帶調(diào)壓閥的水輪機(jī)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)

孔昭年，熊曉蕾，楊遠(yuǎn)生，周同旭，王柏柏，孔 勁，郭瑤，趙躍智

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

在國家能源局“替代調(diào)壓井的新型調(diào)壓閥及其控制系統(tǒng)研究與電站示范應(yīng)用”科技項(xiàng)目的安排下，天津電氣科學(xué)研究院有限公司與中國水利水電科學(xué)研究院合作開發(fā)了：帶調(diào)壓閥的水輪機(jī)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)及水輪機(jī)調(diào)速器綜合實(shí)驗(yàn)裝置。

帶調(diào)壓閥的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真裝置對(duì)我國水輪機(jī)調(diào)速器行業(yè)意義重大，我們尚沒有收集到可供借鑒的國外有關(guān)資訊，它的完成將填補(bǔ)我國在此領(lǐng)域的空白，也將大大促進(jìn)我國水輪機(jī)調(diào)節(jié)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。

1 帶調(diào)壓閥的水輪機(jī)數(shù)學(xué)模型

在圖1上示出了帶調(diào)壓閥的水輪機(jī)實(shí)時(shí)仿真原理圖，在此原理圖上最重要的是處理好水輪機(jī)非線性引出的非線性運(yùn)算。文獻(xiàn)（1）已作了詳細(xì)的介紹，本項(xiàng)目組的一個(gè)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)是具有嚴(yán)重非線性特征的水輪機(jī)綜合特性曲線的外延與數(shù)學(xué)描述。由于實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)性很強(qiáng)、而且要確保計(jì)算連續(xù)、平穩(wěn)；我們采用特征矩陣法描述水輪機(jī)特性，收到很好的效果；此外，為便于推廣此項(xiàng)成果，我們把能收集到的水輪機(jī)特性用完全相同的數(shù)學(xué)方法編制了一個(gè)專門的數(shù)據(jù)文件，調(diào)用十分靈活、方便。

圖1中，at為水輪機(jī)接力器行程，aft為調(diào)壓閥接力器行程；在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，他們分別接至水輪機(jī)調(diào)速器導(dǎo)葉接力器和調(diào)壓閥接力器的位移傳感器；xt表征水輪發(fā)電機(jī)相對(duì)轉(zhuǎn)速偏差，實(shí)際應(yīng)用時(shí)經(jīng)過仿真裝置頻率變送器接至水輪機(jī)調(diào)速器測(cè)頻回路；從而一個(gè)由水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、引水系統(tǒng)非線性微分方程式和初始狀態(tài)參數(shù)及一個(gè)真實(shí)的水輪機(jī)調(diào)速器及調(diào)壓閥形成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，經(jīng)過各種接口施加各種擾動(dòng)信號(hào)（如負(fù)荷擾動(dòng)、開停機(jī)等）就可以進(jìn)行各種動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)。從而在制造廠內(nèi)盡早發(fā)現(xiàn)調(diào)速器的缺陷，促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

由于實(shí)時(shí)計(jì)算步長(zhǎng)通常取0.05 S，在這樣短的時(shí)段內(nèi)不僅要完成全部非線性微分方程式的求解，還要完成數(shù)據(jù)的輸出和采集、輸出實(shí)時(shí)頻率等功能。水輪機(jī)特性必須經(jīng)過特殊處理，水輪機(jī)流量、力矩特性矩陣的表達(dá)式為[1]：

公式（1）～（4）“=”右端四個(gè)矩陣及水輪機(jī)流量和力矩的特性矩陣應(yīng)在仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表求得，對(duì)于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)對(duì)應(yīng)每個(gè)定槳特性相類似地求取水輪機(jī)流量和力矩的特性矩陣；在實(shí)時(shí)仿真的主程序段，只要已知某一時(shí)刻的x11t和at就可很快計(jì)算出該時(shí)間的單位流量和單位力矩：

圖1除非線性特性的水輪機(jī)特性外，水電站引水系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性數(shù)學(xué)模型，有標(biāo)準(zhǔn)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(jī)管道特性系數(shù)；

適用條件：Tf/Tr＜3，Tw/Tr＜0.5；

（4）帶調(diào)壓井的引水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

（5）分叉管（見圖2）數(shù)學(xué)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(jī)流量；q3為調(diào)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(shí)間常數(shù)，Tw2為分叉管到水輪機(jī)組的水流慣性時(shí)間常數(shù)，Tw3為分叉管到調(diào)壓閥的水流慣性時(shí)間常數(shù)；在實(shí)際中取

