（水利水电工程专业论文）基于pcc的水力机组调速系统实时动态仿真仪研究.pdf

摘要 水轮机调速器是水轮发电机组一个很重要的自动化调节设备，它由调节器和 电液随动系统组成，在调速器安装或者大修后都要对其性能和特性进行全面测 试，为了方便对水轮机调速器的测试，特开发水力机组调速系统实时动态仿真仪， 该仿真仪具有三种功能：对调速器调节对象( 有压引水系统、水轮机、发电机和 电网) 进行仿真、对调速器电液随动系统与调节对象进行仿真和作为实时测试系 统监测调速器的工作是否正常。 通过分析仿真仪的功能，考虑实时性、输入输出量的实现和仿真图形显示等 特点，采用奥地利b & r 公司的带有面板功能的可编程计算机控制器p p 4 1 作为 仿真硬件。在建立调节对象和电液随动系统的数学模型后完成仿真仪软件的编制 工作，并将仿真仪和微机调节器进行闭环对接，利用某真实电站的参数进行仿真 试验，对仿真仪软件和微机调节器软件进行测试，验证其有效性。 关键词：水轮机调节对象电液随动系统仿真p p 4 1闭环试验 a b s t r a c t w a t e rt u r b i n eg o v e r n o ri sa ni m p o r t a n ta u t o m a t i cc o n t r o le q u i p m e n t o fh y d r o e l e c t r i cg e n e r a t o ru n i t i tc o n s i s t so fr e g u l a t o ra n d e l e c t r o h y d r a u l i c s e r v os y s t e m i no r d e rt og u a r a n t e et h en o r m a l o p e r a t i o no fh y d r o e l e c t r i cg e n e r a t o ru n i t ，i ti sn e c e s s a r yt om a k ea t h o r o u g ht e s to ft h ep e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i e so fag o v e r n o rb e f o r e i t i si n s t a l l e do ra f t e ri ti so v e r h a u l e d t of a c i l i t a t et h et e s to ft h e g o v e r n o r ，ar e a l t i m ed y n a m i cs i m u l a t o rb a s e do np c cf o rw a t e rt u r b i n e g o v e r n i n gs y s t e mw a sd e v e l o p e d i th a st h r e ef u n c t i o n s ：s i m u l a t i n g c o n t r o l l e do b j e c t s ( p r e s s u r ew a t e rc o n v e y i n gs y s t e m ，w a t e rt u r b i n e ， g e n e r a t o ra n de l e c t r i cg r i d ) ，s i m u l a t i n gg o v e r n o r se l e c t r o h y d r a u l i c s e r v os y s t e ma n dw o r k i n ga sar e a l t i m em e a s u r i n gs y s t e mf o r g o v e r n o r t h r o u g ha n a l y z i n gt h ef u n c t i o n so ft h es i m u l a t o r ，i ti sr e a s o n a b l e t oa d o p tap r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e rp p 4 1d e v e l o p e d b yb rc o m p a n y a st h es i m u l a t i n gp l a t f o r m t h ec o d e so ft h es o f t w a r ew e r ed e v e l o p e da f t e r t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fc o n t r o l l e d o b j e c t sa n de l e c t r o h y d r a u l i cs e r v o s y s t e ma r es u c c e s s f u l l yc o n s t r u c t e d t h r o u g ht h ec l o s