一種基于反求法的變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率在線檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于反求法的變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率在線檢測(cè)方法，包括：建立輸出功率、頻率擾動(dòng)量和水壓變化量之間的數(shù)學(xué)模型及約束條件，形成供水系統(tǒng)運(yùn)行效率在線檢測(cè)需要的數(shù)學(xué)模型；在穩(wěn)態(tài)工況下進(jìn)行頻率小信號(hào)擾動(dòng)，采樣管網(wǎng)壓力值，根據(jù)輸出功率數(shù)學(xué)模型反求出穩(wěn)態(tài)時(shí)軸輸出功率，進(jìn)而求得變頻供水系統(tǒng)效率。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)在線輸出功率檢測(cè)，無需流量傳感器，節(jié)約系統(tǒng)安裝調(diào)試所需時(shí)間和成本，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，系統(tǒng)成本更低。本發(fā)明可有效保護(hù)電機(jī)和變頻器低頻運(yùn)行引起的效率低下故障，提高系統(tǒng)的壽命和可靠性，為水泵電機(jī)安全、高效運(yùn)行提供可靠保證。
【專利說明】一種基于反求法的變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率在線檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)電一體化測(cè)控領(lǐng)域，具體涉及一種基于反求法的變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率在線檢測(cè)方法，尤其適用于氣壓罐變頻供水裝置水泵運(yùn)行效率檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]水泵作為一種高耗能通用機(jī)械，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活的各個(gè)領(lǐng)域，每年消耗在水泵機(jī)組上的電能占全國總電耗的21%以上，在供水企業(yè)中占生產(chǎn)成本的30%~60%。水泵以及水泵系統(tǒng)的效率哪怕僅僅提高1%，都會(huì)對(duì)我國的節(jié)能和環(huán)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(jié)約。通過采用變頻控制技術(shù)能有效地降低水泵的能耗，每年可節(jié)電282億kWh,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。但變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能前提是水泵始終運(yùn)行于高效率區(qū)間。然而，供水用戶的用水量在空間和時(shí)間上具有隨機(jī)性和不確定性，不能保證水泵始終運(yùn)行在高效率區(qū)間。特別是在用水低谷時(shí)間段，由于用水量很小，變頻器和水泵工作于低頻狀態(tài)。此時(shí)，電機(jī)熱損耗和低頻振動(dòng)嚴(yán)重，整個(gè)變頻供水系統(tǒng)能耗急劇增大，系統(tǒng)效率低下。這種工況下不但不能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，而且水泵電機(jī)因?yàn)殚L期低頻運(yùn)行導(dǎo)致機(jī)械振動(dòng)和電機(jī)定子繞組發(fā)熱嚴(yán)重，降低系統(tǒng)的安全可靠性和使用壽命，對(duì)供水的安全可靠性和生產(chǎn)成本產(chǎn)生不利影響，更為嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。因而，變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率檢測(cè)是必須解決問題之一。
[0003]變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率檢測(cè)是供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、安全可靠供水需重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率為水泵軸輸出功率Ptjut和電源輸入功率Pin的比值。電源輸入功率Pin通過測(cè)量電源輸入電壓Vin和輸入電流iin即可得到，實(shí)現(xiàn)較為簡便。水泵軸輸出功率Pwt則需要通過測(cè)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(cè)得，而流量q(t)的測(cè)量主要由以下兩種方案測(cè)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(shí)現(xiàn)流量檢測(cè)；通常使用的流量傳感器檢測(cè)機(jī)構(gòu)主要為葉輪式，但存在以下三種情況會(huì)導(dǎo)致流量檢測(cè)精度及可靠性性能指標(biāo)不高：