2 軟件結(jié)構(gòu)與硬件平臺(tái)

有多種技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真裝置硬件平臺(tái)，如IPC、PLC等，經(jīng)比較我們選取發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁的DSP作為我們研發(fā)的綜合實(shí)驗(yàn)裝置的硬件平臺(tái)。

水輪發(fā)電機(jī)組實(shí)時(shí)仿真及水輪機(jī)調(diào)速器試驗(yàn)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(gòu)成。電腦的上位機(jī)軟件采用Visual Basic開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)。

（1）上位機(jī)客戶端軟件系統(tǒng)圖如圖3所示，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊、輸出形成word文件模塊、試驗(yàn)功能模塊及用戶自定義操作設(shè)置。

1）基于為本設(shè)備開發(fā)的高效的通信協(xié)議，可以提高串行通信效率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和處理。

2）盡管采用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)開發(fā)人員要求較低，但是考慮到數(shù)據(jù)讀取的方便性、通用性和安全性，我們不僅將需要保存的數(shù)據(jù)以圖片的形式存儲(chǔ)為word文件，還對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了加密算法后生成為僅能被本軟件識(shí)別的文件格式進(jìn)行保存。

圖3 上位機(jī)客戶端軟件系統(tǒng)圖

3）因?yàn)槭菍ｉT針對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器的仿真試驗(yàn)設(shè)備，要求能夠單獨(dú)做調(diào)速器的各種試驗(yàn)，所以軟件內(nèi)置了大部分調(diào)速器試驗(yàn)的控制程序，操作人員僅需少量操作，本系統(tǒng)即可完成大部分調(diào)速器的試驗(yàn)。

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

圖4 下位機(jī)客戶仿真試驗(yàn)儀系統(tǒng)圖

（2）下位機(jī)客戶仿真試驗(yàn)儀系統(tǒng)圖如圖4，包括通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、分析計(jì)算模塊、信號(hào)調(diào)制解調(diào)模塊及實(shí)時(shí)仿真模塊。

1）解碼上位機(jī)的指令，根據(jù)上位機(jī)的要求將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。

2）采集模擬量輸入和高頻輸入信號(hào)，經(jīng)過軟件濾波器濾波后進(jìn)入待發(fā)序列，普通的數(shù)字量輸入信號(hào)經(jīng)過軟件防抖處理后進(jìn)入待發(fā)序列。

3）因?yàn)橄挛粰C(jī)精度較高，所以一些對(duì)時(shí)間精度有要求的試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)由下位機(jī)測(cè)量計(jì)算，可精確至0.5 μs。

4）實(shí)時(shí)仿真運(yùn)算模塊采用了離散化的數(shù)學(xué)模型及優(yōu)化算法，循環(huán)迭代周期小于20 ms。

5）計(jì)算出的數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制整形后，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行輸出，輸出信號(hào)刷新時(shí)間小于20 ms。

6）考慮到通用性，通訊接口采用標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，開發(fā)了設(shè)備專屬的通信協(xié)議，由于采用了效率較高的通信協(xié)議和編碼形式，上位機(jī)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間小于20 ms，優(yōu)于國內(nèi)外大多數(shù)產(chǎn)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(cè)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(guān)的線路濾波、去耦和限壓限流等保護(hù)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(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行DSP的下位機(jī)程序開發(fā)。

3）具備12路AD輸入，可接受-10～10V之間的電壓信號(hào)或20 mA以內(nèi)的電流信號(hào)。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(xiàn)有的設(shè)計(jì)精度0.1%，線性度誤差0.23%，優(yōu)于大多數(shù)同類產(chǎn)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(chǎn)生高頻脈沖，再進(jìn)行PWM調(diào)制，并經(jīng)過硬件電路將方波轉(zhuǎn)化為4～20 mA的模擬信號(hào)。經(jīng)測(cè)試線性度誤差0.08%，優(yōu)于大多數(shù)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(jù)軟件的設(shè)定產(chǎn)生相應(yīng)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(cè)量模塊，采用DSP自帶的高速輸入捕捉功能，保證實(shí)時(shí)性和精度。另外，由于考慮到硬件的使用環(huán)境，在使用二階低通濾波器進(jìn)行硬件濾波之外，也增加了軟件濾波器。測(cè)頻精度為0.0025%，延時(shí)小于0.5 μs，性能優(yōu)于國內(nèi)外大部分同類產(chǎn)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(fù)載。

8）設(shè)備可提供 +5V、+12V、-12V、+24V 等電壓等級(jí)的電源輸出。

3 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)功能

研發(fā)的試驗(yàn)裝置具有高度自動(dòng)化、智能化；符合電力行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.1 調(diào)節(jié)對(duì)象實(shí)時(shí)仿真功能

