1 概述

對(duì)于水電廠水機(jī)電耦合問(wèn)題的研究，例如，水輪發(fā)電機(jī)組在啟機(jī)、突增、突減負(fù)荷或電力系統(tǒng)側(cè)故障等擾動(dòng)等過(guò)渡過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生水力系統(tǒng)水壓上升過(guò)高等影響電站安全運(yùn)行的問(wèn)題；同時(shí)水力動(dòng)態(tài)過(guò)程也可能對(duì)電力系統(tǒng)低頻振蕩等穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。由于水文獻(xiàn)中電廠水、機(jī)、電耦合研究的方式理論性強(qiáng)，對(duì)具體的機(jī)組或電廠參考意義不大。通常采用單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)進(jìn)行代替，并非針對(duì)本廠的具體數(shù)據(jù)和參數(shù)進(jìn)行研究，因而相關(guān)結(jié)論具有參考意義但一般無(wú)法對(duì)本廠的生產(chǎn)直接形成指導(dǎo)意見(jiàn)[1-3]。另一方面，研究人員也并非一定是本廠技術(shù)人員，并不能大幅促進(jìn)本廠相應(yīng)技術(shù)水平的提高。文獻(xiàn)中水電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)一般是定位為運(yùn)行人員操作或流程的培訓(xùn)的系統(tǒng)，其監(jiān)控系統(tǒng)的仿真通常無(wú)法準(zhǔn)確反應(yīng)水電站的動(dòng)態(tài)運(yùn)行結(jié)果，也通常無(wú)法深入到電站眾多監(jiān)控裝置的維護(hù)的仿真中。（以保護(hù)裝置的仿真為例，由于沒(méi)有準(zhǔn)確的故障計(jì)算數(shù)據(jù)，裝置的動(dòng)作或警報(bào)等不是基于故障電流等客觀的故障信息的整定值，而是基于開(kāi)發(fā)者人為的邏輯判斷，所以無(wú)法準(zhǔn)確反應(yīng)水電站的動(dòng)態(tài)運(yùn)行結(jié)果；本平臺(tái)的特點(diǎn)之一就是準(zhǔn)確的仿真數(shù)據(jù)，因而保護(hù)裝置的仿真中保護(hù)的動(dòng)作是基于客觀的故障信息的整定值，因而能準(zhǔn)確反應(yīng)水電站的動(dòng)態(tài)運(yùn)行結(jié)果，對(duì)本廠的生產(chǎn)形成一定的指導(dǎo)意見(jiàn)，并且能深入到諸如裝置參數(shù)的整定、修改等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的運(yùn)行和維護(hù)的仿真。

2 仿真系統(tǒng)整體框架

圖1

2.1 監(jiān)控設(shè)備畫(huà)面的開(kāi)發(fā)：包括電站主系統(tǒng)、集中監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)、主系統(tǒng)的控制保護(hù)裝置等畫(huà)面。電站監(jiān)控系統(tǒng)畫(huà)面的繪制可以采用北京圖王軟件開(kāi)發(fā)有限公司的Visual Graph，它已在電力等行業(yè)涉及圖形的應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中有許多成功的案例?？梢苑浅１普娴乩L制出設(shè)備畫(huà)面并實(shí)現(xiàn)部分操作的仿真。

2.2 仿真計(jì)算模型包括水電站完整的電氣部分和水力系統(tǒng)的仿真模型。該仿真模型為電站的水力系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組、升壓變壓器、開(kāi)關(guān)站、輸電線路、外部等值電力系統(tǒng)等構(gòu)成的電力系統(tǒng)的完整的機(jī)電暫態(tài)仿真模型，該仿真模型的計(jì)算能實(shí)現(xiàn)停機(jī)狀態(tài)到開(kāi)機(jī)過(guò)程，并網(wǎng)，功率調(diào)節(jié)，開(kāi)關(guān)操作等全過(guò)程的仿真計(jì)算。該仿真模型的目的是滿足該電站各種運(yùn)行操作的前提下的電站的準(zhǔn)確的仿真數(shù)據(jù)輸出。內(nèi)容包括電氣主系統(tǒng)、水力系統(tǒng)模型搭建和參數(shù)的設(shè)置和調(diào)試；仿真數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和對(duì)比（對(duì)比對(duì)象為生產(chǎn)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或PSASP 等軟件的仿真數(shù)據(jù)）。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)：用于保存水電站各監(jiān)控設(shè)備的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備的參數(shù)的設(shè)置、保存或整定等。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)對(duì)天然氣發(fā)電如何發(fā)展未形成共識(shí)，導(dǎo)致天然氣發(fā)電成為近年來(lái)政策調(diào)整最為頻繁的天然氣利用領(lǐng)域。孫慧認(rèn)為，一個(gè)行業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略或者發(fā)展方向不宜過(guò)于頻繁變動(dòng)，建議要多方考量，適度松綁燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)項(xiàng)目，適時(shí)調(diào)整煤改氣的發(fā)展方向。

