CN103593508A - 大型抽水蓄能电站通用仿真平台 - Google Patents

Abstract

一种大型抽水蓄能电站通用仿真平台，在Matlab/Simulink环境下建立水力—机械—电气系统数学模型，其为：采用一管四机布置形式，上游水库通过长引水隧洞与上游调压井相连，然后经过一段较长的高压隧洞后与3个并列卜形的高压岔管连通，每根高压岔管后布置一台300MW的水泵水轮机，水流经过水泵水轮机后进入到3个并列卜形的尾水管岔管，再汇流到尾水支管，流经下游调压井和尾水隧洞后到达下游水库。本发明充分考虑通用性，且可实时并任意查看各曲线的整体变化响应情况。

Description

大型抽水蓄能电站通用仿真平台

技术领域

本发明涉及一种大型抽水蓄能电站通用仿真平台,尤其是涉及一种基于长引水管道一管多机的大型抽水蓄能电站通用仿真平台。

背景技术

抽水蓄能电站是目前电力系统最可靠、最经济、寿命周期最长、容量最大的储能装置，对替代传统化石能源和节能减排以及改善电网运行品质都起着十分重要的作用，而抽水蓄能所具有的调峰、调频、调压、事故备用和黑启动等功能，对坚强智能电网的安全、稳定、经济运行又起着非常重要的支撑作用，对促进我国核电、风电等可再生能源的大规模发展及特高压远距离输电系统的安全稳定经济运行具有特殊意义。同时，大型抽水蓄能机组的一次调频功能对维持电网频率的稳定至关重要，特别是对于那些快速调节机组所占比重较小的电网尤为关键，它们可以在电网突发大负荷变化时快速地提供功率支援，提高电力系统的可靠性和稳定性；对短时间负荷波动的调节可以减少二次调频的动作，优化系统调度、稳定电网频率。

因此，建立调节系统的仿真模型模拟运行工况，并通过相关参数的辨识确定一次调频时调速器稳定运行参数，对改善机组一次调频性能和确保电网稳定至关重要。

在建模方面，之前的研究大多相对独立地针对水力系统、机械系统或电气系统；或者站在水力系统的角度，简化电磁系统模型，建立相应的水力系统模型，重点分析水力系统的动态过程；或者站在电磁系统的角度，简化水力系统模型，建立相应的电磁系统模型，用于电磁系统的动态过程分析。这些研究都取得了较大的进展，理论也已经趋于完善。沈祖诒在1989年建立了水电机组调节系统数学模型，分析了水轮机力矩对长输电线路上产生的机电低频振荡的阻尼作用，提出了并网运行的调速器参数整定法。陈舟、陈寿孙等学者通过比较水力系统的弹性水击模型、刚性水击模型和简化模型，分析研究了水力系统对电力系统低频振荡、暂态稳定性的影响时发现简化模型过于简单，使得计算结果正确性不能得到保证，不能如实反映情况；明确弹性水击模型比较符合实际情况，刚性水击模型与弹性水击模型相比，计算结果普遍较为保守，但在引水道不太长，Tr较小时，两者比较接近，这与学者一贯研究水力—机械过渡过程时的观点一致。潘学萍和鞠平等教授以单机带无穷小电网为例，也进行了水力系统对电力系统低频振荡影响的研究，发现水力系统参数Tr和Tw对系统振荡的影响较大，调速器参数KP、KI、KD对系统振荡的影响较小。程远楚对水电站中水力、机械与电气系统的相互作用机理进行了初步分析，包括电磁过渡过程对调速器过程的影响，水力系统对电气系统暂态过程的影响，水轮机转速控制对电气系统暂态稳定性的影响，以及励磁调节参数对电力系统暂态稳定性的影响。其研究认为：①水轮机和引水系统的水锤效应对电力系统的暂态与动态稳定会带来较为明显的负面影响。②励磁调节作用和发电机的电磁过程对水轮机调速器的负荷扰动特性的不利影响较为明显。在机组调节特性方面，卢勇等指出，广蓄电站采取一洞四机的布置方式，机组负荷调整、开停机对相邻运行机组影响明显。在试验中由于相邻机组运行导致试验机组数据变化较大，建议考虑优化调节参数降低影响。胡静等通过对不同类型抽水蓄能机组进行大量一次调频试验，对其一次调频功能和性能进行了充分的验证,并提出如何将非线性PID等先进控制策略实际应用于抽水蓄能调速器控制中，进一步提高一次调频调节品质，是值得深入研究的课题。

而在仿真平台研究方面，之前的研究往往没有或极少考虑通用性方面的问题，所搭建的平台通常是只针对某一特定电站或某一特定机组，导致了同一类型工作的重复性；且在以往的抽水蓄能电站建模仿真过程中，仿真平台往往难以实时并任意查看各曲线的整体变化响应情况，即在模型可视化和各曲线相互比较等方面存在一定的不足和较大的提升空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种基于长引水管道一管多机的大型抽水蓄能电站通用仿真平台，本发明充分考虑通用性，且可实时并任意查看各曲线的整体变化响应情况。

解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种大型抽水蓄能电站通用仿真平台，其特征是：在Matlab/Simulink环境下建立水力—机械—电气系统数学模型，其为：依次连接的上游水库J1、上游水库至调压井管段L1、上游调压室J2、上调压井至岔管管段L2、岔管前阀门J3、第一钢混卜形岔管L3、第一卜形管道连接处J4；

