CN108255069A - 一种电力系统-水电机组联合仿真装置与方法 - Google Patents

一种电力系统-水电机组联合仿真装置与方法 Download PDF

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李伟
袁艺
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Abstract

本发明公开了一种电力系统‑水电机组联合仿真装置，包括至少一台仿真服务器以及RTDS，仿真服务器搭载有水轮机调节系统实时仿真平台，其包括PID控制器、液压执行机构、引水系统和水轮机模块，RTDS包括发电机模块、电网和负荷模块；其中，仿真服务器采用以太网通信方式与RTDS进行数据传输，仿真服务器通过以太网通信模块接收来自RTDS的仿真数据与控制指令，包括开机、关机、甩负荷、功率给定以及电网频率，并将根据上述控制指令与实时仿真后的数据通过以太网通信模块送回至RTDS。本发明还公开了相应的仿真方法。本发明装置与方法传输速率高，抗干扰性强，可以满足含大规模水电机组的电力系统仿真中对对高精确度高可靠度数据传输的要求。

Description

一种电力系统-水电机组联合仿真装置与方法
技术领域
本发明属于电力系统与水电机组实时仿真领域，具体涉及一种电力系统-水电机组联合仿真装置与方法。
背景技术
水电机组是电力系统的重要组成部分，但是在仿真电力系统动态行为时水轮机调节系统的模型往往过于简化。例如在中国电力科学院开发的电力系统潮流计算、暂态稳定和短路电流计算的仿真软件PSASP、BPA软件以及常见的仿真工具RTDS、PSCAD、EMTDC中，水电机组调节系统模型用理想刚性水击模型表示，这种模型与实际相差较大，以至不能反映水电机组在电力系统动态过程中的真实行为，即水电机组仿真模型影响了电力系统仿真精确度。
现有技术中，在进行RTDS(电力系统实时数字仿真器，Real Time DigitSimulator)与水电机组调节系统模型数据传输时，一般使用A/D、D/A模块实现。但是，A/D、D/A模块存在数据传输能力弱、使用成本昂贵、抗干扰能力弱、易受外界电磁干扰的缺点，因此目前RTDS与水轮机调节系统模型之间的数据传输方式对仿真系统的精确度具有很大的影响，特别是对于大规模水电机组群的实时仿真，目前的数据传输方式其传输速率不高，不能满足大规模水电机组群实时仿真的带宽需求，而且其抗干扰性差，可扩展性弱、安全性不高，使得目前的RTDS与水电机组调节系统模型之间的数据传输方式难以满足含大规模水电机组的电力系统仿真中对高精确度高可靠度数据传输的要求。
发明内容
针对现有技术中RTDS与水轮机调节系统实时仿真平台之间的数据传输方式难以满足大规模的水电机组的电力系统仿真需求，本发明提供基于数字通信的RTDS与水轮机调节系统实时仿真装置与方法，其通过优化的通信模块对RTDS与水轮机调节系统实时仿真平台之间的数据传输方式进行改进，其传输速率高，抗干扰性强，可以满足大规模的水电机组的电力系统仿真中对高精确度高可靠度数据传输的要求。
为实现上述目的，按照本发明一个方面，提供一种电力系统-水电机组联合仿真装置，其特征在于，包括至少一台仿真服务器以及与该仿真服务器通信连接的RTDS，所述仿真服务器搭载有水轮机-调速器实时仿真平台，其包括PID控制器、液压执行机构、引水系统和水轮机模块，所述RTDS包括发电机模块、电网和负荷模块；
其中，所述仿真服务器采用以太网通信模块与RTDS通信连接，其通过以太网通信方式与RTDS进行数据传输，所述仿真服务器通过以太网通信模块接收来自RTDS的仿真数据与控制指令，包括开机信号、关机信号、甩负荷、功率给定信号以及机组频率，并将仿真处理后形成的数据通过以太网通信模块输送至RTDS。
