水电机组调速控制仿真系统的制作方法

本实用新型涉及水电机组仿真技术领域，特别是涉及一种水电机组调速控制仿真系统。

背景技术：

对于大型水电通过高压直流输电送出系统，大型水电机组控制与直流控制紧密耦合，其相互协调特性将直接影响电网的安全稳定运行，特别是大型水电机组调速控制系统特性对于系统频率稳定影响重大。而水电机组调速控制系统是一个非线性、非最小相位、复杂的闭环调节系统，由调节对象和调速器组成。调节对象包括：压力引水系统和泄水系统、水轮机、发电机和机组并入运行的电网，是一个将水力过程、机械过程和电气过程综合于一体、彼此密切联系的结构复杂、非线性和参数时变的被控制系统。为了研究直流送端孤岛运行以及异步联网方式下的系统频率特性，急需对水电机组的工作特性进行仿真。

然而，传统的仿真装置一般基于BPA(Bonneville Power Administration，邦纳维尔电力管理)的电力系统仿真软件或PSCAD/EMTDC(Power Systems Computer Aided Design/Electromagnetic Transients including DC)设计，PSCAD是一种电磁暂态仿真软件，EMTDC是其仿真计算核心，提供图形操作界面。然而，传统的仿真装置仿真精确度较低。

技术实现要素：

基于此，有必要针对仿真精确度较低的问题，提供一种水电机组调速控制仿真系统。

一种水电机组调速控制仿真系统，包括：

RTDS仿真装置、引水系统及水轮机仿真装置、第一接口设备和第二接口设备；

所述RTDS仿真装置通过所述第一接口设备与水电机组的水轮机调速器相连接，并通过第二接口设备与所述引水系统及水轮机仿真装置相连接；

所述RTDS仿真装置通过第一接口设备接收水轮机调速器发送的仿真数据，并通过第二接口设备将所述仿真数据转发至引水系统及水轮机仿真装置；

所述引水系统及水轮机仿真装置接收所述仿真数据，对引水管道水击效应进行仿真，并通过第二接口设备将引水管道水击效应仿真数据输出至RTDS仿真装置；

所述RTDS仿真装置接收所述引水管道水击效应仿真数据，并对水电机组的频率特性和负荷特性进行仿真。

上述水电机组调速控制仿真系统，通过述RTDS仿真装置与真实的水轮机调速器相连接，根据水轮机调速器发送的仿真数据进行RTDS仿真，并通过引水系统及水轮机仿真装置对引水管道水击效应进行仿真，从而能够模拟真实的水击现象，最终得到水轮机调速系统的频率特性，提高了仿真精确度。

附图说明

图1为一个实施例的水电机组调速控制仿真系统的模块图；

图2为一个实施例的水电机组调速控制仿真系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行说明。

在一个实施例中，本实用新型提供一种水电机组调速控制仿真系统，可包括：

RTDS仿真装置(Real Time Digital Simulator，实时数字仿真仪)、引水系统及水轮机仿真装置、第一接口设备和第二接口设备；

所述RTDS仿真装置通过所述第一接口设备与水电机组的水轮机调速器相连接，并通过第二接口设备与所述引水系统及水轮机仿真装置相连接；

所述RTDS仿真装置通过第一接口设备接收水轮机调速器发送的仿真数据，并通过第二接口设备将所述仿真数据转发至引水系统及水轮机仿真装置；

所述引水系统及水轮机仿真装置接收所述仿真数据，对引水管道水击效应进行仿真，并通过第二接口设备将引水管道水击效应仿真数据输出至RTDS仿真装置；

所述RTDS仿真装置接收所述引水管道水击效应仿真数据，并对水电机组的频率特性和负荷特性进行仿真。

RTDS仿真装置可接入大型水电站中真实的水轮机调速器，真实的水轮机调速器包含不同工况的切换，RTDS仿真装置可通过参数与结构辨识实现与实际装置特性一致的水轮机调速器RTDS建模。该模型可考虑调速器空载、联网、孤岛三种不同运行模式，以及开度和功率两种控制方式，不同运行模式下的PID控制考虑限幅等非线性环节，实现了水轮机调速器控制特性的精确仿真，不同控制方式考虑速率限制、死区等非线性环节。

引水系统及水轮机仿真装置的作用是对引水系统及水轮机进行仿真，对于引水系统而言，引水管道内的水流特性极大地影响了水轮机调节系统的性能。水流惯性使得引水管道内流量的变化滞后于导叶开度的变化，与此同时，管道内水体的可压缩性和管壁的弹性使得液体内部产生压强并在管道内交替升降传递，形成水击现象，它发生在压力管道管壁的所有表面，有时会达到很大的数值，造成功率变化在响应初期出现反调现象，影响系统频率特性。针对一般仿真无法准确模拟水击现象问题，本实用新型设置了引水系统及水轮机仿真装置，可根据典型水电站参数建立详细的仿真模型，得到引水管道水击效应数据，并通过第二接口设备与RTDS仿真装置进行数据互通，实现与RTDS仿真装置联合仿真，最终得到水轮机调速系统的频率特性。

在一个进一步的实施例中，上述第一接口设备可包括第一高速模拟量输出板卡(GTAO，The Gigabit Transceiver Analogue Output Card)、测频单元、第一高速数字量输出板卡(GTDO，The Gigabit Transceiver Digital Input Card)、第一高速模拟量输入板卡(GTAI，The Gigabit Transceiver Analogue Input Card)和数模转换装置；所述RTDS仿真装置的第一输出端通过第一高速模拟量输出板卡分别与测频单元和水轮机调速器相连接，所述测频单元与水轮机调速器相连接；所述RTDS仿真装置的第二输出端通过所述第一高速数字量输出板卡与水轮机调速器相连接；所述RTDS仿真装置的第一输入端通过第一高速模拟量输入板卡与数模转换装置相连接，所述数模转换装置与水轮机调速器相连接。

