CN102508159B

CN102508159B - 大型发电机组自动调节装置通用辅助测试系统及方法

Info

Publication number: CN102508159B
Application number: CN 201110364813
Authority: CN
Inventors: 李志华; 黄青松
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2031-11-17
Also published as: CN102508159A

Abstract

本发明公布了一种大型发电机组自动调节装置通用辅助测试系统及方法，系统包括功率信号调理模块、A/D转换模块、微处理器模块、第一频率信号输出模块、输出调理模块、第二频率信号输出模块、频率捕获模块、机组模型及负荷扰动模型存储模块、负荷功率扰动显示及设置人机接口和通信模块。方法是将机组发出的有功功率输出到大电网，利用机组的仿真模型及实际的输出有功功率，模拟大型机组携带孤立电网运行时，电网频率随机组输出有功功率变化而变化的规律，阻止大电网对机组调节装置频率的牵制,从而能够测试机组调节装置的自动调节能力。人工选择模拟输入负荷的变化规律，利用大电网消耗机组发出的有功功率，辅助测试机组自动调节装置的性能。

Description

大型发电机组自动调节装置通用辅助测试系统及方法

技术领域

本发明涉及大型发电机组自动调节装置通用辅助测试系统，尤其是能对大型发电机组自动调节装置的有效性、输出功率调节能力、响应性能进行测试。

背景技术

大型发电机组自动调节装置的性能测试一般分两部分：空载测试，满负荷测试。空载测试相对简单，但满负荷测试却相对困难。因为很难找到与机组额定功率相当的孤立负荷，让机组接入，得到负荷变化引起频率变化的测试环境，用来测试机组自动调节装置的性能。目前获得系统自动调节装置的方法主要两种：一种是通过计算机数字在线仿真来确定自动调节装置的性能；在仿真前，参数的确定一般都需要较为准确的过水通道、气道、原动机、发电机和负荷的模型，用优化的专门软件计算的。但是，真实电厂有时与数学模型不同，数据可能存在误差，并且设备在其寿命期间经受着偶然事故和改进，因此在某些情况下，数字计算的质量相对地表现出不足。要想通过仿真的方法准确地了解大型发电机组在额定功率下，自动调节装置的实际调节过程，并得到定量的结论是十分困难的；第二种方法是通过将系统接入小型的孤立电网，利用孤立电网中负荷的变化来测试自动调节装置的性能。然而，随着用电质量及可靠性要求的提高，发电电厂附近的电力网都纷纷接入大电网。小型的、特别是与发电机组容量相当的孤立电网越来越少。在实际测试中寻找合适的小型的孤立电网是非常困难的。另一种想法是将带有自动调节装置的发电机组直接接入大电网进行测试，但是，因为一旦发电机组接入大型电力网，其频率将受到电力网的强力牵制。所以只能测试发电机组自动调节装置小范围内的动态性能。难以获得发电机组自动调节装置的较大范围的动态性能。

发明内容

本发明目的是为了克服现有的上述几种测试方法的不足，提供一种基于大电网新型的发电机组自动调节装置辅助测试系统，该装置在不需要孤立电网条件下，不仅能通过大电网有效地吸收发电机组的有功功率、避免其频率的调节受到电力网的强力牵制，而且能够测试发电机组自动调节装置较大范围内动态性能。与此同时，由于辅助仿真测试系统的模型系统可重新设置，所以系统能够适应水轮发电机组、汽轮发电机组、风电机组等多种机组的测试。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明大型发电机组自动调节装置通用辅助测试系统，包括功率信号调理模块、A/D转换模块、微处理器模块、第一频率信号输出模块、输出调理模块、第二频率信号输出模块、频率捕获模块、机组模型及负荷扰动模型存储模块、负荷功率扰动显示及设置人机接口和通信模块，功率信号调理模块的输出端串接A/D转换模块后接微处理器模块的输入端，第二频率信号输出模块的输出端串接频率捕获模块后接微处理器模块的输入端，微处理器模块的输出端依次串接第一频率信号输出模块、输出调理模块，机组模型及负荷扰动模型存储模块、负荷功率扰动显示及设置人机接口和通信模块分别与微处理器模块双向通信。

