CN110780607A - 基于adpss的水轮机调速系统阻尼测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于ADPSS的水轮机调速系统阻尼测试方法及装置，通过在ADPSS中建立待测试水轮机调速系统所接入电网的机电‑电磁混合仿真模型；将所述仿真模型中待测试机组的频率信号输出，接入调速器输入端，所述调速器输出水门开度指令信号Y_PID给执行机构，执行机构输出开度信号Y给水轮机模型，水轮机模型输出机械功率信号P_m给发电机模型，实现数模混合实时仿真；将信号发生器接入调速器输入端，向调速器输入激励信号A；采集调速器输入频率偏差信号ΔA和水轮机模型输出机械功率偏差信号ΔP_m，根据采集的偏差信号判断调速系统的阻尼特性。本发明克服了当前只能根据模型对单一工况下调速系统阻尼进行分析的不足。

Description

基于ADPSS的水轮机调速系统阻尼测试方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统安全稳定控制技术领域，具体涉及基于ADPSS的水轮机调速系统阻尼测试方法及装置。

背景技术

近年来，随着水电清洁能源的大力开发和电网互联结构的转变，一些地方电网、网省级电网以及直流送出孤岛均出现了超低频振荡现象。该类型振荡主要是由于水轮机的“水锤效应”及其调速系统的负阻尼特性引发，因而在考虑控制策略时，通常对调速器控制策略和参数进行优化改造，如云南电网、西南电网在异步联网后均通过优化减小调速器PID参数的方式抑制超低频振荡，策略的有效性也已通过了不同方式下的仿真和试验验证。然而，西南地区水电大开发依然在继续。以四川电网为例，十三五、十四五期间将陆续有白鹤滩、楞古、小孟底沟、卡拉、杨房沟、两河口、双江口等大型水电站投运，在建水电装机规模超过2500万千瓦。随着这些大型水电站的陆续投运，电网中水电占比进一步提高，为避免超低频振荡的发生，需要确保新投运机组水轮机调速系统不向系统提供负阻尼。当前多采用建立水轮机调速系统的简化数学模型，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，或通过仿真判断机组投入后是否引发超低频振荡。然而，受限于模型的精度，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，进而影响电网安全稳定。

发明内容

本发明提供了基于ADPSS的水轮机调速系统阻尼测试方法及装置，可实现对水轮机调速系统在投入电网运行前进行阻尼性能的测试，确保其不向系统提供负阻尼，防止超低频振荡发生。

本发明通过下述技术方案实现：

基于ADPSS的水轮机调速系统阻尼测试方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1，将预先在ADPSS中建立的待测试水轮机调速系统所接入电网的机电-电磁混合仿真模型中待测试机组的频率信号输出，接入调速器输入端，所述调速器输出水门开度指令信号Y_PID给执行机构，执行机构输出开度信号Y给水轮机模型，水轮机模型输出机械功率信号P_m给发电机模型，实现数模混合实时仿真；

步骤S2，将信号发生器接入调速器输入端，向调速器输入激励信号A；

步骤S3，采集调速器输入频率偏差信号ΔA和水轮机模型输出机械功率偏差信号ΔP_m，并根据频率偏差信号ΔA和机械功率偏差信号ΔP_m判断调速系统的阻尼特性；其中采样频率与激励信号A的频率相同。

优选的，所述步骤S1建立的仿真模型包括依次连接的执行机构、水轮机模型、发电机模型和外部电力系统模型，其中，所述水轮机模型的传递函数G(s)表示为：

式中，T_w为水锤效应时间常数，s为微分算子，e_y＝(e_qye_mh-e_mye_qh)/e_my，e_qy、e_mh、e_my、e_qh均为水轮机模型参数。

优选的，所述步骤S2中输入的激励信号为振荡频率为f的低频正弦信号，表示为：

A＝50+A₀sin(2πft+α₀)

式中，A₀表示激励信号幅值，α₀表示激励信号初始相位。

优选的，所述步骤S3中调速系统的阻尼特性判断方法具体包括：

在输入信号初相位为0的情况下，将调速系统反调响应的第一个周波数据剔除，以频率偏差第二周期开始时刻为0时刻，计算水轮机输出机械功率偏差信号ΔP_m第一次过零点的时间t₀，分以下几种情况：

