本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)仿真技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種水電機(jī)組調(diào)速控制仿真方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

對(duì)于大型水電通過高壓直流輸電送出系統(tǒng)，大型水電機(jī)組控制與直流控制緊密耦合，其相互協(xié)調(diào)特性將直接影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，特別是大型水電機(jī)組調(diào)速控制系統(tǒng)特性對(duì)于系統(tǒng)頻率穩(wěn)定影響重大。而水電機(jī)組調(diào)速控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性、非最小相位、復(fù)雜的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由調(diào)節(jié)對(duì)象和調(diào)速器組成。調(diào)節(jié)對(duì)象包括：壓力引水系統(tǒng)和泄水系統(tǒng)、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和機(jī)組并入運(yùn)行的電網(wǎng)，是一個(gè)將水力過程、機(jī)械過程和電氣過程綜合于一體、彼此密切聯(lián)系的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非線性和參數(shù)時(shí)變的被控制系統(tǒng)。為了研究直流送端孤島運(yùn)行以及異步聯(lián)網(wǎng)方式下的系統(tǒng)頻率特性，需要對(duì)水電機(jī)組調(diào)速控制系統(tǒng)特性以及直流頻率控制特性進(jìn)行仿真。

然而，傳統(tǒng)的仿真模型一般基于bpa(bonnevillepoweradministration，邦納維爾電力管理)的電力系統(tǒng)仿真軟件或pscad/emtdc(powersystemscomputeraideddesign/electromagnetictransientsincludingdc)仿真軟件，pscad是一種電磁暫態(tài)仿真軟件，emtdc是其仿真計(jì)算核心，提供圖形操作界面。然而，傳統(tǒng)的仿真模型仿真精確度較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對(duì)仿真精確度較低的問題，提供一種水電機(jī)組調(diào)速控制仿真方法和系統(tǒng)。

一種水電機(jī)組調(diào)速控制仿真系統(tǒng)，包括：

rtds實(shí)時(shí)仿真裝置、測(cè)頻單元、水輪機(jī)調(diào)速器和引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置；

所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置向所述測(cè)頻單元發(fā)送第一水電機(jī)組的第一機(jī)端三相電壓，并向所述水輪機(jī)調(diào)速器發(fā)送第一水電機(jī)組的第一導(dǎo)葉行程信號(hào)和第一水電機(jī)組的第一運(yùn)行模式參數(shù)；所述測(cè)頻單元對(duì)所述三相電壓進(jìn)行測(cè)頻并輸出第一水電機(jī)組的第一頻率信號(hào)至所述水輪機(jī)調(diào)速器；其中，所述水輪機(jī)調(diào)速器根據(jù)所述第一頻率信號(hào)、第一導(dǎo)葉行程信號(hào)和第一運(yùn)行模式參數(shù)輸出第一水電機(jī)組的第一控制開度信號(hào)至所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置；

對(duì)滿足2≤i≤n的任意i，所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置對(duì)第i水電機(jī)組的水輪機(jī)調(diào)速器進(jìn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)辨識(shí)，建立第i水電機(jī)組的水輪機(jī)調(diào)速器rtds模型，根據(jù)第i水電機(jī)組的第i機(jī)端三相電壓計(jì)算第i水電機(jī)組的第i頻率信號(hào)，根據(jù)第i頻率信號(hào)、第i水電機(jī)組的第i導(dǎo)葉行程信號(hào)和第i水電機(jī)組的第i運(yùn)行模式參數(shù)計(jì)算第i水電機(jī)組的第i控制開度信號(hào)，并將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、所述第一控制開度信號(hào)和所述第i控制開度信號(hào)輸出至所述引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置；其中，n為水電機(jī)組的總數(shù)；

所述引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置根據(jù)水電站管道結(jié)構(gòu)和管道長(zhǎng)度建立引水管道水擊效應(yīng)模型，根據(jù)所述第一控制開度信號(hào)、第i控制開度信號(hào)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)以及引水管道水擊效應(yīng)模型對(duì)引水管道水擊效應(yīng)進(jìn)行仿真后，輸出水電機(jī)組的出力與第二導(dǎo)葉行程信號(hào)至所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真。

一種水電機(jī)組調(diào)速控制仿真方法，包括以下步驟：

所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置向所述測(cè)頻單元發(fā)送第一水電機(jī)組的第一機(jī)端三相電壓，并向所述水輪機(jī)調(diào)速器發(fā)送第一水電機(jī)組的第一導(dǎo)葉行程信號(hào)和第一水電機(jī)組的第一運(yùn)行模式參數(shù)；所述測(cè)頻單元對(duì)所述三相電壓進(jìn)行測(cè)頻并輸出第一水電機(jī)組的第一頻率信號(hào)至所述水輪機(jī)調(diào)速器；其中，所述水輪機(jī)調(diào)速器根據(jù)所述第一頻率信號(hào)、第一導(dǎo)葉行程信號(hào)和第一運(yùn)行模式參數(shù)輸出第一水電機(jī)組的第一控制開度信號(hào)至所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置；

