CN106802577A - 电力系统的动态仿真方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力系统的动态仿真方法和装置。其中，该方法包括：通过仿真模型执行所述动态仿真方法，所述仿真模型包括调速器模块、执行机构模块、原动机模块、以及发电机模块，其中，所述动态仿真方法包括：将电力系统的发电机的参数输入所述调速器模块，得到调门指令；所述执行机构模块基于所述调门指令确定调门开度；所述原动机模块基于所述调门开度输出机械功率；控制所述发电机模块按照所述机械功率运行。本发明解决了缺乏燃机的仿真模拟功能的技术问题。

Description

电力系统的动态仿真方法和装置
技术领域
本发明涉及电力系统领域，具体而言，涉及一种电力系统的动态仿真方法和装置。
背景技术
电网运行中燃机数量不断增加，其占全网发电的权重已不容忽视。相比于蒸汽轮机来讲，燃机具有启动快、惯性小、机组加载和卸载负荷响应时间短的优点。燃气轮机(GasTurbine)是一种以连续流动的气体作为工质(即实现热能和机械能相互转化的媒介物质)，然后把热能转换为机械功的旋转式动力机械。其基本工作原理是：通过涡轮驱动而旋转的压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩升压，压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合燃烧，成为高温燃气后流入涡轮中膨胀做功，做功后的燃气压力降至大气压力而排入大气中。燃气轮机主要由压气机、燃烧室、燃气透平涡轮三大部分组成，此外还包括进气过滤系统、控制调节系统、启动系统、润滑油系统、燃料系统及附件齿轮箱等辅助设备。
现有技术中，电力系统仿真软件中只有汽轮机调速系统模型，缺乏燃机的仿真模拟功能。
其中，电力系统仿真软件包括PSS/E(Power System Simulator/Engineering,一款面向工程实际的仿真分析软件)、PSASP(Power System Analysis Software Package，即电力系统分析综合程序，该程序可以基于电网基础数据库、固定模型库以及用户自定义模型库的支持，对电力系统的输电、供电和配电进行各种计算分析)、以及PSD(是Adobe公司的图形设计软件Photoshop的专用格式)仿真软件包等。
针对上述缺乏燃机的仿真模拟功能的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种电力系统的动态仿真方法和装置，以至少解决缺乏燃机的仿真模拟功能的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种电力系统的动态仿真方法，通过仿真模型执行所述动态仿真方法，所述仿真模型包括调速器模块、执行机构模块、原动机模块、以及发电机模块，其中，所述动态仿真方法包括：将电力系统的发电机的参数输入所述调速器模块，得到调门指令；所述执行机构模块基于所述调门指令确定调门开度；所述原动机模块基于所述调门开度输出机械功率；控制所述发电机模块按照所述机械功率运行。
进一步地，所述发电机的参数包括转速偏差和功率偏差，将电力系统的发电机的参数输入所述调速器模块，得到调门指令包括：对所述转速偏差和功率偏差，进行死区和限幅操作，确定调门指令PCV。
进一步地，所述执行机构模块为电液伺服机构模块，其中，所述执行机构模块基于所述调门指令确定调门开度包括：将所述调门指令PCV经PID控制和油动机的开启或关闭操作，确定调门开度PGV。
进一步地，所述原动机模块基于所述调门开度输出机械功率包括：对所述调门开度利用一阶惯性环节的延迟之后，得到所述机械功率，其中，所述一阶惯性环节的燃机时间常数为预先设置的数据。
进一步地，所述发电机模块为次暂态模块或暂态模型。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种电力系统的动态仿真装置，通过仿真模型执行所述动态仿真装置，所述仿真模型包括调速器模块、执行机构模块、原动机模块、以及发电机模块，其中，所述动态仿真装置包括：第一处理单元，用于将电力系统的发电机的参数输入所述调速器模块，得到调门指令；第一确定单元，用于所述执行机构模块基于所述调门指令确定调门开度；第二处理单元，用于所述原动机模块基于所述调门开度输出机械功率；控制单元，用于控制所述发电机模块按照所述机械功率运行。
