《抽水蓄能电站水力过渡过程现场试验反演计算及预测分析导则》

ICS27.140

P59

T/CEC

中国电力企业联合会标准

ＰT/CECXXXXX—XXXX

抽水蓄能电站水力过渡过程现场试验反

演计算及预测分析导则

GuideforHydraulicTransientProcessInversionandPredictionAnalysis

withFieldTestofPumpedStoragePowerStation

（征求意见稿）

XXXX-XX-XXXXXX-XX-XX实施

中电联抽水蓄能标准化技术委员会发布

1

抽水蓄能电站水力过渡过程现场试验反演计算及预测分析导则

1范围

为规范抽水蓄能电站水力过渡过程现场试验反演计算及预测分析工作，制定本导则。

本标准规定了抽水蓄能电站水力过渡过程现场试验反演计算及预测分析的要求以及输水

建筑物参数、机组参数率定等应遵循的一般原则。

本标准适用于新建、改建和扩建的抽水蓄能电站，其他工程的类似试验可参照执行。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期

的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括

所有的修改单）适用于本文件。

NB/T10342水电站调节保证设计导则

NB/T35021水电站调压室设计规范

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

水力过渡过程hydraulictransientprocess

输水发电系统从某一稳定运行状态转换到另一稳定运行状态随时间变化的暂态过程。

3.2

甩负荷试验loadrejectiontest

发电电动机突然与电力系统解列物理过程的试验。

3.3

水力干扰hydraulicdisturbance

同一水力单元中部分机组增减负荷或突甩全部负荷时引起对正常运行机组的干扰的输水

发电系统水力过渡过程。

3.4

水力参数hydraulicparameters

输水发电系统水力学特征参数，主要是流量和压力，其中压力包括最大压力、最小压力、

压力脉动、时均压力、压力脉动频率等参数。

3.5

阻抗系数resistancefactor

调压室阻抗孔口处的水头损失系数，反映阻抗孔消耗能量的强弱程度。

1

3.6

修正值correctionvalue

实测极值与计算极值的偏差，包含计算误差和脉动压力。

3.7

机组瞬态超出力unitexcessoutput

机组的短时实际出力超过机组额定出力的值。

3.8

脉动压力pulsatingpressure

将水力过渡过程中实测压力减去时均压力后获得的压力值，其值反映了相应测点位置处

流动不稳定现象造成的扰动情况。

4基本规定

4.0.1甩负荷试验前应进行试验工况的预测计算，对机组蜗壳压力、机组转速上升率、尾水

管进口压力、闸门井及调压室涌波水位、隧洞（管道）沿线压力等控制参数进行计算分析，

初步评估甩负荷试验的安全性。

4.0.2水力干扰试验应进行试验工况的预测计算，对机组蜗壳压力、机组转速上升率、尾水

管进口压力、闸门井及调压室涌波水位、隧洞（管道）沿线压力及机组瞬态超出力等控制参

数进行计算分析。

4.0.3甩负荷试验前应对机组导叶关闭规律进行设定，并应与拟定的关闭规律保持一致。

4.0.4应根据稳态运行时的试验数据对水头损失系数进行率定。

4.0.5应根据甩负荷试验后的调压室水位波动情况，对调压室孔口的阻抗系数进行率定。

4.0.6所有甩负荷试验实施完成后应进行试验工况的反演计算，根据实测和反演计算结果获

得修正值，并对极端工况进行预测分析。

5理论与方法

5.0.1抽水蓄能电站水力过渡过程反演及预测应采用一维数值仿真。

5.0.2抽水蓄能电站水力过渡过程数值模型应包括有压管道、水泵水轮机、进/出水口、调压

室、闸门井、岔管等输水发电系统所有重要组成部分。

5.0.3抽水蓄能电站水力过渡过程数值模型的几何参数须与实际系统一致。

5.0.4有压管道模型宜采用弹性一维管道有压非恒定流方程，并采用特征线法进行离散求解。

5.0.5抽水蓄能电站水力过渡过程反演及预测应采用实际的水泵水轮机模型转轮全特性曲线，

机组转动方程中的转动惯量应包含发电机和水泵水轮机两部分。