對(duì)滿足2≤i≤n的任意i，所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置對(duì)第i水電機(jī)組的水輪機(jī)調(diào)速器進(jìn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)辨識(shí)，建立第i水電機(jī)組的水輪機(jī)調(diào)速器rtds模型，根據(jù)第i水電機(jī)組的第i機(jī)端三相電壓計(jì)算第i水電機(jī)組的第i頻率信號(hào)，根據(jù)第i頻率信號(hào)、第i水電機(jī)組的第i導(dǎo)葉行程信號(hào)和第i水電機(jī)組的第i運(yùn)行模式參數(shù)計(jì)算第i水電機(jī)組的第i控制開度信號(hào)，并將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、所述第一控制開度信號(hào)和所述第i控制開度信號(hào)輸出至所述引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置；其中，n為水電機(jī)組的總數(shù)；

所述引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置根據(jù)水電站管道結(jié)構(gòu)和管道長(zhǎng)度建立引水管道水擊效應(yīng)模型，根據(jù)所述第一控制開度信號(hào)、第i控制開度信號(hào)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)以及引水管道水擊效應(yīng)模型對(duì)引水管道水擊效應(yīng)進(jìn)行仿真后，輸出水電機(jī)組的出力與第二導(dǎo)葉行程信號(hào)至所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真。

上述水電機(jī)組調(diào)速控制仿真方法和系統(tǒng)，通過建立引水管道水擊效應(yīng)模型模擬引水管道水擊效應(yīng)，對(duì)實(shí)際的水輪機(jī)調(diào)速器進(jìn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)辨識(shí)建立符合實(shí)際運(yùn)行模式和控制模式的水輪機(jī)調(diào)速器rtds模型，并通過rtds模型擴(kuò)展了調(diào)速器的仿真規(guī)模，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水電機(jī)組頻率特性的精確仿真，提高了仿真精確度。

附圖說明

圖1為一個(gè)實(shí)施例的水電機(jī)組調(diào)速控制仿真系統(tǒng)的模塊圖；

圖2為一個(gè)實(shí)施例的水電機(jī)組調(diào)速控制仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為一個(gè)實(shí)施例的水電機(jī)組調(diào)速控制仿真方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種水電機(jī)組調(diào)速控制仿真系統(tǒng)，可包括：

rtds實(shí)時(shí)仿真裝置(realtimedigitalsimulator，實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀)、測(cè)頻單元、水輪機(jī)調(diào)速器和引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置；

所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置向所述測(cè)頻單元發(fā)送第一水電機(jī)組的第一機(jī)端三相電壓，并向所述水輪機(jī)調(diào)速器發(fā)送第一水電機(jī)組的第一導(dǎo)葉行程信號(hào)和第一水電機(jī)組的第一運(yùn)行模式參數(shù)；所述測(cè)頻單元對(duì)所述三相電壓進(jìn)行測(cè)頻并輸出第一水電機(jī)組的第一頻率信號(hào)至所述水輪機(jī)調(diào)速器；其中，所述水輪機(jī)調(diào)速器根據(jù)所述第一頻率信號(hào)、第一導(dǎo)葉行程信號(hào)和第一運(yùn)行模式參數(shù)輸出第一水電機(jī)組的第一控制開度信號(hào)至所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置；

對(duì)滿足2≤i≤n的任意i，所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置對(duì)第i水電機(jī)組的水輪機(jī)調(diào)速器進(jìn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)辨識(shí)，建立第i水電機(jī)組的水輪機(jī)調(diào)速器rtds模型，根據(jù)第i水電機(jī)組的第i機(jī)端三相電壓計(jì)算第i水電機(jī)組的第i頻率信號(hào)，根據(jù)第i頻率信號(hào)、第i水電機(jī)組的第i導(dǎo)葉行程信號(hào)和第i水電機(jī)組的第i運(yùn)行模式參數(shù)計(jì)算第i水電機(jī)組的第i控制開度信號(hào)，并將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、所述第一控制開度信號(hào)和所述第i控制開度信號(hào)輸出至所述引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置；其中，n為水電機(jī)組的總數(shù)；

