帶調壓閥的水輪機實時仿真系統

孔昭年，熊曉蕾，楊遠生，周同旭，王柏柏，孔 勁，郭瑤，趙躍智

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100044；2.天津電氣科學研究院有限公司，天津 300186；3.中國葛洲壩集團海外投資有限公司，北京 100025）

在國家能源局“替代調壓井的新型調壓閥及其控制系統研究與電站示范應用”科技項目的安排下，天津電氣科學研究院有限公司與中國水利水電科學研究院合作開發了：帶調壓閥的水輪機實時仿真系統及水輪機調速器綜合實驗裝置。

帶調壓閥的水輪機調節系統實時仿真裝置對我國水輪機調速器行業意義重大，我們尚沒有收集到可供借鑒的國外有關資訊，它的完成將填補我國在此領域的空白，也將大大促進我國水輪機調節領域的技術進步。

1 帶調壓閥的水輪機數學模型

在圖1上示出了帶調壓閥的水輪機實時仿真原理圖，在此原理圖上最重要的是處理好水輪機非線性引出的非線性運算。文獻（1）已作了詳細的介紹，本項目組的一個技術創新點是具有嚴重非線性特征的水輪機綜合特性曲線的外延與數學描述。由于實時仿真系統實時性很強、而且要確保計算連續、平穩；我們采用特征矩陣法描述水輪機特性，收到很好的效果；此外，為便于推廣此項成果，我們把能收集到的水輪機特性用完全相同的數學方法編制了一個專門的數據文件，調用十分靈活、方便。

圖1中，at為水輪機接力器行程，aft為調壓閥接力器行程；在實際應用時，他們分別接至水輪機調速器導葉接力器和調壓閥接力器的位移傳感器；xt表征水輪發電機相對轉速偏差，實際應用時經過仿真裝置頻率變送器接至水輪機調速器測頻回路；從而一個由水輪機、發電機、引水系統非線性微分方程式和初始狀態參數及一個真實的水輪機調速器及調壓閥形成閉環調節系統，經過各種接口施加各種擾動信號（如負荷擾動、開停機等）就可以進行各種動態特性試驗。從而在制造廠內盡早發現調速器的缺陷，促進產品質量的提高。

由于實時計算步長通常取0.05 S，在這樣短的時段內不僅要完成全部非線性微分方程式的求解，還要完成數據的輸出和采集、輸出實時頻率等功能。水輪機特性必須經過特殊處理，水輪機流量、力矩特性矩陣的表達式為[1]：

公式（1）～（4）“=”右端四個矩陣及水輪機流量和力矩的特性矩陣應在仿真數據準備階段根據有關數據表求得，對于軸流轉槳式水輪機對應每個定槳特性相類似地求取水輪機流量和力矩的特性矩陣；在實時仿真的主程序段，只要已知某一時刻的x11t和at就可很快計算出該時間的單位流量和單位力矩：

圖1除非線性特性的水輪機特性外，水電站引水系統的動力學特性數學模型，有標準化形式描述[2,3]：

（1）剛性水錘

適用條件：Tf/Tr＞6 及 Tw/Tr＞2；

（2）近似彈性水錘

適用條件：3＜Tf/Tr＜6，0.5＜Tw/Tr＞2；

（3）彈性水錘

其中hw=Tw/Tr；水輪機管道特性系數；

適用條件：Tf/Tr＜3，Tw/Tr＜0.5；

（4）帶調壓井的引水系統數學模型

（5）分叉管（見圖2）數學模型

圖2 引水管路分叉管示意圖

式中：q1為管路總流量；q2為水輪機流量；q3為調壓閥流量；h0為初始水頭；ht為水頭偏差；以剛性水擊為例，有：

式中：Tw1為水庫到分叉管的水流慣性時間常數，Tw2為分叉管到水輪機組的水流慣性時間常數，Tw3為分叉管到調壓閥的水流慣性時間常數；在實際中取

2 軟件結構與硬件平臺

有多種技術手段實現實時仿真裝置硬件平臺，如IPC、PLC等，經比較我們選取發展勢頭強勁的DSP作為我們研發的綜合實驗裝置的硬件平臺。

水輪發電機組實時仿真及水輪機調速器試驗裝置由模塊化硬件及配套的電腦軟件組成。其中硬件電路采用DSP為核心控制單元，輔助外圍各種模塊化功能電路構成。電腦的上位機軟件采用Visual Basic開發環境進行開發。

（1）上位機客戶端軟件系統圖如圖3所示，包括實時數據采集模塊、輸出形成word文件模塊、試驗功能模塊及用戶自定義操作設置。

1）基于為本設備開發的高效的通信協議，可以提高串行通信效率，實現數據的實時傳輸和處理。

2）盡管采用數據庫存儲數據對開發人員要求較低，但是考慮到數據讀取的方便性、通用性和安全性，我們不僅將需要保存的數據以圖片的形式存儲為word文件，還對原始數據進行了加密算法后生成為僅能被本軟件識別的文件格式進行保存。