5.0.6输水发电系统管道水头损失宜采用《调压室设计规范》中的计算公式，管道及重要过

水建筑物的水头损失系数宜采用实测数据率定修正。

2

5.0.7调压室、闸门井及岔管的阻抗系数宜采用模型试验或者数值仿真数据。

5.0.8水力过渡过程反演前须保证恒定流计算结果稳定且与实测参数基本一致。

5.0.9抽水蓄能电站水力过渡过程仿真模型应能够实现不同运行模式下水力干扰工况的模拟。

6试验前预测计算

6.0.1预测计算时应明确现场试验的输水发电系统水力单元号、机组号、工况类型、上/下库

水位、机组功率、调速器参数、导叶关闭规律等输入条件。

6.0.2预测计算时应对实际进行现场试验的水力单元建立相应的数学仿真模型。

6.0.3预测计算时采用的导叶关闭规律应与拟定的试验关闭规律一致。

6.0.4试验前预测计算应根据实际的现场试验安排进行。

6.0.5预测计算时应先计算机组的稳态初值，主要有：初始导叶开度（或接力器行程），机

组流量，水泵水轮机净水头/净扬程，水泵水轮机输出功率/输入功率等。

6.0.6预测计算时应重点关注机组转速上升率、机组蜗壳压力、尾水管进口压力、水泵水轮

机功率等机组的各特征参数极值；以及上游/下游调压室最高/最低涌波水位、上/下库闸门井最

高/最低涌波水位、输水系统沿线压力等输水系统的各特征参数极值。

6.0.7预测计算时应考虑机组压力脉动及计算误差等的影响，对机组蜗壳压力、尾水管进口

压力的数值计算极值进行修正。修正值应符合《水电站调节保证设计导则》NB/T10342的相

关规定。

6.0.8应对机组蜗壳压力、尾水管进口压力及机组转速上升率等的预测计算结果进行初步分

析。若预测计算结果不满足相应控制值的要求，则应对拟定的关闭规律进行评判和复核，并

优化调整关闭规律。

6.0.9水力干扰试验的预测计算，应重点关注机组功率的峰值及其持续时间。应根据该预测

计算结果对相关电气设备的承载能力及过流能力等情况进行复核和评判，以确保其满足机组

瞬时超出力的要求。

7试验工况反演分析

7.0.1对于有阻抗孔的调压室，其阻抗系数可根据甩负荷试验实测的涌浪波动幅值与数值模

拟试算结果的对比，进行原型率定。

7.0.2根据试验实测数据及数值计算数据，绘制出导叶开度、机组转速、机组蜗壳压力、尾

水管进口压力等关键参数进程对比曲线，并对各极值参数及上述进程对比曲线进行复核。

7.0.3根据试验实测数据与数值计算极值的对比得到计算修正值，机组蜗壳压力和尾水管进

口压力的修正方法可采用“（数值计算值—试验实测值）/甩前净水头”，受扰机组出力的修

正方法可采用“（数值计算值—试验实测值）/甩前机组出力”，转速的修正方法可采用“（数

值计算值—试验实测值）/额定转速”。

3

8控制工况预测

8.0.1上序机组试验实施完成后得到的计算修正值，在下序机组输水发电系统没有较大差异

的情况下，可用于下序机组试验前的预测计算的修正。

8.0.2在甩负荷试验完成后，须对输水发电系统的水力过渡过程控制工况进行预测计算，并

采用最不利修正原则进行修正，其控制参数的极值应满足结构安全要求。

4

附录A：

（规范性附录）

水力过渡过程计算数学模型

抽水蓄能电站输水发电系统水力过渡过程数学模型包括有压管道、可逆式机组、进出水

口、调压室、闸门井、岔管等组成部分。

A.1有压管道模型及求解方法

描述任意有压管道中的水流运动状态的基本方程为：

HVV1VfVV

L0（A.1-1）

1xgxgt2gD

HHa2V

LVVsin0（A.1-2）

2txgx

式中：H——测压管水头（m）；

Q——流量（m3/s）；

D——管道直径（m）；

A——管道面积（m2）；

t——时间变量（s）；

a——水击波速（m/s）；

g——重力加速度（m/s2）；

x——沿管轴线的距离（m）；

f——摩阻系数；

——管轴线与水平面的夹角（rad）。

通过特征线法，式（A.0.1-1）和（A.0.1-2）可以转化为常微分方程：

C:HPiCPBPQPi（A.1-3）

C:HPiCMBMQPi（A.1-4）

CPHi1BQi1（A.1-5）

BPBRQi1（A.1-6）

CMHi1BQi1（A.1-7）

BMBRQi1（A.1-8）

a

B（A.1-9）

gA

（A.1-10）

�Δ�

2

2𝑔�

式中：CP、BP、CM、BM——计算时刻上一�时=刻的已知量；

5