所述引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置根據(jù)水電站管道結(jié)構(gòu)和管道長(zhǎng)度建立引水管道水擊效應(yīng)模型，根據(jù)所述第一控制開度信號(hào)、第i控制開度信號(hào)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)以及引水管道水擊效應(yīng)模型對(duì)引水管道水擊效應(yīng)進(jìn)行仿真后，輸出水電機(jī)組的出力與第二導(dǎo)葉行程信號(hào)至所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真。

在上述實(shí)施例中，rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可接入大型水電站中真實(shí)的水輪機(jī)調(diào)速器，真實(shí)的水輪機(jī)調(diào)速器包含不同工況的切換，rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可通過參數(shù)與結(jié)構(gòu)辨識(shí)實(shí)現(xiàn)與實(shí)際裝置特性一致的水輪機(jī)調(diào)速器rtds建模。該模型可考慮調(diào)速器空載、聯(lián)網(wǎng)、孤島三種不同運(yùn)行模式，以及開度和功率兩種控制方式，不同運(yùn)行模式下的pid控制考慮限幅等非線性環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了水輪機(jī)調(diào)速器控制特性的精確仿真，不同控制方式考慮速率限制、死區(qū)等非線性環(huán)節(jié)。

引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置的作用是對(duì)引水系統(tǒng)及水輪機(jī)進(jìn)行仿真，對(duì)于引水系統(tǒng)而言，引水管道內(nèi)的水流特性極大地影響了水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能。水流慣性使得引水管道內(nèi)流量的變化滯后于導(dǎo)葉開度的變化，與此同時(shí)，管道內(nèi)水體的可壓縮性和管壁的彈性使得液體內(nèi)部產(chǎn)生壓強(qiáng)并在管道內(nèi)交替升降傳遞，形成水擊現(xiàn)象，它發(fā)生在壓力管道管壁的所有表面，有時(shí)會(huì)達(dá)到很大的數(shù)值，造成功率變化在響應(yīng)初期出現(xiàn)反調(diào)現(xiàn)象，影響系統(tǒng)頻率特性。針對(duì)一般仿真無法準(zhǔn)確模擬水擊現(xiàn)象問題，本發(fā)明設(shè)置了引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置，可根據(jù)典型水電站參數(shù)建立詳細(xì)的仿真模型，得到引水管道水擊效應(yīng)數(shù)據(jù)，并與rtds實(shí)時(shí)仿真裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)互通，實(shí)現(xiàn)與rtds實(shí)時(shí)仿真裝置聯(lián)合仿真，最終得到水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的頻率特性。進(jìn)一步地，還可以利用水輪機(jī)綜合特性曲線高效率區(qū)部分，對(duì)低效率區(qū)補(bǔ)充延拓，得到完整的水輪機(jī)綜合特性曲線，實(shí)現(xiàn)不同水頭、頻率、開度下水輪機(jī)出力特性的仿真。

在上述仿真過程中，引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置通過rtds實(shí)時(shí)仿真裝置獲取第一水電機(jī)組的相關(guān)仿真參數(shù)，并獲取rtds實(shí)時(shí)仿真裝置自身發(fā)送的其余各個(gè)水電機(jī)組(第二水電機(jī)組、第三水電機(jī)組、……、第n水電機(jī)組)的相關(guān)仿真參數(shù)，進(jìn)行仿真后將相關(guān)仿真結(jié)果返回至rtds實(shí)時(shí)仿真裝置，最終得到各個(gè)水電機(jī)組對(duì)應(yīng)的水輪機(jī)調(diào)速器組成的水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果，從而擴(kuò)展了調(diào)速器的仿真規(guī)模，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水電機(jī)組頻率特性的精確仿真，提高了仿真精確度。

在一個(gè)實(shí)施例中，引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬，還可以考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)開啟速率限制以及分段關(guān)閉特性。本發(fā)明實(shí)施例中可在引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置內(nèi)建立執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開啟速率限制以及分段關(guān)閉特性進(jìn)行精確仿真。

具體來講，本發(fā)明的引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置提供一種引水管道建模方法，可根據(jù)各水電站管道結(jié)構(gòu)和參數(shù)，依據(jù)管道的長(zhǎng)度，選擇不同的管道建模方法。在引水管道小于預(yù)設(shè)的長(zhǎng)度閾值(一般小于800m)的情況下，管道內(nèi)的水擊模型可以采用剛性水擊模型，把水和管壁看成不可壓縮的剛性體。水輪機(jī)入口處的水頭和流量變化如下：

式中，δh為水輪機(jī)入口處的工作水頭的變化值，tw為水流慣性時(shí)間常數(shù)，δq為水輪機(jī)入口處的流量變化值，t為時(shí)間。

當(dāng)管道長(zhǎng)度大于或等于預(yù)設(shè)的長(zhǎng)度閾值時(shí)，可采用彈性水擊模型，當(dāng)假設(shè)壓力管道是均勻管壁的情況下，水輪機(jī)入口處的水頭和流量變化具有如下關(guān)系：

