水电站水机电仿真系统的开发及研究

1 概述

对于水电厂水机电耦合问题的研究，例如，水轮发电机组在启机、突增、突减负荷或电力系统侧故障等扰动等过渡过程中，可能会发生水力系统水压上升过高等影响电站安全运行的问题；同时水力动态过程也可能对电力系统低频振荡等稳定性产生影响。由于水文献中电厂水、机、电耦合研究的方式理论性强，对具体的机组或电厂参考意义不大。通常采用单机无穷大系统进行代替，并非针对本厂的具体数据和参数进行研究，因而相关结论具有参考意义但一般无法对本厂的生产直接形成指导意见[1-3]。另一方面，研究人员也并非一定是本厂技术人员，并不能大幅促进本厂相应技术水平的提高。文献中水电站仿真培训系统一般是定位为运行人员操作或流程的培训的系统，其监控系统的仿真通常无法准确反应水电站的动态运行结果，也通常无法深入到电站众多监控装置的维护的仿真中。（以保护装置的仿真为例，由于没有准确的故障计算数据，装置的动作或警报等不是基于故障电流等客观的故障信息的整定值，而是基于开发者人为的逻辑判断，所以无法准确反应水电站的动态运行结果；本平台的特点之一就是准确的仿真数据，因而保护装置的仿真中保护的动作是基于客观的故障信息的整定值，因而能准确反应水电站的动态运行结果，对本厂的生产形成一定的指导意见，并且能深入到诸如装置参数的整定、修改等，从而实现对装置的运行和维护的仿真。

2 仿真系统整体框架

图1

2.1 监控设备画面的开发：包括电站主系统、集中监控系统、现地监控系统、主系统的控制保护装置等画面。电站监控系统画面的绘制可以采用北京图王软件开发有限公司的Visual Graph，它已在电力等行业涉及图形的应用系统的开发中有许多成功的案例。可以非常逼真地绘制出设备画面并实现部分操作的仿真。

2.2 仿真计算模型包括水电站完整的电气部分和水力系统的仿真模型。该仿真模型为电站的水力系统、发电机组、升压变压器、开关站、输电线路、外部等值电力系统等构成的电力系统的完整的机电暂态仿真模型，该仿真模型的计算能实现停机状态到开机过程，并网，功率调节，开关操作等全过程的仿真计算。该仿真模型的目的是满足该电站各种运行操作的前提下的电站的准确的仿真数据输出。内容包括电气主系统、水力系统模型搭建和参数的设置和调试；仿真数据的验证和对比（对比对象为生产中的实时数据或PSASP 等软件的仿真数据）。

2.3 数据库：用于保存水电站各监控设备的参数，实现监控设备的参数的设置、保存或整定等。

长期以来，我国对天然气发电如何发展未形成共识，导致天然气发电成为近年来政策调整最为频繁的天然气利用领域。孙慧认为，一个行业的发展战略或者发展方向不宜过于频繁变动，建议要多方考量，适度松绑燃气热电联产项目，适时调整煤改气的发展方向。

2.4 开发环境：采用c#作为开发平台，采用电力系统图形化建模的仿真方法生成电站机电暂态仿真程序的源代码，采用北京图王软件开发有限公司的Visual Graph 绘制的设备画面以ActiveX 控件的形式在c#中进行调用。其他的功能如监控、保护装置的仿真，数据的显示画面及每时步计算中仿真模型的调用等均在c#中开发实现。

图2 完整水电站仿真模型框图

3 仿真计算模型

采用Visual Graph 等绘图软件绘制元件图元，例如发电机组、变压器、开关、刀闸、输电线路、负荷等元件，形成电力系统元件库。利用Visual Graph 的图形拓扑功能，采用matlab 的gui 语言为开发平台，以图形化方式实现电力系统仿真模型的构建，从而实现电站复杂大系统闭环计算。如图2 所示[4-7]。具体的仿真计算流程如图3 所示，dq 转换功能包含在机组仿真模型中。传统的考虑凸极效应的牛顿法。采用该方法进行机网接口计算编程复杂，因为要计算雅可比矩阵元素，而雅可比矩阵元素随时间而变化，故计算机时也较多[8-10]。本计算方法由于无需计算雅可比矩阵，因而编程难度和计算量都大大降低。计算过程：E'xy 的值，采用电网仿真模型计算发电机注入网络的电流Ixy 的值；根据Ixy的值，及上一次励磁系统仿真模型计算得到的励磁电压Ef 和原动机及其调速系统仿真模型计算得到的转子角δ 的值，采用同步电机仿真模型计算下一时步的状态量的值E'xy（包括了dq 轴转换计算）；根据E'xy 及Ixy 的值可求取机端电压Ut 的值等，已知E'xy 及Ixy 的值可求取机端电磁力矩Te 的值；根据本次计算得到的发电机组状态量的值与上次计算得到的发电机组状态量的值之差的绝对值的大小判断计算是否收敛；若不收敛，则以本次计算得到的E'xy 的值，重复步骤一到步骤六的计算和判断；若收敛则令t=t+Δt，相应各状态量t 时刻的值替换为t+Δt 时刻的值，重复步骤一到步骤七进行下一时步的计算。

