基于虛實結(jié)合的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真平臺

王安林，丘濤基，陳齊燈，陳 上，陳金保，肖志懷

（1.福建華電金湖電力有限公司，福建將樂 353300；2.武漢大學水力機械過渡過程教育部重點實驗室，武漢 430072）

0 引 言

根據(jù)國家能源發(fā)展規(guī)劃，我國未來電網(wǎng)中將是多種新能源、水電、火電多電源點并列運行、多能互補協(xié)同運行的格局，隨著大規(guī)模風能、太陽能等新能源電能的接入，其隨機性和間歇性對電網(wǎng)調(diào)度及安全穩(wěn)定運行帶來了新的挑戰(zhàn)［1，2］。水電對保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行將發(fā)揮更加重要作用。這對水電機組調(diào)節(jié)性能提出了更高要求，而鑒于實際系統(tǒng)對安全性、可靠性和經(jīng)濟性的要求，水電機組調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能通常不允許在現(xiàn)場水輪發(fā)電機組上進行長時間、大規(guī)模試驗，因此，也難以獲得具有滿意的系統(tǒng)動態(tài)性能最佳控制參數(shù)；此外，隨著水電站自動化程度的提高，無人值班，少人值守模式的逐步實施和完善，對水電廠員工培訓和各項試驗提出了更高要求，因此迫切需求建立水電廠水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)實時仿真平臺。

水電站仿真的研究在國外始于20 世紀70年代，經(jīng)過十多年的探索研究，在80年代中期出現(xiàn)了一批用于培訓和實驗研究的仿真機，如日本的三菱、美國的S3 等公司都相繼開發(fā)了數(shù)套水電站實時仿真系統(tǒng)［3］。在國內(nèi)，中國水利水電科學研究院以“模擬調(diào)節(jié)對象+真實調(diào)速器”為設計模式成功研發(fā)了“水輪機調(diào)速器動態(tài)特性測試仿真系統(tǒng)”和“微機型水輪機調(diào)速器動態(tài)特性測試系統(tǒng)”［4］。徐桂英、王永冀等人研究出了以IBM-PC/XT模擬水輪發(fā)電機組特性，調(diào)速器以280 為核心構(gòu)成的水輪發(fā)電機組的動態(tài)實時仿真實驗系統(tǒng)［5］。

早期仿真測試儀多采用計算機實現(xiàn)現(xiàn)場采樣和處理，產(chǎn)品攜帶不易，價格較為昂貴，推廣困難，且仿真模型多采用較為簡化的線性模型［6，7］。而針對不同電廠的管道引水系統(tǒng)和水輪發(fā)電機組，建立較為精細化的非線性模型，對提高整個調(diào)速系統(tǒng)仿真精度與效果至關重要。

鑒于此，本文建立了水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)非線性模型，把真實調(diào)速器、以機組非線性模型為基礎的隨動系統(tǒng)和機組仿真儀對接構(gòu)成實時閉環(huán)系統(tǒng)，搭建基于虛實結(jié)合的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真平臺，利用該平臺，可在沒有真實機組或不具備開機條件時，模擬機組動態(tài)特性，對水輪機調(diào)速器進行各種試驗，實現(xiàn)故障反演和培訓員工，具有較大的實際應用和推廣價值。

1 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真平臺架構(gòu)

1.1 平臺整體架構(gòu)

水輪機調(diào)速系統(tǒng)試驗與診斷分析平臺由調(diào)速器控制柜（電氣柜）、隨動系統(tǒng)測試仿真儀、水電機組仿真儀構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1所示。利用該平臺，用戶在調(diào)速器控制柜上發(fā)各種機組開、關以及調(diào)整負荷命令，相應PLC 模塊發(fā)出對應的開關和比例閥控制信號，該信號輸入到隨動系統(tǒng)測試仿真儀，仿真儀依據(jù)仿真模型和算法，計算調(diào)速系統(tǒng)隨動系統(tǒng)各隨動環(huán)節(jié)（包括比例閥、導葉開度）輸出，此輸出信號經(jīng)D/A變換一方面反饋給調(diào)速器控制柜，另一方面輸入給水輪發(fā)電機組仿真儀（GTS4-TG），GTS4-TG 仿真儀依據(jù)仿真模型和算法，仿真計算水輪發(fā)電機組頻率和功率輸出，該輸出信號經(jīng)D/A 變換反饋輸入到調(diào)速器控制柜，這樣就構(gòu)成了水輪機調(diào)速系統(tǒng)試驗與診斷分析平臺。仿真儀由下位機（前置機）和上位機（分析機）構(gòu)成，其中前置機主要用于實時數(shù)據(jù)采集、簡單的信號分析處理以及實時仿真算法的實現(xiàn)，并將采集到的信息和必要的分析處理或?qū)崟r仿真結(jié)果通過網(wǎng)口以TCP/IP 協(xié)議發(fā)送給分析機（臺式機或筆記本電腦）。分析機安裝有完整的測試仿真軟件，是實現(xiàn)系統(tǒng)各種功能的核心。它通過通信接口從前置機獲得調(diào)速器的各種數(shù)據(jù)和實時仿真算法的結(jié)果，進行相應的數(shù)據(jù)顯示、分析［8］，并自動完成水輪機調(diào)速系統(tǒng)各項測試和仿真結(jié)果處理。