e dl o o ps i m u l a t i o n t e s t ( b a s e do np a r a m e t e r so fa na c t u a lh y d r o e l e c t r i cp o w e rp l a n t ) o ft h e s i m u l a t o rl i n k e dw i t ht h ep c cr e g u l a t o r ，t h ee f f e c t i v e n e s so ft h e s i m u l a t o rs o f t w a r ea n dp c cr e g u l a t o rs o f t w a r ei sc o n f i r m e d k e yw o r d s ：w a t e rt u r b i n ec o n t r o l l e do b j e c t s ：e l e c t r o h y d r a u n cs e r v o s y s t e m ：s i m u l a t i o n ：p p 4 l ：c l o s e dl o o pt e s t 河海大学硕士学位论文基于p c c 的水力机组调节系统实时动态仿真仪 1 1 引言 第一章绪论 水轮机调速系统具有复杂的电气一机械一液压一水力的联系，是水电站关键 的基础自动化设备，它会直接影响到机组的安全、可靠运行乃至电能质量和电力 系统的稳定。因此研究水轮机调速系统的动态特性是非常重要而且是必须的。 研究调速系统的动态特性有两种方法，数学方法和试验方法。数学方法是对 调速系统建立相应的数学模型，根据数学模型进行计算分析它的过渡过程。试验 方法是指对调速系统的原型或者模型进行试验，模型试验是建立调速系统的物理 模型进行试验：原型试验是对原型调节系统即真机系统直接试验，研究其过渡过 程。按照过去传统的做法，生产单位在厂内只能做静特性试验。即使在电厂现场， 机组充水前也只能做静特性试验。无法在机组充水前全面考核调速器的性能好坏 及其固有缺陷。加重了现场机组充水后的调试任务，此时如果发现调速器的一些 缺陷，处理起来就很被动，由于水轮机组是水电厂的大型重要设备，这种传统做 法安全性很难保证，并且有的调试项目破坏性很大，例如甩负荷试验。由此可见 在建立调节对象数学模型后对其进行仿真的方法具有很大优点，利用水力机组调 节系统实时动态仿真仪可以在设备出厂及现场机组充水前就对其做有水试验的 项目，提前预知设备质量和及早发现设备缺陷，为设备的出厂和水电厂的检修提 高可信服的依据。 1 2 计算机仿真概述 1 2 1 仿真概念 仿真技术是以相似原理、系统技术、信息技术以及仿真应用领域的有关专业 技术为基础，以计算机系统有关的物理设备及仿真器为工具，利用模型对系统( 已 有的或设想的) 进行研究的- - 1 7 多学科综含性技术。 1 2 2 计算机仿真过程 第一章绪论 利用计算机进行数学仿真一般需要经过下列几个过程： 1 、确定对系统进行仿真的目的和基本要求，即弄清楚仿真要解决的问题， 并给出明确的说明。 2 、建立系统的数学模型，将被仿真的系统表示成微分方程组、差分方程组、 传递函数、结构图、信号流程图或其它数学表达式。 3 、将原始的数学模型通过一定方式变换成能在计算机上实现和运行的数学 模型，即仿真模型。 4 、编制仿真模型程序并进行调试。 5 、仿真模型的校验和确认。仿真模型的校验是指仿真模型与数学或物理模 型的一致性校验，仿真模型的确认是指仿真模型与实际系统的一致性校验。 6 、进行仿真试验。 计算机仿真过程流程图如图卜i 所示： 图i - i 仿真过程流程图 计算机仿真可以分为三类：模拟计算机仿真、数字计算机仿真和模拟一数字 混合计算机仿真。 1 2 3 水电厂仿真 水电厂仿真实际上是对水电厂某单元发电机组系统的仿真。大型电厂发电机 组是一个设备庞大、组成复杂的系统。包括水轮机、发电机、励磁系统、主变、 厂用电系统以及相应的油、气、水等公用辅助系统。根据发电机组的实际设备、 热力系统、电气系统、水力装置系统以及电力生产过程等建立其数学模型，并在 数字计算机上运算称为水电厂仿真。运行发电机组模型软件的数字计算机通过 i o 接口与电站物理设备相连接构成的仿真装置，称为发电机组仿真机，简称为 电厂仿真机( p o w e rp l a n ts i m u l a t o r ) 。 河海大学硕士学位论文基于p c c 的水力机组调节系统实时动态仿真仪 1 3 问题的提出 水轮机调速器是水轮发电机组一个很重要的自动化调节设备，其调节品质的 好坏直接影响着发电机对电网供电的电能质量和机组的安全经济运行。因此，无 论是安装时还是大修后都要对其性能和特性进行全面测试，并对控制参数等进行 适当整定。但常规的调速器测试手段存在一些问题，例如新产品在实验室开发阶 段不能做到边开发边测试，特别是动态性能的测试必须在模拟机组或工业现场的 实际机组上进行，因而开发费用高、周期长；出厂前不能测试、检查调速器的动 态性能；要求调速器测试人员具有高的专业知识和丰富的实践经验：测试仪器的 准备和调整比较复杂：试验费时，测试人员劳动强度大：试验结果整理繁琐，而 且容易产生误差，还有试验过程中曲线录制质量不高等问题。