作为本发明的进一步优选，所示PID控制器、液压执行机构和水轮机模块依次电连接，所述引水系统与水轮机模块闭环连接，RTDS的仿真数据与控制指令输入所述PID控制器中，该PID控制器据此输出控制量Ypid信号，并输入至液压执行机构中，所述液压执行机构根据接收的控制量Ypid信号控制导叶接力器运动，该接力器位移对应着导叶开度信号y，该开度信号输入水轮机模块，以计算获得机械力矩信号mti并通过以太网模块输出。
作为本发明的进一步优选，所述机械力矩信号mti为导叶开度yi、机组频率xi与运行水头Hi的函数，其通过如下公式计算得到：
mti＝f1(yi,xi,Hi)
qti＝f2(yi,xi,Hi)
其中，qti为水轮机流量，Hi为引水系统得到的运行水头，所述引水系统为机组流量变化与机组运行水头变化的函数，即ΔHi＝f(Δqi)。
作为本发明的进一步优选，RTDS包括发动机模块和电网与负荷模块，其中发电机模块从以太网通信模块接收到仿真服务器中计算得出的机械力矩信号mti，并根据所述电网与负荷模块获得负荷力矩信号mgi，根据该机械力矩与负荷力矩即可计算得到机组频率xi，以通过以太网通信模块输出至仿真服务器。
作为本发明的进一步优选，所述仿真服务器中的引水系统为考虑复杂水力系统的非线性模型。
作为本发明的进一步优选，所述仿真服务器中的水轮机模块采用非线性模型。
作为本发明的进一步优选，所述仿真服务器为多台，其共用一套人机交互设备，通过切换开关实现人机交互设备与各仿真服务器的切换。
按照本发明另一方面，提供一种利用上述基于数字通信的RTDS与水轮机调节系统实时仿真装置进行水轮机组实时仿真的方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明的仿真装置与方法通过以太网模块进行数据传输，其传输速率高，能满足大规模水电机组群实时仿真的带宽需求，同时也使得系统具有良好的可扩展性；
2、本发明的仿真装置与方法与传统的A/D、D/A转换通信方式相比，采用以太网通信方案具有更高的精度与更强的抗干扰能力；
3、本发明的仿真装置与方法其成本低，支持系统冗余连接配置，具有成熟可靠的安全体系。
附图说明
参照下面的说明，结合附图，可以对本发明有最佳的理解。在附图中，相同的部分可由相同的标号表示。
图1为本发明实施例的仿真方法的结构示意图；
图2为本发明实施例的仿真方法中的仿真服务器与RTDS联合实时仿真原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明方法的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及示例性实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的示例性实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的适用范围。
如图1所示，本发明的电力系统-水电机组联合仿真装置包括至少一台仿真服务器，优选是多台分布式仿真服务器，每台仿真服务器可支持多台水轮机调节系统实时仿真，仿真服务器通过以太网通信模块与RTDS进行数据交换。
优选地，所有的服务器共用一套人机交互设备，例如共用一套显示器、键盘、鼠标，各仿真服务器与人机交互设备通过一个切换开关进行切换，仿真人员可以通过操作键盘、鼠标与切换开关修改仿真服务器内的PID控制器、液压执行机构、引水系统与水轮机模型参数。
如图1所示，仿真服务器采用以太网通信方式与RTDS进行数据传输，所述仿真服务器通过以太网通信模块接收来自RTDS的仿真数据与控制指令，包括开机、关机、甩负荷、功率给定以及电网频率，并将根据上述控制指令与实时仿真后的数据通过以太网通信模块送回至RTDS。
如图2所示，仿真服务器包括PID控制器、液压执行机构、引水系统与水轮机模块，RTDS包括发电机、电网与负荷模块。RTDS计算的机组频率xi通过以太网通信模块输入至PID控制器中，然后PID控制器的控制算法输出控制量Ypid，此信号输入至液压执行机构中。
液压执行机构根据接收的控制量Ypid信号控制导叶接力器运动，接力器位移对应着导叶开度信号y，开度信号输入水轮机模块中。
