CN107168103B - 水电机组调速控制仿真方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水电机组调速控制仿真方法和系统，系统包括RTDS实时仿真装置、测频单元、水轮机调速器和引水系统及水轮机仿真装置。通过建立引水管道水击效应模型模拟引水管道水击效应，对实际的水轮机调速器进行参数和结构辨识建立符合实际运行模式和控制模式的水轮机调速器RTDS模型，并通过RTDS模型扩展了调速器的仿真规模，实现了对水电机组频率特性的精确仿真，提高了仿真精确度。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统仿真技术领域，特别是涉及一种水电机组调速控制仿真方法和系统。
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，需要对水电机组调速控制系统特性以及直流频率控制特性进行仿真。
然而，传统的仿真模型一般基于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 AidedDesign/Electromagnetic Transients including DC)仿真软件， 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，传统的仿真模型仿真精确度较低。
发明内容
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方法和系统。
一种水电机组调速控制仿真系统，包括：
RTDS实时仿真装置、测频单元、水轮机调速器和引水系统及水轮机仿真装置；
所述RTDS实时仿真装置向所述测频单元发送第一水电机组的第一机端三相电压，并向所述水轮机调速器发送第一水电机组的第一导叶行程信号和第一水电机组的第一运行模式参数；所述测频单元对所述三相电压进行测频并输出第一水电机组的第一频率信号至所述水轮机调速器；其中，所述水轮机调速器根据所述第一频率信号、第一导叶行程信号和第一运行模式参数输出第一水电机组的第一控制开度信号至所述RTDS实时仿真装置；
对满足2≤i≤n的任意i，所述RTDS实时仿真装置对第i水电机组的水轮机调速器进行参数和结构辨识，建立第i水电机组的水轮机调速器RTDS模型，根据第i水电机组的第i机端三相电压计算第i水电机组的第i频率信号，根据第i频率信号、第i水电机组的第i导叶行程信号和第i水电机组的第i运行模式参数计算第i水电机组的第i控制开度信号，并将发电机转速信号、所述第一控制开度信号和所述第i控制开度信号输出至所述引水系统及水轮机仿真装置；其中，n为水电机组的总数；
所述引水系统及水轮机仿真装置根据水电站管道结构和管道长度建立引水管道水击效应模型，根据所述第一控制开度信号、第i控制开度信号、发电机转速信号以及引水管道水击效应模型对引水管道水击效应进行仿真后，输出水电机组的出力与第二导叶行程信号至所述RTDS实时仿真装置，实现对水轮机调速系统的仿真。
一种水电机组调速控制仿真方法，包括以下步骤：
所述RTDS实时仿真装置向所述测频单元发送第一水电机组的第一机端三相电压，并向所述水轮机调速器发送第一水电机组的第一导叶行程信号和第一水电机组的第一运行模式参数；所述测频单元对所述三相电压进行测频并输出第一水电机组的第一频率信号至所述水轮机调速器；其中，所述水轮机调速器根据所述第一频率信号、第一导叶行程信号和第一运行模式参数输出第一水电机组的第一控制开度信号至所述RTDS实时仿真装置；
对满足2≤i≤n的任意i，所述RTDS实时仿真装置对第i水电机组的水轮机调速器进行参数和结构辨识，建立第i水电机组的水轮机调速器RTDS模型，根据第i水电机组的第i机端三相电压计算第i水电机组的第i频率信号，根据第i频率信号、第i水电机组的第i导叶行程信号和第i水电机组的第i运行模式参数计算第i水电机组的第i控制开度信号，并将发电机转速信号、所述第一控制开度信号和所述第i控制开度信号输出至所述引水系统及水轮机仿真装置；其中，n为水电机组的总数；
所述引水系统及水轮机仿真装置根据水电站管道结构和管道长度建立引水管道水击效应模型，根据所述第一控制开度信号、第i控制开度信号、发电机转速信号以及引水管道水击效应模型对引水管道水击效应进行仿真后，输出水电机组的出力与第二导叶行程信号至所述RTDS实时仿真装置，实现对水轮机调速系统的仿真。
上述水电机组调速控制仿真方法和系统，通过建立引水管道水击效应模型模拟引水管道水击效应，对实际的水轮机调速器进行参数和结构辨识建立符合实际运行模式和控制模式的水轮机调速器RTDS模型，并通过RTDS模型扩展了调速器的仿真规模，实现了对水电机组频率特性的精确仿真，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；