式中，s為拉普拉斯算子，f為壓力管道摩擦系數(shù)，tw為水流慣性時(shí)間常數(shù)，te為壓力波在整個(gè)管道內(nèi)的傳遞時(shí)間，δh(s)為水輪機(jī)入口處的工作水頭的變化值，δq(s)為水輪機(jī)入口處的流量變化值。tanh(tes+f)是一個(gè)雙曲正切函數(shù)，它可以展開為如下形式：

采用泰勒級(jí)數(shù)對(duì)上式子逼近：

建模時(shí)，可根據(jù)需要選擇合適階數(shù)的模型。

在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的水電機(jī)組調(diào)速控制仿真系統(tǒng)還可包括直流控制保護(hù)裝置；所述直流控制保護(hù)裝置接收所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置輸出的電壓信號(hào)、電流信號(hào)、濾波器投切狀態(tài)信號(hào)和交直流場(chǎng)開關(guān)信號(hào)，并輸出交直流場(chǎng)開關(guān)命令以及換流閥觸發(fā)信號(hào)至所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流控制保護(hù)特性的仿真。其中，本實(shí)施例的電壓信號(hào)指的是直流輸電系統(tǒng)的交流電壓和直流電壓，本實(shí)施例的電流信號(hào)指的是直流輸電系統(tǒng)的交流電流和直流電流。

在一個(gè)實(shí)施例中，rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可通過第一接口設(shè)備與水輪機(jī)調(diào)速器相連接；在另一個(gè)實(shí)施例中，rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可通過第二接口設(shè)備與引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置相連接；在另一個(gè)實(shí)施例中，rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可通過第三接口設(shè)備與直流控制保護(hù)裝置相連接。

在一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，上述第一接口設(shè)備可包括第一高速模擬量輸出板卡(gtao)、測(cè)頻單元、第一高速數(shù)字量輸出板卡(gtdo)、第一高速模擬量輸入板卡(gtai)和數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置；所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置的第一輸出端通過第一高速模擬量輸出板卡分別與測(cè)頻單元和水輪機(jī)調(diào)速器相連接，所述測(cè)頻單元與水輪機(jī)調(diào)速器相連接；所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置的第二輸出端通過所述第一高速數(shù)字量輸出板卡與水輪機(jī)調(diào)速器相連接；所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置的第一輸入端通過第一高速模擬量輸入板卡與數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置相連接，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置與水輪機(jī)調(diào)速器相連接。

在實(shí)際的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，所述第一高速模擬量輸出板卡可采用硬接線方式與所述測(cè)頻單元相連接；所述測(cè)頻單元、第一高速模擬量輸出板卡和數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置可采用硬接線方式與所述水輪機(jī)調(diào)速器相連接；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置可采用硬接線方式與所述第一高速模擬量輸入板卡相連接；所述第一高速模擬量輸出板卡、第一高速數(shù)字量輸出板卡和第一高速模擬量輸入板卡可通過光纖與所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置相連接。

具體來講，rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可通過第一高速模擬量輸出板卡將實(shí)時(shí)瞬時(shí)的第一機(jī)端三相電壓送入測(cè)頻單元，測(cè)頻單元檢測(cè)第一機(jī)端三相電壓的頻率，通過硬接線連接，將頻率信號(hào)送入水輪機(jī)調(diào)速器；rtds實(shí)時(shí)仿真裝置還可通過第一高速模擬量輸出板卡將第一導(dǎo)葉行程信號(hào)送入水輪機(jī)調(diào)速器；rtds實(shí)時(shí)仿真裝置還可通過第一高速數(shù)字量輸出板卡將機(jī)端斷路器位置、孤島、聯(lián)網(wǎng)等第一運(yùn)行模式參數(shù)送入水輪機(jī)調(diào)速器；水輪機(jī)調(diào)速器可通過數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置將第一控制開度信號(hào)送入第一高速模擬量輸入板卡，第一高速模擬量輸入板卡將第一控制開度信號(hào)輸入rtds實(shí)時(shí)仿真裝置。rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可通過高速通信板卡將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、第一控制開度信號(hào)和第i(2≤i≤n)控制開度信號(hào)送入引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置，引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置可通過高速通信板卡將第二導(dǎo)葉行程和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號(hào)送入rtds實(shí)時(shí)仿真裝置。

在另一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述第二接口設(shè)備可包括多個(gè)高速通信板卡(gtnet)；所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置的輸入輸出端分別通過各個(gè)高速通信板卡與引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置的輸入輸出端相連接。在實(shí)際的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置與各個(gè)高速通信板卡通過光纖連接，各個(gè)高速通信板卡與所述引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置通過網(wǎng)絡(luò)連接。

