基于灰色關聯法的變頻供水系統運行效率在線檢測方法
【專利摘要】本發明提供了一種基于灰色關聯法的變頻供水系統運行效率在線檢測方法，包括：建立輸出功率、頻率擾動量和水壓變化量之間的數學模型及約束條件，形成供水系統運行效率在線檢測需要的數學模型；在穩態工況下進行頻率小信號擾動，以實際壓力變化值作為參考序列，并依據模型求出壓力變化值作為比較序列，運用灰色關聯算法及灰色關聯度判據在線檢測系統軸輸出功率，進而求得變頻供水系統效率。本發明可實現在線輸出功率檢測，無需流量傳感器，節約系統安裝調試所需時間和成本，使得系統結構更加簡單，系統成本更低。本發明可有效保護電機和變頻器低頻運行引起的效率低下故障，提高系統的壽命和可靠性，為水泵電機安全、高效運行提供可靠保證。
【專利說明】基于灰色關聯法的變頻供水系統運行效率在線檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于機電一體化測控領域，具體涉及一種基于灰色關聯法的變頻供水系統運行效率在線檢測方法，尤其適用于氣壓罐變頻供水裝置水泵運行效率檢測。
【背景技術】
[0002]水泵作為一種高耗能通用機械，廣泛應用于工農業生產和居民生活的各個領域，每年消耗在水泵機組上的電能占全國總電耗的21%以上，在供水企業中占生產成本的30%?60%。水泵以及水泵系統的效率哪怕僅僅提高1%，都會對我國的節能和環保帶來了巨大的利益，而水泵消耗的電能的30%?50%都是可以節約。通過采用變頻控制技術能有效地降低水泵的能耗，每年可節電282億kWh,實現節能減排目標。但變頻控制技術實現節能前提是水泵始終運行于高效率區間。然而，供水用戶的用水量在空間和時間上具有隨機性和不確定性，不能保證水泵始終運行在高效率區間。特別是在用水低谷時間段，由于用水量很小，變頻器和水泵工作于低頻狀態。此時，電機熱損耗和低頻振動嚴重，整個變頻供水系統能耗急劇增大，系統效率低下。這種工況下不但不能實現節能減排，而且水泵電機因為長期低頻運行導致機械振動和電機定子繞組發熱嚴重，降低系統的安全可靠性和使用壽命，對供水的安全可靠性和生產成本產生不利影響，更為嚴重的甚至導致安全事故的發生。因而，變頻供水系統運行效率檢測是必須解決問題。
[0003]變頻供水系統運行效率實時檢測是供水系統實現節能減排、安全可靠供水需重點解決的關鍵技術問題。變頻供水系統運行效率是水泵軸輸出功率Ptjut和輸入電源功率Pin的比值。電源輸入功率Pin通過測量電源輸入電壓Vin和輸入電流iin即可得到，實現較為簡便。水泵軸輸出功率Ptjut則需要通過測量水壓值P (t)和用水流量q(t)得到。水壓值p(t)可由壓力傳感器(通常為水壓表)測得，而流量q(t)的測量主要由以下兩種方案測得。
[0004]一、流量傳感器方案:即通過在水泵的出水口處安裝流量傳感器，實現流量檢測；通常使用的流量傳感器檢測機構主要為葉輪式，但存在以下三種情況會導致流量檢測精度及可靠性性能指標不高:
[0005]①供水流速較大情況下，水質中存在的固體雜物會撞擊葉輪，使得葉輪變形及缺損，引起整個機構轉動慣量不平衡，導致流量檢測失效或精度及數據可靠性大大降低；②水質受到污染呈現酸性或者堿性時，會嚴重腐蝕葉輪機構，同樣導致整個機構轉動慣量不平衡，流量檢測失效或精度及數據可靠性大大降低；③葉輪式流量檢測通過流動的液體傳動葉輪片轉動，從而帶動相關電磁機構動作，將葉輪片的轉動信號轉化為不同頻率的電信號。在管道截面積恒定的情況下，通過采樣電信號的頻率就可以測量液體的流量。由于要考慮到機構強度及加工精度和加工成本等約束情況，葉輪等轉動部件的慣量不可能很小，因而存在一個小流量測量死區范圍，所以不能檢測諸如滴水、漏水等小流量狀態。