圖3 上位機客戶端軟件系統圖

3）因為是專門針對水輪機調速器的仿真試驗設備，要求能夠單獨做調速器的各種試驗，所以軟件內置了大部分調速器試驗的控制程序，操作人員僅需少量操作，本系統即可完成大部分調速器的試驗。

4）考慮到用戶使用的流暢和方便，硬件每個輸入輸出端口均可自定義，并且具備相關的軟件功能模塊。

圖4 下位機客戶仿真試驗儀系統圖

（2）下位機客戶仿真試驗儀系統圖如圖4，包括通訊模塊、數據采集模塊、分析計算模塊、信號調制解調模塊及實時仿真模塊。

1）解碼上位機的指令，根據上位機的要求將數據發送至上位機。

2）采集模擬量輸入和高頻輸入信號，經過軟件濾波器濾波后進入待發序列，普通的數字量輸入信號經過軟件防抖處理后進入待發序列。

3）因為下位機精度較高，所以一些對時間精度有要求的試驗數據會由下位機測量計算，可精確至0.5 μs。

4）實時仿真運算模塊采用了離散化的數學模型及優化算法，循環迭代周期小于20 ms。

5）計算出的數據經過調制整形后，轉換為標準信號進行輸出，輸出信號刷新時間小于20 ms。

6）考慮到通用性，通訊接口采用標準RS232接口，開發了設備專屬的通信協議，由于采用了效率較高的通信協議和編碼形式，上位機對設備數據的采樣時間小于20 ms，優于國內外大多數產品。

（3）硬件電路主要包括：電源模塊、AD采集模塊、DA輸出模塊、頻率輸出模塊、頻率測量模塊和通訊接口電路。

1）電源模塊采用AC及DC通用輸入，并輔以相關的線路濾波、去耦和限壓限流等保護電路。

2）采用美國微芯公司出品的DSP作為核心處理單元，并采用MPLAP IDE系統集成開發環境進行DSP的下位機程序開發。

3）具備12路AD輸入，可接受-10～10V之間的電壓信號或20 mA以內的電流信號。我們采用了帶光電隔離的AD采集方式，這種方式抗干擾效果明顯，現有的設計精度0.1%，線性度誤差0.23%，優于大多數同類產品。

4）可提供4路DA輸出電路，采用了DSP自帶的高速輸出模塊產生高頻脈沖，再進行PWM調制，并經過硬件電路將方波轉化為4～20 mA的模擬信號。經測試線性度誤差0.08%，優于大多數傳感器。

5）可提供2路頻率輸出模塊，同樣采用DSP自帶的高速輸出模塊，根據軟件的設定產生相應頻率的波形，輸出頻率范圍 0.5～100 Hz，精度 ＜=0.002 Hz。

6）具備2路頻率測量模塊，采用DSP自帶的高速輸入捕捉功能，保證實時性和精度。另外，由于考慮到硬件的使用環境，在使用二階低通濾波器進行硬件濾波之外，也增加了軟件濾波器。測頻精度為0.0025%，延時小于0.5 μs，性能優于國內外大部分同類產品。