（1）依據(jù)提供的水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及引水系統(tǒng)的技術(shù)資料，利用本裝置的軟件模塊建立調(diào)節(jié)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型（水輪機(jī)依據(jù)綜合特性曲線建模）。

（2）實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)能輸出水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口處水壓信號(hào)和水輪發(fā)電機(jī)組頻率信號(hào)。信號(hào)的形式和電平能與調(diào)速設(shè)備相匹配，與水輪機(jī)調(diào)速器構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)。

（3）實(shí)時(shí)仿真模型主要特性參數(shù)可人為整定和校驗(yàn)。

3.2 水輪機(jī)調(diào)速器試驗(yàn)和檢測(cè)功能

依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，裝置可進(jìn)行調(diào)節(jié)系統(tǒng)試驗(yàn)、檢測(cè)及其動(dòng)態(tài)過程記錄的項(xiàng)目。

（1）調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性試驗(yàn)及轉(zhuǎn)速死區(qū)指標(biāo)、靜態(tài)特性非線性度和永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)檢測(cè)。

（2）電液隨動(dòng)系統(tǒng)（含轉(zhuǎn)輪葉片接力器電液隨動(dòng)系統(tǒng)）、靜態(tài)特性試驗(yàn)及各類隨動(dòng)系統(tǒng)不準(zhǔn)確度檢測(cè)。

（3）電液隨動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)。

（4）電子調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律試驗(yàn)和調(diào)節(jié)參數(shù)Kp、KI、KD的校驗(yàn)。

（5）水輪發(fā)電機(jī)組開機(jī)過程試驗(yàn)。（6）水輪發(fā)電機(jī)組停機(jī)過程試驗(yàn)。

（7）水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)空載擾動(dòng)試驗(yàn)。

（8）水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)手動(dòng)工況和自動(dòng)工況下空載頻率擺動(dòng)值測(cè)定。

（9）水輪發(fā)電機(jī)組負(fù)荷調(diào)整（增、減）試驗(yàn)及水輪發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻相關(guān)試驗(yàn)。

（10）負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)。

（11）水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)甩負(fù)荷過程試驗(yàn)：

a）水輪機(jī)調(diào)速器接力器不動(dòng)時(shí)間檢測(cè)試驗(yàn)；b)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)甩100%負(fù)荷時(shí)動(dòng)態(tài)過程記錄及調(diào)節(jié)時(shí)間和波動(dòng)次數(shù)等動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)檢測(cè)。

（12）調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障模擬試驗(yàn)。通過如下試驗(yàn)觀測(cè)在各種故障情況下接力器的擺動(dòng)：

a)頻率信號(hào)消失；

b)接力器位移傳感器故障；

c)電液隨動(dòng)系統(tǒng)故障；

d)交直流電源切換和交直流電源同時(shí)消失；e)雙機(jī)切換試驗(yàn)；

f)電液轉(zhuǎn)換部件故障及雙電液轉(zhuǎn)換部件切換試驗(yàn)；

g)負(fù)荷反饋與設(shè)定故障試驗(yàn)；h)水頭信號(hào)故障試驗(yàn)。

（13）調(diào)節(jié)系統(tǒng)手、自動(dòng)切換試驗(yàn)。

（14）自定義的功能試驗(yàn)。

（15）作為穩(wěn)定的頻率信號(hào)源及試驗(yàn)記錄裝置參與水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電磁兼容試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理功能

（1）裝置的前置信號(hào)處理器和配套的傳感器搭載到計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，加上配備的實(shí)時(shí)仿真、測(cè)試和分析軟件應(yīng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、曲線生成和特性參數(shù)的分析功能。

（2）對(duì)采集來的數(shù)據(jù)分析處理、特性指標(biāo)計(jì)算均符合有關(guān)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)條款規(guī)定。

（3）裝置應(yīng)具有數(shù)據(jù)通信接口，具備與打印、繪圖等輸出設(shè)備連接，輸出圖形、數(shù)據(jù)的功能。

3.4 信號(hào)頻率檢測(cè)及頻率信號(hào)發(fā)生器功能

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

（2）裝置具有頻率信號(hào)發(fā)生器的功能，信號(hào)波形為正弦波或方波，信號(hào)頻率的范圍0.5～100 Hz，頻率可人為調(diào)整和設(shè)定，頻率還可按約定的輸出方式自動(dòng)改變。

4 調(diào)速器動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)