因此，为了提高水 轮机调速器的测试水平，必须致力于调速器自动测试水平技术的研究。 1 4 研究目的和意义 目前全国大多数的水电站都已经使用了微机调速器，有的微机调速器除了包 含有中央处理器、输入接口( 包括开关量输入、模拟量输入) 、输出接口( 包括开 关量输出、模拟量输出) 和通信部分( 包括内部通信、与上位机的通信) ，还包含 有监测与仿真部分，监测与仿真部分分为便携式和内嵌式两种形式。便携式是一 种外配的设备，通过接口与微机调速器相连；内嵌式是监测与仿真功能均内含在 微机调速器中。检测部分包括调节参数及静、动态特性的测试和录波，静、动态 特性指标的自动计算和显示等。仿真部分内装了水轮发电机组数学模型( 含水轮 机、发电机、引水系统、电网、液压随动系统的模型) ，可进行开机、停枫、空 载扰动、甩负荷、负荷扰动、工况转换等各种仿真试验，在优化控制参数、调试 时十分方便。 为了在不带机组的条件下对调速器或在同时不带机组和电液随动系统的条 件下对调节器部分能进行较全面的测试和检查，需要对机组和( 或) 电液随动系统 进行仿真。分三种情况，如图1 - 2 所示： 第一章绪论 豳豳豳 ( 1 )( 2 )( 3 ) 图卜2 仿真仪状况示意图 ( 1 ) 对调节对象( 包括有压引水系统、水轮机、发电机和电网) 进行仿真， 从调速器输入导叶开度y 信号，经过仿真计算以后，输出频率f 信号到调速器电 柜和机柜由调速器去进行各种调节； ( 2 ) 对调速器电液随动系统和调节对象进行仿真，要加上对电液随动系统 的仿真，从调节器中输入引导阀信号s ，输出频率f 和导叶开度y 信号到调节器 电柜，再由调节器去进行各种调节： ( 3 ) 作为实时测试系统用，从调速器输出各种信号，此时水力机组调速系 统实时动态仿真仪仅仅测试调速器工作是否正常，处于实时测试状态。 1 5 国内外研究现状 电站计算机仿真技术是- 1 3 综合技术，它是以数学、物理、流体动力学、控 制理论、计算机技术、网络技术、热能动力、电工学、电器仪表等多学科多专业 的理论为基础，以计算机和各种物理设备为工具对真实电站机组景象进行仿真的 技术。随着电力工业、计算机技术和仿真技术的发展。自2 0 世纪6 0 年代中期到 现在，国内外电站计算机仿真技术和电站仿真机得到了迅速发展。 6 0 年代中后期，电子计算机技术水平处于低级阶段，尚不能用来开发电站仿 真装置。1 9 7 0 年以前，美国共研制了四套火电机组仿真系统，所模拟对象是局 部的，并且仿真装置采用的是模拟电路。1 9 7 1 年美国、日本和英国几乎同时开 发出了火电机组全仿真系统，采用的是数字计算机或数字一模拟混合机，收到了 良好的培训效果。这时期是国际上电站仿真机的初期发展阶段。 2 0 世纪7 0 年代，世界电力工业发展迅速，电站逐渐增多，机组容量不断增 大，对仿真机的需求量增加。与此同时，数字计算机有了很大发展，1 6 位小型 数字计算机正式推出，且配有操作系统和汇编语言，这给电站仿真机的开发提供 了较好的条件。在此期间，国际上成立了许多仿真公司。在我国，清华大学热能 4 河海大学硕士学位论文基于p c c 的水力机组调节系统实时动态仿真仪 工程系从1 9 7 4 年开始了火电机组仿真系统的研制工作，并于1 9 7 8 年开始研制 2 0 0 m w 火电机组培训仿真机。这一时期，各仿真公司尚无成熟的仿真支撑系统， 仿真机的技术水平也比较低，电站仿真技术处于低速发展阶段。 2 0 世纪8 0 年代初，数字计算机软、硬件技术得到高速发展，3 2 位超级小 型计算机问世，其运算速度快、存储容量大、总线速度高、i o 能力强，并有功 能较强的实时操作系统和高级算法语言f o r t r a n 等特点。世界上一些仿真公司开 发出了先进的仿真软件开发支撑系统，这给电站仿真机的迅速发展提供了良好的 条件。我国第一台2 0 0 m w 燃煤电站部分范围仿真机在1 9 8 3 年通过鉴定并投入使 用。 2 0 世纪8 0 年代后期，电力工业和计算机软硬件技术飞速发展。计算机的运 算速度和存储量高速增长，i o 吞吐量增大。各仿真软件开发支撑系统更加完善 和成熟，它们普遍采用模块化建模技术，使仿真机的水平有了很大提高。国际上 电站仿真技术处于高速发展阶段。在国内，多家科研单位投入了电站仿真机的研 制工作，成功开发了一批火电机组仿真机，并引进了一批火电站仿真机，我国的 电站仿真技术也进入了快速发展阶段。 2 0 世纪9 0 年代，计算机技术和网络技术发展日新月异，使得仿真技术的发 展突飞猛进。图形建模技术开始应用于仿真软件开发支撑系统，电站仿真机的开 发水平有了一个新的飞跃。这一时期，国际上著名的仿真公司先后进入中国市场， 国内也成立了许多仿真公司，并成功开发了各种形式的火电站仿真机。秦山3 0 0 m w 核电机组全范围仿真机的成功开发，标志着我国电站仿真技术已接近世界水平。 上述电站仿真机的发展主要是针对火电和核电而言的。在水电方面，国外水 电厂仿真研究从七十年代开始，初期仅停留在调速系统等模型的理论探讨上，接 着出现了水轮机的动态非实时计算机模拟，它主要用于水轮机特性试验和调速系 统试验，八十年代中期，国外出现了许多水电厂实时仿真系统，用于培训和实验 研究，如日本的三菱、美国的s 3 等公司都相继开发了数套水电厂实时仿真系统。 