进一步地，所述发电机的参数包括转速偏差和功率偏差，所述第一处理单元包括：第一处理模块，用于对所述转速偏差和功率偏差，进行死区和限幅操作，确定调门指令PCV。
进一步地，所述执行机构模块为电液伺服机构模块，其中，所述第一确定单元包括：确定模块，用于将所述调门指令PCV经PID控制和油动机的开启或关闭操作，确定调门开度PGV。
进一步地，所述第二处理单元包括：第二处理模块，用于对所述调门开度利用一阶惯性环节的延迟之后，得到所述机械功率，其中，所述一阶惯性环节的燃机时间常数为预先设置的数据。
进一步地，所述发电机模块为次暂态模块或暂态模型。
在本发明实施例中，将电力系统的发电机的参数输入调速器模块，得到调门指令；执行机构模块基于调门指令确定调门开度；原动机模块基于调门开度输出机械功率；控制发电机模块按照机械功率运行，通过预先设置的仿真模型可以实现对电力系统的动态仿真，解决了现有技术中缺乏燃机的仿真模拟功能的问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的电力系统的动态仿真方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的调速器模块的结构示意图；
图3是根据本发明实施例的执行机构模块的结构示意图；
图4是根据本发明实施例的电力系统的动态仿真装置的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本发明实施例，提供了一种电力系统的动态仿真方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1是根据本发明实施例的电力系统的动态仿真方法的流程图，该动态仿真方法通过仿真模型来执行，仿真模型包括调速器模块、执行机构模块、原动机模块、以及发电机模块，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S102，将电力系统的发电机的参数输入调速器模块，得到调门指令；
步骤S104，执行机构模块基于调门指令确定调门开度；
步骤S106，原动机模块基于调门开度输出机械功率；
步骤S108，控制发电机模块按照机械功率运行。
通过上述实施例，将电力系统的发电机的参数输入调速器模块，得到调门指令；执行机构模块基于调门指令确定调门开度；原动机模块基于调门开度输出机械功率；控制发电机模块按照机械功率运行，通过预先设置的仿真模型可以实现对电力系统的动态仿真，解决了现有技术中缺乏燃机的仿真模拟功能的问题。
在上述实施例中，仿真模型中的调速器模块的输入为发电机的转速偏差Δω和功率PE，输出为调门指令PCV；执行机构模块的输入为调门指令PCV，输出为调门开度PGV；原动机模块的输入为调门开度PGV，输出为机械功率PM；发电机模块的输入为机械功率PM。
根据上述实施例，所述发电机的参数包括转速偏差和功率偏差，将电力系统的发电机的参数输入调速器模块，得到调门指令包括：对转速偏差和功率偏差，进行死区和限幅操作，确定调门指令PCV。
可选地，调速器模块测量转速偏差Δω＝ω-ω0，及测量功率反馈PE并计算功率偏差ΔP，经过死区和限幅环节后，由偏差量PID控制最终给出调门指令信号PCV(调门指令)，该调门指令用于控制执行机构调节气门开度。
其中，偏差量PID控制由比例、积分、微分环节组成，即比例proportion、积分integral、微分derivation。
在一个可选的实施例中，执行机构模块为电液伺服机构模块，其中，执行机构模块基于调门指令确定调门开度包括：将调门指令PCV经PID控制和油动机的开启或关闭操作，确定调门开度PGV。
其中，电液伺服机构是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。