2.4 開(kāi)發(fā)環(huán)境：采用c#作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用電力系統(tǒng)圖形化建模的仿真方法生成電站機(jī)電暫態(tài)仿真程序的源代碼，采用北京圖王軟件開(kāi)發(fā)有限公司的Visual Graph 繪制的設(shè)備畫(huà)面以ActiveX 控件的形式在c#中進(jìn)行調(diào)用。其他的功能如監(jiān)控、保護(hù)裝置的仿真，數(shù)據(jù)的顯示畫(huà)面及每時(shí)步計(jì)算中仿真模型的調(diào)用等均在c#中開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。

圖2 完整水電站仿真模型框圖

3 仿真計(jì)算模型

采用Visual Graph 等繪圖軟件繪制元件圖元，例如發(fā)電機(jī)組、變壓器、開(kāi)關(guān)、刀閘、輸電線路、負(fù)荷等元件，形成電力系統(tǒng)元件庫(kù)。利用Visual Graph 的圖形拓?fù)涔δ埽捎胢atlab 的gui 語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以圖形化方式實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建，從而實(shí)現(xiàn)電站復(fù)雜大系統(tǒng)閉環(huán)計(jì)算。如圖2 所示[4-7]。具體的仿真計(jì)算流程如圖3 所示，dq 轉(zhuǎn)換功能包含在機(jī)組仿真模型中。傳統(tǒng)的考慮凸極效應(yīng)的牛頓法。采用該方法進(jìn)行機(jī)網(wǎng)接口計(jì)算編程復(fù)雜，因?yàn)橐?jì)算雅可比矩陣元素，而雅可比矩陣元素隨時(shí)間而變化，故計(jì)算機(jī)時(shí)也較多[8-10]。本計(jì)算方法由于無(wú)需計(jì)算雅可比矩陣，因而編程難度和計(jì)算量都大大降低。計(jì)算過(guò)程：E'xy 的值，采用電網(wǎng)仿真模型計(jì)算發(fā)電機(jī)注入網(wǎng)絡(luò)的電流Ixy 的值；根據(jù)Ixy的值，及上一次勵(lì)磁系統(tǒng)仿真模型計(jì)算得到的勵(lì)磁電壓Ef 和原動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)仿真模型計(jì)算得到的轉(zhuǎn)子角δ 的值，采用同步電機(jī)仿真模型計(jì)算下一時(shí)步的狀態(tài)量的值E'xy（包括了dq 軸轉(zhuǎn)換計(jì)算）；根據(jù)E'xy 及Ixy 的值可求取機(jī)端電壓Ut 的值等，已知E'xy 及Ixy 的值可求取機(jī)端電磁力矩Te 的值；根據(jù)本次計(jì)算得到的發(fā)電機(jī)組狀態(tài)量的值與上次計(jì)算得到的發(fā)電機(jī)組狀態(tài)量的值之差的絕對(duì)值的大小判斷計(jì)算是否收斂；若不收斂，則以本次計(jì)算得到的E'xy 的值，重復(fù)步驟一到步驟六的計(jì)算和判斷；若收斂則令t=t+Δt，相應(yīng)各狀態(tài)量t 時(shí)刻的值替換為t+Δt 時(shí)刻的值，重復(fù)步驟一到步驟七進(jìn)行下一時(shí)步的計(jì)算。

圖3 暫態(tài)穩(wěn)定數(shù)字仿真計(jì)算模型算法流程圖

4 測(cè)試結(jié)果分析

圖4 為：TG2000d 水輪機(jī)調(diào)速器和機(jī)組甩負(fù)荷75%動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)示波圖。比例增益Kp=4.00；機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)Ta=10.00秒；積分增益Ki=0.50(1/秒)；水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw=0.50 秒；微分增益Kd=0.50 秒；水擊相長(zhǎng)Tr=0.50 秒；永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp=0.00%。圖5 為采用圖4 中相同的參數(shù)在本仿真平臺(tái)上的仿真圖。 可以看出，本仿真平臺(tái)的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。