(a)t₀＞1/(4f)，如果表明ΔP_m的在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向一致，即ΔP_m超前ΔA(0～90度)，调速系统在该振荡频率下提供负阻尼；如果表明ΔP_m在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向相反，即ΔP_m滞后ΔA(90～180度)，调速系统在该振荡频率下提供正阻尼。

(b)t₀＜1/(4f)，如果

表明ΔP_m在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向一致，即ΔP_m滞后ΔA(0～90度)，调速系统在该振荡频率下提供负阻尼；如果

表明ΔP_m在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向相反，ΔP_m超前ΔA(90～180度)，调速系统在该振荡频率下提供正阻尼。

优选的，该方法还包括：改变激励信号的频率和运行工况，得到不同工况和不同振荡频率时调速系统的阻尼特性。

另一方面，本发明还提出了基于ADPSS的水轮机调速系统阻尼测试装置，该装置包括：

移动式ADPSS实时仿真器，用于构建待测试水轮机调速系统所接入电网的机电-电磁混合仿真模型；

信号发生器，用于向调速器输入频率、幅值和初始相位均可控的激励信号；

数据采集及分析装置，用于采集调速器输入频率偏差信号ΔA和水轮机模型输出机械功率偏差信号ΔP_m，并根据频率偏差信号ΔA和机械功率偏差信号ΔP_m判断调速系统的阻尼特性；其中采样频率与激励信号A的频率相同。

优选的，所述仿真模型包括依次连接的执行机构、水轮机模型、发电机模型和外部电力系统模型，其中，所述水轮机模型的传递函数G(s)表示为：

式中，T_w为水锤效应时间常数，s为微分算子，e_y＝(e_qye_mh-e_mye_qh)/e_my，e_qy、e_mh、e_my、e_qh均为水轮机模型参数。

优选的，所述激励信号为振荡频率为f的低频正弦信号，表示为：

A＝50+A₀sin(2πft+α₀)

式中，A₀表示激励信号幅值，α₀表示激励信号初始相位。

优选的，所述调速系统的阻尼特性判断方法具体包括：

在输入信号初相位为0的情况下，躲过调速系统反调响应的第一个周波，以频率偏差第二周期开始时刻为0时刻，计算水轮机输出机械功率偏差信号ΔP_m第一次过零点的时间t₀，分以下几种情况：

(a)t₀＞1/(4f)，如果

表明ΔP_m的在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向一致，即ΔP_m超前ΔA(0～90度)，调速系统在该振荡频率下提供负阻尼；如果表明ΔP_m在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向相反，即ΔP_m滞后ΔA(90～180度)，调速系统在该振荡频率下提供正阻尼。

(b)t₀＜1/(4f)，如果

表明ΔP_m在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向一致，即ΔP_m滞后ΔA(0～90度)，调速系统在该振荡频率下提供负阻尼；如果

表明ΔP_m在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向相反，ΔP_m超前ΔA(90～180度)，调速系统在该振荡频率下提供正阻尼。

优选的，所述数据采集及分析装置还得到不同工况、不同振荡频率时调速系统的阻尼特性，并对阻尼测试结果进行输出。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明给出了基于ADPSS对水轮机调速系统进行开环阻尼测试的一般方法和装置的基本模块，可实现对水轮机调速系统在投入电网运行前进行阻尼性能的测试，确保其不向系统提供负阻尼，防止超低频振荡发生；且本发明利用ADPSS对调速系统开环阻尼水平进行实测的一般流程，解决了当前只能根据模型对单一工况下调速系统阻尼进行分析的不足的技术问题。

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为本发明的测试装置原理示意图。

图2为本发明调速器参数优化前频率偏差信号和机械功率偏差信号测试结果图。

图3为本发明调速器参数优化后频率偏差信号和机械功率偏差信号测试结果图。

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。

针对现有技术采用水轮机简化模型导致分析误差严重的问题，有必要对机组的水轮机调速系统的阻尼进行测试，确保在不同方式下水轮机调速系统均不会向系统提供负阻尼。ADPSS(Advanced Digital Power System Simulator，电力系统全数字实时仿真装置)是由中国电力科学研究院有限公司研发的，可模拟大规模电力系统的全数字实时仿真装置，可实现交直流混联大电网下硬件设备的闭环测试。