第一卜形管道连接处J4之后分为两支路：

一支路为依次连接的第一钢支管至球阀管段L6、第一球阀J11、第一球阀至蜗壳管段L10、第一蜗壳J7、第一蜗壳段钢管L14、＃5机组J23、第一钢支管至机组段L22、第二卜形管道连接处J19、第二钢混卜形岔管L21、第三卜形管道连接处J18、第三钢混卜形岔管L20、第四卜形管道连接处J17、下调压井至卜形岔管段L19、下游调压室J16、尾水隧洞L18、下游水库J15；

另一支路为依次连接的第四钢混卜形岔管L4、第五卜形管道连接处J5、第五钢混卜形岔管L5、第六卜形管道连接处J6、第二钢支管至球阀管段L9、第二球阀J14、第二球阀至蜗壳管段L13、第二蜗壳J10、第四蜗壳段钢管L17、＃8机组J20、第二钢支管至机组段L25、第四卜形管道连接处J17；

在第五卜形管道连接处J5还设有分支，依次为：第三钢支管至球阀管段L7、第三球阀J12、第三球阀至蜗壳管段L11、第三蜗壳J8、第二蜗壳段钢管L15、＃6机组J22、第三钢支管至机组段L23、第二卜形管道连接处J19；

在第六卜形管道连接处J6还设有分支，依次为：第四钢支管至球阀管段L8、第四球阀J13、第四球阀至蜗壳管段L12、第四蜗壳J9、第三蜗壳段钢管L16、＃7机组J21、第四钢支管至机组段L24、第六卜形管道连接处J18；

在计算和仿真过程中，将上游调压井等效为上游水库，并且不考虑尾水管、尾水隧洞以及下游调压井和下游水库等对机组一次调频性能的影响，并对管段进行适当的等效合并；

以Labwindows/CVI为开发平台开发出界面程序，采用C语言编程，通过对Matlab/Simulink运行文件数据的实时调用，软件直接从Matlab/Simulink工作空间中调用数据和M文件以及相关函数，软件采用多线程设计，并将仿真所用控制参数通过M文件的形式保存于平台根目录下以供调用。

所述的数学模型中，水泵水轮机模型的建立方法为：

水轮机／水泵特性用5个参数来表示：转矩M，流量Q，水头H，转速n(或机组频率X)和导叶开度(或接力器行程Y)；

这五个参数，用函数来表达它们之间的关系，即

M_T=M_T(X,Y,H)

Q=Q(X,Y,H)；

五个参数中X、Y、H三个参变量是独立的，流量和力矩可由转速、导叶开度和水头表示，构成一个立体的三维坐标；

用SUTER法对水泵水轮机综合特性曲线进行变化，利用插值法得出单位流量和单位转矩，最后换算成流量和转矩信号输出；

SUTER法是将转轮全特性曲线上的点改用“相对单位值”(a，q，m,h)表示；

再将单位流量—单位转速，单位力矩—单位转速平面上各点按照公式变化，在x轴上作为新描述法的横坐标，以WH(x,y)、WM(x,y)为纵坐标；

SUTER变化公式为

$\mathrm{WH}(x,y)=\frac{h}{a^2+q^2}$

$\mathrm{WM}(x,y)=\frac{m}{a^2+q^2};$

其中：a=n₁/n_1r、q=Q₁/Q_1r、m=M₁/M_1r、h=H/H_r；

下标r表示额定值，一般导叶相对开度的额定值为导叶最大开度Y_max；其中 $x=\arctan \frac{q}{a},a\&GreaterEqual;0$ 或 $x=\mathrm{\&pi;}+\arctan \frac{q}{a},a<0;$

为了进一步改进和弥补SUTER法的缺陷，采用改进SUTER法，改进SUTER法的变形公式为：

$\mathrm{WH}(x,y)=\frac{y^2}{{(n_{11}/n_{11r})}^2+({Q_{11}}^2/{Q_{11r}}^2)}=\frac{h}{a^2+q^2}{y}^2$

$\mathrm{WM}(x,y)=\frac{M_{11}+k_1}{M_{11r}}y=(\frac{m}{h}+\frac{k_1}{M_{11r}})y$

x=arctan[(Q₁₁/Q_11r+k₂)/(n₁₁/n_11r)],a≧0

或x=π+arctan[(Q₁₁/Q_11r+k₂)/(n₁₁/n_11r)]，a<0；

其中Q₁₁、n₁₁、m₁₁分别为单位流量、单位转速以及单位力矩；下表有r的表示额定单位流量、额定单位转速和额定单位力矩；k₁为系数，取1.0～1.8；k₂为系数取0.5～1.2；

经过处理后的点需要进一步进行曲线的拟合，WH(x,y)—x曲线拟合采取二次多项式，WM(x,y)—x曲线拟合采用的是正态分布最小二乘；

过平面拟合的曲线很好地反映了曲线的变化，进一步采取三维平面最小二法将各个开度下的曲线拟合成平面；

所述的数学模型中，调速器模型的建立方法为：

输入机频Fg和频率给定Fc至第一取差模块，得出机组实测频率和给定频率偏差值△Fˊ，经±E_f后得出经过人工频率死区后的值△F，△F后分两路：一路直接至第一取和模块、另一路经积分模块后也至第一取和模块，然后和功率偏差值△Y/P1ˊ一起，经除法模块1/bt后，再经1/(Td*S)及自身至第二取和模块，输出一个接力器开度YPID；

所述的功率偏差值△Y/P1ˊ为：开度给定Yc和为功率给定Pc经第一选择模块择一后至第一取差模块，接力器开度YPID和机组功率Pg经第二选择模块后至第一取差模块，得出经过开度/功率死区后的开度、功率偏差值△Y/P，再经乘积模块永态差值系数后得出的；