具体地，该电液伺服机构模块的输入量为调门指令PCV，与输出量PGV的反馈信号形成偏差量，经PID控制和油动机的开启或关闭，输出调门开度PGV至原动机模块。其中，偏差量PID控制由比例、积分、微分环节组成。
可选地，所述执行机构模块为电液伺服机构，输入调门指令PCV经PID控制和油动机的开启或关闭，输出调门开度PGV至原动机模块。
进一步可选地，原动机模块基于调门开度输出机械功率包括：对调门开度利用一阶惯性环节的延迟之后，得到机械功率，其中，一阶惯性环节的燃机时间常数为预先设置的数据。
可选地，该所述原动机模块用1个一阶惯性环节表示，TCH为燃机时间常数，表征燃机的时间延迟，该时间常数的取值需由厂家给定或根据现场实测获取。
可选地，原动机模块的输入量为调门开度PGV，经过1个一阶惯性环节的延迟后，输出机械功率PM，作为燃机驱动的发电机的功率注入。其中，一阶惯性环节的时间常数为TCH，表征燃机的时间延迟，其取值需由厂家给定或根据现场实测获取。
在一个可选的实施例中，发电机模块为次暂态模块或暂态模型，也即，所述发电机模块可以使用考虑阻尼绕组的次暂态模型，或使用不考虑阻尼绕组的暂态模型。
其中，发电机阻尼绕组主要是防止发电机在负载突然变化时对发电机绕组的冲击。发电机在负载变化时，其绕组内的电压电流会形成一个震荡的过程。阻尼条就是对该震荡过程增加阻力，形成阻尼震荡，从而形成一定的缓冲作用。
具体地，发电机模块可以为燃机驱动的发电机模块，模型使用现有电力系统仿真中通用的双轴模型，即不考虑阻尼绕组的暂态模型，或考虑阻尼绕组的次暂态模型。其输入机械功率为原动机的输出PM。
通过上述实施例提供的仿真方法，该方法通过适用于电力系统动态仿真的燃机模型来执行，通过该实施例，由于燃机调速系统的加速度控制和启/停顺序控制仅用于机组并网前(或解列后)，温度控制一般用于满发状态下，此时保持功率恒定，因此，实际运行过程中功率控制和转速控制应用最普遍。本发明提供的模型合理地简化了燃机调速系统的温度和加速度控制回路，保留了转速和功率控制，能够反映其动态响应特性，满足电力系统动态仿真的需求。
本发明提供了一种适用于电力系统动态仿真的燃机模型包括调速器模块、执行机构模块、原动机模块和发电机模块，该仿真模型以发电机的转速偏差Δω和反馈的功率PE为输入信号，经偏差量PID调节后输出机械功率PM到燃机驱动的发电机。
下面结合图2对本申请的一个可选的实施例进行详细描述。
图2是根据本发明实施例的调速器模块的结构示意图，如图2所示，该调速器模块的输入量为转速偏差Δω和反馈的功率PE，输出量为调门指令PCV，该调门指令作为执行机构模块的输入。
其中，测量环节由延时和一阶惯性环节组成，测量转速的偏差Δω＝ω-ω0，及测量功率反馈PE并计算功率偏差ΔP，其中，T1、T2为测量的延迟时间，TR1、TR2为测量环节时间常数(即上述的时间延迟常数)；之后经过死区和限幅进行限制，其中，±DB1、±DB2为死区，MAX1、MIN1、MAX2、MIN2为限幅上下限；最后经偏差量PID控制得到调门指令PCV，该调门指令用于控制执行机构模块调节气门开度，其中，P、KI、KD分别为PID控制的比例、积分、微分环节的放大倍数。
下面结合图3对本申请的另一个可选的实施例进行详细描述。
图3是根据本发明实施例的执行机构模块的结构示意图。
如图3所示，该执行机构模块为电液伺服系统，其输入量为调门指令PCV，输出量为调门开度PGV，该调门开度作为原动机的输入。调门指令PCV与调门开度PGV的反馈信号形成偏差量，Tb为LVDT变送器时间常数；经过PID控制，KP、KI、KD分别为PID控制的比例、积分、微分环节的放大倍数；然后经过过速开启、关闭环节，其中，开启系数为VELopen，关闭系数为VELclose；由油动机控制开启和关闭，其中，TO、TC为油动机开启、关闭时间常数，PMAX、PMIN为油动机限幅的上限、下限；最后得到调门开度PGV。