Hpi——计算点的测压管水头（m）；

3

Qpi——计算点的测压管流量（m/s）；

B、R——反映管道特性的常数。

利用式（A.1-3）~（A.1-10）可计算弹性模型管道流量水头变化过程。

A.2可逆式机组模型及求解方法

全特性曲线处理：

水泵水轮机具有水轮机和水泵两种运行工况，为了将这两种工况统一求解，并避免插值

计算中所可能产生的多值问题，需对水泵水轮机全特曲线进行转换处理：

（）

2A.2-1

ℎ⋅�

22

�+�

𝑊(�,�)=（A.2-2）

��1

'

𝑊(�,�)=(ℎ+�1�)�

（A.2-3）

�+�2ℎ

��=��𝑟𝑎�,�≥0（A.2-4）

�+�2ℎ

式中：、、、——分别为水头�、�力=矩�、+转�速�𝑟和𝑎流量的�无量,�纲<值0；——导叶开度；——

'

额定工ℎ况单�位�力矩�，；、——系数，取�。�1�

机组转动方程可以𝑘表⋅示�为�：1�2�1=1.0~1.8,�2=0.5~1.2

dn

Tmm（A.2-5）

adtg

式中：mg——电机电磁转矩相对值；

n——相对转速（r/min）；

Ta——机组惯性时间常数（s）；

m——水轮机的轴力距相对值。

在水轮机甩负荷情况下，电磁转矩mg=0。对式（A.2-5）积分，并取二阶近似得：

t

nn0(1.5m00.5m00)（A.2-6）

Ta

式中：下标“0”和“00”分别代表时刻t0和t0-∆t。

转轮边界水头平衡方程可以表示为：

CC(BB)QqCqq

hPMPMr2（A.2-7）

Hr

222

式中：C2Qr(1/A11/A2)/(2g)。

A.3水库边界模型及求解方法

管道进口流量QP1和出口流量QPN+1分别为：

6

HuresCM

QP1（A.3-1）

BM

CpHdres

QPN1（A.3-2）

Bp

式中：Hures——上游水库水位（m）；

Hdres——下游水库水位（m）。

A.4调压室模型及求解方法

图A.4-1阻抗孔调压室

对于阻抗式调压室（图A.0.4-1），在调压室底部按照岔管进行处理，在连接管与圆筒连

接处采用以下方程：

（）

dHst/dtQst/AstA.4-1

HPHstRkQstQst（A.4-2）

HPCP1RP1QP1（A.4-3）

HPCM2RM2QP2（A.4-4）

式中：Hst——调压室水位（m）；

2

Ast——调压室截面积（m）；

3

Qst——进、出调压室阻抗孔的流量（m/s）；

25

Rk——阻抗水头损失系数（s/m）；

HP——管道边界瞬态水头（m）；

3

QP1、QP2——管道边界瞬态流量（m/s）；

考虑到水击计算时t很小，故可将式（A.4-1）、（A.4-2）简化为：

HstHsto0.5t(QstQst0)/Ast（A.4-5）

HPHstRstQstQst0（A.4-6）

式中：Hst0、Qst0——前一计算时步求出的Hst、Qst值。

7

由上述两式及式（A.4-3）、（A.4-4）可整理得：

HP(C1/C2CP1/RP1CM2/RM2)/(1/C21/RP11/RM2)（A.4-7）

式中：C1Hst00.5tQst0/Ast；

C2RkQst00.5t/Ast。

闸门井边界与阻抗式调压室相同，阻抗水头损失Rk取值不同。

A.5串联管道模型及求解方法

图A.5-1串联连接

对于串联管道模型（图A.5-1），由连续性表达式及水力坡度线等高条件可知：

QQHH

P1,NSP2,1P1,NSP2,1（A.5-1）

将上式（A.0.5-1）和式（A.0.1-3）及（A.0.1-4）联解得出：

CC

QP1M2（）

P2,1A.5-2

B1B2

A.6分岔管道模型及求解方法

图A.6-1分岔连接

对分岔管道（图A.6-1）使用连续方程，当局部损失略去不计时，可假定有公共的水头，

同时管1、管2、管3、管4均采用相容性方程，可以得到：

HHHH（）

PP1,NSP2,1P3,1A.6-1

8

HC

QPP1（）

P1,NSA.6-2

B1B1

HC

QPM2（）

P2,1A.6-3

B2B2

HC

QPM3（）

P3,1A.6-4

B3B3

将式（A.6-2）~（A.6-4）相加，可以得到水头HP：

CP1/B1CM2/B2CM3/B3

HP（A.6-5）

(1/B)