所述的△F当△Fˊ大于死区值时，△F=△Fˊ，当△Fˊ小于死区值时，△F=0。

图中，bt为暂态差值系数，Td为缓冲装置时间常数，Tn为加速时间常数，T1v为微分时间常数，E_f为人工频率死区，Ey/P为开度/功率死区，bp/ep为永态差值系数，YPID为调节器输出，Fg为机频，Fc为频率给定，Yc为开度给定，Pc为功率给定，Pg为机组功率；△Fˊ为机组实测频率和给定频率偏差值，△F为经过人工频率死区后的值，当△Fˊ大于死区值时，△F=△Fˊ，当小于死区值时，△F=0；同理，△Y/P，是经过开度/功率死区后的开度、功率偏差值，这里△Y/P1ˊ为开度、功率偏差值经永态转差系数变换后的输入信号值。频率偏差信号△Fˊ经人工频率死区E_f后变为△F，△F通过积分环节（Tn*S）/(1+T1v*s)和线性环节与开度、功率偏差值△Y/P1ˊ一起，经1/bt后，再经1/(Td*S)后，输出一个接力器开度YPID；

接力器开度YPID经电液转换环节Kc放大后通过主配压阀死区um，最后通过接力器积分环节1/(Ty*s)后输出导叶开度值Y；

图中Kc是电液转换环节系数；Ty是接力器反应时间；um是主配压阀死区，σmax、σmin是接力器速度限制，Ymax，Ymin为接力器行程限制。

所述的数学模型中，发电机模型的建立方法为：

通常使用的发电机模型有一阶、二阶、三阶、五阶和七阶模型，对水轮机调节系统的稳定性来说，最不利的情况就是单机带负荷运行，这种情况下，使用一阶模型即可；

一阶模型有两个假设：一是发电机和电网保持同步，即为刚性连接，在动态过程中也保持同步；一个是转速变化时，发电机的机端电压保持不变；

参见图8，图中Ta，Tb为电网惯性时间常数，eg为电网自调节系数，mt为机组主动力矩，mr为电网阻力矩，mg为外界扰动力矩，这三个力矩信号综合后经1/[(Ta+Tb)*S+eg]后输出电网频率x。

取电网惯性时间常数Tb为（0.24～0.3）Ta，eg为电网自调节系数，一般在0到2之间。

有益效果：本发明通过解决仿真界面与Matlab/Simulink间的数据通信接口问题，即软件直接从Matlab/Simulink工作空间中调用数据和M文件以及相关函数，实现与模型的同步仿真，软件采用多线程设计，并且和模型之间具有一定的交互性和较好的可视化效果，此外，本平台可以将仿真所用控制参数通过M文件的形式保存于平台根目录下，以供调用。经验证，所开发的仿真软件运行效果与实际试验曲线一致，仿真技术指标达到要求。该软件设计方法也为今后类似的仿真软件开发提供了新的思路。

附图说明

图1为本发明的基于长引水管道一管多机大型抽水蓄能电站通用仿真平台的一管多机抽水蓄能电站水力—机械—电气系统数学模型示意图；

图2为水泵水轮机流量特性曲线图；

图3为水泵水轮机力矩特性曲线图；

图4为力矩M插值曲线图；

图5为流量Q插值曲线图；

图6为实际调节器模型图；

图7为实际电液随动系统图；

图8为发电机传递框图；

图9为软件功能设计图；

图10为仿真软件登陆界面图；

图11为仿真软件主界面图；

图12为手动设置参数界面图；

图13为手动参数设置界面图；

图14为装载参数界面图；

图15为保存曲线界面图；

图16为打印界面图；

图17为密码修改界面图；

图18为密码修改成功图；

图19为受到+0.1HZ上扰时的一次调频响应图；

图20为受到+0.1HZ上扰时的接力器响应图；

图21为受到+0.1HZ上扰时的功率响应图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基于长引水管道一管多机的大型抽水蓄能电站通用仿真平台，是在Matlab/Simulink环境下建立的，其水力—机械—电气系统数学模型为：依次连接的上游水库J1、上游水库至调压井管段L1、上游调压室J2、上调压井至岔管管段L2、岔管前阀门J3、第一钢混卜形岔管L3、第一卜形管道连接处J4。

第一卜形管道连接处J4之后分为两支路：

一支路为依次连接的第一钢支管至球阀管段L6、第一球阀J11、第一球阀至蜗壳管段L10、第一蜗壳J7、第一蜗壳段钢管L14、＃5机组J23、第一钢支管至机组段L22、第二卜形管道连接处J19、第二钢混卜形岔管L21、第三卜形管道连接处J18、第三钢混卜形岔管L20、第四卜形管道连接处J17、下调压井至卜形岔管段L19、下游调压室J16、尾水隧洞L18、下游水库J15；

另一支路为依次连接的第四钢混卜形岔管L4、第五卜形管道连接处J5、第五钢混卜形岔管L5、第六卜形管道连接处J6、第二钢支管至球阀管段L9、第二球阀J14、第二球阀至蜗壳管段L13、第二蜗壳J10、第四蜗壳段钢管L17、＃8机组J20、第二钢支管至机组段L25、第四卜形管道连接处J17；

在第五卜形管道连接处J5还设有分支，依次为：第三钢支管至球阀管段L7、第三球阀J12、第三球阀至蜗壳管段L11、第三蜗壳J8、第二蜗壳段钢管L15、＃6机组J22、第三钢支管至机组段L23、第二卜形管道连接处J19；

在第六卜形管道连接处J6还设有分支，依次为：第四钢支管至球阀管段L8、第四球阀J13、第四球阀至蜗壳管段L12、第四蜗壳J9、第三蜗壳段钢管L16、＃7机组J21、第四钢支管至机组段L24、第六卜形管道连接处J18。