九十年代以来国内外水电厂实时仿真应用已经非常普遍了。我国第一台大型水轮 发电机组的仿真系统由清华大学于1 9 8 9 年开始研制，1 9 9 3 年8 月通过验收和鉴 定，此系统安装在吉林市丰满水电技术专科学校。龙羊峡水电厂仿真系统1 9 9 4 年7 月由清华大学开始研制，1 9 9 6 年1 2 月完成，该系统安装在青海省西宁电力 第一章绪论 学校。广州小水电仿真机由清华大学研制，安装于广州市，项目历时两年，于 1 9 9 9 年底完成。隔河岩水电厂多媒体培训系统由华北电力大学研制，于1 9 9 8 年 5 月提交现场试运行，包括运行操作仿真培训系统、主要设备结构原理培训、基 础知识培训等1 1 个子系统。 对调节对象和( 或) 电液随动系统的仿真研究国内也有多家单位进行，如清华 大学、华中科技大学，河海大学、武汉水利电力大学、中国水利水电科学研究院、 长江控制设备研究所，东方电机厂等，主要产品有：河海大学研制的计算机实时 仿真系统，有两种型号，h s 一2 h 用于单一调节水轮机，h s - 2 s 用于双重调节水轮 机；清华大学研制的基于v c s 3 平台的微机仿真系统：中国水利水电科学研究院 研制的z 一8 0 单板机仿真、w g t 一4 ( 主机为1 6 3 2 位工控机i n t e l 8 0 c 1 8 6 ) 专用微机 仿真；华中科技大学研制的以微机为核心的h g 8 6 系列水轮机调速器综合测试仪： 武汉水利电力大学研制的微机实时仿真系统。另国外v o i t h 公司有用于自控系统 调试的实时仿真系统，s u l z e r 公司研制了内置于微机调速器的数字仿真系统。 随着微机技术的发展，现在又出现了基于可编程计算机控制器p c c 的仿真 技术，相对于前面提到的各种仿真技术，p c c 仿真具有以下优点： 1 、用t p u 中的脉宽调制功能p w m 很方便实现频率的输出。 2 、采用可编程计算机控制器p c c 作为硬件，其无故障率达到5 0 0 k h 。 3 、采用多c p u 。各c p u 之间既相互独立，又相互关联，从而使主c p u 的资源 得到合理使用，同时又最大限度地提高了整个系统的速度。 4 、采用多任务分时操作系统。可以将整个系统划分为具有不同优先权的任 务等级，每个任务等级设定不同的扫描周期，从而使整个系统得到优化且具有较 好的实时性。 5 、除传统的梯形图和指令表编程方式外，引进了高级语言编程技术，使编 程更方便，更利于描述复杂的控制思想。 6 、采用适合于工业环境的液晶显示器显示面板作为人机界面，简化了接口 电路，提商了可靠性，人机接口更友好。 1 6 本文的任务和结构 l 、第一章的任务是介绍计算机仿真的概念和水电站仿真。概述发展至今各 6 河海大学硕士学位论文 基于p c c 的水力机组调节系统实时动态仿真仪 个不同阶段的水电站仿真方法和水轮机、电液随动系统仿真方法，同时根据计算 机硬件技术的发展，选择一个相对较优的产品作为仿真硬件，并阐述本文研究的 目的和意义。 2 、第二章的任务是建立水力机组调速系统实时动态仿真仪的数学模型和进 行仿真功能设计。数学模型包括电液随动系统、水轮机、发电机、有压引水系统 和电网的数学模型；详细分析仿真功能，设计阐述仿真思想，建立仿真框图和三 个主要的仿真子程序功能模块( 起动和空载工况、单机带孤立负荷工况、并网工 况) 框图，并比较其异同和讨论非线性方程组的迭代解法和仿真步长的确定原则。 3 、第三章的任务是仿真硬件系统设计。首先根据设计的仿真功能，分析考 虑可能使用的几种仿真硬件，从中根据实时性、方便性、适用性和推广性的要求， 从中选择一个相对较优的仿真硬件一一奥地利b & r 公司的带有面板功能的可编 程计算机控制器p p 4 1 ，并介绍p p 4 1 、各个i o 模块的原理及其操作系统特性。 4 、第四章的任务是仿真的软件实现以及微机调速器软件程序与仿真仪的闭 环对接试验。主要有模拟量信号频率、导叶开度和引导阀的输入输出实现、实时 数据仿真数据处理、仿真图形界面和闭环对接仿真试验，验证微机调速器软件和 仿真软件的有效性。 5 、第五章总结、思考和展望。全面总结本文所做的工作和成果，对于有些 未完善的问题作迸一步的思考。最后对实时仿真技术的发展作出展望。 河海大学硕士学位论文基于p c c 的水力帆组调节系统实时动态仿真仪 第二章建立数学模型与仿真框图设计 2 1 水轮机调节系统组成 水轮机调节系统由调速器和调节对象组成，调速器由调节器和电液随动系统 两部分组成，调节对象包括有压过水系统、水轮机、发电机和电网，水轮机调节 系统的性能不仅取决于水轮机调速器，还与调节对象有关，因此，对其进行仿真， 就必须具体研究上述各单元的工作原理和特性，建立相应的数学模型，然后通过 具体的硬件和软件进行仿真研究。调节系统示意图如图2 - i 所示： 图2 - i 水轮机调节系统示意图 2 。2 电液随动系统数学模型 电液随动系统是水轮机调速器的执行机构，由于推动水轮机导水机构需要很 大的作用力，所以执行机构一般采用液压装置。