图3为一个实施例的水电机组调速控制仿真方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行说明。
如图1所示，本发明提供一种水电机组调速控制仿真系统，可包括：
RTDS实时仿真装置(Real Time Digital Simulator，实时数字仿真仪)、测频单元、水轮机调速器和引水系统及水轮机仿真装置；
所述RTDS实时仿真装置向所述测频单元发送第一水电机组的第一机端三相电压，并向所述水轮机调速器发送第一水电机组的第一导叶行程信号和第一水电机组的第一运行模式参数；所述测频单元对所述三相电压进行测频并输出第一水电机组的第一频率信号至所述水轮机调速器；其中，所述水轮机调速器根据所述第一频率信号、第一导叶行程信号和第一运行模式参数输出第一水电机组的第一控制开度信号至所述RTDS实时仿真装置；
对满足2≤i≤n的任意i，所述RTDS实时仿真装置对第i水电机组的水轮机调速器进行参数和结构辨识，建立第i水电机组的水轮机调速器RTDS模型，根据第i水电机组的第i机端三相电压计算第i水电机组的第i频率信号，根据第i频率信号、第i水电机组的第i导叶行程信号和第i水电机组的第i运行模式参数计算第i水电机组的第i控制开度信号，并将发电机转速信号、所述第一控制开度信号和所述第i控制开度信号输出至所述引水系统及水轮机仿真装置；其中，n为水电机组的总数；
所述引水系统及水轮机仿真装置根据水电站管道结构和管道长度建立引水管道水击效应模型，根据所述第一控制开度信号、第i控制开度信号、发电机转速信号以及引水管道水击效应模型对引水管道水击效应进行仿真后，输出水电机组的出力与第二导叶行程信号至所述RTDS实时仿真装置，实现对水轮机调速系统的仿真。
在上述实施例中，RTDS实时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实时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，本发明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，并与RTDS实时仿真装置进行数据互通，实现与RTDS实时仿真装置联合仿真，最终得到水轮机调速系统的频率特性。进一步地，还可以利用水轮机综合特性曲线高效率区部分，对低效率区补充延拓，得到完整的水轮机综合特性曲线，实现不同水头、频率、开度下水轮机出力特性的仿真。
在上述仿真过程中，引水系统及水轮机仿真装置通过RTDS实时仿真装置获取第一水电机组的相关仿真参数，并获取RTDS实时仿真装置自身发送的其余各个水电机组(第二水电机组、第三水电机组、……、第n水电机组)的相关仿真参数，进行仿真后将相关仿真结果返回至RTDS实时仿真装置，最终得到各个水电机组对应的水轮机调速器组成的水轮机调速系统的仿真结果，从而扩展了调速器的仿真规模，实现了对水电机组频率特性的精确仿真，提高了仿真精确度。
在一个实施例中，引水系统及水轮机仿真装置对执行机构模拟，还可以考虑执行机构开启速率限制以及分段关闭特性。本发明实施例中可在引水系统及水轮机仿真装置内建立执行机构模型，根据现场实测数据，对执行机构开启速率限制以及分段关闭特性进行精确仿真。
具体来讲，本发明的引水系统及水轮机仿真装置提供一种引水管道建模方法，可根据各水电站管道结构和参数，依据管道的长度，选择不同的管道建模方法。在引水管道小于预设的长度阈值(一般小于800m)的情况下，管道内的水击模型可以采用刚性水击模型，把水和管壁看成不可压缩的刚性体。水轮机入口处的水头和流量变化如下：
式中，Δh为水轮机入口处的工作水头的变化值，Tw为水流惯性时间常数，Δq 为水轮机入口处的流量变化值，t为时间。
当管道长度大于或等于预设的长度阈值时，可采用弹性水击模型，当假设压力管道是均匀管壁的情况下，水轮机入口处的水头和流量变化具有如下关系：
式中，s为拉普拉斯算子，f为压力管道摩擦系数，Tw为水流惯性时间常数， Te为压力波在整个管道内的传递时间，Δh(s)为水轮机入口处的工作水头的变化值，Δq(s)为水轮机入口处的流量变化值。tanh(Tes+f)是一个双曲正切函数，它可以展开为如下形式：
采用泰勒级数对上式子逼近：
建模时，可根据需要选择合适阶数的模型。
在一个实施例中，本发明的水电机组调速控制仿真系统还可包括直流控制保护装置；所述直流控制保护装置接收所述RTDS实时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实时仿真装置，实现对直流控制保护特性的仿真。其中，本实施例的电压信号指的是直流输电系统的交流电压和直流电压，本实施例的电流信号指的是直流输电系统的交流电流和直流电流。
