Development of methods for modular power plant controls

Abstract

Power plants are manufactured almost exclusively as prototypes due to highly individualsite requirements. This requires intensive planning not only in construction but also incontrol system design. This work offers a modular design for hydropower plant controlsystems, providing a scalable and flexible method through the use of pre-fabricatedcontrol modules to enable the quick and secure realization of projects. To this end, amethodology is presented that leads from the breakdown of power plant specific controlelements into their functionality via a hierarchical structure and a random search clusteralgorithm to a final control structure. For this purpose, the behavior of the powerplant is divided into three different operating flows, which can be integrated separatelyinto a machine module. The result of the designed method is a structure with moduleproposals which provides a separation between the flow specification to machines andweirs. These can be duplicated and adapted as required with the coordination of astate module, provided that specified interfaces are observed. The cluster algorithmleads to a reduction in the number of modules from 46 to 17. This makes it possibleto design power plants more efficiently for rivers with different water volumes and tointegrate machine sets individually into the control structure of other power plant typessuch as pumped storage power plants.

Kraftwerke werden aufgrund sehr individueller Standortanforderungen fast ausschließlich als Prototypen gefertigt. Das bedeutet nicht nur intensive Planung im Bau, sondern auch in der Steuerungsauslegung. Diese Arbeit bietet als Lösung eine modulare Auslegung von Wasserkraftwerkssteuerungen und stellt durch den Einsatz vorgefertigter Steuermodule eine skalierbare und flexible Methode dar, um eine schnelle und sichere Realisierung von Projekten zu ermöglichen. Dazu wird eine Methodik vorgestellt, die von der Aufschlüsselung kraftwerksspezifischer Steuerelemente in deren Funktionalität über eine hierarchische Struktur und einen Random-Search-Clusteralgorithmus zu einer abschließenden Steuerstruktur führt. Dafür wird das Verhalten des Kraftwerks in drei verschiedene Betriebsflüsse unterteilt, die sich getrennt in ein Maschinemodul einbinden lassen. Das Ergebnis der konzipierten Methode ist eine Struktur mit Modulvorschlägen, die eine Separierung der Durchflussvorgabe zu Maschinen und Wehren vorsieht, die mit der Koordinierung eines Zustandsmoduls beliebig dupliziert und adaptiert werden können, unter der Voraussetzung, dass vorgegebene Schnittstellen eingehalten werden. Der Clusteralgorithmus führt zu einer Reduzierung der Modulanzahl von 46 zu 17 Modulen. Damit ist es möglich, Kraftwerke effizienter auf Flüsse mit unterschiedlichen Wassermengen auszulegen und Maschinensätze individuell in die Steuerstruktur anderer Kraftwerkstypen wie Pumpspeicherkraftwerken einzubinden.