电液随动系统的任务是使输出y 跟踪调节器输出的y 。，使指令信号迅速准确无误的加以功率放大，以控制水轮 机的导水机构。在调速器中，液压放大装置起到放大信号幅值和功率的作用。它 的输入信号是配压阀阀体的位移，输出信号是接力器活塞的位移。引导阀、辅助 接力器和反馈杠杆组成第一级液压放大器，主配压阀和主接力器组成第二级液压 伺服装置。下面建立水力机组调节系统实时仿真仪的电液随动系统的数学模型。 在建立电液随动系统的数学模型时，除了考虑液压放大器的数学模型之外，还必 须考虑一些非线性的因素，以更符合电厂的实际情况，而最主要的影响比较大的 非线性因素主要有死区和限幅，因此在考虑非线性因素后的电液随动系统的框图 和数学模型方块图如图2 2 和2 - 3 所示。 第二章水轮机调节仿真系统模型与仿真功能设计 图2 - 2 电液随动系统框图 图2 - 3 电液随动系统模型方块图 l 、引导阀辅助接力器环节：一阶惯性环节当输入为阶跃输入盯时 数学方程：m ：导( 1 - e + 9 r , , ) ( 2 1 ) o ， 传递函数：g ( s ) 5 i 了1 石 2 2 其中：瓦。一辅助接力器反应时间常数也一反馈传递系数 2 、主配压阀一主接力器：积分环节当输入为阶跃输入盯时 数学方程：y = l h ( 2 3 ) 传递函数：g ( s ) = 去 ( 2 _ 4 ) 其中：瓦一主接力器反应时间常数 3 、导叶控制器信号引导阀的限幅：饱和非线性环节 饱和非线性环节输出y 与输入h 。关系，如图2 - 4 所示 数学方程为 图2 - 4 引导阀饱和非线性示意图 “口 一口 “ 口( 2 5 ) “一口 4 、主配压阊死区：死区非线性环节 妇 毒 也 ，f、 l l 咒 河海大学硕士学位论文 基于p c c 的水力机组调节系统实时动态仿真仪 死区非线性环节输出只与输入“，关系如图2 - 5 所示 = 兰7 1 1 ：。三i i 口 c 。一s ， 数学方程为 卓二 图2 - 6 主接力器饱和非线性示意图 2 3 调节对象数学模型 2 。3 。1 水轮机特性 ( 2 7 ) 水轮机内水的流动是比较复杂的，虽然原则上可以用各种数值方法( 如三维 有限元等) 来求解分析水轮机内水的流动，或者用某些几何参数定性地表示水轮 机的过流量和力矩等，但实际上仍然只能依靠模型试验的方法来求得水轮机特性 的定量表示。水轮机模型综合特性和飞逸特性等均是水轮机的稳态特性。原则上， 在分析水轮机调节系统时，应该使用水轮机动态特性，但迄今为止仍然无法通过 l o 厶 井 0 1 v i 乱 蚪 嘞 忙 0 “ l ，l = 第二章水轮机调节仿真系统模型与仿真功能设计 模型试验求得水轮机的动态特性，故目前只能用水轮机稳态特性来分析调节系统 的动态过程。在实际工作中，水轮机动态特性可分三部分考虑： ( 1 ) 混流式水轮机的稳态特性，它可表示为： 。岩 g l l = f ( n a l ，a ) q f = q l ，d 1 2 耳 m x i = f ( n a l ，a ) m t = m il 哦h l h f = h ，一h ，“ 式中： 一一一水轮机单位转速 9 1 一一水轮机单位流量 m 一一水轮机力矩 a 一一导叶开度 珂一一转速 m ，一一水轮机单位力矩 q 一一水轮机过流量 e 一一水轮机水头 e 一一机组前：f i - 点水压力凰+ 一一机组后节点水压力 ( 2 ) 水轮机流道内水流惯性，它可以作为有压过水系统水流惯性的一部分计 入。 ( 3 ) 水轮机转子和水轮机转轮区水体的机械惯性，它可以作为水轮发电机组 机械惯性的一部分计入。 2 3 2 有压过水系统 图2 7 管道示意图 哪 删 圳 删 m 睁 河海大学硕士学位论文 基于p c c 的水力机组调节系统实时动态仿真仪 从流体力学可知，有压管道内非恒定流可以用下列偏微分方程描述 动量方程 连续方程 铲争罢+ 南啪即 l 2 = a 2 i a q + 彰警= o积优 ( 2 一1 4 ) ( 2 一1 5 ) 式中 h 一一一测压管水头( m )q 一一一流量( m 3 s ) d 管道直径a 管道截面积( m 2 ) a一一 波速( m s )f 摩擦系数 g 一一重力加速度( r 眺2 ) x 自上流端开始计算之距离( m ) 用特征线法求解该数学模型， 当拿：口( 2 一1 6 ) 筹+ 譬等+ 上喇：0 ( 2 - 1 7 ) 2 d a西口出 当车：一口( 2 一1 8 ) i d q 一譬i d h + 上q | q | = 0 ( 2 - 1 9 ) 2 d a出口出 “ t t 0 + t t 0 o 图2 8l - t 平面上的特征线 方程( 2 一1 6 ) 和方程( 2 一1 8 ) 在x t 平面内代表两条直线，而全微分方程 ( 2 - 1 7 ) 和( 2 1 9 ) 则分别沿这两条直线有效。这两条直线称之为特征线。设在t = t 。时刻沿管道的各点状态为已知，为了求得 = r o + z 1 时刻p 点的状态，可沿两 条特征线将偏微分方程积分并考虑编程序的实际应用，化简可得： q j = c ，一c 。h ： t 2 - 2 0 1 1 2 第二章水轮机调节仿真系统模型与仿真功能设计 式中 q ；= c o + c 。