在实际的一个应用场景中，所述第一高速模拟量输出板卡可采用硬接线方式与所述测频单元相连接；所述测频单元、第一高速模拟量输出板卡和数模转换装置可采用硬接线方式与所述水轮机调速器相连接；所述数模转换装置可采用硬接线方式与所述第一高速模拟量输入板卡相连接；所述第一高速模拟量输出板卡、第一高速数字量输出板卡和第一高速模拟量输入板卡可通过光纤与所述RTDS仿真装置相连接。

具体来讲，RTDS仿真装置可通过第一高速模拟量输出板卡将实时瞬时的机端三相电压送入测频单元，测频单元检测电压频率，通过硬接线连接，将频率信号送入水轮机调速器；RTDS仿真装置还可通过第一高速模拟量输出板卡将导叶行程信号送入水轮机调速器；RTDS仿真装置还可通过第一高速数字量输出板卡将机端断路器位置、孤岛、联网等运行方式送入水轮机调速器；水轮机调速器可通过DA转换模块将控制开度信号送入第一高速模拟量输入板卡，第一高速模拟量输入板卡将控制信号输入RTDS仿真装置。

在另一个进一步的实施例中，所述第二接口设备可包括多个高速通信板卡(GTNET，The Gigabit Transceive Network Interface Card)；所述RTDS仿真装置的输入输出端分别通过各个高速通信板卡与引水系统及水轮机仿真装置的输入输出端相连接。RTDS仿真装置可通过高速通信板卡将调速器控制开度和发电机转速信号送入引水系统及水轮机仿真装置，引水系统及水轮机仿真装置通过GTNET卡将导叶行程和发电机转矩信号送入RTDS实时仿真装置。在实际的一个应用场景中，所述RTDS仿真装置与各个高速通信板卡通过光纤连接，各个高速通信板卡与所述引水系统及水轮机仿真装置通过网络连接。

上述各个板卡可采用TCP/IP协议(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/因特网互联协议)实现引水系统及水轮机仿真装置与RTDS仿真装置之间的通信。RTDS仿真装置可通过GTNET板卡利用TCP/IP协议将水电站各水电机组的频率、调速器控制开度信号、时钟同步信号入引水系统及水轮机仿真装置，引水系统及水轮机仿真装置进行计算实时将各机组出力与导叶行程通过GTNET卡利用TCP/IP协议送回RTDS仿真装置，形成闭环仿真系统。

为了对直流控制保护特性进行仿真，还可设置直流控制保护装置和第三接口设备；所述直流控制保护装置通过第三接口设备与RTDS仿真装置相连接；所述直流控制保护装置接收所述RTDS仿真装置输出的电压信号、电流信号、滤波器投切状态信号和交直流场开关信号，并输出交直流场开关命令以及换流阀触发信号至所述RTDS仿真装置，对所述闭环仿真过程的直流控制保护特性进行仿真。

进一步地，所述第三接口设备可包括第二高速模拟量输出板卡、第二高速数字量输出板卡和第二高速数字量输入板卡；所述RTDS仿真装置的第四输出端通过第二高速模拟量输出板卡与直流控制保护装置的第一输入端相连接；所述RTDS仿真装置的第五输出端通过所述第二高速数字量输出板卡与直流控制保护装置的第二输入端相连接；所述RTDS仿真装置的第三输入端通过第二高速数字量输入板卡与直流控制保护装置的输出端相连接。RTDS仿真装置可通过高速模拟量输出板卡GTAO板卡将交直流电压、电流等信号送给直流控制保护装置，通过高速数字量输出板卡GTDO将滤波器投切状态、交直流场开关信号等送入直流控制保护装置，直流控制保护装置可将交直流场开关命令以及换流阀触发信号通过高速数字量输入板卡GTDI板卡送入RTDS仿真装置。

在实际的一个应用场景中，所述第二高速数字量输出板卡、第二高速模拟量输出板卡和第二高速数字量输入板卡可分别通过光纤与所述RTDS仿真装置相连接；所述第二高速模拟量输出板卡、第二高速数字量输出板卡和第二高速数字量输入板卡可分别通过硬接线与所述直流控制保护装置相连接。

下表示出了仿真数据与实测数据的对比，根据对比结果可以看出，通过本实用新型的水电机组调速控制仿真系统可以精确地仿真出水轮机调速器的频率特性。

本实用新型具有以下优点：

(1)可以模拟调速器空载、联网、孤岛三种不同运行模式，开度和功率两种控制方式，实现了对调速器特性的精确仿真。

(2)开发了引水系统及水轮机仿真装置与RTDS仿真装置通讯接口，RTDS通过GTNET卡利用TCP/IP协议将电站各机组频率、调速器控制开度信号、时钟同步信号入引水系统及水轮机仿真装置，引水系统及水轮机仿真装置进行计算实时将各机组出力与导叶行程通过GTNET卡利用TCP/IP协议送回RTDS实时仿真装置，形成闭环仿真系统。

(3)大型水电通过高压直流送出系统机网协调频率特性精确仿真平台通过接口设备3接入了真实直流控制保护装置，实现对直流控制保护特性精确仿真。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。