水轮机力矩mti与流量qti可以表示为导叶开度yi、机组频率xi与运行水头Hi的函数：
mti＝f1(yi,xi,Hi)
qti＝f2(yi,xi,Hi)
则i时刻的水轮机力矩与流量可根据从液压执行机构模块输入的导叶开度yi、从RTDS输入的机组转速xi与从引水系统模块得到的运行水头Hi求解。
引水系统模型可表示为机组流量变化Δqi与机组运行水头变化ΔHi的函数：
ΔHi＝f(Δqi)
引水系统与水轮机构成一个闭环子系统，实时仿真计算时应将此闭环子系统联立求解得到水轮机力矩mti。
RTDS中的发电机模块从以太网通信模块接收到仿真服务器中计算得出的机械力矩信号mti，从电网与负荷模块接收到负荷力矩信号mgi，根据机械力矩与负荷力矩计算出机组频率xi，并将机组转速信号通过以太网通信模块输出至仿真服务器，这样便实现了整个实时仿真装置的闭环连接。
此外，RTDS可以主动发出各种控制命令，如指定某一台或多台仿真服务器开启，或指定某台机组执行开机、关机、甩负荷、功率给定等指令，控制命令与计算得出的机组频率xi信号均通过以太网通信模块传输。
以上实施例仅为本发明其中的一种具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电力系统-水电机组联合仿真装置，其特征在于，包括至少一台仿真服务器以及与该仿真服务器通信连接的RTDS，所述仿真服务器搭载有水轮机调节系统实时仿真平台，其包括PID控制器、液压执行机构、引水系统和水轮机模块，所述RTDS包括发电机模块、电网和负荷模块；
其中，所述仿真服务器采用以太网通信模块与RTDS通信连接，其通过以太网通信方式与RTDS进行数据传输，所述仿真服务器通过以太网通信模块接收来自RTDS的仿真数据与控制指令，包括开机信号、关机信号、甩负荷、功率给定信号以及机组频率，并将仿真处理后形成的数据通过以太网通信模块输送至RTDS。
2.根据权利要求1所述的一种电力系统-水电机组联合仿真装置，其中，所示PID控制器、液压执行机构和水轮机模块依次电连接，所述引水系统与水轮机模块闭环连接，RTDS的仿真数据与控制指令输入所述PID控制器中，该PID控制器据此输出控制量信号，并输入至液压执行机构中，所述液压执行机构根据接收的控制量信号控制导叶接力器运动，该接力器位移对应着导叶开度信号，该开度信号输入水轮机模块，以计算获得机械力矩信号并通过所述以太网模块输出。
3.根据权利要求2所述的一种电力系统-水电机组联合仿真装置，其中，所述机械力矩信号mti为导叶开度yi、机组频率xi与运行水头Hi的函数，其通过如下公式计算得到：
mti＝f1(yi,xi,Hi)
qti＝f2(yi,xi,Hi)
其中，qti为水轮机流量，Hi为引水系统得到的运行水头，所述引水系统为机组流量变化与机组运行水头变化的函数，即ΔHi＝f(Δqi)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种电力系统-水电机组联合仿真装置，其中，RTDS包括发动机模块和电网与负荷模块，其中发电机模块从以太网通信模块接收到仿真服务器中计算得出的机械力矩信号，并根据所述电网与负荷模块获得负荷力矩信号，根据该机械力矩与负荷力矩即可计算得到机组频率，以通过以太网通信模块输出至仿真服务器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种电力系统-水电机组联合仿真装置，其中，所述仿真服务器中的引水系统为考虑复杂水力系统的非线性模型。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种电力系统-水电机组联合仿真装置，其中，所述仿真服务器中的水轮机模块采用非线性模型。
7.一种利用权利要求1至6中任一项所述的一种电力系统-水电机组联合仿真装置进行实时仿真的方法。
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