目前，未见对水轮机调速系统开环阻尼进行测试实施先例，为此，本发明提出一种基于ADPSS的水轮机调速系统开环阻尼测试方法，可实现对水轮机调速系统在投入电网运行前进行阻尼性能的测试，确保其不向系统提供负阻尼，防止超低频振荡发生。

实施例1

本实施例提出了基于ADPSS的水轮机调速系统阻尼测试方法，该测试方式具体包括如下步骤：

1、在ADPSS中建立待测试水轮机调速系统所接入电网的机电-电磁混合仿真模型，其中所述水轮机模型的传递函数G(s)表示为：

式中，T_w为水锤效应时间常数，s为微分算子，e_y＝(e_qye_mh-e_mye_qh)/e_my，e_qy、e_mh、e_my、e_qh均为水轮机模型参数。几种常见的水轮机模型参数如下表所示：

参数	轴流式水轮机	理想水轮机	混流式水轮机
				e<sub>my</sub>	1.3	1.0	1.2
e<sub>mh</sub>	1.25	1.5	1.75
				e<sub>qy</sub>	1.0	1.0	1.0
e<sub>qh</sub>	0.25	0.5	0.75

则考虑理想水轮机模型，有：e_my＝1、e_mh＝1.5、e_qy＝1.0、e_qh＝0.5，即

2、将所仿真模型中待测试机组的频率信号输出，接入调速器，调速器输出水门开度指令信号Y_PID给机械液压系统(执行机构)，机械液压系统输出开度信号Y给水轮机模型，水轮机输出机械功率信号P_m给发电机，实现数模混合实时仿真。

3、将信号发生器接入调速器频率输入信号，输入如下低频正弦信号：

A＝50+A₀sin(2πft+α₀)

式中，A₀表示激励信号幅值，可设置为0.05Hz；α₀表示激励信号初始相位，设置为0；f为振荡频率，对于超低频段，可选择为0.02Hz～0.09Hz，首先设置为0.02Hz。

4、按照与输入激励信号A相同频率采集调速器输入频率偏差信号ΔA(ΔA＝50-A)和水轮机输出机械功率偏差信号ΔP_m，根据频率偏差信号ΔA和测量到的水轮机输出机械功率偏差信号ΔP_m判断调速系统是否提供正阻尼，判断方法如下：

在输入信号初相位为0的情况下，将调速系统反调响应的第一个周波数据剔除，以频率偏差第二周期开始时刻为0时刻，计算水轮机输出机械功率偏差信号ΔP_m第一次过零点的时间t₀，分以下几种情况：

(a)t₀＞1/(4f)，如果

表明ΔP_m的在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向一致，即ΔP_m超前ΔA(0～90度)，调速系统在该振荡频率下提供负阻尼；如果

表明ΔP_m在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向相反，即ΔP_m滞后ΔA(90～180度)，调速系统在该振荡频率下提供正阻尼。

(b)t₀＜1/(4f)，如果

表明ΔP_m在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向一致，即ΔP_m滞后ΔA(0～90度)，调速系统在该振荡频率下提供负阻尼；如果表明ΔP_m在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向相反，ΔP_m超前ΔA(90～180度)，调速系统在该振荡频率下提供正阻尼。

5、还能够确定不同工况、不同振荡频率时的阻尼特性，具体包括：

(1)设置频率信号输入间隔为0.01Hz，在0.02Hz～0.09Hz内依次，依次增大振荡频率f，重复步骤3，可得该工况下不同振荡频率时调速系统的阻尼情况。

(2)根据厂家提供的水锤效应时间常数T_w设计范围，选择若干典型值进行分析计算，至少应该包括3个典型值，

(3)考虑被测机组在不同出力水平的典型运行方式，一个水锤效应时间常数T_w至少应该考虑以下三种发电机出力水平：P₁＝60％、P₂＝80％、P₃＝100％额定出力，并尽量避开机组振动区等非推荐性运行区。