该抽水蓄能电站引水系统采用一管四机布置形式，上游水库通过长引水隧洞与上游调压井相连，然后经过一段较长的高压隧洞后与3个并列卜形的高压岔管连通，每根高压岔管后布置一台300MW的水泵水轮机，水流经过水泵水轮机后进入到3个并列卜形的尾水管岔管，再汇流到尾水支管，流经下游调压井和尾水隧洞后到达下游水库。

在计算和仿真过程中，将上游调压井等效为上游水库，并且不考虑尾水管、尾水隧洞以及下游调压井和下游水库等对机组一次调频性能的影响，并对管段进行适当的等效合并。经验证发现，经这种方法简化后所建模型的仿真结果与实际运行和现场试验结果吻合的较好，仿真效果比较理想，满足仿真的精度要求，达到预期目的。

以Labwindows/CVI为开发平台开发出界面程序，采用C语言编程，通过对Matlab/Simulink运行文件数据的实时调用，软件直接从Matlab/Simulink工作空间中调用数据和M文件以及相关函数，软件采用多线程设计，并将仿真所用控制参数通过M文件的形式保存于平台根目录下以供调用。

参见图2和图3，数学模型中，水泵水轮机模型的建立方法为：

水轮机／水泵特性用5个参数来表示：转矩M，流量Q，水头H，转速n(或机组频率X)和导叶开度(或接力器行程Y)；

这五个参数，用函数来表达它们之间的关系，即

M_T=M_T(X,Y,H)

Q=Q(X,Y,H)；

五个参数中X、Y、H三个参变量是独立的，流量和力矩可由转速、导叶开度和水头表示，构成一个立体的三维坐标；

用SUTER法对水泵水轮机综合特性曲线进行变化，利用插值法得出单位流量和单位转矩，最后换算成流量和转矩信号输出；

SUTER法是将转轮全特性曲线上的点改用“相对单位值”(a，q，m,h)表示；

再将单位流量—单位转速，单位力矩—单位转速平面上各点按照公式变化，在x轴上作为新描述法的横坐标，以WH(x,y)、WM(x,y)为纵坐标；

SUTER变化公式为

$\mathrm{WH}(x,y)=\frac{h}{a^2+q^2}$

$\mathrm{WM}(x,y)=\frac{m}{a^2+q^2};$

其中：a=n₁/n_1r、q=Q₁/Q_1r、m=M₁/M_1r、h=H/H_r；

下标r表示额定值，一般导叶相对开度的额定值为导叶最大开度Y_max；其中 $x=\arctan \frac{q}{a},a\&GreaterEqual;0$ 或 $x=\mathrm{\&pi;}+\arctan \frac{q}{a},a<0;$

为了进一步改进和弥补SUTER法的缺陷，采用改进SUTER法，改进SUTER法的变形公式为：

$\mathrm{WH}(x,y)=\frac{y^2}{{(n_{11}/n_{11r})}^2+({Q_{11}}^2/{Q_{11r}}^2)}=\frac{h}{a^2+q^2}{y}^2$

$\mathrm{WM}(x,y)=\frac{M_{11}+k_1}{M_{11r}}y=(\frac{m}{h}+\frac{k_1}{M_{11r}})y$

x=arctan[(Q₁₁/Q_11r+k₂)/(n₁₁/n_11r)],a≧0

或x=π+arctan[(Q₁₁/Q_11r+k₂)/(n₁₁/n_11r)]，a<0；

其中Q₁₁、n₁₁、m₁₁分别为单位流量、单位转速以及单位力矩；下表有r的表示额定单位流量、额定单位转速和额定单位力矩；k₁为系数，取1.0～1.8；k₂为系数取0.5～1.2；

经过处理后的点需要进一步进行曲线的拟合，WH(x,y)—x曲线拟合采取二次多项式，WM(x,y)—x曲线拟合采用的是正态分布最小二乘。

图2为水泵水轮机流量特性曲线图；图3为水泵水轮机力矩特性曲线图。

过平面拟合的曲线很好地反映了曲线的变化，进一步采取三维平面最小二法将各个开度下的曲线拟合成平面，更加地方便应用，无须插值计算；

处理后的三维平面图拟合的曲线分布比较均匀，如图4、5所示的力矩M插值曲线图和流量Q插值曲线图。

参见图6和图7，所述的数学模型中，调速器模型的建立方法为：

输入机频Fg和频率给定Fc至第一取差模块，得出机组实测频率和给定频率偏差值△Fˊ，经±E_f后得出经过人工频率死区后的值△F，△F后分两路：一路直接至第一取和模块、另一路经积分模块后也至第一取和模块，然后和功率偏差值△Y/P1ˊ一起，经除法模块1/bt后，再经1/(Td*S)及自身至第二取和模块，输出一个接力器开度YPID；

所述的功率偏差值△Y/P1ˊ为：开度给定Yc和功率给定Pc经第一选择模块择一后至第一取差模块，接力器开度YPID和机组功率Pg经第二选择模块后至第一取差模块，得出经过开度/功率死区后的开度、功率偏差值△Y/P，再经乘积模块永态差值系数后得出；

