮机信号获取排气焓值和经济性指标值，基于所述排气焓值和经济性指标值产生对待测汽轮机的工作状态进行调控的调控指令，上传给上位机3；上位机3与主控模块2实现信息交互。
42.本实施例中，采样模块1包括电压电流采样电路101、功率采样电路102和频率采样电路103。
43.主控模块2包括fpga开发板。本实施例中，fpga开发板使用intel公司的altera arria 10gx660的fpga开发板，其工作在as模式(active serial configuration mode)，向配置器epcs发出数据读取信号，把epcs的数据读入fpga中，实现对fpga的控制，配置数据通过data0引脚送入fpga中，配置数据同步于dclk输入上，1个时钟周期传送1位数据。
44.主控模块2还包括与fpga开发板连接的以太网phy芯片。本实施例中，以太网phy芯片采用marvell公司的千兆以太网phy芯片88e1111-rcj，实现fpga开发板的以太网传输。fpga开发板采用arp(address resolution protocol)地址解析协议，解析由fpga发送对上位机的控制请求以及上位机传送过来的信号。
45.在优选的实施方式中，fpga开发板还连接有带隔离器的rj45接口。
46.主控模块2还包括与fpga开发板连接的flash芯片，用于存储系统文件，避免掉电时数据损失。
47.本实施例可以基于上述生物质机组电能质量与机组效率测控系统对机组进行取样、运算、逻辑比较和控制操作。以下主要分为通讯与取样、排气焓检测、经济性指标计算与经济性调整四个部分的内容。
48.1、通讯与取样：在获得电压电流采样电路采集101的机组输出端电压电流之后与额定值进行比较，通过建立组态管理软件(vfexplorer)来进行对硬件的信号传输，对信号通信进行通道配置以及位号组态配置。控制域包括ff现场总线i/o模块am712、支持moodbus-rtu的串行通信模块com741、支持profibus主站通信模块com722、总线(电流、电压、功率、频率)输入模块。
49.2、排气焓监测：排气焓值反映着机组功率的稳定性，采用热功率平衡计算排气焓，对整个回热系统做热平衡计算。当汽轮机工况不稳定时，功率发生波动，将检测到的排气焓通过热平衡计算之后与额定工况要求的排气焓值比较以逐步逼近。热平衡方程为公式(1)：
50.[0051][0052]
其中，w为汽轮机内功；ng为发电机功率；ηm为机械效率；ηg为电机效率；d0为主蒸汽流量；h0为主蒸汽焓值；d
rh
为热再蒸汽流量；q
rh
为热再蒸汽焓值；dj为各级抽气量；hj为各级焓值；dc为排气量；hc为排气焓值。计算求得排气焓值hc进行迭代，满足|h
c1-h
c2
|≤ε后即可完成调整(h
c1
为上次迭代求解值，h
c2
为本次迭代求解值，ε为设定阈值)。
[0053]
排气焓监测功率改善的控制图如图3所示，具体描述包括如下步骤：
[0054]
101)依次判断每一段蒸汽是否在湿蒸汽区，对处于湿蒸汽区的各段进行下一步骤；
[0055]
102)基于各段曲线拟合获得各段焓值；
[0056]
103)将各点焓值传入fpga；
[0057]
104)进行热平衡计算；
[0058]
105)获得当次的排气焓值，判断是否满足|h
c1-h
c2
|≤ε，若是，则执行步骤106)，若否，则将已知焓值与曲线拟合焓值相加得到新焓值，返回步骤103)；
[0059]
106)fpga传送命令给上位机以控制机组改善。
[0060]
3、经济性指标计算
[0061]
任意机组热力系统热平衡方程的通用形式表示为：
[0062][0063]
其中i＝1
…
m，m为加热器级数，[ai]为回热抽气系数，[a
fi
]为辅助用气系数，[a
ti
]为小水流数，δq加热器单位热量，[a]为热力系统分时值。
[0064]
通过系统返回的各级抽气系数与抽气流量代入公式(4)、(5)，便可通过运算得到
[0065][0066]
pc＝p0(额定功率)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0067]
d0＝3600
·
ng/h0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0068]
ηi＝h0/q0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0069]
其中，hn表示各点焓值，d
fj
、h
fj
分别表示迭代求得抽气量、迭代求得排气焓。监测得的抽气系数ai与抽气量di，分别代入公式解出蒸汽等效热降h0，锅炉吸热量q0，校核主蒸汽流量d0，求出热效率ηi。并与额定热效率比较，得到的返回值经逻辑判断后进入主控制对汽轮机系统进行调整。
[0070]
4、经济性调整：对于生物质能电厂汽轮机，其汽轮机的缸效率与热效率是汽轮机的主要经济性指标。本实施例中，利用反平衡法进行计算：
[0071]
高压缸效率
[0072]
中压缸效率
[0073]
低压缸效率
[0074]
机组热耗率q＝(d
mshms
d
rhhrhh
d
mahma-d
fwhfw-d
rchrc-d
swhsw-d
rwhrw
)/pcꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0075]
[kj/kwh]
[0076]
机组热效率ηj＝3600/q[％](12)
[0077]
机组汽耗率d＝d
ms
p
pc
[kj/kwh](13)
[0078]dms
、d
rh
、d
rc
、d
rw
、d
ma
分别为主蒸汽流量、热再蒸汽流量、冷再蒸汽流量、再热减温水和化学补水量[kj/h]；h
ms
、h
rhh
分别为主蒸汽焓和再热蒸汽焓[kj/kg]；h
rhc
、分别为高压缸排气焓和高压缸理想排气焓；分别为中压缸进气焓、排气焓和理想排气焓[kj/kg]；hr、分别为低压缸进气焓、排气焓和理想排气焓[kj/kg]；pc为发电机功率[kw]。在求解出各项参数后由fpga所在电路进行对发电机汽轮机参数的各项参数进行调整，实现对机组的优化控制。
[0079]
本实施例中，经济性计算流程如图4所示，包括如下步骤：
[0080]
201)采样模块测得各工况参数；
[0081]
202)传输至fpga进行运算；
[0082]
203)运算求解抽气口、高缸排气、排气压力以及对应组内销率；
[0083]
204)获得主汽流量d0；
[0084]
205)判断是否满足|d
0-d0′
|≤ε，d0′
为上次迭代获得的主汽流量，ε为设定阈值，若是，则执行步骤206)，若否，则令d0＝d0′
，返回步骤202)；
[0085]
206)计算各项经济性指标；
[0086]
207)输出数据至fpga。
[0087]
本实施例中，经济型调整流程如图5所示，包括如下步骤：
[0088]
301)采样模块测得各工况参数；
[0089]
302)计算高压缸内参数、中压缸内参数、低压缸内参数、主蒸汽流量、热再蒸汽流量和冷再蒸汽流量等，并计算获得热耗率和汽耗率；
[0090]
303)计算获得汽轮机功率pc；
[0091]
304)判断汽轮机功率pc是否等于额定功率p0，若否，则由fpga进行参数调整，直至汽轮机功率pc等于额定功率p0。
[0092]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。