(4)按照如下表格中对应的发电机出力和水锤效应时间常数组合工况，重复步骤3、4进行测试。

实施例2

基于上述测试方法，本实施例还提出了基于ADPSS的水轮机调速系统阻尼测试装置，如图1所示，该测试装置具体包括：

移动式ADPSS实时仿真器，用于建立待测试水轮机调速系统所接入电网的机电-电磁混合仿真模型，实现含待测试水轮机调速系统所接入电网的机电-电磁混合仿真。

信号发生器，用于向水轮机调速器输入激励信号，可输入正弦激励信号，并自选信号的频率、幅值和初相，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；

数据采集及分析模块，可根据设定的频率实现信号的采集，用于采集激励信号、水轮机导叶开度、水轮机组输出机械功率三组数据；并根据采集信号进行阻尼特性测试：包括判断调速系统的阻尼特性以及确定调速系统在各个工况、各个频率下的阻尼特性。

本实施例中，该测试装置还包括输出模块(图1中未示出)，通过可视化的手段展示测量到的输入激励信号和采集到的输出信息，并可选择按照一定的数据间隔输出至文件，展示阻尼测试结果。

实施例3：

以四川电网某大型发电机为例，为预防西南电网异步运行后的超低频振荡风险，对调速器参数进行优化调整，在ADPSS中搭建调速器模型，分别考虑优化前、优化后的调速器参数，注入振荡频率为0.05Hz、振幅为50±0.05Hz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和图3所示，其中图2为调速器参数优化前波形，图3为调速器参数优化后波形。

从图2可以看出，在调速器参数优化前，以频率偏差信号躲过水锤效应后的第二个周期作为零时刻，机械功率偏差信号第一次过零时间t₀＜1/(4f)＝5s，由于表明ΔP_m在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向一致，即ΔP_m滞后ΔA(0～90度)，调速系统在该振荡频率下提供负阻尼。

从附图3可以看出，在调速器参数优化后，以频率偏差信号躲过水锤效应后的第二个周期作为零时刻，机械功率偏差信号第一次过零时间t₀>1/(4f)＝5s，由于

表明ΔP_m在t0时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向相反，即ΔP_m滞后ΔA(90～180度)，表示调速器参数优化后，调速系统在该振荡频率下提供正阻尼。

改变输入信号的频率和运行工况，可测得调速系统在不同频率和不同运行工况下的阻尼，从而得到调速系统开环阻尼特性。

本实施例给出了利用ADPSS对调速系统开环阻尼水平进行实测的一般流程，解决了当前只能根据模型对单一工况下调速系统阻尼进行分析的不足的技术问题。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

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 (10)

1.基于ADPSS的水轮机调速系统阻尼测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1，将预先在ADPSS中建立的待测试水轮机调速系统所接入电网的机电-电磁混合仿真模型中待测试机组的频率信号输出，接入调速器输入端，所述调速器输出水门开度指令信号Y_PID给执行机构，执行机构输出开度信号Y给水轮机模型，水轮机模型输出机械功率信号P_m给发电机模型，实现数模混合实时仿真；

步骤S2，将信号发生器接入调速器输入端，向调速器输入激励信号A；

步骤S3，采集调速器输入频率偏差信号ΔA和水轮机模型输出机械功率偏差信号ΔP_m，并根据频率偏差信号ΔA和机械功率偏差信号ΔP_m判断调速系统的阻尼特性；其中采样频率与激励信号A的频率相同。

2.根据权利要求1所述的基于ADPSS的水轮机调速系统阻尼测试方法，其特征在于，所述步骤S1建立的仿真模型包括依次连接的执行机构、水轮机模型、发电机模型和外部电力系统模型，其中，所述水轮机模型的传递函数G(s)表示为：

式中，T_w为水锤效应时间常数，s为微分算子，e_y＝(e_qye_mh-e_mye_qh)/e_my，e_qy、e_mh、e_my、e_qh均为水轮机模型参数。

3.根据权利要求1所述的基于ADPSS的水轮机调速系统阻尼测试方法，其特征在于，所述步骤S2中输入的激励信号为振荡频率为f的低频正弦信号，表示为：

A＝50+A₀sin(2πft+α₀)