在一个实施例中，RTDS实时仿真装置可通过第一接口设备与水轮机调速器相连接；在另一个实施例中，RTDS实时仿真装置可通过第二接口设备与引水系统及水轮机仿真装置相连接；在另一个实施例中，RTDS实时仿真装置可通过第三接口设备与直流控制保护装置相连接。
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)、测频单元、第一高速数字量输出板卡(GTDO)、第一高速模拟量输入板卡(GTAI)和数模转换装置；所述RTDS实时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实时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实时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实时仿真装置相连接。
具体来讲，RTDS实时仿真装置可通过第一高速模拟量输出板卡将实时瞬时的第一机端三相电压送入测频单元，测频单元检测第一机端三相电压的频率，通过硬接线连接，将频率信号送入水轮机调速器；RTDS实时仿真装置还可通过第一高速模拟量输出板卡将第一导叶行程信号送入水轮机调速器；RTDS实时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、联网等第一运行模式参数送入水轮机调速器；水轮机调速器可通过数模转换装置将第一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第一控制开度信号输入RTDS实时仿真装置。RTDS实时仿真装置可通过高速通信板卡将发电机转速信号、第一控制开度信号和第i(2≤i≤n)控制开度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可通过高速通信板卡将第二导叶行程和发电机转矩信号送入RTDS实时仿真装置。
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)；所述RTDS实时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。在实际的一个应用场景中，所述RTDS实时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/InternetProtocol，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实时仿真装置之间的通信。RTDS实时仿真装置可通过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实时仿真装置，形成闭环仿真系统。
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实时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实时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实时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实时仿真装置可通过第二高速模拟量输出板卡将交直流电压、电流等信号送给直流控制保护装置，通过第二高速数字量输出板卡将滤波器投切状态、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第二高速数字量输入板卡送入RTDS实时仿真装置。
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实时仿真装置相连接；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。
本发明通过GTAO、GTDO、GTDI等接口设备实现直流控制保护设备与 RTDS实时仿真装置通讯，RTDS实时仿真装置通过GTAO板卡将交直流电压、电流等信号送给直流控制保护设备，通过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设备，直流控制保护设备将交直流场开关命令以及换流阀触发信号通过GTDI板卡送入RTDS实时仿真装置，形成闭环仿真。
一个实施例的水电机组调速控制仿真系统的结构示意图如图2所示。
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，通过本发明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。
如图3所示，本发明还提供一种水电机组仿真方法，可包括以下步骤：