接力器开度YPID经电液转换环节Kc放大后通过主配压阀死区um，最后通过接力器积分环节1/(Ty*s)后输出导叶开度值Y；

所述的△F当△Fˊ大于死区值时，△F=△Fˊ，当△Fˊ小于死区值时，△F=0；

Kc是电液转换环节系数；Ty是接力器反应时间；um是主配压阀死区，σmax、σmin是接力器速度限制，Ymax，Ymin为接力器行程限制。

参见图8，所述的数学模型中，发电机模型的建立方法为：

通常使用的发电机模型有一阶、二阶、三阶、五阶和七阶模型，对水轮机调节系统的稳定性来说，最不利的情况就是单机带负荷运行，这种情况下，使用一阶模型即可。

一阶模型有两个假设：一是发电机和电网保持同步，即为刚性连接，在动态过程中也保持同步；一个是转速变化时，发电机的机端电压保持不变；

这样的假设基于这样的一个简化：电气过程变化远较机械过程为快，电气的调节对机械调节过程的影响可以忽略不计，这个假设在实际过程中是成立的。

机组主动力矩mt、电网阻力矩mr和外界扰动力矩mg三个力矩信号综合后经1/[(Ta+Tb)*S+eg]输出电网频率x；

Ta，Tb为电网惯性时间常数，eg为电网自调节系数，取电网惯性时间常数Tb为（0.24～0.3）Ta，eg为电网自调节系数，在0到2之间。

连接上述各模块，可建立抽水蓄能电站调节系统完整数学模型。

本发明曾以南方电网调峰调频公司惠州抽水蓄能电站为例，在Matlab/Simulink环境下，首先建立其水力—机械—电气系统的数学模型，并考虑水力系统与调速器的非线性因素，以Labwindows/CVI为开发平台开发出界面程序，采用C语言编程，通过对Matlab/Simulink运行文件数据的实时调用，实现了计算流程和输入输出的数据可视化，仿真研究了一次调频时抽水蓄能电站机组调速器参数对调节品质的影响。

本发明所采用技术方案的要点：

(1)采用改进SUTER曲线最小二乘法处理水泵水轮机的交叉多值问题，建立机组模型；引水系统采用基于弹性水击的传递函数，并依次建立调速器、发电机模型，进而建立完整的抽水蓄能电站模型；

(2)仿真平台开发采用m文件实现数据交互，把开发的仿真平台界面上设置的仿真参数值，按照m文件语法规则写到自动生成的临时m文件中，然后用CVI与Matlab的ActiveX编程技术，调用RunMatlabCommand函数，运行生成的m文件，这样就实现了参数注入到Simulink模型；

(3)将获取Simulink运算结果显示到CVI界面的示波器上，依然采用CVI与Matlab的ActiveX技术，调用GetMatrix函数，读取Matlab工作空间的计算结果矩阵。由于仿真时间由用户自行设定，各不相同，而GetMatrix函数能承受的最大数据量是8001个double类，因此，程序采用每一秒截取一次数据的方法，直到仿真结束。由于计算速度较快，示波器能较为连续地显示出每个时刻的计算值，这样就可体现动态的计算效果。

仿真平台开发

仿真界面选用LabWindows/CVI作为开发平台；LabWindows/CVI是National Instruments公司(美国国家仪器公司，简称NI公司)推出的交互式C语言开发平台。LabWindows/CVI将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机地结合起来，利用它的集成化开发环境、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数大大增强了C语言的功能，为熟悉C语言的开发设计人员编写检测系统、自动测试环境、数据采集系统、过程监控系统等应用软件提供了一个理想的软件开发环境。使用LabWindows/CVI可以完成如下工作：a.交互式的程序开发；b.具有功能强大的函数库，用来创建数据采集和仪器控制的应用程序；c.充分利用完备的软件工具进行数据采集、分析和显示；d.利用向导开发IVI仪器驱动程序和创建ActiveX服务器；e.为其它程序开发C目标模块、动态连接库（DLL）、C语言库。在本文中，作者使用LabWindows/CVI用户界面编辑器和为GUI面板设计的专业控件如曲线图控件、带状图控件、表头、旋钮和指示灯等设计和开发了一套所需要的仿真软件。

仿真对象

仿真对象如图1所示，将整个管道系统分成25段，其中L1为上游水库至上调压井管段，L2为上调压井至岔管管段，L3、L21、L20、L4、L5为第一至第五钢混卜形岔管，L6、L9、L7、L8为第一至第四钢支管至球阀管段，L10、L13、L11、L12为第一至第四球阀至蜗壳管段，L14、L15、L16、L17为第一至第四蜗壳段钢管，L18为尾水隧洞，L19为下调压井至卜形岔管段，L22、L25、L23、L24为第一至第三钢支管至机组段，J1、J15为上下游水库，J3为岔管前阀门，J2和J16分别是上下游调压室，J4、J19、J5、J17、J6、J18为第一至第六卜形管道连接处，J11、J14、J12、J13为第一至第四球阀，J7、J10、J8、J9为第一至第四蜗壳，J23、J22、J21和J20分别是＃5机组，＃6机组、＃7机组和＃8机组。

该抽水蓄能电站引水系统采用一管四机布置形式，上游水库通过长引水隧洞与上游调压井相连，然后经过一段较长的高压隧洞后与3个并列卜形的高压岔管连通，每根高压岔管后布置一台300MW的水泵水轮机，水流经过水泵水轮机后进入到3个并列卜形的尾水管岔管，再汇流到尾水支管，流经下游调压井和尾水隧洞后到达下游水库。

软件功能设计

仿真软件平台功能设计思路如图9所示，首先将所有文件放在同一根目录下，并在Matlab/Simulink环境下运行模型和相关文件，将运行数据临时存储在工作空间（Workspace）中，仿真软件通过命令语句intRunMatlabCommand(CAObjHandle hMatlab,char*command)来调用存储在工作空间（Workspace）中的数据和Matlab/Simulink中的模块函数，实现模型的全数字仿真，其中模型对象的控制参数可以在Matlab/Simulink或M文件中修改，然后再通过数据和函数调用传给所开发的仿真软件，反之亦然。在软件界面中，用户可以根据不同电站的数学模型，自由选择，并且在仿真界面里任意切换和查看不同机组的各条响应曲线，如频率、压力、流量、接力器开度、机组出力等。