9

附录B：

（规范性附录）

实测与反演数据对比及修正值确定方法

B.1现场试验与反演结果的比较

现场试验一般不是输水发电系统水力过渡过程的最恶劣运行条件下所做的试验，因此，

应根据实际现场试验实测数据，调整水力过渡过程数值仿真模型，并利用校准后的仿真模型

模拟校验最恶劣的计算工况。

以现场试验工况的上库、下库水位、现场试验机组出力为边界条件，采用水力过渡过程

仿真模型进行稳态仿真，计算结果与实测数据对比，对比内容包括（不限于）：

机组蜗壳压力；

尾水管压力；

调压室水位。

对于现场试验的每个水力过渡过程工况，应将实测数据时均压力与仿真模型计算值进行

比较，以确定每种工况下的误差。

误差百分比计算可以参考下图：

10

图B.1-1实测数据与仿真数据对比

（）实测均值极值反演结果极值（）

实测极值相对稳态变化值B.1-1

−

根据计算的误差值分析模型的可XX靠性%，判=断是否对模型需要进一步调整。

图B.1-2修正值示意图

修正值=（计算极值-实测压力极值）/甩前净水头

修正值是相对值，且包含了计算误差与压力脉动的修正。

B.2预测极值与调节保证设计值对比

预测极值=A+B

其中：

A——采用水力过渡过程仿真模型计算的控制工况的极值；

B——修正值。

11

附录C：

（规范性附录）

甩负荷试验后预测工况表

C.1大波动预测工况表

表C.1大波动预测工况表

工况上库水位下库水位工况说明及

负荷变化

编号（m）（m）导叶关闭方式

水轮机工况

正常蓄水同一水力单元n台机组以额定出力正常运行，突甩全

死水位

T1位n0部负荷，机组导叶正常关闭

额定水头额定水头额定水头，同一水力单元n台机组以额定出力正常运

T2对应水位对应水位n0行，突甩全部负荷，机组导叶正常关闭

正常蓄水同一水力单元n台机组以最大出力正常运行，突甩全

死水位

T3位n0部负荷，机组导叶正常关闭

设计洪水同一水力单元n台机组以额定出力正常运行，突甩全

死水位

T4位n0部负荷，机组导叶正常关闭

额定水头额定水头同一水力单元n台机组以额定出力正常运行，突甩负

T5对应水位对应水位n0荷，一台机组导叶拒动，其余机组导叶正常关闭

同一水力单元台机组以额定出力正常运行，其中

正常蓄水n1

死水位台机组突甩负荷，台机组在最不利时刻甩全部负

T6位nn-10n-1

荷，导叶紧急关闭

同一水力单元n-1台机组以额定出力正常运行，另一

正常蓄水台机正常启动增至额定输出功率，在流入上游调压室

T7死水位n-1n0

位流量最大时刻，n台机组同时突甩全部负荷，机组导

叶正常关闭

同一水力单元n-1台机组以额定出力正常运行，另一

正常蓄水台机正常启动增至额定输出功率，在流出下游调压室

T8死水位n-1n0

位流量最大时刻，n台机组同时突甩全部负荷，机组导

叶正常关闭

同一水力单元台机组以额定出力正常运行，突甩负

正常蓄水n

死水位荷，一台机组导叶分段关闭失效，其余机组导叶正常

T9位n0

关闭

水泵工况

正常蓄水同一水力单元n台机组在最小扬程抽水时，突然断电，

死水位

P1位n0机组导叶正常关闭

12

正常蓄水同一水力单元n-1台停机检修，一台机组最大扬程抽

死水位

P2位10水，突然断电，导叶紧急关闭

最高运行同一水力单元n台机组最小扬程，抽水断电，机组导

死水位

P3水位n0叶全拒

最小扬程，同一水力单元台机组正常抽水运行，

最高运行n-1

死水位另一台机组正常启动抽水，在流出上游调压室流量最

P4水位n-1n0

大时抽水断电，导叶全拒

最小扬程，同一水力单元