上述各個(gè)板卡可采用tcp/ip協(xié)議(transmissioncontrolprotocol/internetprotocol，傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議)實(shí)現(xiàn)引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置與rtds實(shí)時(shí)仿真裝置之間的通信。rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可通過gtnet板卡利用tcp/ip協(xié)議將水電站各水電機(jī)組的頻率、調(diào)速器控制開度信號(hào)、時(shí)鐘同步信號(hào)入引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置，引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置進(jìn)行計(jì)算實(shí)時(shí)將各機(jī)組出力與導(dǎo)葉行程通過gtnet卡利用tcp/ip協(xié)議送回rtds實(shí)時(shí)仿真裝置，形成閉環(huán)仿真系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述第三接口設(shè)備可包括第二高速模擬量輸出板卡、第二高速數(shù)字量輸出板卡和第二高速數(shù)字量輸入板卡；所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置的第四輸出端通過第二高速模擬量輸出板卡與直流控制保護(hù)裝置的第一輸入端相連接；所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置的第五輸出端通過所述第二高速數(shù)字量輸出板卡與直流控制保護(hù)裝置的第二輸入端相連接；所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置的第三輸入端通過第二高速數(shù)字量輸入板卡與直流控制保護(hù)裝置的輸出端相連接。rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可通過第二高速模擬量輸出板卡將交直流電壓、電流等信號(hào)送給直流控制保護(hù)裝置，通過第二高速數(shù)字量輸出板卡將濾波器投切狀態(tài)、交直流場(chǎng)開關(guān)信號(hào)等送入直流控制保護(hù)裝置，直流控制保護(hù)裝置可將交直流場(chǎng)開關(guān)命令以及換流閥觸發(fā)信號(hào)通過第二高速數(shù)字量輸入板卡送入rtds實(shí)時(shí)仿真裝置。

在實(shí)際的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，所述第二高速數(shù)字量輸出板卡、第二高速模擬量輸出板卡和第二高速數(shù)字量輸入板卡可分別通過光纖與所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置相連接；所述第二高速模擬量輸出板卡、第二高速數(shù)字量輸出板卡和第二高速數(shù)字量輸入板卡可分別通過硬接線與所述直流控制保護(hù)裝置相連接。

本發(fā)明通過gtao、gtdo、gtdi等接口設(shè)備實(shí)現(xiàn)直流控制保護(hù)設(shè)備與rtds實(shí)時(shí)仿真裝置通訊，rtds實(shí)時(shí)仿真裝置通過gtao板卡將交直流電壓、電流等信號(hào)送給直流控制保護(hù)設(shè)備，通過gtdo將濾波器投切狀態(tài)、交直流場(chǎng)開關(guān)信號(hào)等送入直流控制保護(hù)設(shè)備，直流控制保護(hù)設(shè)備將交直流場(chǎng)開關(guān)命令以及換流閥觸發(fā)信號(hào)通過gtdi板卡送入rtds實(shí)時(shí)仿真裝置，形成閉環(huán)仿真。

一個(gè)實(shí)施例的水電機(jī)組調(diào)速控制仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

下表示出了仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果可以看出，通過本發(fā)明的水電機(jī)組調(diào)速控制仿真系統(tǒng)可以精確地仿真出水輪機(jī)調(diào)速器的頻率特性。

如圖3所示，本發(fā)明還提供一種水電機(jī)組仿真方法，可包括以下步驟：

s1，所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置向所述測(cè)頻單元發(fā)送第一水電機(jī)組的第一機(jī)端三相電壓，并向所述水輪機(jī)調(diào)速器發(fā)送第一水電機(jī)組的第一導(dǎo)葉行程信號(hào)和第一水電機(jī)組的第一運(yùn)行模式參數(shù)；所述測(cè)頻單元對(duì)所述三相電壓進(jìn)行測(cè)頻并輸出第一水電機(jī)組的第一頻率信號(hào)至所述水輪機(jī)調(diào)速器；其中，所述水輪機(jī)調(diào)速器根據(jù)所述第一頻率信號(hào)、第一導(dǎo)葉行程信號(hào)和第一運(yùn)行模式參數(shù)輸出第一水電機(jī)組的第一控制開度信號(hào)至所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置；