总的来说，该仿真平台具有以下特点：1、采用密码验证登陆，加强了软件安全性；2、界面采用一体式设计风格，简洁直观；3、输入参数单独设置为一个界面并根据电站的功能不同而进行分类，便于参数设置；4、仿真时间可以任意设定，程序采用多线程设计，能够随时开始和停止仿真；5、每个电站多台机组的多条曲线根据机组号和曲线类型布置在一个界面上，可以随意切换显示；另外曲线变换过程中坐标轴可以自动调整比例，既可宏观地观察趋势变化，也可精确的显示和读取响应曲线的具体变化值和对目标值的响应时间；6、可以对当前页面的曲线进行打印并保存和更新数据；7、可将多个同类型的电站模型置于根目录下，通过命令语句int RunMatlabCommand(CAObjHandle hMatlab,char*command)，根据仿真对象的不同来调用存储在工作空间（Workspace）中对应的数据和Matlab/Simulink中的模块函数，实现仿真平台的通过性。

运行环境要求

（1）硬件环境

1）PC机，CPU1GHz以上，内存1G，硬盘空间10G；

2）普通打印机，A4幅面或以上。

（2）软件环境

1）WindowsXP/Vista/Win7以上等操作系统；

2）Matlab7.0(含Simulink工具箱)及以上版本。

系统操作说明

Matlab（6.5,7.0,7.13版本）软件和本仿真软件安装完成后，用户就可以使用仿真软件了。软件启动方法简单明了，只需要双击桌面上的抽水蓄能电站仿真图标就可以运行。启动程序后首先进入登录系统对话框，在此您需要填写正确的密码。初次安装没有密码，直接点击登陆按钮或在键盘上按enter，进入仿真系统主界面如图10所示。

主界面

如图11所示为仿真软件主界面。用户使用仿真软件主要需求是，对特定的抽水蓄能电站，在特定的工况下和扰动调节下，输入仿真控制参数，模拟现场调节控制器。观察不同机组、不同信号参数的曲线图。

为此，在本仿真软件的主界面上，突出显示了示波器，方便观察曲线走向。同时，根据机组的不同（1号机、2号机、3号机和4号机），以及仿真结果信号的不同（引水管道的压力、抽水蓄能机组的频率和流量、导叶接力器开度和机组出力），一共设置了4*5个示波器，上面分页选择曲线信号种类，下面分页选择机组号码。这样方便而突出的显示出了仿真人员关注的所有信息。

另外，示波器横坐标为时间，纵坐标为不同机组下的不同仿真结果。在仿真进行过程中，示波器纵坐标会根据示波器大小自动调整比例系数，以最佳的显示效果展示曲线。横坐标固定为仿真时间（可变）。图11为仿真软件主界面。

参数设置方法一：手动设置参数

参数设置有两种方式，一种是直接装载已经保存的参数；一种是手动设置。如图12所示。

在主界面上单击设置按钮，即弹出图13所示的仿真参数设置界面。

对于一个特定的水电站，物理模型建好后，需要验证建立模型的正确性。通过设置不同机组的控制参数、工况及扰动参数等，考察仿真曲线，可以仿真出系统在这种工作状态下运行的经济性和稳定性。

该仿真参数设置界面同样依据机组的不同（1号机、2号机、3号机和4号机），和每台机组自身子系统的划分（调速器、水轮机等），设计出直观的界面，方便仿真人员设置参数。对某些参数的相互影响作用已考虑在工况选择中，如在空载工况下电网自调节系数为0，已默认在后台设置；空载工况下频率扰动参数的设置项也置灰并设为相应的值。

停机工况下所有相关参数默认设为0且置灰。

参数设置方法二：装载参数

仿真人员希望立即进行之前保存过的仿真配置时，可以单击选择保存配置按钮，选择想要进行的配置文件。如图14。

程序会自动打开保存配置参数的文件夹。

参数设置完成后（两种参数设置方法均可）就可以开始仿真操作（参见下一节仿真）。

仿真

1）仿真时间设置

参数配置完成后点击设置完成按钮设置完成，即可以开始进行该参数配置下的仿真。在仿真之前需要选择需要仿真的时间长度，默认设置为200s。

2）开始仿真

仿真时间设好后只需点击主界面上的仿真按钮，即可开始仿真观察曲线。

3）停止仿真

考虑到仿真人员在配置仿真参数时可能设置不当，导致计算缓慢，而如果此时仿真时间设置较长，仿真人员将不得不面对等待较长时间这个问题，因此在仿真按钮的右侧设计了停止仿真的功能——停止按钮。这样仿真人员可以在任何时刻让仿真中断。

4）仿真进行时间。

仿真人员可以实时地观察当前仿真进行的时间。

5）仿真过程中增加仿真时间。

考虑到仿真人员在仿真过程中可能需要观察更多的仿真进程，因而，主界面仿真停止时间设置项设计为在仿真进行过程中也能随时修改。当修改的时间小于当前仿真时间时仿真会马上停止，大于当前仿真时间时仿真会继续运行到新设置的仿真时间。同时，示波器横坐标时间轴将同步变化。

2.4.5保存仿真参数

由于仿真设置界面选项众多，仿真人员在进行一种参数和工况下的仿真后希望下次能直接用该配置来进行仿真。为此，主界面上设计了保存当前配置按钮。仿真人员可以保存合适的配置参数，以便进行比较。

操作过程是单击保存当前配置按钮，会弹出对话框，按提示输入保存的文件名（文件名可以为中文），系统会自动将当前配置保存到默认的文件夹中（即软件安装目录的save文件夹中）。