式中，A₀表示激励信号幅值，α₀表示激励信号初始相位。

4.根据权利要求1所述的基于ADPSS的水轮机调速系统阻尼测试方法，其特征在于，所述步骤S3中调速系统的阻尼特性判断方法具体包括：

在输入信号初相位为0的情况下，将调速系统反调响应的第一个周波数据剔除，以频率偏差第二周期开始时刻为0时刻，计算水轮机输出机械功率偏差信号ΔP_m第一次过零点的时间t₀，分以下几种情况：

(a)t₀＞1/(4f)，如果

表明P_m的在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向一致，即ΔP_m超前ΔA(0～90度)，调速系统在该振荡频率下提供负阻尼；如果

表明ΔP_m在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向相反，即ΔP_m滞后ΔA(90～180度)，调速系统在该振荡频率下提供正阻尼。

(b)t₀＜1/(4f)，如果

表明P_m在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向一致，即ΔP_m滞后ΔA(0～90度)，调速系统在该振荡频率下提供负阻尼；如果表明ΔP_m在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向相反，ΔP_m超前ΔA(90～180度)，调速系统在该振荡频率下提供正阻尼。

5.根据权利要求1所述的基于ADPSS的水轮机调速系统阻尼测试方法，其特征在于，该方法还包括：改变激励信号的频率和运行工况，得到不同工况和不同振荡频率时调速系统的阻尼特性。

6.基于ADPSS的水轮机调速系统阻尼测试装置，其特征在于，该装置包括：

移动式ADPSS实时仿真器，用于构建待测试水轮机调速系统所接入电网的机电-电磁混合仿真模型；

信号发生器，用于向调速器输入频率、幅值和初始相位均可控的激励信号；

数据采集及分析装置，用于采集调速器输入频率偏差信号ΔA和水轮机模型输出机械功率偏差信号ΔP_m，并根据频率偏差信号ΔA和机械功率偏差信号ΔP_m判断调速系统的阻尼特性；其中采样频率与激励信号A的频率相同。

7.根据权利要求6所述的基于ADPSS的水轮机调速系统阻尼测试装置，其特征在于，所述仿真模型包括依次连接的执行机构、水轮机模型、发电机模型和外部电力系统模型，其中，所述水轮机模型的传递函数G(s)表示为：

式中，T_w为水锤效应时间常数，s为微分算子，e_y＝(e_qye_mh-e_mye_qh)/e_my，e_qy、e_mh、e_my、e_qh均为水轮机模型参数。

8.根据权利要求6所述的基于ADPSS的水轮机调速系统阻尼测试装置，其特征在于，所述激励信号为振荡频率为f的低频正弦信号，表示为：

A＝50+A₀sin(2πft+α₀)

式中，A₀表示激励信号幅值，α₀表示激励信号初始相位。

9.根据权利要求6所述的基于ADPSS的水轮机调速系统阻尼测试装置，其特征在于，所述调速系统的阻尼特性判断方法具体包括：

在输入信号初相位为0的情况下，将调速系统反调响应的第一个周波数据剔除，以频率偏差第二周期开始时刻为0时刻，计算水轮机输出机械功率偏差信号ΔP_m第一次过零点的时间t₀，分以下几种情况：

(a)t₀＞1/(4f)，如果

表明P_m的在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向一致，即ΔP_m超前ΔA(0～90度)，调速系统在该振荡频率下提供负阻尼；如果

表明ΔP_m在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向相反，即ΔP_m滞后ΔA(90～180度)，调速系统在该振荡频率下提供正阻尼。

(b)t₀＜1/(4f)，如果

表明ΔP_m在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向一致，即ΔP_m滞后ΔA(0～90度)，调速系统在该振荡频率下提供负阻尼；如果

表明ΔP_m在t₀时刻的斜率与频率偏差信号斜率方向相反，ΔP_m超前ΔA(90～180度)，调速系统在该振荡频率下提供正阻尼。

10.根据权利要求6所述的基于ADPSS的水轮机调速系统阻尼测试装置，其特征在于，所述数据采集及分析装置还得到不同工况、不同振荡频率时调速系统的阻尼特性，并对阻尼测试结果进行输出。

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