CN109376479B - 一种水轮机调速系统阻尼特性实测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水轮机调速系统阻尼特性实测方法及装置，解决了现有的根据模型对水轮机调速系统阻尼进行分析时仅仅得到单一工况下水轮机的水锤效应时间常数，当水头、发电机出力变化时会带来严重分析误差问题。本发明方法包括以下步骤：S1：频率特性实测区间和间隔的分析与选定；S2：向水轮机调速器输入激励信号，进行水轮机调速器控制水轮机导叶开度、水轮机组输出机械功率和发电机组的功率变化分析；S3：采集输入激励信号、水轮机导叶开度、水轮机组输出机械功率三组数据；S4：根据步骤S2的输入信号和步骤S3的输出信号进行调速器和整个水轮机调速系统的阻尼水平指标分析。本发明实现了对水轮机调速系统的阻尼水平进行实测，为评估水轮机调速系统阻尼水平提供了技术手段。

Description

一种水轮机调速系统阻尼特性实测方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统安全稳定控制技术领域，具体涉及一种水轮机调速系统阻尼特性实测方法及装置。

背景技术

水轮机的“水锤效应”及其调速系统的负阻尼特性，在水电为主电网中出现了显著的超低频振荡风险，当高比例水电系统由同步联网转为异步联网运行时，如云南电网、西南电网，通常采取减小调速器PID参数的措施减弱水轮机调速系统负阻尼，抑制超低频振荡。然而，水轮机调速系统经过减小PID参数对阻尼的改善作用究竟有多大，并没有明确的可行的方法。现有技术多通过建立水轮机、调速系统的简化模型，得到水轮机及调速系统的传递函数，分析传递函数在超低频段的阻尼特性进而判断水轮机调速系统的阻尼水平。然而，基于模型的分析方法天然受模型精度的影响，特别是通常采用的水轮机简化模型，在调速系统实测建模分析时仅仅得到单一工况下水轮机的水锤效应时间常数，当水头、发电机出力变化时，可能会带来严重的分析误差。现有技术未发现可对水轮机调速系统阻尼水平进行实测的分析方法和装置，因此，针对现有方法的不足，本发明提出了一种水轮机调速系统阻尼特性实测方法及装置，用于对水轮机调速系统在超低频段阻尼水平进行实测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的根据模型对水轮机调速系统阻尼进行分析时仅仅得到单一工况下水轮机的水锤效应时间常数，当水头、发电机出力变化时，可能会带来严重的分析误差的问题，本发明提供了解决上述问题的一种水轮机调速系统阻尼特性实测方法及装置。

本发明通过下述技术方案实现：

一种水轮机调速系统阻尼特性实测方法，该方法包括以下步骤：

S1：向水轮机调速器输入激励信号，进行水轮机调速器控制水轮机导叶开度、水轮机组输出机械功率和发电机组的功率变化分析；

S2：采集输入激励信号、水轮机导叶开度、水轮机组输出机械功率三组数据；

S3：根据步骤S1的输入信号和步骤S2的输出信号进行调速器和整个水轮机调速系统的阻尼水平指标分析。

本发明上述方案的原理是：由于现有的根据模型对水轮机调速系统阻尼进行分析时仅仅得到单一工况下水轮机的水锤效应时间常数，当水头、发电机出力变化时，可能会带来严重的分析误差的问题，本发明采用上述方案通过向水轮机调速器输入激励信号，进行水轮机调速器控制水轮机导叶开度和水轮机组输出机械功率变化分析；然后采集输入激励信号、水轮机导叶开度、水轮机组输出机械功率三组数据；最后，借鉴振荡能量的思路，定义调速器和调速系统的阻尼水平指标，根据输入信号和输出信号进行调速器和整个水轮机调速系统的阻尼水平分析，确定调速器和调速系统在特定激励频率下提供的阻尼，通过测量多个频率点的阻尼得到调速系统的阻尼特性；本发明方法步骤简捷，容易操作，解决了基于模型分析方法在调速系统实测建模分析时仅仅得到单一工况下水轮机的水锤效应时间常数，当水头、发电机出力变化时，可能会带来严重的分析误差的问题，解决了当前没有技术手段对水轮机调速系统阻尼水平进行实测的难题，实现了对水轮机调速系统阻尼水平的实测。

进一步地，考虑到调速系统主要在超低频段提供负阻尼，易引发超低频振荡，主要关注其在超低频段的阻尼特性，因此步骤S1之前进行频率特性实测区间和间隔的分析与选定，通常频率实测区间设置为[0.01Hz-0.1Hz]，频率间隔为0.01Hz。

进一步地，步骤S1中激励信号采用正弦信号，测试频率范围为0.01Hz～0.1Hz，幅值为0.1Hz，初相为0，根据选定的频率区间和间隔依次向调速系统输入正弦激励信号，从0.01Hz开始，信号的幅值可设为0.1Hz，初相为0。