如果输入的保存文件名为空，则会弹出错误提示，重新输入文件名。

保存和打印曲线

在仿真运行结束后，仿真人员可能希望保存仿真曲线。这样便于不同配置下仿真曲线的对比。主界面上设置了保存曲线和打印曲线两个按钮，用来保存当前页面下示波器上的曲线。

单击保存曲线按钮，程序会将当前页面的曲线以BMP图片格式保存在默认的文件夹中（即程序安装目录下save文件夹中）。

单击打印曲线按钮，程序会启动打印机自动将当前页面曲线打印到A4纸张上。如图15和图16。

其他功能

程序初次安装时密码默认为空。进入仿真主界面后，仿真人员应自行设置登陆密码。即程序界面左下角的开始选项，选择修改密码，输入两次修改的密码。如图17所示。

若输入当前密码错误，会提示错误并重新输入。

若两次密码输入一致，会弹出密码修改成功的消息，如图18所示。

本软件密码加密算法采用标准的MD5加密算法加其他辅助加密算法，保证了软件使用的安全性。

如果用户遗失密码，则需要备份save文件夹下的存档内容，然后重新安装本软件包，还原save文件夹内容即可。

注意事项

本仿真软件在运行过程中会后台启动Matlab7.0软件用于数值计算，请不要手动打开Matlab。如果不小心点开了，请将Matlab窗口最小化。只要Matlab没有关闭，仿真软件都可以正常运行。

如果意外关闭Matlab，则可保存好当前进行的参数设置等操作（如需保存的话），重新启动仿真软件即可。同时关闭仿真软件时会弹出错误消息提示框，这是本仿真软件在开发调试过程中用于测试的正常现象，并不表示系统出现故障，运行人员只需点击该消息框上的“OK”按钮以回应该消息，即可正常关闭软件。软件参数的设置方法具体见附录。

发明达到的有益效果（对照背景技术）

图19、图20、图21分别是该电站在给定参数（KP=3.6，Ki=1.2，Kd=0），额定水头，接力器行程Y为59%，功率P为额定功率的69.5%下，在5s末受到+0.1HZ频率扰动时的响应特性，将Matlab/Simulink仿真结果和所开发软件的一次调频响应特性运行结果对比，其中图19为Matlab/Simulink仿真曲线，图中实线为接力器Y开度响应曲线，虚线为机组出力P响应曲线；经验证后发现与现场试验结果相比，无论是曲线响应最终变化量，响应迟滞时间，还是达到预定60%和90%负荷变化响应时间，都较为吻合，故可以将该Matlab/Simulink仿真结果认为是作为对照组的现场实验数据。图20、图21为所开发仿真软件仿真结果，两者是一致的。

本发明研究了蓄能机组复杂管道水力特性，结合电网环境，建立引水管道各管段、水泵水轮机、发电机、励磁系统、调速器等各个部分的数学模型，连接各模块形成整个抽水蓄能电站的整体模型，

本节通过采用与Matlab/Simulink相互调用的方式，设计了一款全新的仿真软件，仿真效果较为理想，一致性很好。软件克服了以往抽水蓄能电站模型、软件交互性和可视性较差的缺点，为用户提供了友好的对话界面。软件对于采用一管四机布置形式且带有长引水系统的抽水蓄能及常规电站具有一定的通用性。但是目前软件只能应用于带有Matlab7.0(含Simulink工具箱)及以上版本的计算机，兼容性有待提高，局限性较大。因此，下一步的研究工作将围绕软件与Matlab的相互兼容性方面进行展开。

Claims (4)

1.一种大型抽水蓄能电站通用仿真平台，其特征是：在Matlab/Simulink环境下建立水力—机械—电气系统数学模型，其为：依次连接的上游水库（J1）、上游水库至调压井管段（L1）、上游调压室（J2）、上调压井至岔管管段（L2）、岔管前阀门（J3）、第一钢混卜形岔管（L3）、第一卜形管道连接处（J4）；

第一卜形管道连接处（J4）之后分为两支路：

一支路为依次连接的第一钢支管至球阀管段（L6）、第一球阀（J11）、第一球阀至蜗壳管段（L10）、第一蜗壳（J7）、第一蜗壳段钢管（L14）、＃5机组（J23）、第一钢支管至机组段（L22）、第二卜形管道连接处（J19）、第二钢混卜形岔管（L21）、第三卜形管道连接处（J18）、第三钢混卜形岔管（L20）、第四卜形管道连接处（J17）、下调压井至卜形岔管段（L19）、下游调压室（J16）、尾水隧洞（L18）、下游水库（J15）；

另一支路为依次连接的第四钢混卜形岔管（L4）、第五卜形管道连接处（J5）、第五钢混卜形岔管（L5）、第六卜形管道连接处（J6）、第二钢支管至球阀管段（L9）、第二球阀（J14）、第二球阀至蜗壳管段(L13)、第二蜗壳(J10)、第四蜗壳段钢管(L17)、＃8机组(J20)、第二钢支管至机组段(L25)、第四卜形管道连接处(J17)；

在第五卜形管道连接处(J5)还设有分支，依次为：第三钢支管至球阀管段(L7)、第三球阀(J12)、第三球阀至蜗壳管段(L11)、第三蜗壳(J8)、第二蜗壳段钢管(L15)、＃6机组(J22)、第三钢支管至机组段(L23)、第二卜形管道连接处(J19)；

在第六卜形管道连接处(J6)还设有分支，依次为：第四钢支管至球阀管段(L8)、第四球阀（J13）、第四球阀至蜗壳管段（L12）、第四蜗壳（J9）、第三蜗壳段钢管（L16）、＃7机组（J21）、第四钢支管至机组段（L24）、第六卜形管道连接处（J18）；