s2，所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置對(duì)第i水電機(jī)組的水輪機(jī)調(diào)速器進(jìn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)辨識(shí)，建立第i水電機(jī)組的水輪機(jī)調(diào)速器rtds模型，根據(jù)第i水電機(jī)組的第i機(jī)端三相電壓計(jì)算第i水電機(jī)組的第i頻率信號(hào)，根據(jù)第i頻率信號(hào)、第i水電機(jī)組的第i導(dǎo)葉行程信號(hào)和第i水電機(jī)組的第i運(yùn)行模式參數(shù)計(jì)算第i水電機(jī)組的第i控制開度信號(hào)，并將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、所述第一控制開度信號(hào)和所述第i控制開度信號(hào)輸出至所述引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置；其中，2≤i≤n，n為水電機(jī)組的總數(shù)；

s3，所述引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置根據(jù)水電站管道結(jié)構(gòu)和管道長(zhǎng)度建立引水管道水擊效應(yīng)模型，根據(jù)所述第一控制開度信號(hào)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)以及引水管道水擊效應(yīng)模型對(duì)引水管道水擊效應(yīng)進(jìn)行仿真后，輸出水電機(jī)組的出力與第二導(dǎo)葉行程信號(hào)至所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真。

rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可接入大型水電站中真實(shí)的水輪機(jī)調(diào)速器，真實(shí)的水輪機(jī)調(diào)速器包含不同工況的切換，rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可通過參數(shù)與結(jié)構(gòu)辨識(shí)實(shí)現(xiàn)與實(shí)際裝置特性一致的水輪機(jī)調(diào)速器rtds建模。該模型可考慮調(diào)速器空載、聯(lián)網(wǎng)、孤島三種不同運(yùn)行模式，以及開度和功率兩種控制方式，不同運(yùn)行模式下的pid控制考慮限幅等非線性環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了水輪機(jī)調(diào)速器控制特性的精確仿真，不同控制方式考慮速率限制、死區(qū)等非線性環(huán)節(jié)。

引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置的作用是對(duì)引水系統(tǒng)及水輪機(jī)進(jìn)行仿真，對(duì)于引水系統(tǒng)而言，引水管道內(nèi)的水流特性極大地影響了水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能。水流慣性使得引水管道內(nèi)流量的變化滯后于導(dǎo)葉開度的變化，與此同時(shí)，管道內(nèi)水體的可壓縮性和管壁的彈性使得液體內(nèi)部產(chǎn)生壓強(qiáng)并在管道內(nèi)交替升降傳遞，形成水擊現(xiàn)象，它發(fā)生在壓力管道管壁的所有表面，有時(shí)會(huì)達(dá)到很大的數(shù)值，造成功率變化在響應(yīng)初期出現(xiàn)反調(diào)現(xiàn)象，影響系統(tǒng)頻率特性。針對(duì)一般仿真無法準(zhǔn)確模擬水擊現(xiàn)象問題，本發(fā)明設(shè)置了引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置，可根據(jù)典型水電站參數(shù)建立詳細(xì)的仿真模型，得到引水管道水擊效應(yīng)數(shù)據(jù)，并與rtds實(shí)時(shí)仿真裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)互通，實(shí)現(xiàn)與rtds實(shí)時(shí)仿真裝置聯(lián)合仿真，最終得到水輪機(jī)調(diào)速器的頻率特性。進(jìn)一步地，還可以利用水輪機(jī)綜合特性曲線高效率區(qū)部分，對(duì)低效率區(qū)補(bǔ)充延拓，得到完整的水輪機(jī)綜合特性曲線，實(shí)現(xiàn)不同水頭、頻率、開度下水輪機(jī)出力特性的仿真。

具體來講，本發(fā)明的引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置提供一種引水管道建模方法，可根據(jù)各水電站管道結(jié)構(gòu)和參數(shù)，依據(jù)管道的長(zhǎng)度，選擇不同的管道建模方法。在引水管道小于預(yù)設(shè)的長(zhǎng)度閾值(一般小于800m)的情況下，管道內(nèi)的水擊模型可以采用剛性水擊模型，把水和管壁看成不可壓縮的剛性體。水輪機(jī)入口處的水頭和流量變化如下：

式中，δh為水輪機(jī)入口處的工作水頭的變化值，tw為水流慣性時(shí)間常數(shù)，δq為水輪機(jī)入口處的流量變化值，t為時(shí)間。

當(dāng)管道長(zhǎng)度大于或等于預(yù)設(shè)的長(zhǎng)度閾值時(shí)，可采用彈性水擊模型，當(dāng)假設(shè)壓力管道是均勻管壁的情況下，水輪機(jī)入口處的水頭和流量變化具有如下關(guān)系：

式中，s為拉普拉斯算子，f為壓力管道摩擦系數(shù)，tw為水流慣性時(shí)間常數(shù)，te為壓力波在整個(gè)管道內(nèi)的傳遞時(shí)間，δh(s)為水輪機(jī)入口處的工作水頭的變化值，δq(s)為水輪機(jī)入口處的流量變化值。tanh(tes+f)是一個(gè)雙曲正切函數(shù)，它可以展開為如下形式：