[0005]①供水流速較大情況下，水質(zhì)中存在的固體雜物會(huì)撞擊葉輪，使得葉輪變形及缺損，引起整個(gè)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不平衡，導(dǎo)致流量檢測(cè)失效或精度及數(shù)據(jù)可靠性大大降低；②水質(zhì)受到污染呈現(xiàn)酸性或者堿性時(shí)，會(huì)嚴(yán)重腐蝕葉輪機(jī)構(gòu)，同樣導(dǎo)致整個(gè)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不平衡，流量檢測(cè)失效或精度及數(shù)據(jù)可靠性大大降低；③葉輪式流量檢測(cè)通過流動(dòng)的液體傳動(dòng)葉輪片轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)相關(guān)電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)作，將葉輪片的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為不同頻率的電信號(hào)。在管道截面積恒定的情況下，通過采樣電信號(hào)的頻率就可以測(cè)量液體的流量。由于要考慮到機(jī)構(gòu)強(qiáng)度及加工精度和加工成本等約束情況，葉輪等轉(zhuǎn)動(dòng)部件的慣量不可能很小，因而存在一個(gè)小流量測(cè)量死區(qū)范圍，所以不能檢測(cè)諸如滴水、漏水等小流量狀態(tài)。
[0006]二、專用控制器+專用水泵電機(jī)方案：即通過對(duì)專用的水泵電機(jī)進(jìn)行揚(yáng)程特性曲線的反復(fù)測(cè)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(tǒng)檢測(cè)流量的參考值，通過檢測(cè)水泵電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行特性與基準(zhǔn)參考特性進(jìn)行相似度分析，從而得出系統(tǒng)當(dāng)前的流量值，但這種方法存在嚴(yán)重的問題就是：
[0007](I)對(duì)控制系統(tǒng)的硬件和軟件的要求高。因?yàn)榭刂破饕杉罅康臄?shù)據(jù)并進(jìn)行信號(hào)處理和求解系統(tǒng)的特征量，并與存儲(chǔ)在內(nèi)存中的基準(zhǔn)特征量進(jìn)行相似度分析，因而對(duì)控制器要求高。
[0008](2)由于系統(tǒng)在長期運(yùn)行過程中，液體介質(zhì)常數(shù)、電機(jī)參數(shù)、變頻器參數(shù)等受到環(huán)境因素影響及老化原因發(fā)生變化，引起系統(tǒng)的運(yùn)行特征量變化較大，導(dǎo)致測(cè)量的精度和可
靠性差；
[0009](3)由于供水系統(tǒng)是長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，因而水泵一旦出現(xiàn)故障，只能采用與控制器嚴(yán)格匹配的電機(jī)，而不能使用其他類型的水泵電機(jī)，因而導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本高，實(shí)用性及適用性差。
[0010]因而，變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率檢測(cè)方法在國內(nèi)冶金、鋼鐵、石油、化工、水處理、礦山以及居民生活用水等領(lǐng)域具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提出一種低成本、通用性好、結(jié)構(gòu)簡單的基于反求法的變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率在線檢測(cè)方法。
[0012]一種基于反求法的變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0013](I)以采樣周期Ts為間隔對(duì)供水系統(tǒng)管網(wǎng)的水壓值、逆變電路輸出頻率和輸入功率進(jìn)行采樣，將第一次采樣值標(biāo)記為p(i)、f (I)和Pin(I);當(dāng)前采樣次數(shù)為k，令k=i ；
[0014](2)建立由M個(gè)元素構(gòu) 成的水壓值數(shù)組{p(i)}、逆變電路輸出頻率數(shù)組{f(i)}，以及輸入功率數(shù)組{Pin(i)l ;其中i = {k-M+1, k-M+2, · · · k}，M為預(yù)先設(shè)定的大于I的正整數(shù)，k 為當(dāng)前采樣次數(shù)卬⑴ lie=。= O, f (i) |i<=。= O, PiJi) |i<=。= O ；
[0015](3)判斷變頻供水系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定狀態(tài)；如果是，進(jìn)入步驟（4);否則，變頻供水系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)入步驟（16)；
[0016](4)求解水壓平均值P =占Σ沖)、逆變電路輸出頻率平均值Fj X J{0和輸入功率平均值pm Σ及⑴；