S1，所述RTDS实时仿真装置向所述测频单元发送第一水电机组的第一机端三相电压，并向所述水轮机调速器发送第一水电机组的第一导叶行程信号和第一水电机组的第一运行模式参数；所述测频单元对所述三相电压进行测频并输出第一水电机组的第一频率信号至所述水轮机调速器；其中，所述水轮机调速器根据所述第一频率信号、第一导叶行程信号和第一运行模式参数输出第一水电机组的第一控制开度信号至所述RTDS实时仿真装置；
S2，所述RTDS实时仿真装置对第i水电机组的水轮机调速器进行参数和结构辨识，建立第i水电机组的水轮机调速器RTDS模型，根据第i水电机组的第 i机端三相电压计算第i水电机组的第i频率信号，根据第i频率信号、第i水电机组的第i导叶行程信号和第i水电机组的第i运行模式参数计算第i水电机组的第i控制开度信号，并将发电机转速信号、所述第一控制开度信号和所述第i 控制开度信号输出至所述引水系统及水轮机仿真装置；其中，2≤i≤n，n为水电机组的总数；
S3，所述引水系统及水轮机仿真装置根据水电站管道结构和管道长度建立引水管道水击效应模型，根据所述第一控制开度信号和发电机转速信号以及引水管道水击效应模型对引水管道水击效应进行仿真后，输出水电机组的出力与第二导叶行程信号至所述RTDS实时仿真装置，实现对水轮机调速系统的仿真。
RTDS实时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实时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，本发明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，并与RTDS实时仿真装置进行数据互通，实现与RTDS实时仿真装置联合仿真，最终得到水轮机调速器的频率特性。进一步地，还可以利用水轮机综合特性曲线高效率区部分，对低效率区补充延拓，得到完整的水轮机综合特性曲线，实现不同水头、频率、开度下水轮机出力特性的仿真。
具体来讲，本发明的引水系统及水轮机仿真装置提供一种引水管道建模方法，可根据各水电站管道结构和参数，依据管道的长度，选择不同的管道建模方法。在引水管道小于预设的长度阈值(一般小于800m)的情况下，管道内的水击模型可以采用刚性水击模型，把水和管壁看成不可压缩的刚性体。水轮机入口处的水头和流量变化如下：
式中，Δh为水轮机入口处的工作水头的变化值，Tw为水流惯性时间常数，Δq 为水轮机入口处的流量变化值，t为时间。
当管道长度大于或等于预设的长度阈值时，可采用弹性水击模型，当假设压力管道是均匀管壁的情况下，水轮机入口处的水头和流量变化具有如下关系：
式中，s为拉普拉斯算子，f为压力管道摩擦系数，Tw为水流惯性时间常数， Te为压力波在整个管道内的传递时间，Δh(s)为水轮机入口处的工作水头的变化值，Δq(s)为水轮机入口处的流量变化值。tanh(Tes+f)是一个双曲正切函数，它可以展开为如下形式：
采用泰勒级数对上式子逼近：
建模时，可根据需要选择合适阶数的模型。
在一个实施例中，本发明的水电机组调速控制仿真系统还可包括直流控制保护装置；所述直流控制保护装置接收所述RTDS实时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实时仿真装置，实现对直流控制保护特性的仿真。其中，本实施例的电压信号指的是直流输电系统的交流电压和直流电压，本实施例的电流信号指的是直流输电系统的交流电流和直流电流。
在一个实施例中，RTDS实时仿真装置可通过第一接口设备与水轮机调速器相连接；在另一个实施例中，RTDS实时仿真装置可通过第二接口设备与引水系统及水轮机仿真装置相连接；在另一个实施例中，RTDS实时仿真装置可通过第三接口设备与直流控制保护装置相连接。
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)、测频单元、第一高速数字量输出板卡(GTDO)、第一高速模拟量输入板卡(GTAI)和数模转换装置；所述RTDS实时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实时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实时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实时仿真装置相连接。