[0006]二、專用控制器+專用水泵電機方案:即通過對專用的水泵電機進行揚程特性曲線的反復測試，得出水泵工作于不同流量情況下的特性曲線，并以該曲線作為系統檢測流量的參考值，通過檢測水泵電機當前運行特性與基準參考特性進行相似度分析，從而得出系統當前的流量值，但這種方法存在嚴重的問題就是:
[0007]⑴對控制系統的硬件和軟件的要求高。因為控制器要采集大量的數據并進行信號處理和求解系統的特征量，并與存儲在內存中的基準特征量進行相似度分析，因而對控制器要求高。
[0008]⑵由于系統在長期運行過程中，液體介質常數、電機參數、變頻器參數等受到環境因素影響及老化原因發生變化，引起系統的運行特征量變化較大，導致測量的精度和可靠性差；
[0009]⑶由于供水系統是長時間連續運行，因而水泵一旦出現故障，只能采用與控制器嚴格匹配的電機，而不能使用其他類型的水泵電機，因而導致系統的運行維護成本高，實用性及適用性差。
[0010]因而，變頻供水系統運行效率檢測方法在國內冶金、鋼鐵、石油、化工、水處理、礦山以及居民生活用水等領域具有非常廣闊的市場前景。
【發明內容】
[0011]本發明的目的在于提出一種低成本、通用性好、結構簡單的基于灰色關聯法的變頻供水系統運行效率在線檢測方法。
[0012]一種基于灰色關聯法的變頻供水系統運行效率在線檢測方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0013](I)以采樣周期Ts為間隔對供水系統管網的水壓值、逆變電路輸出頻率和輸入功率進行采樣，將第一次采樣值標記為p(i)、f (I)和Pin(I);當前采樣次數為k，令k=i ；
[0014](2)建立由M個元素構成的水壓值數組{p(i)}、逆變電路輸出頻率數組{f(i)}，以及輸入功率數組{Pin(i)l ;其中i = {k-M+1, k-M+2,...k}，M為預先設定的大于I的正整數，k 為當前采樣次數卬
【權利要求】
1.一種基于灰色關聯法的變頻供水系統運行效率在線檢測方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)以采樣周期Ts為間隔對供水系統管網的水壓值、逆變電路輸出頻率和輸入功率進行采樣，將第一次采樣值標記為P(1)、f (I)和Pin(I);當前采樣次數為k，令k=i ； (2)建立由M個元素構成的水壓值數組{p(i)}、逆變電路輸出頻率數組{f(i)}，以及輸入功率數組{Pin(i)l ;其中i = {k-M+1, k-M+2,...k}，M為預先設定的大于I的正整數，k 為當前采樣次數；P(i) lie =。= O, f(i) |i<=。= O, Pin(i) |i< =。= O ; (3)判斷供水系統是否處于穩定狀態；如果是，則進入步驟(4);否則，轉入步驟(13)； (4)求解水壓平均值
2.根據權利要求1所述的基于灰色關聯法的變頻供水系統運行效率在線檢測方法，其特征在于，所述穩定狀態的定義為:k k 計算數組{p(i)i的標準差_4 Μ, Σ ,(i)——(f Σ p(^y以及數組{f(i)}的標準差I 一-S?/(/))2判斷是否同時滿足:％< %和~< ~其中口
【文檔編號】G01L3/26GK103487186SQ201310409508
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月10日 優先權日:2013年9月10日
【發明者】李峰平, 彭志輝, 李沛, 付培紅, 趙軍平, 胡雪林 申請人:溫州大學