微处理器模块由数字信号处理模块和电网负荷模型扰动及机组模型仿真频率计算模块构成。

大型发电机组自动调节装置通用辅助测试系统的测试方法，将被测试的机组接入大电网，在机组闭环调节装置的频率反馈回路中，插入频率随输出功率变化的模型，模拟机组带载时频率随机组输出功率变化的规律；模拟机组带载时频率变化，机组模型及参数可重置，可选择负荷变化模型，可实现频率阶跃变化，简单通用的接口电路；模拟机组带载时频率变化是指系统在将发电机组的输出有功功率输出到大电网的同时，模拟发电机组在负荷扰动作用下频率随输出功率变化而变化，从而便于发电机组自动调节装置的性能测试；机组模型及参数可重置是指系统的机组模型可重新设置，保证系统可用于不同大型机组测试，其模型参数及模型表达式用差分文本方式表达，可重新装入并解释执行，系统在脱机状态，通过串行口将模型的表达式装入系统非易失存储器，系统复位后能自动装入存储的表达式及参数，解释并运行模型；权属特征可选择负荷变化模型是指系统预设两种负荷变化模型，系统可根据测试要求选择模型并设置参数；可实现频率阶跃变化是指系统为适应自动调节系统测试系统可实现幅值可调的频率阶跃变化；简单通用的接口电路是指用一个差分放大器，两个6位开关，6各电位器及参考电压实现实现0-5v，0-10v，0-20v，+-5v，+-10v，0-10mA，0-20mA，+-5mA，+-10mA，4-20mA功率互感器接口，实现系统的通用性。

本发明的有益效果是，可以直接利用大电网来吸收发电机输出的有功功率，使得发电机组工作于额定功率附近不同的状态，从而测试机组自动调节装置在不同工作状态下系统的调节性能。由于采用模型解释软件模块，使得仿真装置针对能用单个差分表达式表达的机组模型具有一定的通用性。辅助仿真测试系统输入功率接口电路能适应现场多种功率输入信号。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明主程序流程图；

图3是本发明的仿真子程序流程图；

图4是本发明的仿真定时中断子程序流程图；

图5是本发明的功率信号调理电路原理图；

图6大型发电机组及自动调节装置测试示图；

图1中，1.功率信号调理，2.A/D转换，3.数字信号处理，4.电网负荷模型扰动及机组模型仿真频率计算，5.频率信号输出，6.输出调理，7.频率信号调理，8.频率信号捕获，9.机组模型及负荷扰动模型存储，10.负荷功率扰动显示及设置人机接口，11.RS232通信模块。

图2中，1.初始化各端口，2.读入设置，3.选择要执行功能，4.执行仿真功能，5.执行查询功能，6.执行设置功能，7.实现与计算机通信。

图3中，1.读入设置，2.根据设置读发电机组模型，3.解释发电机组模型，4.根据设置读入扰动负荷模型，5.读入当前电网频率，6.设置并开定时中断，7.读结束标志，8.关定时中断。

图4中，1.采集机组有功功率，2.有功功率滤波，3.计算当前扰动负荷值，4.解释机组模型并计算新频率，5.输出新频率，6.输出频率限值

图5中，S1、S2、S3、S4为数位开关，R22、R23、R24、R30、R31、R32为精密可调电阻，R25、C36、R29、C41和C39为低通滤波电路，U8为差分放大器，U9为电压跟随器，R28为分压电路。C40、FC2、FR为低通滤波电容及电阻，C30、C31、C44、C45、C32、C33、C42、C43为电源退偶电容。S4的6脚，7脚接参考电压。

图6中，大型发电机组及自动调节装置测试示图。

具体实施方式

在图1中，发电机组三相功率变换器将发电机组的三相有功功率变换为0～5V或2-20mA等弱信号。功率信号调理(1)将多种不同的弱信号统一变换为0～3V的电压信号，A/D转换(2)将0～3V的电压信号转换为数字信号进入DSP。DSP对输入的信号进行数字滤波、剔除高频扰动获得与实际输出功率对应的数值。将滤波获得的数值乘以功率变换系数得到发电机实际输出有功功率值；频率信号调理(7)利用电压互感器将电网的电压强信号转换为弱电压信号，并将正弦信号转换为方波，并通过光耦隔离送入频率捕获(8)。频率捕获(8)实时地将电网的频率捕获到DSP；仿真测试开始时，DSP读入机组仿真模型及扰动模型表达式，解释表达式，将从扰动负荷有功功率变化模型获得的初始时刻值、当前发电机实际输出有功功率值，以及开始仿真时刻频率捕获(8)捕获的电网频率值(仅作为初始频率f₀，在一次仿真过程中只在开始仿真时刻捕获频率作为仿真起始频率f₀，仿真过程中不再捕获)带入机组及负荷简化模型运算，获得按模型仿真计算得到的新频率。DSP通过频率信号输出(5)将新频率输出。输出调理(6)将频率信号输出(5)输出的频率信号通过光耦隔离及信号变换，变换为±12V的标准方波，输出到自动调节装置的频率输入端。DSP定时采集发电机实际输出有功功率值，从扰动负荷有功功率变化模型计算负荷有功功率，通过机组仿真模型计算获得新频率，直至仿真结束。其仿真子程序的主要流程如图2及图3。