hb c 口= g d t + 七，( l s ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 2 2 ) c p = 绕“+ c h 8 “1 一c a k l 绕“1 l 珐”1 ( 2 2 3 ) e = q 。1 一e 王1 一e k i q 。j q “1 ( 2 2 4 ) 西为计算步长，k 为管a b 段的分段数：d t + l d 应满足 d t + k l = l 口f a( 2 - 2 5 ) 式中： l 。一一a 、b 两点间距离 a 一一波速 k 一一水力损失系数 l s 一一管道各段长度与面积之商的和 见，乒一一a 点，t 时刻的流量和水压 幺，h s 一一b 点，t 时刻的流量和水压 a 点为水轮机，边界条件为：幺= q 1 币孑d 1 2 ( 2 2 6 ) d 1 一一水轮机直径a b 点为上游水库，边界条件为h 8 = c o n s t ( 2 2 7 ) 2 3 3 水轮发电机 对发电机而言，一阶模型是在水轮机调节系统分析计算中用的最多的一种发 电机模型，因此采用一阶数学模型。此时，发电机仅作为具有一定惯量的旋转刚 体来考虑。 对旋转刚体有如下运动方程： j 等_ m 1 m g ( 2 - 2 8 ) 河海大学硕士学位论文 基于p c c 的水力机组调节系统实时动态仿真仪 设现在时刻为r ，前一时刻为t a t ，且在r 时段内水轮机力矩按线性变化， 则使用梯形积分公式，自t a t 至r 积分后，有 c o , 一q 一：半，( 2 - c o , ( 2 - 2 9 )一q m2 万。耻 已知：= 嚣 ，= 等代入上式后有 _ ：。+ 等( 业竽一m g ) a t ( 2 - 3 0 ) i t - ( 2 - 3 0 ) _ 2 m + 面【- f 一 式中： l ，一一转动惯性，j ：鱼芝 4 9 一一角速度 m 。，m 一。一一t 时刻，r 一出时刻水轮机力矩，单位七- 卅 m 。一一阻力矩 f 一一计算步长 啊，n 。一一t 时刻，t a t 时刻转速 g d 2 一一飞轮力矩，包括发电机转子的g d 2 ，水轮机转轮 的g d 2 和水轮机转轮区水体的g d 2 ，单位：k n m 2 其中，发电机阻力矩m 。又可以分为空载力矩和负荷力矩。空载力矩是指由 励磁、轴承摩擦和导叶漏水等因素引起的阻力矩，负荷力矩指由仿真系统所承担 的负荷引起的阻力矩。 2 3 4 负荷特性 电网中负荷的组成十分复杂，它们的特性亦各异，通常在对水轮机调节系统 或电力系统分析时对负荷作粗略考虑。从编制仿真程序的实际考虑出发，负荷特 性用负荷力矩来表示。 综上所述，加上接力器行程方程y = f ( t ) 和导叶开度与接力器行程的关系 a = f ( y ) ，可建立水轮机调节对象的单机单管混流式机组水力一机械过渡过程数 1 4 第二章 水轮机调节仿真系统模型与仿真功能设计 学模型如下 式中 q 1 。= 厂( 啊。，口) q f = 9 1 d i 2 q m t i = ，( i ，口) m = m l id l 1 4 , h = h a h o 垮：。+等(坐竽)atnt_ - m e ) 垮2 m + 面r ( f q a = c 。一c a h a q ；= c o + c 4 h ； c 口= g + d t + k t ( l s ) c p = 骁“1 + c o i l o “1 一c o i c l q s 1i 绕。1 e = g “一c o h a “1 一c o i c l 9 ”1 iq “1 出：立 船+ a 2 4 仿真框图设计 ( 2 - 4 2 ) ( 2 - 4 3 ) ( 2 4 4 ) ( 2 - 4 5 ) 设计的水力机组调速系统实时动态仿真仪有三种功能，一种是只对机组进行 仿真，一种是同时对机组和电液随动系统进行仿真，一种是作为实时测试系统， 图2 - 9 是这三种功能的仿真框图实现。 伽 删 删 圳 删 圳 珈 删 伽 删 删 陋 0 国一历 m 昔 户 归 河海大学硕士学位论文基于p c c 的永力机组调节系统实时动态仿真仪 图2 9 仿真框图 首先在开机后进行选择，是选择仿真功能还是实时测试功能。如果是实时测 试功能，那么运行实时测试子程序，记录调速器发出的导叶开度信号、频率信号 和压力信号，以测试调速器的工作是否正常；如果是选择仿真功能，那么执行上 电初始化工作。在初始化工作完成以后判断是否开始仿真，否就退出仿真；是就 开始仿真，调用仿真子程序。按照电站的实际情况，仿真首先进入起动和空载仿 真子程序，此时总是默认机组转速为零，即处于停机状态。在接收到微机调速器 发出的开机令后，程序继续运行起动和空载仿真子程序，进入空载状态，可以选 择开关进入并大网仿真子程序还是进入单机带孤立负荷仿真子程序。在仿真过程 中可以选择暂停仿真、继续仿真或者停止仿真功能，在仿真试验结束以后进行仿 真数据的处理，可以选择打印出数据文件和显示图形以供分析使用。调用仿真子 第二章水轮机调节仿真系统模型与仿真功能设计 程序框图如图2 1 0 所示 图2 - 1 0 仿真子程序框图 i 、分析上电初始化程序： 整个仿真程序开始运行时总是假定处于初始稳态工况，即停机状况。