进一步地，步骤S3包括调速器的阻尼水平指标分析和整个水轮机调速系统的阻尼水平指标分析，调速器的阻尼水平指标分析是根据输入的激励信号和测量到的调速器导叶开度信号进行分析，整个水轮机调速系统的阻尼水平指标分析是根据输入的激励信号和测量到的机械功率信号进行分析，分析的量化指标采用公式：

式中，J₁为调速器阻尼水平指标，J₂为整个调速系统阻尼水平指标，ω为输入激励信号、Y为水轮机导叶开度、P_m为水轮机组输出机械功率，t₀和t₁为积分的时间上下限；当计算结果为正时，提供的阻尼为正，当计算结果为负时，提供的阻尼为负。

进一步地，步骤S3之后将采集到的输入激励信号、水轮机导叶开度、水轮机组输出机械功率按照设定的数据间隔输出至文件，并输出阻尼计算结果。

一种水轮机调速系统阻尼特性实测装置，包括：

激励信号装置，用于向水轮机调速器输入激励信号，在激励信号的作用下水轮机调速器控制水轮机导叶开度发生变化，进而引起水轮发电机组的机组功率发生相应的变化；

数据采集装置，用于根据设定的频率实现信号的采集，用于采集输入激励信号、水轮机导叶开度、水轮机组输出机械功率三组数据；

阻尼特性辨识装置，用于根据激励信号装置的输入信号和数据采集装置的输出信号，进行调速器和整个水轮机调速系统的阻尼水平指标分析。

进一步地，还包括频率区间和间隔的分析与选定装置，用于进行频率特性实测区间和间隔的分析与选定，基于调速系统主要在超低频段提供负阻尼，频率特性实测区间采用[0.01Hz-0.1Hz]，频率间隔为0.01Hz。

进一步地，还包括输出装置，用于将采集到的输入激励信号、水轮机导叶开度、水轮机组输出机械功率按照设定的数据间隔输出至文件，并输出阻尼计算结果。

进一步地，激励信号装置中激励信号采用正弦信号，测试频率范围为0.01Hz～0.1Hz，幅值为0.1Hz，初相为0；

阻尼特性辨识装置用于调速器的阻尼水平指标分析和整个水轮机调速系统的阻尼水平指标分析，调速器的阻尼水平指标分析是根据输入的激励信号和测量到的调速器导叶开度信号进行分析，整个水轮机调速系统的阻尼水平指标分析是根据输入的激励信号和测量到的机械功率信号进行分析，分析的量化指标采用公式：

式中，J₁为调速器阻尼水平指标，J₂为整个调速系统阻尼水平指标，ω为输入激励信号、Y为水轮机导叶开度、P_m为水轮机组输出机械功率，t₀和t₁为积分的时间上下限；当计算结果为正时，提供的阻尼为正，当计算结果为负时，提供的阻尼为负。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明方法步骤简捷，容易操作，解决了基于模型分析方法在调速系统实测建模分析时仅仅得到单一工况下水轮机的水锤效应时间常数，当水头、发电机出力变化时，可能会带来严重的分析误差的问题，实现了对水轮机调速系统在超低频段阻尼水平进行实测；

2、本发明给出了对水轮机调速系统进行阻尼评估的一般方法和装置的基本模块，解决了当前没有技术手段对水轮机调速系统阻尼水平进行实测的难题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的水轮机调速系统阻尼特性实测的基本流程图。

图2为本发明的频率激励信号偏差和水轮机机械功率信号图。

图3为本发明的0.07Hz频率激励信号下的整个调速系统阻尼水平指标曲线图。

图4为本发明的水轮机调速系统阻尼特性实测装置模块图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，一种水轮机调速系统阻尼特性实测方法，该方法包括以下步骤：

S1：向水轮机调速器输入激励信号，进行水轮机调速器控制水轮机导叶开度、水轮机组输出机械功率和发电机组的功率变化分析；

S2：采集输入激励信号、水轮机导叶开度、水轮机组输出机械功率三组数据；

S3：根据步骤S1的输入信号和步骤S2的输出信号进行调速器和整个水轮机调速系统的阻尼水平指标分析。

考虑到调速系统主要在超低频段提供负阻尼，易引发超低频振荡，主要关注其在超低频段的阻尼特性，因此步骤S1之前进行频率特性实测区间和间隔的分析与选定，通常频率实测区间设置为[0.01Hz-0.1Hz]，频率间隔为0.01Hz。

步骤S1中激励信号采用正弦信号，测试频率范围为0.01Hz～0.1Hz，幅值为0.1Hz，初相为0，根据选定的频率区间和间隔依次向调速系统输入正弦激励信号，从0.01Hz开始，信号的幅值可设为0.1Hz，初相为0。