将机组接入大电网，利用大电网吸收机组发出的有功功率。断开机组自动调节装置的频率反馈回路，在机组自动调节装置的频率反馈回路中插入一辅助仿真测试系统。辅助仿真测试系统的输入为机组的输出有功功率，输出为随负荷扰动变化的频率。这样，自动调节装置的输入频率不再是大电网频率，其频率的变化不再受电力网的强力牵制，因此输入频率可以在较大范围内变化。在辅助仿真测试系统内部建立机组的简化模型及负荷扰动模型，利用辅助仿真测试系统模拟发电机组随负荷变化而变化的频率。这样既可以让机组工作在不同的负荷状态，其自动调节装置的频率又不受大电网的频率强力牵制，同时由于系统处于实际的工作环境，因此，不需要建立详细、准确的过水通道、气道、原动机、发电机和负荷的模型。

1)以水轮发电机组为例，在额定功率附近建立系统简化模型：

J \frac{dω}{dt} + eω = (P_{t} - P_{g}) / ω_{0}

式中，J为水轮机组的转动惯量，e为机组自调节系数，P_t原动机输入有功功率，P_g为输出电功率，ω机组角频率，ω₀为额定角频率。

系统工作于额定状态附近，假设转速不变，则近似有

P_t＝P_{g测量输出}+2πf₀ω₀e

P_t原动机输入有功功率由通用辅助测试系统实际测试获得，不需要建立详细、准确的过水通道、气道、原动机、发电机模型。可得到频率与有功功率的变化规律。将频率输入到机组调节装置，可使机组调节装置得到充分测试。

又ω＝2πf，那么写成差分格式

2)机组及负荷简化模型：

式中：T_a为机组惯性时间常数

s；GD²为机组转动部分飞轮力矩，kN·m²；n_r为机组额定转速，1/min；P_{g测量输出}为机组有功功率输出测量值(kW)。P_负载功率可模拟变化的负荷功率；e水轮机组的自调节系数；f(k+1)，f(k)为频率，f₀为初始频率，可从扰动加入时刻电网频率获得(也可近似用50Hz直接初始化)。

3)典型负荷有功功率变化模型

(1)阶跃变化：P_额定+AU(t)

(2)正弦变化：P_额定+Asin(t)

由于负荷模型由软件产生，简化了负荷模型的建立。

3)由于不同的机组模型参数不同，甚至模型的结构不同。为了能够使得辅助仿真测试系统具有一定通用性，装置的模型部分采用表达式解释模块来解释现场装入的文本表达式。现场通过RS232串行口将类似下面表达式输入到EEROM存储，仿真运行时，仿真模块从EEROM中读取模型表达式，直接解释，并进行计算。

f(k+1)＝f(k)*(1-Δt/Ta)+f0*Δt/TA+(Pm-Ph)*Δt/(e*4*PI*PI*TA*f0)

式中，f(k+1)，f(k)，f0分别为递推新频率，当次频率、初始频率；Δt为时间间隔；TA为机组时间常数；Pm为输出功率测量值；Ph为负荷变化规律。其中，f(*)和Pm为不可变标号，f(*)中的k表示地几次递推值，模型小于三阶。

4)为了系统能够适应不同发电机组自动调节装置的测试需求，系统设计了能够适应多种功率输入的功率信号调理通用接口电路。

图2中，仿真开始时，首先读入设置(1)，决定仿真使用何种仿真模型及负荷扰动模型。根据设置读入发电机组模型(2)表达式，DSP对利用解释程序解释发电机组模型(3)，将文本方式的表达式解释成DSP数学模型及相关变量，以便进行计算；根据设置读入负荷模型(4)；读入当前电网频率(5)，作为仿真运行的初始频率f₀。设置采样间隔时间并开中断(6)，等待中断采样仿真计算，同时查询仿真标志，判断是否结束仿真。仿真标志由触摸屏通信中断程序设置。仿真结束关定时中断返回主循环，仿真未结束循环等待定时中断。