采用泰勒級(jí)數(shù)對(duì)上式子逼近：

建模時(shí)，可根據(jù)需要選擇合適階數(shù)的模型。

在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的水電機(jī)組調(diào)速控制仿真系統(tǒng)還可包括直流控制保護(hù)裝置；所述直流控制保護(hù)裝置接收所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置輸出的電壓信號(hào)、電流信號(hào)、濾波器投切狀態(tài)信號(hào)和交直流場(chǎng)開關(guān)信號(hào)，并輸出交直流場(chǎng)開關(guān)命令以及換流閥觸發(fā)信號(hào)至所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流控制保護(hù)特性的仿真。其中，本實(shí)施例的電壓信號(hào)指的是直流輸電系統(tǒng)的交流電壓和直流電壓，本實(shí)施例的電流信號(hào)指的是直流輸電系統(tǒng)的交流電流和直流電流。

在一個(gè)實(shí)施例中，rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可通過第一接口設(shè)備與水輪機(jī)調(diào)速器相連接；在另一個(gè)實(shí)施例中，rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可通過第二接口設(shè)備與引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置相連接；在另一個(gè)實(shí)施例中，rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可通過第三接口設(shè)備與直流控制保護(hù)裝置相連接。

在一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，上述第一接口設(shè)備可包括第一高速模擬量輸出板卡(gtao)、測(cè)頻單元、第一高速數(shù)字量輸出板卡(gtdo)、第一高速模擬量輸入板卡(gtai)和數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置；所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置的第一輸出端通過第一高速模擬量輸出板卡分別與測(cè)頻單元和水輪機(jī)調(diào)速器相連接，所述測(cè)頻單元與水輪機(jī)調(diào)速器相連接；所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置的第二輸出端通過所述第一高速數(shù)字量輸出板卡與水輪機(jī)調(diào)速器相連接；所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置的第一輸入端通過第一高速模擬量輸入板卡與數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置相連接，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置與水輪機(jī)調(diào)速器相連接。

在實(shí)際的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，所述第一高速模擬量輸出板卡可采用硬接線方式與所述測(cè)頻單元相連接；所述測(cè)頻單元、第一高速模擬量輸出板卡和數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置可采用硬接線方式與所述水輪機(jī)調(diào)速器相連接；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置可采用硬接線方式與所述第一高速模擬量輸入板卡相連接；所述第一高速模擬量輸出板卡、第一高速數(shù)字量輸出板卡和第一高速模擬量輸入板卡可通過光纖與所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置相連接。

具體來講，rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可通過第一高速模擬量輸出板卡將實(shí)時(shí)瞬時(shí)的第一機(jī)端三相電壓送入測(cè)頻單元，測(cè)頻單元檢測(cè)第一機(jī)端三相電壓的頻率，通過硬接線連接，將頻率信號(hào)送入水輪機(jī)調(diào)速器；rtds實(shí)時(shí)仿真裝置還可通過第一高速模擬量輸出板卡將第一導(dǎo)葉行程信號(hào)送入水輪機(jī)調(diào)速器；rtds實(shí)時(shí)仿真裝置還可通過第一高速數(shù)字量輸出板卡將機(jī)端斷路器位置、孤島、聯(lián)網(wǎng)等第一運(yùn)行模式參數(shù)送入水輪機(jī)調(diào)速器；水輪機(jī)調(diào)速器可通過數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置將第一控制開度信號(hào)送入第一高速模擬量輸入板卡，第一高速模擬量輸入板卡將第一控制開度信號(hào)輸入rtds實(shí)時(shí)仿真裝置。rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可通過高速通信板卡將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、第一控制開度信號(hào)和第i(2≤i≤n)控制開度信號(hào)送入引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置，引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置可通過高速通信板卡將第二導(dǎo)葉行程和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號(hào)送入rtds實(shí)時(shí)仿真裝置。

在另一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述第二接口設(shè)備可包括多個(gè)高速通信板卡(gtnet)；所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置的輸入輸出端分別通過各個(gè)高速通信板卡與引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置的輸入輸出端相連接。在實(shí)際的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置與各個(gè)高速通信板卡通過光纖連接，各個(gè)高速通信板卡與所述引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置通過網(wǎng)絡(luò)連接。