开始输 入原始数据，原始数据包括水轮机特性、机组飞轮力矩、管路特性、水头损失系 统等：在仿真计算之前，必须先进行初始稳态工况计算。稳态工况有许多参数如 导叶开度、机组转速、上游水位、下游水位、机组过流量、出力、管道系统各结 点的流量及水压力等等。只要给定其中一部分参数，初始工况就已经确定，其他 参数不应通过估算求出，以避免与计算机求出的结果相矛盾。一般可给出上、下 游水位，机组转速和导叶开度，或者给出上、下游水位，机组转速和机组出力。 初始工况计算也需要进行迭代计算，不过只需要进行水压力波动的迭代计算，因 为初始工况认为处于停机状况，故无需进行转速波动的迭代计算。 2 、分析起动和空载仿真子程序、单机带孤立负荷仿真子程序和并大网仿真 子程序之间的异同。 ( 1 ) 起动和空载工况仿真子程序的框图如图2 - 1 i ； ( 2 ) 单机带孤立负荷仿真子程序如图2 - 1 2 ，： ( 3 ) 并大网仿真子程序的框图如图2 - 1 3 。 图中聊。表示机组所带的负荷力矩，t 表示时间，d t 表示步长，h 表示水头， b 表示转速，h 和q 表示t 时刻水轮机水头和流量，h 。和q 表示t 时刻压力引 河海大学硕士学位论文基于p c c 的水力机组调节系统实时动态仿真仪 水管道末端的水头和流量。 图2 - 1 1 起动与空载仿真子程序框图 1 8 第二章水轮机谜节仿真系统模型与仿真功能设计 图2 1 2 单机带孤立负荷仿真子程序框图 1 9 河海大学硕士学位论文基于p c c 的水力机组调节系统实时动态仿真仪 图2 - 1 3 并大网仿真子程序框图 三者之间的异同如下： ( 1 ) 起动和空载子程序中按照实际情况所带负荷应该为零，因此在程序中必 须把负荷力矩m 。赋值为零，对机组部分仿真主要进行水压力波动和转速波动的 迭代计算。 ( 2 ) 单机带孤立负荷子程序中可以改变机组的负荷力矩可以通改变过 面板参数或者外接信号来实现。对机组部分仿真同样需要进行水压力波动和转速 第二章水轮机调节仿真系统模型与仿真功能设计 波动的迭代计算。 ( 3 ) 并列运行子程序中对机组仿真时，因为系统的频率基本上保持5 0 h z 不 变，因此无需进行转速波动的迭代计算，只需进行水压力波动的迭代计算。并列 运行子程序中的负荷力矩m 。由水轮机动力矩减去空载阻力矩得出。 ( 4 )相同之处在于三个仿真子程序对于液压部分和机组部分的仿真是分开 进行的，在进行机组仿真之前，或者接收导叶开度信号或者对电液随动系统进行 仿真后输出导叶开度信号，该导叶开度信号供机组仿真使用，机组仿真计算后输 出频率。 3 、迭代法求解调节对象仿真模型 由于有水轮机特性等非线性因素，因此一般采用迭代方法求解该非线性方程 组。求解该非线性方程组主要有两个迭代过程：水压力迭代和转速迭代。 水压力琏迭代过程的收敛性和水轮机特性有关。中比转速的混流式水轮机的 q 】与啊几乎无关，这时水压力迭代过程的收敛性般比较好。低水头轴流式水 轮机的q 。随_ 的增大而增大，变化较大，水压力迭代过程收敛性较差，有时甚 至不收敛。迭代收敛可由系数口来调整，0 口 1 。当迭代收敛性差时，可减少 d ，但d 过小，又会增加计算工作量。开始时，口可取0 5 。通过试算。最终确 定口值。计算转速托的迭代过程一般是收敛的，且收敛速度较快，在收敛性差时， 可以适当调整系数，o ( ， l 。 4 、水轮机特性的获得、存储和应用 在求解非线性方程组时必须知道水轮机流量特性9 = 厂( 啊。，口) 和力矩特性 m i = ，( 码，a ) ，通常可以从模型综合特性曲线和逸速特性曲线中获得。综合特 性曲线给出的是q 1 。、啊、叩和a ，据此可以计算m ： m i l ：9 5 5 5 q , , r ( k g f m ) ：9 3 4 7 0 q u r ( m ) ( 2 - 4 6 ) 啊1码1 式中：一。为单位转速，r m i n ；叩为效率；q 1 为单位流量，m 3 s 这三个参数均可由综合特性求取。但综合特性只提供高效率区附近的特性， 2 l 河海大学硕士学位论文基于p c c 的水力机组调节系统实时动态仿真仪 而逸速特性只提供空载工况特性，这对过渡过程计算是不够用的，必须要有各种 开度直至零开度，在啊，值较大范围内的特性，通常称为全特性( 实际上是全特性 的一部分) 。可惜目前模型试验工作尚未跟上，只有少数转轮具有这种全特性。 在没有全特性，但又要进行计算时，只能在综合特性与逸速特性的基础上延长使 用。 水轮机特性在计算机中的处理一般是使用数组来存储水轮机特性：导叶开度 口、机组单位转速啊，、机组单位流量q l ，和机组单位力矩肘i i q 在实际计算中出 现的口值与啊，值不会刚好就是数组所存储的值，这时可以使用插值方法来求计算 出来的口与，z l ，所对应的单位流量和单位力矩。一般使用较为简单的拉格朗日插值 公式或者四点插值方法。 ( 1 ) 拉格朗日一元三点插值公式为 炉，篓，z 晏嚣 t ， 式中：y 是n 的函数，即有y = 厂( 玎) 已知的吩、咒共n 对。现一。 n n ， 据式可以求出相应的y 值。 ( 2 ) 四点插值 y = 艺c a y o ( 2 4 8 ) 式中： q = 去( 1 + ) ( 1 + 玎乃) ( 2 - 4 9 ) ：一x - x ；玎：丝 ( 2 5 0 ) 舌2 i 玎2 i 懈一 缸= 孚：血= 孕( 2 - s ， i = 半；手= 学( 2 - 5 2 ) 式中y = f ( x ，z ) ，己给定薯、z ，、，己知h 一1 x ，z p l z z p ，利用 e 式可以求出y 值。 第二章 水轮机调节仿真系统模型与仿真功能设计 5 、计算步长址 众所周知，实际电厂的生产过程是一个连续的过程，而在进行仿真时必须把 连续系统离散化。那么如何使得一个离散化的系统看起来象一个连续的仿真系统 呢? 只有计算步长取得足够小。因此计算步长的确定原则是：仿真仪的计算步长 时间应小于调速器的采样时间，同时计算步长还必须满足水击计算的特征线方程 a ， 竺兰= 如。但有时遇到计算步长不符合特征线方程的情况，此时应在仿真程序中 址 适当的调整波速以使计算步长符合特征线方程。 第三章仿真硬件系统世计 第三章仿真硬件系统设计 3 1 仿真硬件系统设计 从第二章的出讨论可以看出，水力机组调速系统实时动态仿真仪选择硬件应 该主要从仿真的实时性出发选择个仿真的主体硬件；同时考虑仿真仪需要的几 个输入输出参数：输入参数引导阀输入信号s 、导叶开度信号y 、机组频率信号 f 、压力信号h 和输出参数导叶开度信号y ，机组频率信号f ，因此应该为仿真仪 配备相应的输入输出模块；另外在仿真的同时希望能够看到导叶开度信号和转速 ( 频率) 信号的实时变化曲线，因此仿真仪的硬件还必须具有面板显示的功能。 3 1 1 仿真硬件比较 在仿真硬件上可以有几种选择：一种是台式机，外接一块硬件采集卡插在台 式机的主板插槽上；一种是笔记本电脑，外接盒式采集卡；一种是p l c ；一种是 带有面板功能的可编程计算机控制器p p 4 1 。其中第一种选择方式优点是浮点数 的计算能力比较强，但是需要自己自制硬件板，搬运使用不方便使用8 2 5 3 测频， 测频精度最低为4 1 t z ；第二种方式使用笔记本电脑的优点是现场调试方便，浮点 数计算能力比较强，缺点是利用w i n d o w s 的多媒体定时器作为定时时钟，长时间 使用会影响系统性能：另外这两种方式共有的一个缺陷是信号采集卡均是自制 的，维修和更换使用都不方便，不能够大规模的开发应用。第三种p l c 方式优点 是大规模生产，可以大规模的开发使用，p l c 特点是首先进行仿真输入，再进行 仿真计算，在一个周期仿真结束后将该周期内的结果输出，它的缺点是输入输出 和仿真都在一个周期内，只有一个任务，没有准确的区分仿真目标的熏要性和实 时性，效果不能达到最佳：使用第四种方式p p 4 1 作为仿真硬件，一个比较优势 就是p p 4 1 和输入输出模块都是大规模模块化生产的，维修和更换都很方便，而 且使用p p 4 1 具有下列特性： l 、频率输出：可以使用特殊的时间处理单元一- - t p u 功能，p p 4 1 内部晶振 频率达到6 2 9 1 6 6 7 h z ，分辨率为5 0 6 2 9 1 6 6 7 = 7 9 4 7 1 0 “h z ，远远超过国标规 定的大型电调转速死区5 0 x 0 0 4 = o 0 2 h z 的允许值。最低输出频率可以达到 0 5 h z 。 2 4 河海大学硕士学位论文 基于p c c 的水力机组调节系统实时动态仿真仪 2 、频率测量：分辨率为5 0 6 2 9 1 6 6 7 = 7 9 4 7 1 0 “h z ，超过国标的规定。最 低测量频率可达0 5 h z ，输入信号为正弦波或者方波。 3 、模拟量输入：分辨率为1 6 5 5 3 5 = 1 5 2 6x1 0 一，对应数字量为一3 2 7 6 7 3 2 7 6 7 ，信号幅值为一l o v l o v 。 4 、模拟量输出：分辨率1 5 2 6 x1 0 ，对应数字量为- 3 2 7 6 7 3 2 7 6 7 ，信号 幅值为一1 0 v l o v 。 5 、具备多任务的操作系统，可以区分不同任务的优先级，整个仿真循环时 间可以从0 5 m s 到几千m s ，较好的优化整个系统的实时性和性能。 从上面可以看出：p p 4 1 能够达到的精度均超过国标的规定，作为仿真硬件而 言基本上可以满足国标所有的要求，具有很大的优势。缺点是使用p p 4 1 作为仿 真硬件的成本比较高。 通过上面的比较分析，同时考虑方便性、适用性和推广性，最终选择p p 4 1 作为仿真硬件。 3 1 2 仿真硬件介绍 1 、p p 4 1 简介 p p 4 1 具有5 7 英寸q v g a 的黑白液晶显示屏，面板上有8 个软件功能键和3 2 个函数功能键，系统兼容b & r 2 0 0 0 系列的小型机2 0 0 3 系列，内存有7 0 0 k bs r a m 1 4 m bf l a s h p r o m ，具有1 个p c m c i a 插槽，1 个r s 2 3 2 接口，1 个c a n 接口，并 且是电气隔离的，p p 4 1 同时具有网络通信功能，6 个可以插入旋入式模块的插槽， 配备有1 0 个数字量输入通道和8 个数字量输出通道。p p 4 1 的全景图如图3 1 。 2 、显示