图3中，是定时中断子程序。模型计算放入定时中断子程序可以等间隔采样，提高模型计算的准确性。采集发电机组的有功功率(1)，进行有功功率滤波(2)，利用低通滤波器滤去随机高频扰动获得当前发电机组输出有功功率；利用扰动负荷模型计算当前时间扰动负荷值(3)；将当前发电机组输出有功功率及当前时间扰动负荷值带入发电机组仿真模型，计算新频率(4)。判断新频率是否超过限值(限值由人工设置，避免频率变化过大损坏发电机组)。如果频率不超过频率限值则在下一周期输出新频率值。如频率超过限制则在下一周期一相应限值频率输出。最后返回中断断点。

在图4所示为功率信号调理电路原理图中，为了能让系统适应现场常见的输入信号，本发明采用数位开关进行人工切换输入电路，保证装置具有一定通用性。

当输入为0～5V电压时，

S1的1脚与12脚短接，S2的1脚与12脚短接，S1、S2的其他脚断开，利用R22精密可调将0～5V电压分压为0～3V。然后经R25、C36、R29、C41和C39组成的低通滤波电路进入差分放大器U8，U8放大倍数为1。将S4的1脚与8脚短接，为U8提供0V参考电压。短接S3的3脚与6脚，将U8的输出接到U9构成的电压跟随器，U9输出0～3V的电压AD1送下一级A/D转换。FC2与串联的电阻为低通滤波。

当输入为0～10V电压时，

S1的2脚与11脚短接，S2的2脚与11脚短接，S1、S2的其他脚断开，利用R23精密可调将0～10V电压分压为0～3V。然后经R25、C36、R29、C41和C39组成的低通滤波电路进入差分放大器U8，U8放大倍数为1。将S4的1脚与8脚短接，为U8提供0V参考电压。短接S3的3脚与6脚，将U8的输出接到U9构成的电压跟随器，U9输出0～3V的电压AD1送下一级A/D转换。FC2与串联的电阻为低通滤波。

当输入为-5～+5V电压时，

S1的2脚与11脚短接，S2的2脚与11脚短接，S1、S2的其他脚断开，利用R23精密可调将-5～+5V电压分压为-1.5～+1.5V。然后经R25、C36、R29、C41和C39组成的低通滤波电路进入差分放大器U8，U8放大倍数为1。将S4的2脚与7脚短接，为U8提供+1.5V参考电压。短接S3的3脚与6脚，将U8的输出接到U9构成的电压跟随器，U9输出0～3V的电压AD1送下一级A/D转换。FC2与串联的电阻为低通滤波。

当输入为0～20V电压时，

S1的3脚与10脚短接，S2的3脚与10脚短接，S1、S2的其他脚断开，利用R24精密可调将0～20V电压分压为0～3V。然后经R25、C36、R29、C41和C39组成的低通滤波电路进入差分放大器U8，U8放大倍数为1。将S4的1脚与8脚短接，为U8提供0V参考电压。短接S3的3脚与6脚，将U8的输出接到U9构成的电压跟随器，U9输出0～3V的电压AD1送下一级A/D转换。FC2与串联的电阻为低通滤波。

当输入为-10～+10V电压时，

S1的3脚与10脚短接，S2的3脚与10脚短接，S1、S2的其他脚断开，利用R24精密可调将-10～+10V电压分压为-1.5～+1.5V。然后经R25、C36、R29、C41和C39组成的低通滤波电路进入差分放大器U8，U8放大倍数为1。将S4的2脚与7脚短接，为U8提供+1.5V参考电压。短接S3的3脚与6脚，将U8的输出接到U9构成的电压跟随器，U9输出0～3V的电压AD1送下一级A/D转换。FC2与串联的电阻为低通滤波。

当输入为0～10mA电流时，

S1的4脚与9脚短接，S2的4脚与9脚短接，S1、S2的其他脚断开，将R30精密电阻调至300欧，电阻两端电压为0～3V。然后经R25、C36、R29、C41和C39组成的低通滤波电路进入差分放大器U8，U8放大倍数为1。将S4的1脚与8脚短接，为U8提供0V参考电压。短接S3的3脚与6脚，将U8的输出接到U9构成的电压跟随器，U9输出0～3V的电压AD1送下一级A/D转换。FC2与串联的电阻为低通滤波。

当输入为-5～+5mA电流时，

S1的4脚与9脚短接，S2的4脚与9脚短接，S1、S2的其他脚断开，将R30精密电阻调至300欧，电阻两端电压为-1.5～+1.5V。然后经R25、C36、R29、C41和C39组成的低通滤波电路进入差分放大器U8，U8放大倍数为1。将S4的2脚与7脚短接，为U8提供+1.5V参考电压。短接S3的3脚与6脚，将U8的输出接到U9构成的电压跟随器，U9输出0～3V的电压AD1送下一级A/D转换。FC2与串联的电阻为低通滤波。