丄V上
[0017](5)令η=1，，Td為預(yù)先定義的觀測(cè)時(shí)間長度；
[0018](6)標(biāo)記當(dāng)前時(shí)刻為t=0時(shí)刻，給逆變電路輸出頻率一個(gè)固定的任意擾動(dòng)AFn ；
[0019](7)令 m=l;
[0020](8)判斷mTs > Td是否成立，如果成立，則轉(zhuǎn)入步驟（11);否則，在t = mTs時(shí)刻，采樣管網(wǎng)壓力值Pn(m)，計(jì)算得到Λ/;?(/^) = ρ?{ηι)- Ρ ;

A Dn (m)\
[0021](9)判斷'"I < =0.05是否成立，如果不成立，標(biāo)記Nn = m，轉(zhuǎn)入步
P驟（12)；否貝丨J，將 Apn(m)、P、F、AFn、Tb、P、g、Pb、Vb、T 和 t = mTs 代入公式
【權(quán)利要求】
1.一種基于反求法的變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟： (1)以采樣周期Ts為間隔對(duì)供水系統(tǒng)管網(wǎng)的水壓值、逆變電路輸出頻率和輸入功率進(jìn)行采樣，將第一次采樣值標(biāo)記為P(1)、f (I)和Pin(I);當(dāng)前采樣次數(shù)為k，令k=i ； (2)建立由M個(gè)元素構(gòu)成的水壓值數(shù)組{p(i)}、逆變電路輸出頻率數(shù)組{f(i)}，以及輸入功率數(shù)組{Pin(i)l ;其中i = {k-M+1, k-M+2, · · · k}，M為預(yù)先設(shè)定的大于I的正整數(shù)，k 為當(dāng)前采樣次數(shù)；P(i) lie =。= O, f(i) |i<=。= O, Pin(i) |i< =。= O ; (3)判斷變頻供水系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定狀態(tài)；如果是，進(jìn)入步驟（4);否則，變頻供水系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)入步驟（16)； (4)求解水壓平均值P= & Σ 、逆變電路輸出頻率平均值F=^ ^ /(0和輸入功率平均值Pin X PJi); (5)令n=l，~=[_]，Td為預(yù)先定義的觀測(cè)時(shí)間長度； (6)標(biāo)記當(dāng)前時(shí)刻為t=0時(shí)刻，給逆變電路輸出頻率一個(gè)固定的任意擾動(dòng)AFn；
(7)令m=l ； (8)判斷mTs> Td是否成立，如果成立，則轉(zhuǎn)入步驟（11);否則，在t = mTs時(shí)刻，采樣管網(wǎng)壓力值Pn(m),計(jì)算得到λ/;?(/?、）= Pii(In)-P ;
Iad (m)\ (9)判斷'—'<=0.05是否成立，如果不成立，標(biāo)記Nn= m，轉(zhuǎn)入步驟
P(12)；否貝丨J，將 Apn(m)、尸、F、AFn、Tb、P、g、Pb、Vb、T 和 t = mTs 代入公式^pJm) = (2Fx^Fn+^Fn )(1_g，求解得出其中，Pb為供水系統(tǒng)氣壓罐額定PF尸:Jm];壓力值，Vb為供水系統(tǒng)氣壓罐氣室額定體積，Tb為供水系統(tǒng)氣壓罐額定溫度；τ為環(huán)境溫度，P為液體密度；g為重力加速度； (10)更新變量，令m= m+1 ;返回步驟⑶； (11)計(jì)算平均值PLt= :Σ P:;⑴W，轉(zhuǎn)入步驟（13)；

N /-I (12)計(jì)算平均值Z5，進(jìn)入步驟（13)；



/=1 (13)更新變量，令n=n+l;判斷η > 5是否成立，如果是，進(jìn)入步驟（14);否則，轉(zhuǎn)入步驟⑶;
5—2 5 — (14)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差4 5ΣΡ- -(Lpl0J判斷σ < O. 5是否成立；如果是，則
_ \ 1=1_ΙξΙ_
O Pout ~ I^ 2，進(jìn)入步驟（15);否則，轉(zhuǎn)入步驟（16)。 s 一P (15)令/計(jì)算系統(tǒng)效率xl(K)%’判斷η<= Jlmin是否滿足；其中Hmin為預(yù)先設(shè)定的低效率閾值；如果是，則說明系統(tǒng)處于低效率工作狀態(tài)，逆變器輸出關(guān)閉，退出；否則，進(jìn)入步驟（16); (16)令k=k+l;在本次采樣周期結(jié)束后，進(jìn)行下一次采樣，并標(biāo)記水壓值、逆變電路輸出頻率和輸入功率的采樣值為p(k)、f(k)和Pin(k);返回步驟（2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反求法的變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率在線檢測(cè)方法，其特征在于，所述穩(wěn)定狀態(tài)的定義為： 計(jì)算數(shù)組（pa)}的標(biāo)準(zhǔn)差
【文檔編號(hào)】G01L3/26GK103487187SQ201310410409
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月10日
【發(fā)明者】彭志輝, 李峰平, 付培紅, 曹宇, 趙軍平, 周余慶 申請(qǐng)人:溫州大學(xué)