具体来讲，RTDS实时仿真装置可通过第一高速模拟量输出板卡将实时瞬时的第一机端三相电压送入测频单元，测频单元检测第一机端三相电压的频率，通过硬接线连接，将频率信号送入水轮机调速器；RTDS实时仿真装置还可通过第一高速模拟量输出板卡将第一导叶行程信号送入水轮机调速器；RTDS实时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、联网等第一运行模式参数送入水轮机调速器；水轮机调速器可通过数模转换装置将第一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第一控制开度信号输入RTDS实时仿真装置。RTDS实时仿真装置可通过高速通信板卡将发电机转速信号、第一控制开度信号和第i(2≤i≤n)控制开度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可通过高速通信板卡将第二导叶行程和发电机转矩信号送入RTDS实时仿真装置。
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)；所述RTDS实时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。在实际的一个应用场景中，所述RTDS实时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/InternetProtocol，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实时仿真装置之间的通信。RTDS实时仿真装置可通过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实时仿真装置，形成闭环仿真系统。
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实时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实时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实时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实时仿真装置可通过第二高速模拟量输出板卡将交直流电压、电流等信号送给直流控制保护装置，通过第二高速数字量输出板卡将滤波器投切状态、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第二高速数字量输入板卡送入RTDS实时仿真装置。
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实时仿真装置相连接；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。
本发明通过GTAO、GTDO、GTDI等接口设备实现直流控制保护设备与RTDS实时仿真装置通讯，RTDS实时仿真装置通过GTAO板卡将交直流电压、电流等信号送给直流控制保护设备，通过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设备，直流控制保护设备将交直流场开关命令以及换流阀触发信号通过GTDI板卡送入RTDS实时仿真装置，形成闭环仿真。
本发明具有以下优点：
(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。
(4)引水系统及水轮机仿真装置对水轮机模拟，利用水轮机综合特性曲线高效率区部分，对低效率区补充延拓，得到完整的水轮机综合特性曲线，实现不同水头、频率、开度下水轮机出力特性的仿真。
(5)本发明开发了引水系统及水轮机仿真装置，实现对执行机构、引水系统和水轮机特性精确仿真。
(6)引水系统及水轮机仿真装置对执行机构模拟，考虑了执行机构开启速率限制以及分段关闭特性。其中，执行机构开启速率限制以及分段关闭特性的模拟在引水系统及水轮机仿真装置中实现。传统的BPA，PACAD建模没有考虑执行机构的分段关闭特性，造成无法准备模拟执行机构的动态特性；本发明中建立的执行机构模型，根据现场实测数据，建立了考虑执行机构开启速率限制以及分段关闭特性的精确模型。
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发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种水电机组调速控制仿真系统，其特征在于，包括：
RTDS实时仿真装置、测频单元、水轮机调速器、引水系统、水轮机仿真装置及直流控制保护装置；
所述RTDS实时仿真装置向所述测频单元发送第一水电机组的第一机端三相电压，并向所述水轮机调速器发送第一水电机组的第一导叶行程信号和第一水电机组的第一运行模式参数；所述测频单元对所述三相电压进行测频并输出第一水电机组的第一频率信号至所述水轮机调速器；其中，所述水轮机调速器根据所述第一频率信号、第一导叶行程信号和第一运行模式参数输出第一水电机组的第一控制开度信号至所述RTDS实时仿真装置；
