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(guò)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(guò)程、機(jī)械過(guò)程和電氣過(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)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(shuō)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(shuō)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(guò)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(wú)法準(zhǔn)確模擬水擊現(xiàn)象問(wèn)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(guò)程中，引水系統(tǒng)及水輪機(jī)仿真裝置通過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)光纖與所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置相連接。

具體來(lái)講，rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)硬接線與所述直流控制保護(hù)裝置相連接。

本發(fā)明通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)法準(zhǔn)確模擬水擊現(xiàn)象問(wèn)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)光纖與所述rtds實(shí)時(shí)仿真裝置相連接。

具體來(lái)講，rtds實(shí)時(shí)仿真裝置可通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)硬接線與所述直流控制保護(hù)裝置相連接。

本發(fā)明通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(shuō)明書的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“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(shuō)明書中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)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(shuō)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(lái)說(shuō)，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)。