上述各個(gè)板卡可采用tcp/ip協(xié)議(transmissioncontrolprotocol/internetprotocol，傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議)實(shí)現(xiàn)引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置與rtds實(shí)時(shí)仿真裝置之間的通信。rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可通過gtnet板卡利用tcp/ip協(xié)議將水電站各水電機(jī)組的頻率、調(diào)速器控制開度信號(hào)、時(shí)鐘同步信號(hào)入引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置，引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置進(jìn)行計(jì)算實(shí)時(shí)將各機(jī)組出力與導(dǎo)葉行程通過gtnet卡利用tcp/ip協(xié)議送回rtds實(shí)時(shí)仿真裝置，形成閉環(huán)仿真系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述第三接口設(shè)備可包括第二高速模擬量輸出板卡、第二高速數(shù)字量輸出板卡和第二高速數(shù)字量輸入板卡；所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置的第四輸出端通過第二高速模擬量輸出板卡與直流控制保護(hù)裝置的第一輸入端相連接；所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置的第五輸出端通過所述第二高速數(shù)字量輸出板卡與直流控制保護(hù)裝置的第二輸入端相連接；所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置的第三輸入端通過第二高速數(shù)字量輸入板卡與直流控制保護(hù)裝置的輸出端相連接。rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可通過第二高速模擬量輸出板卡將交直流電壓、電流等信號(hào)送給直流控制保護(hù)裝置，通過第二高速數(shù)字量輸出板卡將濾波器投切狀態(tài)、交直流場(chǎng)開關(guān)信號(hào)等送入直流控制保護(hù)裝置，直流控制保護(hù)裝置可將交直流場(chǎng)開關(guān)命令以及換流閥觸發(fā)信號(hào)通過第二高速數(shù)字量輸入板卡送入rtds實(shí)時(shí)仿真裝置。

在實(shí)際的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，所述第二高速數(shù)字量輸出板卡、第二高速模擬量輸出板卡和第二高速數(shù)字量輸入板卡可分別通過光纖與所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置相連接；所述第二高速模擬量輸出板卡、第二高速數(shù)字量輸出板卡和第二高速數(shù)字量輸入板卡可分別通過硬接線與所述直流控制保護(hù)裝置相連接。

本發(fā)明通過gtao、gtdo、gtdi等接口設(shè)備實(shí)現(xiàn)直流控制保護(hù)設(shè)備與rtds實(shí)時(shí)仿真裝置通訊，rtds實(shí)時(shí)仿真裝置通過gtao板卡將交直流電壓、電流等信號(hào)送給直流控制保護(hù)設(shè)備，通過gtdo將濾波器投切狀態(tài)、交直流場(chǎng)開關(guān)信號(hào)等送入直流控制保護(hù)設(shè)備，直流控制保護(hù)設(shè)備將交直流場(chǎng)開關(guān)命令以及換流閥觸發(fā)信號(hào)通過gtdi板卡送入rtds實(shí)時(shí)仿真裝置，形成閉環(huán)仿真。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)可以模擬調(diào)速器空載、聯(lián)網(wǎng)、孤島三種不同運(yùn)行模式，開度和功率兩種控制方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)調(diào)速器特性的精確仿真。

(2)開發(fā)了引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置與rtds仿真裝置通訊接口，rtds通過gtnet卡利用tcp/ip協(xié)議將電站各機(jī)組頻率、調(diào)速器控制開度信號(hào)、時(shí)鐘同步信號(hào)入引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置，引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置進(jìn)行計(jì)算實(shí)時(shí)將各機(jī)組出力與導(dǎo)葉行程通過gtnet卡利用tcp/ip協(xié)議送回rtds實(shí)時(shí)仿真裝置，形成閉環(huán)仿真系統(tǒng)。

(3)大型水電通過高壓直流送出系統(tǒng)機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)頻率特性精確仿真平臺(tái)通過接口設(shè)備3接入了真實(shí)直流控制保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流控制保護(hù)特性精確仿真。

(4)引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置對(duì)水輪機(jī)模擬，利用水輪機(jī)綜合特性曲線高效率區(qū)部分，對(duì)低效率區(qū)補(bǔ)充延拓，得到完整的水輪機(jī)綜合特性曲線，實(shí)現(xiàn)不同水頭、頻率、開度下水輪機(jī)出力特性的仿真。

(5)本發(fā)明開發(fā)了引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、引水系統(tǒng)和水輪機(jī)特性精確仿真。

(6)引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬，考慮了執(zhí)行機(jī)構(gòu)開啟速率限制以及分段關(guān)閉特性。其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)開啟速率限制以及分段關(guān)閉特性的模擬在引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置中實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的bpa，pacad建模沒有考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分段關(guān)閉特性，造成無法準(zhǔn)備模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性；本發(fā)明中建立的執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)開啟速率限制以及分段關(guān)閉特性的精確模型。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對(duì)上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡(jiǎn)潔，未對(duì)上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。