在计算和仿真过程中，将上游调压井等效为上游水库，并且不考虑尾水管、尾水隧洞以及下游调压井和下游水库等对机组一次调频性能的影响，并对管段进行适当的等效合并；

以Labwindows/CVI为开发平台开发出界面程序，采用C语言编程，通过对Matlab/Simulink运行文件数据的实时调用，软件直接从Matlab/Simulink工作空间中调用数据和M文件以及相关函数，软件采用多线程设计，并将仿真所用控制参数通过M文件的形式保存于平台根目录下以供调用。

2.根据权利要求1所述的大型抽水蓄能电站通用仿真平台，其特征是：所述的数学模型中，水泵水轮机模型的建立方法为：

水轮机／水泵特性用5个参数来表示：转矩M，流量Q，水头H，转速n或机组频率X和导叶开度或接力器行程Y；

这五个参数，用函数来表达它们之间的关系，即

M_T=M_T(X,Y,H)

Q=Q(X,Y,H)；

五个参数中X、Y、H三个参变量是独立的，流量和力矩可由转速、导叶开度和水头表示，构成一个立体的三维坐标；

用SUTER法对水泵水轮机综合特性曲线进行变化，利用插值法得出单位流量和单位转矩，最后换算成流量和转矩信号输出；

SUTER法是将转轮全特性曲线上的点改用相对单位值(a，q，m,h)表示；

再将单位流量—单位转速，单位力矩—单位转速平面上各点按照公式变化，在x轴上作为新描述法的横坐标，以WH(x,y)、WM(x,y)为纵坐标；

SUTER变化公式为

$\mathrm{WH}(x,y)=\frac{h}{a^2+q^2}$

$\mathrm{WM}(x,y)=\frac{m}{a^2+q^2};$

其中：a=n₁/n_1r、q=Q₁/Q_1r、m=M₁/M_1r、h=H/H_r；

下标r表示额定值，一般导叶相对开度的额定值为导叶最大开度Y_max；其中 $x=\arctan \frac{q}{a},a\&GreaterEqual;0$ 或 $x=\mathrm{\&pi;}+\arctan \frac{q}{a},a<0;$

为了进一步改进和弥补SUTER法的缺陷，采用改进SUTER法，改进SUTER法的变形公式为：

$\mathrm{WH}(x,y)=\frac{y^2}{{(n_{11}/n_{11r})}^2+({Q_{11}}^2/{Q_{11r}}^2)}=\frac{h}{a^2+q^2}{y}^2$

$\mathrm{WM}(x,y)=\frac{M_{11}+k_1}{M_{11r}}y=(\frac{m}{h}+\frac{k_1}{M_{11r}})y$

x=arctan[(Q₁₁/Q_11r+k₂)/(n₁₁/n_11r)],a≧0

或x=π+arctan[(Q₁₁/Q_11r+k₂)/(n₁₁/n_11r)]，a<0；

其中Q₁₁、n₁₁、m₁₁分别为单位流量、单位转速以及单位力矩；下表有r的表示额定单位流量、额定单位转速和额定单位力矩；k₁为系数，取1.0～1.8；k₂为系数取0.5～1.2；

经过处理后的点需要进一步进行曲线的拟合：WH(x,y)—x曲线拟合采取二次多项式，WM(x,y)—x曲线拟合采用的是正态分布最小二乘；

过平面拟合的曲线很好地反映了曲线的变化，进一步采取三维平面最小二法将各个开度下的曲线拟合成平面。

3.根据权利要求1所述的大型抽水蓄能电站通用仿真平台，其特征是：所述的数学模型中，调速器模型的建立方法为：

输入机频Fg和频率给定Fc至第一取差模块，得出机组实测频率和给定频率偏差值△Fˊ，△Fˊ经±E_f后得出经过人工频率死区后的值△F，△F后分两路：一路直接至第一取和模块、另一路经积分模块后也至第一取和模块，然后和功率偏差值△Y/P1ˊ一起，经除法模块1/bt后，再经1/(Td*S)及自身至第二取和模块，输出一个接力器开度YPID；

所述的功率偏差值△Y/P1ˊ为：开度给定Yc和功率给定Pc经第一选择模块择一后至第一取差模块，接力器开度YPID和机组功率Pg经第二选择模块后至第一取差模块，得出经过开度/功率死区后的开度、功率偏差值△Y/P，再经乘积模块永态差值系数后得出；

接力器开度YPID经电液转换环节Kc放大后通过主配压阀死区um，最后通过接力器积分环节1/(Ty*s)后输出导叶开度值Y；

所述的△F当△Fˊ大于死区值时，△F=△Fˊ，当△Fˊ小于死区值时，△F=0；

Kc是电液转换环节系数；Ty是接力器反应时间；um是主配压阀死区，σmax、σmin是接力器速度限制，Ymax，Ymin为接力器行程限制。

4.根据权利要求1所述的大型抽水蓄能电站通用仿真平台，其特征是：所述的数学模型中，发电机模型的建立方法为：

使用一阶模型：

一阶模型有两个假设：一是发电机和电网保持同步，即为刚性连接，在动态过程中也保持同步；一个是转速变化时，发电机的机端电压保持不变；

机组主动力矩mt、电网阻力矩mr和外界扰动力矩mg三个力矩信号综合后经1/[(Ta+Tb)*S+eg]输出电网频率x；

Ta，Tb为电网惯性时间常数，eg为电网自调节系数，取电网惯性时间常数Tb为（0.24～0.3）Ta，eg为电网自调节系数，在0到2之间。

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