步骤S3包括调速器的阻尼水平指标分析和整个水轮机调速系统的阻尼水平指标分析，调速器的阻尼水平指标分析是根据输入的激励信号和测量到的调速器导叶开度信号进行分析，整个水轮机调速系统的阻尼水平指标分析是根据输入的激励信号和测量到的机械功率信号进行分析，分析的量化指标采用公式：

式中，J₁为调速器阻尼水平指标，J₂为整个调速系统阻尼水平指标，ω为输入激励信号、Y为水轮机导叶开度、P_m为水轮机组输出机械功率，t₀和t₁为积分的时间上下限；当计算结果为正时，提供的阻尼为正，当计算结果为负时，提供的阻尼为负。

步骤S3之后将采集到的输入激励信号、水轮机导叶开度、水轮机组输出机械功率按照设定的数据间隔输出至文件，并输出阻尼计算结果。

结合图1，本发明水轮机调速系统阻尼特性实测方法详细描述如下：

图1中步骤1用于确定频率特性实测区间和间隔，由于调速系统主要在超低频段提供负阻尼，易引发超低频振荡，主要关注其在超低频段的阻尼特性，故通常频率实测区间可设置为[0.01Hz-0.1Hz]，频率间隔可选为0.01Hz。

图1中步骤2描述的按照选定的频率区间和间隔依次向调速系统输入正弦激励信号，从0.01Hz开始，信号的幅值可设为0.1Hz，初相为0。

图1中步骤3描述的按照相同的采样频率采集激励信号、导叶开度、水轮机输出机械功率三组数据。

图1中步骤4描述的是设定不同输入信号和输出信号，以计算对应模块阻尼大小，包括：

(1)对于调速器模块，输入信号为激励信号，输出信号为导叶开度信号；

(2)对于整个调速系统，输入信号为激励信号，输出信号为水轮机输出机械功率信号。

图1中步骤5描述的是根据步骤4选定的输入信号和输出信号，根据以下阻尼指标函数计算各模块的阻尼：

式中，J₁为调速器阻尼水平指标，J₂为整个调速系统阻尼水平指标，ω为输入激励信号、Y为水轮机导叶开度、P_m为水轮机组输出机械功率，t₀和t₁为积分的时间上下限；当计算结果为正时，提供的阻尼为正，当计算结果为负时，提供的阻尼为负。

图1中步骤6描述的是得到该频率下模块的阻尼后，增加频率间隔0.01Hz，即依次设置输入正弦激励信号频率为0.02Hz、0.03Hz……0.1Hz，重复步骤2，从而得到整个频率区间内各频率下调速系统的阻尼。

实施例2

如图4所示，一种水轮机调速系统阻尼特性实测装置，包括：

频率区间和间隔的分析与选定装置，用于进行频率特性实测区间和间隔的分析与选定，基于调速系统主要在超低频段提供负阻尼，频率特性实测区间采用[0.01Hz-0.1Hz]，频率间隔为0.01Hz；

激励信号装置，用于向水轮机调速器输入激励信号，在激励信号的作用下水轮机调速器控制水轮机导叶开度发生变化，进而引起水轮发电机组的机组功率发生相应的变化；激励信号装置中激励信号采用正弦信号，测试频率范围为0.01Hz～0.1Hz，幅值为0.1Hz，初相为0；

数据采集装置，用于根据设定的频率实现信号的采集，用于采集输入激励信号、水轮机导叶开度、水轮机组输出机械功率三组数据；

阻尼特性辨识装置，用于根据激励信号装置的输入信号和数据采集装置的输出信号，进行调速器和整个水轮机调速系统的阻尼水平指标分析；阻尼特性辨识装置用于调速器的阻尼水平指标分析和整个水轮机调速系统的阻尼水平指标分析，调速器的阻尼水平指标分析是根据输入的激励信号和测量到的调速器导叶开度信号进行分析，整个水轮机调速系统的阻尼水平指标分析是根据输入的激励信号和测量到的机械功率信号进行分析，分析的量化指标采用公式：

式中，J₁为调速器阻尼水平指标，J₂为整个调速系统阻尼水平指标，ω为输入激励信号、Y为水轮机导叶开度、P_m为水轮机组输出机械功率，t₀和t₁为积分的时间上下限；当计算结果为正时，提供的阻尼为正，当计算结果为负时，提供的阻尼为负；

输出装置，用于将采集到的输入激励信号、水轮机导叶开度、水轮机组输出机械功率按照设定的数据间隔输出至文件，并输出阻尼计算结果。

实施例3

如图1至图3所示，本实施例与实施例1的区别在于，以四川电网某发电机为例，搭建其调速器模型，注入振荡频率为0.07Hz、振幅为0.1H的正弦频率激励信号，监测水轮机机械功率波动信号，频率激励信号和机械功率波动信号如图2所示；

