基于全数字水轮机调速器仿真平台系统的实现与应用研究

石松SHI Song

（国网江西柘林水电厂，九江 332000）

0 引言

水轮发电机组调速系统为水电厂的重要辅机控制部分，也能够实现对水轮机进行频率和功率调节的关键设备。水轮发电机调速器需要具有两种功能：自动同期并网功能和负荷调节功能。其中，同期并网功能是实现对水轮机组运行状态进行自动调整导叶开度的重要条件。在水轮机组正常运行过程中，运行人员可以通过上位机监控系统向水轮发电机组下达运行状态调整命令，然后调速器具备的同期并网功能可依据相关命令，能够实现通过调整导叶而达到调节过水流量的目的实现对机组负荷和频率的调节，从而达到机组安全稳定的运行，保证对电能的输送。对机组的功率调节实际上也是通过调速器对功率和频率信号的采集，通过内部算法（偏差值）来控制液压阀放大系统，达到控制导叶而实现闭环的目的。水轮发电机组在正常发电或者空载运行中，运行人员可按照调度要求来进行对机组的开停和负荷的增加，使用调速器的功率调节功能（AGC 或者一次调频），将水轮机的转速、功率、流量（开度）等调节至调度要求参数位置，以此保证水轮发电机组运行的安全性、稳定性。

水轮机调速系统作为水电厂安全稳定运行的重要核心辅助控制设备之一，从水力发电开始的历史就伴随着水轮机调速系统的高速发展。作为水电厂重要的控制核心设备之一，为保证日后的运行和维护，通过对其仿真研究和培训提上日程。

1 仿真应用培训系统理论数学模型构建[1]

水轮机旋转部分（含发电机）的动力方程为：

式中：J——水轮发电机的转动惯量（kg·m2）；ω——水轮机旋转角速度（rad/s）；Mt——水轮机组转矩（N·m）；Mg——发电机组负荷阻力矩（N·m）。

在固定模式下的机组工况下，只有通过调节过水流量Q 和机组效率ηt，才能调节水轮机转矩，从而达到Mt=Mg的目的保持平衡。从最终实现要求来看，水轮机组调节的首要任务是保持水轮发电机组转速（频率）在额定值附近的允许范围内。然而，从本质上讲，只有当水轮机调速器调节水轮机导叶开度（从而调节水轮机过水流量Q），使Mt=Mg，才能维持机组在允许的稳定转速（频率）下运行。

图1 水轮机调节系统图

上述表述为本次科研项目的主要理论依据，还需根据柘林电厂现有特点来完善其仿真的真实性。

2 仿真培训平台硬件构成

该仿真培训系统由水轮机控制系统（调速系统）、水轮机应用仿真系统、工程师工作站计算机、学员培训计算、示教用油压装置（油泵和蓄能器组）、接力器油缸及管道构成，见图2。建设本系统的目的在于：在相对安全、安静的环境下开展教育培训工作，让参加学习的技术人员更好地认知水轮机调速器、调速系统油压装置等关键现场设备，学习了解水轮机调节系统的功能、关键技术指标和检验系统性能指标的操作方法和步骤。利用搭建的系统，完成设想的工况检验，特别是模拟系统相关设备的故障工况，检验调速器的机组工况维持能力：故障自诊断性能、故障后自恢复功能，为电站运行规程、故障和事故处理流程提供支撑。在搭建好的系统上，进行一部分研究工作，完善设备的功能，挖掘设备的运行潜能。其中调速器与现场设备采用1:1建设，可利用现场升级改造退役的设备主体来搭建，可以节约成本。培训用油压装置采用气囊式小型蓄能器组、组合阀、油泵电动机构成，可在节约安装空间、节约建设成本的前提下模拟现场的调速器油压装置工作过程，具备储能的作用，以满足调速器推动接力器油缸做功的需求。接力器油缸和管道作为能量传递和执行机构，可以仿真现场的导叶接力器动作，方便实践操作人员直观地观察操作结果。

图2 实体框图

3 仿真培训平台软件构成

仿真应用平台系统软件结构框图如图3 所示。图3 中，有“*”的试验项目可用于自动生成试验报告。注意，所提供的过渡过程指标自动或手动分析功能、模型辨识功能及信号时频分析功能适用于所有具有波形显示和记录功能的界面，见图4。

图3 软件实现功能

图4 软件界面

本应用平台仿真依据国标GB/T9652.2-2017 测试标准，对水轮机调速器的相关要求进行测试和分析相关性能指标。

①独有的对象仿真、调速器测试、提供标准信号源三大功能之集成，极大地方便用户。②操作友好并智能化，自动记录、自动停止、自动计算指标。③静特性试验还具备手动功能，不动时间1 毫秒的分辨率功能，为用户提供最完备测试功能和最准确的数据分析结果。④最大限度满足用户的现场需求。油开关合闸的状态可以进行常开和常闭的设置选择；此外仿真系统还提供24VDC 供用户使用。⑤信号采样处理精确性，保证频率信号、模拟量信号、开关量信号的精确测量采集。⑥仿真输出频率信号准确，且驱动匹配负载能力极强。⑦优秀的文档管理功能。通过打开已保存的试验文件，可以随时随地地显示、分析整个测试过程；打印图文并茂的试验报告。

4 仿真培训平台现场实际构成

①通过将硬件回路中的，退役的调速器机械和液压系统通过管路焊接到气囊式油压装置和接力器上，额定压力为2.5MPa，接力器按照实际仿真平台的容量进行小型化结构处理。详细的液压系统原理图，见图5。

图5 仿真平台液压系统原理图

②实训平台电气和软件部分全部采用全数字化。将调速器电气控制部分、压力油装置控制部分、仿真平台硬件部分以及各种传感器均采用总线方式通过交换机连接起来。再由软件系统来通过界面进行时间的仿真水轮机的开、停机等操作，见图6。

图6 仿真平台做空载扰动测试

③仿真实训平台的功能的实现。1）实现发电厂开机过程。水轮机调速器根据平台提供的机组频率进行有效的PID 调节，逐步将机组开启至额定转速。2）实现发电厂的并网后的功率调节功能。在第一部实现开机过程后，通过仿真软件实现机组出口断路器GCB 的合闸仿真，则仿真机组进入到并网运行，通过仿真软件下发功率给定指令，由仿真仪输出仿真功率，从而实现了对机组功率调节的仿真。3）实现发电厂的停机过程。通过仿真软件发出停机指令，则调速器收到功率给定为0MW 的指令后，将机组导叶开度减少至0MW 功率对应导叶开度位置，然后软件将GCB 位置给定为“分”位置。调速器收到GCB“分”位置信号和停机令后，将导叶开度关闭到全关位置。本仿真培训平台还可以仿真机组油压装置的运行、控制系统的运行，机组的一次调频、二次调频等功能。

5 总结

综上所述，基于全数字式的仿真平台能够完全仿真模拟现场实际工况（开机、停机、并网、功率调节、一次调频、二次调频、频率调节等等），结合硬件实物通过全数字等通讯技术可以有效地对新员工或者学生进行仿真培训。通过优化软件和通信，可以开展实际的培训工作，这样能够有效地提高工人的工作效率，提升企业的发展空间，为培养未来的水电检修人才做出贡献，同时也提升了企业的利润，有利于员工和企业的共同发展。