1.2 平臺的主要功能

利用該平臺，可在沒有真實機組或不具備開機條件時，模擬機組的動態(tài)特性，并與真實調(diào)速器構(gòu)成完整的閉環(huán)系統(tǒng)，從而校核調(diào)速器在各個工況下的控制功能、檢查調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性以及輔助尋找最佳PID參數(shù)，另外利用該平臺，可對水輪機調(diào)速器進行各種試驗，如調(diào)速器靜特性、動特性試驗、機組一次調(diào)頻試驗等，用戶可在上位機軟件界面上實時修改機組各類參數(shù)，即可進行各種條件的機組靜、動態(tài)特性實時仿真，評價電站調(diào)節(jié)系統(tǒng)現(xiàn)有調(diào)節(jié)控制參數(shù)在全部工況范圍內(nèi)的動態(tài)品質(zhì)，分析電站調(diào)速器控制參數(shù)穩(wěn)定域，在全部工況范圍內(nèi)的實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化；用戶可通過此平臺注入故障源，或修改系統(tǒng)參數(shù)，模擬調(diào)速系統(tǒng)故障，觀察系統(tǒng)狀態(tài)輸出的變化，分析故障原因，實現(xiàn)故障反演；另外，作為電廠人員培訓的有效平臺，通過平臺操作實踐，可使員工了解機組構(gòu)成和運行規(guī)律，熟練掌握機組啟停和運行操作的基本技能。

2 水輪發(fā)電機組的實時仿真模型實現(xiàn)

水輪發(fā)電機組是非線性較強的受控對象，為提高實時仿真系統(tǒng)的性能，水電機組儀器提供兩個層次的仿真算法基于線性和非線性模型的仿真算法。前者是基于通用線性模型的仿真方法，即分段線性化模型，僅在固定的工況點附近具有可接受的性能，而后者則是基于非線性的仿真方法，它主要借助BP 型神經(jīng)網(wǎng)絡對水輪機的非線性特性（即水輪機的流量特性和力矩特性）進行模擬。

2.1 分段線性化模型

水輪機的動態(tài)特性通常使用水輪機穩(wěn)態(tài)工況下的力矩與流量特性來進行表示，水輪機力矩和流量與導葉開度、槳葉角度（轉(zhuǎn)漿式水輪機）、水頭和轉(zhuǎn)速有關。水輪機非線性穩(wěn)態(tài)表達式為式（1）和式（2）：

將這兩個式子展開為泰勒級數(shù)并略去二次及以上的高次項。為方便描述將其中偏導數(shù)替換成傳遞系數(shù)通過式（3）來描述穩(wěn)態(tài)力矩與流量：

該方程描述穩(wěn)態(tài)工況附近微小偏差時力矩和流量的變化。即該方程的應用條件是在已知該工況的傳遞系數(shù)以及波動幅度產(chǎn)生的偏差在工程允許范圍之內(nèi)。當工況波動過大時該方程計算結(jié)果會與實際情況產(chǎn)生較大的誤差，故當仿真計算波動較大時應當采用其他建模方法。在分段線性化建模中最重要的就是工況的劃分以及傳遞系數(shù)的計算。通常該模型工況劃分以單位轉(zhuǎn)速和導葉開度等比例選取，根據(jù)實際需求采取不同精度進行劃分，工況劃分越細，模型精度越高。