按照阻尼指标函数计算整个调速系统的阻尼指标，得到整个调速系统阻尼水平指标随时间的变化情况如图3所示；

由图2和图3可以看出，输入频率激励信号和机械功率曲线的相位差在90度～270度之间，可判定该频率下调速器提供的阻尼为正，根据本发明给出的水轮机调速系统阻尼特性实测方法，整个调速系统阻尼水平指标的取值为正，可判定调速系统提供了正阻尼，与理论分析结果一致。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水轮机调速系统阻尼特性实测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：向水轮机调速器输入激励信号，进行水轮机调速器控制水轮机导叶开度、水轮机组输出机械功率和发电机组的功率变化分析；

S2：采集输入激励信号、水轮机导叶开度、水轮机组输出机械功率三组数据；

S3：根据步骤S1的输入信号和步骤S2的输出信号进行调速器和整个水轮机调速系统的阻尼水平指标分析；

步骤S3包括调速器的阻尼水平指标分析和整个水轮机调速系统的阻尼水平指标分析，调速器的阻尼水平指标分析是根据输入的激励信号和测量到的调速器导叶开度信号进行分析，整个水轮机调速系统的阻尼水平指标分析是根据输入的激励信号和测量到的机械功率信号进行分析，分析的量化指标采用公式：

式中，J₁为调速器阻尼水平指标，J₂为整个调速系统阻尼水平指标，ω为输入激励信号、Y为水轮机导叶开度、P_m为水轮机组输出机械功率，t₀和t₁为积分的时间上下限；当计算结果为正时，提供的阻尼为正，当计算结果为负时，提供的阻尼为负。

2.根据权利要求1所述的一种水轮机调速系统阻尼特性实测方法，其特征在于：步骤S1之前进行频率特性实测区间和间隔的分析与选定。

3.根据权利要求2所述的一种水轮机调速系统阻尼特性实测方法，其特征在于：基于调速系统在超低频段提供负阻尼，频率特性实测区间采用[0.01Hz-0.1Hz]，频率间隔为0.01Hz。

4.根据权利要求1所述的一种水轮机调速系统阻尼特性实测方法，其特征在于：步骤S1中激励信号采用正弦信号，测试频率范围为0.01Hz～0.1Hz，幅值为0.1Hz，初相为0。

5.根据权利要求1所述的一种水轮机调速系统阻尼特性实测方法，其特征在于：步骤S3之后将输入的激励信号和采集到的水轮机导叶开度、水轮机组输出机械功率按照设定的数据间隔输出至文件，并输出阻尼计算结果。

6.一种水轮机调速系统阻尼特性实测装置，其特征在于：包括：

激励信号装置，用于向水轮机调速器输入激励信号，在激励信号的作用下水轮机调速器控制水轮机导叶开度发生变化，进而引起水轮发电机组的机组功率发生相应的变化；数据采集装置，用于根据设定的频率实现信号的采集，用于采集输入激励信号、水轮机导叶开度、水轮机组输出机械功率三组数据；

阻尼特性辨识装置，用于根据激励信号装置的输入信号和数据采集装置的输出信号，进行调速器和整个水轮机调速系统的阻尼水平指标分析；

阻尼特性辨识装置用于调速器的阻尼水平指标分析和整个水轮机调速系统的阻尼水平指标分析，调速器的阻尼水平指标分析是根据输入的激励信号和测量到的调速器导叶开度信号进行分析，整个水轮机调速系统的阻尼水平指标分析是根据输入的激励信号和测量到的机械功率信号进行分析，分析的量化指标采用公式：

式中，J₁为调速器阻尼水平指标，J₂为整个调速系统阻尼水平指标，ω为输入激励信号、Y为水轮机导叶开度、P_m为水轮机组输出机械功率，t₀和t₁为积分的时间上下限；当计算结果为正时，提供的阻尼为正，当计算结果为负时，提供的阻尼为负。

7.根据权利要求6所述的一种水轮机调速系统阻尼特性实测装置，其特征在于：还包括频率区间和间隔的分析与选定装置，用于进行频率特性实测区间和间隔的分析与选定，基于调速系统在超低频段提供负阻尼，频率特性实测区间采用[0.01Hz-0.1Hz]，频率间隔为0.01Hz。

8.根据权利要求6所述的一种水轮机调速系统阻尼特性实测装置，其特征在于：还包括输出装置，用于将采集到的输入激励信号、水轮机导叶开度、水轮机组输出机械功率按照设定的数据间隔输出至文件，并输出阻尼计算结果。

9.根据权利要求6所述的一种水轮机调速系统阻尼特性实测装置，其特征在于：激励信号装置中激励信号采用正弦信号，测试频率范围为0.01Hz～0.1Hz，幅值为0.1Hz，初相为0。

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