應(yīng)新疆連合電力開發(fā)公司的請(qǐng)求，利用剛剛研制開發(fā)的帶調(diào)壓閥的水輪機(jī)調(diào)速器實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，在天津電氣科學(xué)研究院有限公司內(nèi)抽取試驗(yàn)用真實(shí)調(diào)速器和調(diào)壓閥，與仿真裝置閉環(huán)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)；利用由新疆卡伊爾特電站參數(shù)組成的系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)組啟動(dòng)、空載擾動(dòng)、甩25%、50%、75%、100%負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)，在自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)下，在所有試驗(yàn)項(xiàng)目中水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定收斂，調(diào)節(jié)過程正常（見圖5～圖10）。

圖5 機(jī)組起動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)證明接受啟動(dòng)命令后機(jī)組穩(wěn)定控制在額定轉(zhuǎn)速。

圖6 空載擾動(dòng)試驗(yàn)

按常規(guī)擾動(dòng)量為48～52Hz,系統(tǒng)穩(wěn)定，近于單調(diào)地完成調(diào)節(jié)。系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖7 機(jī)組甩25%負(fù)荷試驗(yàn)

調(diào)壓閥沒有動(dòng)作，hmax=0.087；Xmax=0.067.最后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)穩(wěn)定。

圖8 機(jī)組甩50%負(fù)荷試驗(yàn)

調(diào)壓閥開至0.57后關(guān)閉，hmax=0.102;Xmax=0.158；最后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)穩(wěn)定。

圖9 機(jī)組甩75%負(fù)荷試驗(yàn)

調(diào)壓閥開啟值90.46,后關(guān)閉。hmax=0.0823;Xmax=0.29；最后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)穩(wěn)定。

圖10 機(jī)組甩100%負(fù)荷試驗(yàn)

調(diào)壓閥開至96.94%后關(guān)閉，hmax=0.062 8;Xmax=0.402.最后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)穩(wěn)定。

新疆卡伊爾特電站帶調(diào)壓閥的水輪機(jī)調(diào)速器實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性穩(wěn)定。得到方便、滿意的試驗(yàn)結(jié)論。

5 結(jié)論

（1）硬件電路采用DSP為核心控制單元，開發(fā)的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真綜合試驗(yàn)裝置具有體積小、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，其試驗(yàn)功能、試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)處理方法、裝置配置等完全符合現(xiàn)行電力行業(yè)有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求[2]；特別是它具有的帶調(diào)壓閥的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真綜合試驗(yàn)裝置填補(bǔ)了我國在此領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)空白，技術(shù)上有所突破和創(chuàng)新；

（2）該程序的技術(shù)核心之一就是研發(fā)真實(shí)水輪機(jī)動(dòng)態(tài)特性、調(diào)用方便、能包含水輪機(jī)型譜及其他所用常用水輪機(jī)特性、數(shù)學(xué)方法先進(jìn)、在計(jì)算中總體耗時(shí)小、利于推廣的數(shù)據(jù)文件。軟件對(duì)流量和力矩的計(jì)算分別采用了水輪機(jī)流量特征矩陣和力矩特征矩陣的非線性運(yùn)算方式，提高了計(jì)算速度和準(zhǔn)確度。該數(shù)據(jù)文件內(nèi)容豐富、調(diào)用方便、采用的數(shù)學(xué)方法先進(jìn)，值得推廣；

（3）經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料的校核，模型、方法、結(jié)果和精度都達(dá)到了理想效果，壓力計(jì)算和轉(zhuǎn)速計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的誤差在5%以內(nèi)，形態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)形態(tài)一致；應(yīng)強(qiáng)調(diào)在水輪機(jī)小開度下的模型試驗(yàn)資料嚴(yán)重缺失的狀況下，證明我們采取的特殊數(shù)學(xué)處理方法可行、有效；滿足工程計(jì)算的精度要求。為實(shí)時(shí)仿真裝置的開發(fā)及過渡過程計(jì)算提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

我們希望今后不斷豐富試驗(yàn)資料的積累，不斷完善有關(guān)計(jì)算方法，不斷提高水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)水平。我們也希望能有機(jī)會(huì)與有關(guān)單位合作將此項(xiàng)技術(shù)能及早應(yīng)用于我國抽水蓄能機(jī)組實(shí)時(shí)仿真領(lǐng)域。

[1]孔昭年.水輪機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].武漢：長(zhǎng)江出版社，2012.

[2]DL/T 1120-2009水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試及實(shí)時(shí)仿真裝置技術(shù)條件[S].

[3]DL/T 1548-2016水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用導(dǎo)則[S].