對于傳遞系數(shù)的計算通常采用的是采用兩點法或者曲線擬合法，適合計算有限工況點的傳遞系數(shù)，且計算繁瑣，難以清晰而全面地認識傳遞系數(shù)隨工況變化規(guī)律，故而出現(xiàn)通過模型綜合特性曲線結(jié)合BP 神經(jīng)網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)處理后直接進行求偏導數(shù)的處理方法，此方法計算既保證了計算精度又減少了計算量［9］。

2.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡非線性模型

隨著人工智能的發(fā)展，基于神經(jīng)網(wǎng)絡技術非線性建模技術得到了廣泛應用。對于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡，只要有足夠多的隱含層和隱含層節(jié)點，就可以逼近任意的非線性映射關系，而且BP 算法屬于全局逼近算法，故許多學者將神經(jīng)網(wǎng)絡引入水輪機建模之中［10-15］。

在實時仿真中，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)水輪機非線性特性計算具有計算量少、計算較為簡單、精度可控且導數(shù)連續(xù)等優(yōu)點。目前可供選擇的神經(jīng)網(wǎng)絡類型有很多種，前饋神經(jīng)網(wǎng)絡、循環(huán)網(wǎng)絡和對稱連接網(wǎng)絡，在水輪機建模中通常使用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡，其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該網(wǎng)絡作為一個三輸入單輸出含一個隱層的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡，用于對軸流轉(zhuǎn)漿式機組的流量或力矩進行模擬，其隱層神經(jīng)元個數(shù)可調(diào)整，輸出層為線性神經(jīng)元，隱層神經(jīng)元的傳遞函數(shù)為log-signoid函數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡的算法表達式如式（4）：

通過神經(jīng)網(wǎng)絡學習可得到網(wǎng)絡相應的權值與閾值，從而建立了對應的基于神經(jīng)網(wǎng)絡的水輪機模型，實際應用中，只需要輸入單位轉(zhuǎn)速、導葉開度和槳葉角度，利用已建立的水輪機神經(jīng)網(wǎng)絡模型，就可計算得出水輪機的輸出流量和力矩。

3 隨動系統(tǒng)仿真

隨動系統(tǒng)的實時仿真主要實現(xiàn)對調(diào)速器的機械液壓部分的實時仿真。圖4中給出了所隨動系統(tǒng)實時仿真結(jié)構(gòu)示意圖（導葉或輪葉隨動系統(tǒng)均適用）。圖中yc為系統(tǒng)的輸入，通常為調(diào)速器的控制柜的輸出，而y則為系統(tǒng)的輸出，一般為接力器的位移。隨動系統(tǒng)實時仿真由中間放大級和主液壓放大級（輸出級）兩級液壓放大組成，且每一級還可通過D/A 變換器輸出合適的模擬信號，用于調(diào)速器隨動系統(tǒng)控制部分的校核。中間放大級通常由電液伺服閥、中間接力器、輔助接力器或比例閥、步進電機等組成，主液壓放大級由主配壓閥和主接力器等組成。如圖4仿真模型中，每一級均包括：1 個死區(qū)環(huán)節(jié)，用于模擬實際環(huán)節(jié)由于機械傳遞、液壓閥的搭疊等引起死區(qū)特性；2個限幅環(huán)節(jié)，一個位于積分器的輸入端，用于限制積分器輸出的最大運動速度，另一個位于積分器的輸出端，用于限制積分器輸出的最大位置；1個位于輸出端的純延遲環(huán)節(jié)，用于描述整個液壓放大級在信號傳遞過程中的時間上的滯后，如接力器的不動時間就是一個典型的實例。顯而易見，對隨動系統(tǒng)的仿真是帶有各種非線性環(huán)節(jié)的混合仿真。

圖3中包含有3個結(jié)構(gòu)系數(shù)：Ks1，Ks2和Ks3。這些系數(shù)位于中間級或輸出級輸出的反饋通道上，可以方便地用于改變隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當這些系數(shù)取值為0時表示反饋斷開，相關的積分環(huán)節(jié)變?yōu)殚_環(huán)。當這些系數(shù)取值為一個非零的確定數(shù)值時，相關的積分環(huán)節(jié)變又變?yōu)殚]環(huán)。例如，Ks1=非零值，Ks2=零值（一般，這兩個值之一應取為零），表示系統(tǒng)的中間級輸出反饋到綜合放大器的前端，而Ks2反饋通路是斷開的，這種結(jié)構(gòu)通常用于表達中間級輸出（如主配壓閥位置）通過傳感器反饋的情形。類似地，如果Ks1=零值，Ks2=非零值，則表示系統(tǒng)的中間級輸出通過機械反饋到自身的輸入端，而Ks1反饋通路是斷開的，如由比例閥或步進電機組成中間級的結(jié)構(gòu)。