康熙四十三年三月十日，康熙再來(lái)盤(pán)谷寺，與智樸互動(dòng)更加頻繁自如。 智樸作《接駕詩(shī)》，康熙次韻相和。 如下：

圖4 TG2000d 水輪機(jī)調(diào)速器和機(jī)組錄波圖

圖5 為本仿真平臺(tái)試驗(yàn)甩負(fù)荷75%仿真圖

圖6 為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)錄制的典型軟起勵(lì)過(guò)程波形。圖7 為采用本廠參數(shù)在本仿真平臺(tái)上的軟起勵(lì)過(guò)程仿真圖?？梢钥闯?，本仿真平臺(tái)的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。

最后，要能滿足生活可以自理、半自理和不能自理醫(yī)療護(hù)理服務(wù)。完善的后期服務(wù)，包括為老年人提供管家式服務(wù)、醫(yī)護(hù)服務(wù)、保健服務(wù)、活動(dòng)組織、日常課程、特殊飲食護(hù)理服務(wù)等。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)錄制的典型軟起勵(lì)過(guò)程波形

圖7 本仿真平臺(tái)上仿真的軟起勵(lì)過(guò)程波形

圖8～圖9 為：線路發(fā)生短路故障（6.0 秒～6.2 秒）時(shí)的機(jī)電暫態(tài)過(guò)程對(duì)比圖?？梢钥闯霰酒脚_(tái)仿真數(shù)據(jù)與PSASP 仿真的數(shù)據(jù)完全一致。

圖8 PSASP 平臺(tái)仿真的線路三相短路故障時(shí)2 機(jī)系統(tǒng)的角頻率曲線

圖9 本平臺(tái)仿真的線路三相短路故障時(shí)2 機(jī)系統(tǒng)的角頻率曲線

圖10 為：發(fā)電機(jī)組在75%甩負(fù)荷時(shí)水力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，圖11 為：機(jī)端母線上發(fā)生瞬時(shí)性三相短路故障時(shí)水力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

混沌序列作為偽隨機(jī)序列,要有良好的相關(guān)性能,自相關(guān)值需近似于δ函數(shù),以利于擴(kuò)頻碼的檢測(cè)與同步；而互相關(guān)值需接近于0[13],以有效地抑制不同擴(kuò)頻碼之間的干擾,這對(duì)通信中的多址應(yīng)用十分重要[14]。理論中無(wú)限長(zhǎng)度的混沌序列能滿足上述條件,但實(shí)際上混沌序列使用時(shí)都需要截短處理,這樣會(huì)影響混沌序列的相關(guān)性。除此之外,混沌序列的初值也會(huì)影響序列的相關(guān)性,經(jīng)過(guò)大量測(cè)試后發(fā)現(xiàn)復(fù)合混沌序列在初值為0.76時(shí)的相關(guān)性能較好,所以以此初值產(chǎn)生的混沌序列來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

圖10 發(fā)電機(jī)組在75%甩負(fù)荷時(shí)水力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程

圖11 機(jī)端母線上發(fā)生瞬時(shí)性三相短路故障時(shí)水力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程

從以上測(cè)試結(jié)果可以看出，本仿真平臺(tái)的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，與其他科學(xué)計(jì)算軟件的仿真數(shù)據(jù)完全吻合，說(shuō)明了本仿真平臺(tái)的仿真數(shù)據(jù)的可信性。

5 結(jié)論

水電站水機(jī)電一體化的仿真包括了由詳細(xì)水力系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組、升壓站、等值電力系統(tǒng)構(gòu)成的中小型電力系統(tǒng)，其特點(diǎn)是：詳細(xì)考慮了水力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性、水輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)特性、電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性的電力系統(tǒng)仿真模型。上述特點(diǎn)使得水電站水機(jī)電一體化的機(jī)電暫態(tài)仿真模型的開(kāi)發(fā)存在一定的難度。從以上測(cè)試結(jié)果可以看出，本仿真系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，與其他科學(xué)計(jì)算軟件的仿真數(shù)據(jù)完全吻合，說(shuō)明了本仿真系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)的可信性。本文中所開(kāi)發(fā)的水電站水機(jī)電一體化的仿真系統(tǒng)可用于水電廠水力系統(tǒng)及電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究，為水電廠仿真機(jī)的電能生產(chǎn)過(guò)程提供精確的仿真數(shù)據(jù)，并成為一種水電廠的高級(jí)仿真教學(xué)工具。

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