图3 暂态稳定数字仿真计算模型算法流程图

4 测试结果分析

图4 为：TG2000d 水轮机调速器和机组甩负荷75%动态试验数据示波图。比例增益Kp=4.00；机组惯性时间常数Ta=10.00秒；积分增益Ki=0.50(1/秒)；水流惯性时间常数Tw=0.50 秒；微分增益Kd=0.50 秒；水击相长Tr=0.50 秒；永态转差系数bp=0.00%。图5 为采用图4 中相同的参数在本仿真平台上的仿真图。 可以看出，本仿真平台的仿真数据与实际设备的试验数据基本一致。

康熙四十三年三月十日，康熙再来盘谷寺，与智朴互动更加频繁自如。 智朴作《接驾诗》，康熙次韵相和。 如下：

图4 TG2000d 水轮机调速器和机组录波图

图5 为本仿真平台试验甩负荷75%仿真图

图6 为现场试验录制的典型软起励过程波形。图7 为采用本厂参数在本仿真平台上的软起励过程仿真图。可以看出，本仿真平台的仿真数据与实际设备的试验数据基本一致。

最后，要能满足生活可以自理、半自理和不能自理医疗护理服务。完善的后期服务，包括为老年人提供管家式服务、医护服务、保健服务、活动组织、日常课程、特殊饮食护理服务等。

图6 现场试验录制的典型软起励过程波形

图7 本仿真平台上仿真的软起励过程波形

图8～图9 为：线路发生短路故障（6.0 秒～6.2 秒）时的机电暂态过程对比图。可以看出本平台仿真数据与PSASP 仿真的数据完全一致。

图8 PSASP 平台仿真的线路三相短路故障时2 机系统的角频率曲线

图9 本平台仿真的线路三相短路故障时2 机系统的角频率曲线

图10 为：发电机组在75%甩负荷时水力系统和电力系统的动态过程，图11 为：机端母线上发生瞬时性三相短路故障时水力系统和电力系统的动态过程。

混沌序列作为伪随机序列,要有良好的相关性能,自相关值需近似于δ函数,以利于扩频码的检测与同步；而互相关值需接近于0[13],以有效地抑制不同扩频码之间的干扰,这对通信中的多址应用十分重要[14]。理论中无限长度的混沌序列能满足上述条件,但实际上混沌序列使用时都需要截短处理,这样会影响混沌序列的相关性。除此之外,混沌序列的初值也会影响序列的相关性,经过大量测试后发现复合混沌序列在初值为0.76时的相关性能较好,所以以此初值产生的混沌序列来进行测试。

图10 发电机组在75%甩负荷时水力系统和电力系统的动态过程

图11 机端母线上发生瞬时性三相短路故障时水力系统和电力系统的动态过程

从以上测试结果可以看出，本仿真平台的仿真数据与实际设备的试验数据基本一致，与其他科学计算软件的仿真数据完全吻合，说明了本仿真平台的仿真数据的可信性。

5 结论

水电站水机电一体化的仿真包括了由详细水力系统、发电机组、升压站、等值电力系统构成的中小型电力系统，其特点是：详细考虑了水力系统动态特性、水轮发电机组动态特性、电网动态特性的电力系统仿真模型。上述特点使得水电站水机电一体化的机电暂态仿真模型的开发存在一定的难度。从以上测试结果可以看出，本仿真系统的仿真数据与实际设备的试验数据基本一致，与其他科学计算软件的仿真数据完全吻合，说明了本仿真系统的仿真数据的可信性。本文中所开发的水电站水机电一体化的仿真系统可用于水电厂水力系统及电力系统动态特性的研究，为水电厂仿真机的电能生产过程提供精确的仿真数据，并成为一种水电厂的高级仿真教学工具。

参考文献

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