通過選擇不同的結(jié)構(gòu)系數(shù)值，不同的死區(qū)值、限幅值及延遲值可使同一仿真算法方便、靈活地用于各種隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、各種參數(shù)配置的實時仿真。

4 試驗驗證

4.1 靜特性驗證

為驗證平臺的實用性，本平臺結(jié)合電廠實際需求，建立湖南某電廠燈泡貫流式機組的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)速器，進行仿真試驗驗證，測得試驗數(shù)據(jù)與機組實際運行數(shù)據(jù)，實驗過程與結(jié)果對比如下：

試驗中調(diào)速器和仿真測試儀（處于貫流式機組非線性實時仿真狀態(tài)，并且仿真已經(jīng)啟動）處于正常閉環(huán)工作狀態(tài)，工作模式為并網(wǎng)運行，在相同水頭下運行，且采用同一組PID參數(shù)。數(shù)據(jù)采集時，需手動調(diào)整開度，待其穩(wěn)定后進行測量。電廠實際開度與出力關系如表1所示；電廠仿真模型開度與出力關系如表2所示。

表2 電廠水頭8.4 m下仿真與導葉開度關系表%

將實際數(shù)據(jù)擬合與仿真數(shù)據(jù)對比，得到圖4。從圖4可以看出，機組輸出功率較大時，模型的導葉開度與實際機組所對應的導葉開度存在一定的偏差，這主要是由于機組的模型（綜合特性曲線）與真實機組間特性的差異所引起的。此外，模型綜合特性曲線所覆蓋的范圍較小以及讀圖的誤差也是造成這種差異的重要原因。然而，對于校驗調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性而言，這樣的模型精度是可以接受的。如果需要更高精度的實時仿真模型，還可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡校正方法，使用機組實際運行參數(shù)對力矩神經(jīng)網(wǎng)絡進行更進一步地修正。修正后仿真數(shù)據(jù)與機組實際數(shù)據(jù)如圖4所示。可以看出修正后力矩輸出與實際輸出誤差明顯縮小滿足仿真需求。

4.2 動特性驗證

除了靜特性試驗，本平臺還基于需求將仿真機組與實際機組甩負荷曲線進行對比。仿真機組曲線是由現(xiàn)場調(diào)速器接仿真儀進行仿真甩負荷得到的試驗數(shù)據(jù)，實際機組甩負荷數(shù)據(jù)則由機組真實甩負荷試驗錄波得到。實驗數(shù)據(jù)如圖5所示。

比較真機和仿真機輸出波形圖易知，在甩負荷后，兩者機組頻率的上升曲線和蝸殼壓力變化曲線有些差異，但趨勢基本一致。

甩負荷過程中機組仿真轉(zhuǎn)速誤差更小。甩25%負荷時，模型的轉(zhuǎn)速輸出與真實機組的轉(zhuǎn)速輸出兩者過渡過程幾乎重合。甩50%負荷時，兩者轉(zhuǎn)速最大差異發(fā)生在轉(zhuǎn)速上升最高點（約為1%），但其后的過渡過程幾乎重合。甩負荷過程中，模型輸出與真實機組輸出所經(jīng)歷的過渡過程在有些情況下，存在一定的差異，其主要原因在于，機組的工況（導葉開度、流量和轉(zhuǎn)速）在這個過程中經(jīng)歷了大范圍的變化，穿越的工況區(qū)可能是我們無法獲得準確力矩或流量樣本的區(qū)域，如高轉(zhuǎn)速、小開度區(qū)域等。顯然，在這樣的區(qū)域，依據(jù)不準確的樣本訓練出的神經(jīng)網(wǎng)絡無法輸出準確機組特性。

5 結(jié) 論

本文介紹了水輪發(fā)電機組和隨動系統(tǒng)的實時仿真原理及實現(xiàn)方法，基于虛實結(jié)合思想，把真實調(diào)速器和以機組非線性模型為基礎的隨動系統(tǒng)和機組仿真儀對接，搭建了基于虛實結(jié)合的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真平臺。將仿真數(shù)據(jù)與實際機組運行數(shù)據(jù)進行對比，驗證了仿真平臺精確性與實用性。該技術的開發(fā)與推廣，將能夠大幅度提高水電站調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)，為保證供電質(zhì)量和電站的安全穩(wěn)定運行提供保障?！?/p>