7）具備4路DI和4路DO模塊，均采用隔離輸入輸出的形式，其中DO通過繼電器輸出，以便于帶較大負載。

8）設備可提供 +5V、+12V、-12V、+24V 等電壓等級的電源輸出。

3 實時仿真系統功能

研發的試驗裝置具有高度自動化、智能化；符合電力行業有關標準的要求。

3.1 調節對象實時仿真功能

（1）依據提供的水輪機、發電機及引水系統的技術資料，利用本裝置的軟件模塊建立調節對象的數學模型（水輪機依據綜合特性曲線建模）。

（2）實時仿真系統能輸出水輪機蝸殼進口處水壓信號和水輪發電機組頻率信號。信號的形式和電平能與調速設備相匹配，與水輪機調速器構成調速系統。

（3）實時仿真模型主要特性參數可人為整定和校驗。

3.2 水輪機調速器試驗和檢測功能

依據有關標準，裝置可進行調節系統試驗、檢測及其動態過程記錄的項目。

（1）調節系統靜態特性試驗及轉速死區指標、靜態特性非線性度和永態轉差系數檢測。

（2）電液隨動系統（含轉輪葉片接力器電液隨動系統）、靜態特性試驗及各類隨動系統不準確度檢測。

（3）電液隨動系統動態特性試驗。

（4）電子調節器調節規律試驗和調節參數Kp、KI、KD的校驗。

（5）水輪發電機組開機過程試驗。（6）水輪發電機組停機過程試驗。

（7）水輪機調節系統空載擾動試驗。

（8）水輪機調節系統手動工況和自動工況下空載頻率擺動值測定。

（9）水輪發電機組負荷調整（增、減）試驗及水輪發電機組一次調頻相關試驗。

（10）負荷擾動試驗。

（11）水輪機調節系統甩負荷過程試驗：

a）水輪機調速器接力器不動時間檢測試驗；b)水輪機調節系統甩100%負荷時動態過程記錄及調節時間和波動次數等動態特性指標檢測。

（12）調節系統故障模擬試驗。通過如下試驗觀測在各種故障情況下接力器的擺動：

a)頻率信號消失；

b)接力器位移傳感器故障；

c)電液隨動系統故障；

d)交直流電源切換和交直流電源同時消失；e)雙機切換試驗；

f)電液轉換部件故障及雙電液轉換部件切換試驗；

g)負荷反饋與設定故障試驗；h)水頭信號故障試驗。

（13）調節系統手、自動切換試驗。

（14）自定義的功能試驗。

（15）作為穩定的頻率信號源及試驗記錄裝置參與水輪機調節系統的電磁兼容試驗。

3.3 試驗數據采集、存儲和數據處理功能

（1）裝置的前置信號處理器和配套的傳感器搭載到計算機平臺上，加上配備的實時仿真、測試和分析軟件應可實現數據采集、存儲、曲線生成和特性參數的分析功能。

（2）對采集來的數據分析處理、特性指標計算均符合有關電力行業標準的相應條款規定。

（3）裝置應具有數據通信接口，具備與打印、繪圖等輸出設備連接，輸出圖形、數據的功能。

3.4 信號頻率檢測及頻率信號發生器功能

（1）裝置具有信號頻率檢測的功能，可檢測的信號頻率范圍為0.5～100 Hz,可工作的電壓為0.3～150 V(RMS)，短時可承受200 V。

（2）裝置具有頻率信號發生器的功能，信號波形為正弦波或方波，信號頻率的范圍0.5～100 Hz，頻率可人為調整和設定，頻率還可按約定的輸出方式自動改變。

4 調速器動態特性試驗

應新疆連合電力開發公司的請求，利用剛剛研制開發的帶調壓閥的水輪機調速器實時仿真系統，在天津電氣科學研究院有限公司內抽取試驗用真實調速器和調壓閥，與仿真裝置閉環進行動態特性試驗；利用由新疆卡伊爾特電站參數組成的系統進行了機組啟動、空載擾動、甩25%、50%、75%、100%負荷自動調節試驗，在自動調節狀態下，在所有試驗項目中水輪機調節系統過渡過程穩定收斂，調節過程正常（見圖5～圖10）。

圖5 機組起動試驗

試驗證明接受啟動命令后機組穩定控制在額定轉速。

圖6 空載擾動試驗

按常規擾動量為48～52Hz,系統穩定，近于單調地完成調節。系統穩定。

圖7 機組甩25%負荷試驗

調壓閥沒有動作，hmax=0.087；Xmax=0.067.最后轉速調節穩定。

圖8 機組甩50%負荷試驗

調壓閥開至0.57后關閉，hmax=0.102;Xmax=0.158；最后轉速調節穩定。

圖9 機組甩75%負荷試驗

調壓閥開啟值90.46,后關閉。hmax=0.0823;Xmax=0.29；最后轉速調節穩定。

圖10 機組甩100%負荷試驗

調壓閥開至96.94%后關閉，hmax=0.062 8;Xmax=0.402.最后轉速調節穩定。

新疆卡伊爾特電站帶調壓閥的水輪機調速器實時仿真系統動態特性穩定。得到方便、滿意的試驗結論。

5 結論

（1）硬件電路采用DSP為核心控制單元，開發的水輪機調節系統實時仿真綜合試驗裝置具有體積小、功能強大的特點，其試驗功能、試驗結果數據處理方法、裝置配置等完全符合現行電力行業有關技術標準的要求[2]；特別是它具有的帶調壓閥的水輪機調節系統實時仿真綜合試驗裝置填補了我國在此領域內的技術空白，技術上有所突破和創新；

（2）該程序的技術核心之一就是研發真實水輪機動態特性、調用方便、能包含水輪機型譜及其他所用常用水輪機特性、數學方法先進、在計算中總體耗時小、利于推廣的數據文件。軟件對流量和力矩的計算分別采用了水輪機流量特征矩陣和力矩特征矩陣的非線性運算方式，提高了計算速度和準確度。該數據文件內容豐富、調用方便、采用的數學方法先進，值得推廣；

（3）經過現場試驗資料的校核，模型、方法、結果和精度都達到了理想效果，壓力計算和轉速計算與現場實測的誤差在5%以內，形態與現場實測形態一致；應強調在水輪機小開度下的模型試驗資料嚴重缺失的狀況下，證明我們采取的特殊數學處理方法可行、有效；滿足工程計算的精度要求。為實時仿真裝置的開發及過渡過程計算提供了堅實的基礎。

我們希望今后不斷豐富試驗資料的積累，不斷完善有關計算方法，不斷提高水輪機調節系統實時仿真技術水平。我們也希望能有機會與有關單位合作將此項技術能及早應用于我國抽水蓄能機組實時仿真領域。

[1]孔昭年.水輪機控制系統的設計與計算[M].武漢：長江出版社，2012.

[2]DL/T 1120-2009水輪機調節系統自動測試及實時仿真裝置技術條件[S].

[3]DL/T 1548-2016水輪機調節系統設計與應用導則[S].