对满足2≤i≤n的任意i，所述RTDS实时仿真装置对第i水电机组的水轮机调速器进行参数和结构辨识，建立第i水电机组的水轮机调速器RTDS模型，根据第i水电机组的第i机端三相电压计算第i水电机组的第i频率信号，根据第i频率信号、第i水电机组的第i导叶行程信号和第i水电机组的第i运行模式参数计算第i水电机组的第i控制开度信号，并将发电机转速信号、所述第一控制开度信号和所述第i控制开度信号输出至所述引水系统及水轮机仿真装置；其中，n为水电机组的总数；
所述引水系统及水轮机仿真装置根据水电站管道结构和管道长度建立引水管道水击效应模型，根据所述第一控制开度信号、第i控制开度信号、发电机转速信号以及引水管道水击效应模型对引水管道水击效应进行仿真后，输出水电机组的出力与第二导叶行程信号至所述RTDS实时仿真装置，实现对水轮机调速系统的仿真；
所述直流控制保护装置接收所述RTDS实时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实时仿真装置，实现对直流控制保护特性的仿真。
2.根据权利要求1所述的水电机组调速控制仿真系统，其特征在于，当管道长度小于预设的长度阈值时，所述引水系统及水轮机仿真装置建立如下引水管道水击效应模型：
式中，Δh为水轮机入口处的工作水头的变化值，Tw为水流惯性时间常数，Δq为水轮机入口处的流量变化值，t为时间。
3.根据权利要求1所述的水电机组调速控制仿真系统，其特征在于，当管道长度大于或等于预设的长度阈值时，所述引水系统及水轮机仿真装置建立如下引水管道水击效应模型：
式中，s为拉普拉斯算子，f为压力管道摩擦系数，Tw为水流惯性时间常数，Te为压力波在整个管道内的传递时间，Δh(s)为水轮机入口处的工作水头的变化值，Δq(s)为水轮机入口处的流量变化值。
4.根据权利要求1所述的水电机组调速控制仿真系统，其特征在于，所述RTDS实时仿真装置通过第一高速模拟量输出板卡向测频单元输出第一机端三相电压，并通过所述第一高速模拟量输出板卡向水轮机调速器输出第一导叶行程信号。
5.根据权利要求1所述的水电机组调速控制仿真系统，其特征在于，所述RTDS实时仿真装置通过第一高速数字量输出板卡向水轮机调速器输出第一运行模式参数。
6.根据权利要求1所述的水电机组调速控制仿真系统，其特征在于，还包括：
数模转换装置；
所述数模转换装置接收所述第一控制开度信号，对所述第一控制开度信号进行数模转换，并通过第一高速模拟量输入板卡将数模转换后的第一控制开度信号输出至所述RTDS实时仿真装置。
7.根据权利要求1所述的水电机组调速控制仿真系统，其特征在于，所述RTDS实时仿真装置通过高速通信板卡将发电机转速信号、所述第一控制开度信号和所述第i控制开度信号输出至所述引水系统及水轮机仿真装置。
8.根据权利要求1所述的水电机组调速控制仿真系统，其特征在于，所述RTDS实时仿真装置通过第二高速模拟量输出板卡向直流控制保护装置输出电压信号和电流信号，通过第二高速数字量输出板卡向直流控制保护装置输出滤波器投切状态信号和交直流场开关信号，所述直流控制保护装置通过第二高速数字量输入板卡向RTDS实时仿真装置输出交直流场开关命令和换流阀触发信号。
9.一种基于权利要求1至8任意一项所述的水电机组调速控制仿真系统的水电机组调速控制仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述RTDS实时仿真装置向所述测频单元发送第一水电机组的第一机端三相电压，并向所述水轮机调速器发送第一水电机组的第一导叶行程信号和第一水电机组的第一运行模式参数；所述测频单元对所述三相电压进行测频并输出第一水电机组的第一频率信号至所述水轮机调速器；其中，所述水轮机调速器根据所述第一频率信号、第一导叶行程信号和第一运行模式参数输出第一水电机组的第一控制开度信号至所述RTDS实时仿真装置；
对满足2≤i≤n的任意i，所述RTDS实时仿真装置对第i水电机组的水轮机调速器进行参数和结构辨识，建立第i水电机组的水轮机调速器RTDS模型，根据第i水电机组的第i机端三相电压计算第i水电机组的第i频率信号，根据第i频率信号、第i水电机组的第i导叶行程信号和第i水电机组的第i运行模式参数计算第i水电机组的第i控制开度信号，并将发电机转速信号、所述第一控制开度信号和所述第i控制开度信号输出至所述引水系统及水轮机仿真装置；其中，n为水电机组的总数；
所述引水系统及水轮机仿真装置根据水电站管道结构和管道长度建立引水管道水击效应模型，根据所述第一控制开度信号和发电机转速信号以及引水管道水击效应模型对引水管道水击效应进行仿真后，输出水电机组的出力与第二导叶行程信号至所述RTDS实时仿真装置，实现对水轮机调速系统的仿真。
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