当输入为0～20mA电流时，

S1的5脚与8脚短接，S2的5脚与8脚短接，S1、S2的其他脚断开，将R31精密电阻调至150欧，电阻两端电压为0～3V。然后经R25、C36、R29、C41和C39组成的低通滤波电路进入差分放大器U8，U8放大倍数为1。将S4的1脚与8脚短接，为U8提供0V参考电压。短接S3的3脚与6脚，将U8的输出接到U9构成的电压跟随器，U9输出0～3V的电压AD1送下一级A/D转换。FC2与串联的电阻为低通滤波。

当输入为-10～+10mA电流时，

S1的5脚与8脚短接，S2的5脚与8脚短接，S1、S2的其他脚断开，将R31精密电阻调至150欧，电阻两端电压为-1.5～+1.5V。然后经R25、C36、R29、C41和C39组成的低通滤波电路进入差分放大器U8，U8放大倍数为1。将S4的2脚与7脚短接，为U8提供+1.5V参考电压。短接S3的3脚与6脚，将U8的输出接到U9构成的电压跟随器，U9输出0～3V的电压AD1送下一级A/D转换。FC2与串联的电阻为低通滤波。

当输入为4～20mA电流时，

S1的6脚与7脚短接，S2的6脚与7脚短接，S1、S2的其他脚断开，将R32精密电阻调至250欧，电阻两端电压为1～5V。然后经R25、C36、R29、C41和C39组成的低通滤波电路进入差分放大器U8，U8放大倍数为1。将S4的3脚与6脚短接，为U8提供-1V参考电压。U8输出为0～4V，短接S3的1脚与8脚、S3的2脚与7脚，调节电位器R28至3/4位置，将0～3V电压输出到U9构成的电压跟随器，U9输出0～3V的电压AD1送下一级A/D转换。FC2与串联的电阻为低通滤波。

Claims

1.一种大型发电机组自动调节装置通用辅助测试系统，其特征在于包括功率信号调理模块（1）、A/D转换模块（2）、微处理器模块、频率信号输出模块（5）、输出调理模块（6）、频率信号调理模块（7）、频率捕获模块（8）、机组模型及负荷扰动模型存储模块（9）、负荷功率扰动显示及设置人机接口（10）和通信模块（11），功率信号调理模块（1）的输出端串接A/D转换模块（2）后接微处理器模块的输入端，频率信号调理模块（7）的输出端串接频率捕获模块（8）后接微处理器模块的输入端，微处理器模块的输出端依次串接频率信号输出模块（5）、输出调理模块（6），机组模型及负荷扰动模型存储模块（9）、负荷功率扰动显示及设置人机接口（10）和通信模块（11）分别与微处理器模块双向通信。

2.根据权利要求1 所述的大型发电机组自动调节装置通用辅助测试系统，其特征在于微处理器模块由数字信号处理模块（3）和电网负荷模型扰动及机组模型仿真频率计算模块（4）构成。

3.一种如权利要求1所述的大型发电机组自动调节装置通用辅助测试系统的测试方法，其特征在于将被测试的机组接入大电网，在机组闭环调节装置的频率反馈回路中，插入频率随输出功率变化的模型，模拟机组带载时频率随机组输出功率变化的规律；模拟机组带载时频率变化，机组模型及参数可重置，可选择负荷变化模型，可实现频率阶跃变化，简单通用的接口电路；模拟机组带载时频率变化是指系统在将发电机组的输出有功功率输出到大电网的同时，模拟发电机组在负荷扰动作用下频率随输出功率变化而变化，从而便于发电机组自动调节装置的性能测试；机组模型及参数可重置是指系统的机组模型可重新设置，保证系统可用于不同大型机组测试，其模型参数及模型表达式用差分文本方式表达，可重新装入并解释执行，系统在脱机状态，通过串行口将模型的表达式装入系统非易失存储器，系统复位后能自动装入存储的表达式及参数，解释并运行模型；权属特征可选择负荷变化模型是指系统预设两种负荷变化模型，系统可根据测试要求选择模型并设置参数；可实现频率阶跃变化是指系统为适应自动调节系统测试系统可实现幅值可调的频率阶跃变化；简单通用的接口电路是指用一个差分放大器，两个6位开关，6个电位器及参考电压实现0-5v，0-10v，0-20v，+-5v，+-10v，0-10mA，0-20mA，+-5mA，+-10mA，4-20mA功率互感器接口，实现系统的通用性。