其中，电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。线性可变差动变压器(Linear Variable Differential Transformer，即，LVDT)属于直线位移传感器，其工作原理简单地讲是铁芯可动变压器。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种电力系统的动态仿真装置，通过仿真模型执行动态仿真装置，仿真模型包括调速器模块、执行机构模块、原动机模块、以及发电机模块，其中，动态仿真装置包括如图4所示的：第一处理单元41，用于将电力系统的发电机的参数输入调速器模块，得到调门指令；第一确定单元43，用于执行机构模块基于调门指令确定调门开度；第二处理单元45，用于原动机模块基于调门开度输出机械功率；控制单元47，用于控制发电机模块按照机械功率运行。
进一步地，所述发电机的参数包括转速偏差和功率偏差，第一处理单元包括：第一处理模块，用于对转速偏差和功率偏差，进行死区和限幅操作，确定调门指令PCV。
进一步地，执行机构模块为电液伺服机构模块，其中，第一确定单元包括：确定模块，用于将调门指令PCV经PID控制和油动机的开启或关闭操作，确定调门开度PGV。
进一步地，第二处理单元包括：第二处理模块，用于对调门开度利用一阶惯性环节的延迟之后，得到机械功率，其中，一阶惯性环节的燃机时间常数为预先设置的数据。
进一步地，发电机模块为次暂态模块或暂态模型。
通过上述实施例，为电网稳定计算提供了准确的数学模型，并对进一步分析电力系统暂态稳定、研究电网控制策略和电网安全预警控制措施等提供可靠的仿真工具。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电力系统的动态仿真方法，其特征在于，通过仿真模型执行所述动态仿真方法，所述仿真模型包括调速器模块、执行机构模块、原动机模块、以及发电机模块，其中，所述动态仿真方法包括：
将电力系统的发电机的参数输入所述调速器模块，得到调门指令；
所述执行机构模块基于所述调门指令确定调门开度；
所述原动机模块基于所述调门开度输出机械功率；
控制所述发电机模块按照所述机械功率运行。
2.根据权利要求1的动态仿真方法，其特征在于，所述发电机的参数包括转速偏差和功率偏差，将电力系统的发电机的参数输入所述调速器模块，得到调门指令包括：
对所述转速偏差和功率偏差，进行死区和限幅操作，确定调门指令PCV。
3.根据权利要求1所述的动态仿真方法，其特征在于，所述执行机构模块为电液伺服机构模块，其中，所述执行机构模块基于所述调门指令确定调门开度包括：
将所述调门指令PCV经PID控制和油动机的开启或关闭操作，确定调门开度PGV。
4.根据权利要求1所述的动态仿真方法，其特征在于，所述原动机模块基于所述调门开度输出机械功率包括：
对所述调门开度利用一阶惯性环节的延迟之后，得到所述机械功率，其中，所述一阶惯性环节的燃机时间常数为预先设置的数据。
5.根据权利要求1所述的动态仿真方法，其特征在于，所述发电机模块为次暂态模块或暂态模型。
6.一种电力系统的动态仿真装置，其特征在于，通过仿真模型执行所述动态仿真装置，所述仿真模型包括调速器模块、执行机构模块、原动机模块、以及发电机模块，其中，所述动态仿真装置包括：
第一处理单元，用于将电力系统的发电机的参数输入所述调速器模块，得到调门指令；
第一确定单元，用于所述执行机构模块基于所述调门指令确定调门开度；
第二处理单元，用于所述原动机模块基于所述调门开度输出机械功率；
控制单元，用于控制所述发电机模块按照所述机械功率运行。
7.根据权利要求6的动态仿真装置，其特征在于，所述发电机的参数包括转速偏差和功率偏差，所述第一处理单元包括：
第一处理模块，用于对所述转速偏差和功率偏差，进行死区和限幅操作，确定调门指令PCV。
8.根据权利要求6所述的动态仿真装置，其特征在于，所述执行机构模块为电液伺服机构模块，其中，所述第一确定单元包括：
确定模块，用于将所述调门指令PCV经PID控制和油动机的开启或关闭操作，确定调门开度PGV。
9.根据权利要求6所述的动态仿真装置，其特征在于，所述第二处理单元包括：
第二处理模块，用于对所述调门开度利用一阶惯性环节的延迟之后，得到所述机械功率，其中，所述一阶惯性环节的燃机时间常数为预先设置的数据。
10.根据权利要求6所述的动态仿真装置，其特征在于，所述发电机模块为次暂态模块或暂态模型。
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