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摘要介紹了水輪機(jī)調(diào)速器真機(jī)仿真試驗(yàn)中真機(jī)建模的兩種方法，即數(shù)字建模與試驗(yàn)建模的可行性，結(jié)合水電廠實(shí)際情況進(jìn)行前景分析，為仿真技術(shù)在實(shí)際中的運(yùn)用提出了建設(shè)性意見。

關(guān)鍵詞水輪機(jī)調(diào)速器真機(jī)仿真試驗(yàn)水電應(yīng)用

0前言

為了順利地開展水電廠狀態(tài)檢修工作，必須對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確全面的評(píng)估。

水輪機(jī)調(diào)速器是水輪發(fā)電機(jī)組的一個(gè)重要輔助設(shè)備，其狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)的供電質(zhì)量并影響水輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。全面、有效、客觀地評(píng)價(jià)設(shè)備狀態(tài)的有效手段是對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)性能參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的運(yùn)行參數(shù)與有關(guān)儀表及規(guī)程進(jìn)行比較作出其狀態(tài)性能的評(píng)估。由于大中型水輪機(jī)調(diào)速器都是微機(jī)型的，是一種高度智能化的調(diào)節(jié)設(shè)備，其硬件結(jié)構(gòu)又是千差萬別，并趨向于集成化、模塊化方向發(fā)展，外部結(jié)構(gòu)越來越緊湊，因此，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中通過在線監(jiān)測(cè)水輪機(jī)調(diào)速器各部結(jié)構(gòu)性能參數(shù)來總體評(píng)估其狀態(tài)性能具有一定的難度。同時(shí)，由于水輪機(jī)調(diào)速器處于一個(gè)水、機(jī)、電聯(lián)合作用的復(fù)雜系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)、控制的系統(tǒng)會(huì)對(duì)調(diào)速器的狀態(tài)性能產(chǎn)生或多或少的影響，因此僅僅去監(jiān)測(cè)水輪機(jī)調(diào)速器的某些狀態(tài)參數(shù)，如轉(zhuǎn)速（頻率）、導(dǎo)葉開度、漿葉角度和功率，還不能很全面客觀地對(duì)其狀態(tài)性能進(jìn)行評(píng)估，必須將其置身于所調(diào)節(jié)、控制地整個(gè)系統(tǒng)中去考慮。因此，為了檢驗(yàn)運(yùn)行中水輪機(jī)調(diào)速器的狀態(tài)性能，一般都是通過一系列試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)的，如靜特性和開、停機(jī)，空載擺動(dòng)，空載擾動(dòng)，突增、突減負(fù)荷，甩負(fù)荷等動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)。水輪機(jī)調(diào)速器的真機(jī)試驗(yàn)一般分為無水試驗(yàn)和有水試驗(yàn)，而利用真機(jī)仿真技術(shù)就可以在無水狀態(tài)下進(jìn)行有水試驗(yàn)的項(xiàng)目，提前預(yù)知設(shè)備檢修質(zhì)量和及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷所在，為水電廠的檢修提供可信服的依據(jù)。

1調(diào)速器真機(jī)仿真的原理和方法

調(diào)速器真機(jī)仿真有2種建模方法：數(shù)字仿真和試驗(yàn)仿真。數(shù)字仿真是人工構(gòu)造機(jī)組的數(shù)學(xué)模型。將模型輸入到計(jì)算機(jī)，然后將這臺(tái)具有測(cè)量控制功能的計(jì)算機(jī)和調(diào)速器相連，由計(jì)算機(jī)中的模型代替真實(shí)機(jī)組，用軟件的方法實(shí)現(xiàn)仿真試驗(yàn)。由于技術(shù)上的原因，人工構(gòu)造的模型和實(shí)際機(jī)組模型存在一定的差異，仿真試驗(yàn)的精度不是很高，很難用狀態(tài)分析軟件來判斷它的調(diào)節(jié)品質(zhì)是否發(fā)生了變化。同時(shí)，由于人工構(gòu)造模型需要人工介入，很難實(shí)現(xiàn)仿真試驗(yàn)自動(dòng)進(jìn)行。

試驗(yàn)仿真與數(shù)字仿真在構(gòu)造數(shù)學(xué)模型和試驗(yàn)方法上都大不一樣，它的建模原理是：被仿真的機(jī)組，如果以前做過一次動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)（如空載擾動(dòng)、甩負(fù)荷等），而且試驗(yàn)是很成功的。那么試驗(yàn)過程中記錄的數(shù)據(jù)，已隱含著該機(jī)組的全部特性參數(shù)（包括水輪機(jī)的綜合特性曲線，發(fā)電機(jī)的Ta和引水系統(tǒng)的TW等）。在相同的工況下，如果重復(fù)上一次試驗(yàn)，只要調(diào)速器（及相關(guān)機(jī)構(gòu)）的控制特性不變，那么它們的過渡過程曲線應(yīng)該是相同的?；谶@種原理，可以將上一次的試驗(yàn)文件作為樣板文件保存起來，每次仿真時(shí)將它調(diào)出來，通過一定的數(shù)學(xué)手段構(gòu)造它的真實(shí)模型，對(duì)調(diào)速器做真機(jī)仿真試驗(yàn)。將這次試驗(yàn)的曲線和樣板文件的曲線進(jìn)行比較，用狀態(tài)分析軟件進(jìn)行分析，得出這次試驗(yàn)是否成功，并判斷調(diào)速器（及相關(guān)機(jī)構(gòu)）的調(diào)節(jié)特性是否變化，以及變化多大。由于使用了計(jì)算機(jī)自動(dòng)構(gòu)造模型，為仿真試驗(yàn)自動(dòng)進(jìn)行提供了可能。

2精度分析和驗(yàn)證方法

真機(jī)試驗(yàn)仿真是根據(jù)實(shí)測(cè)的采樣數(shù)據(jù)，通過一定的數(shù)學(xué)方法構(gòu)造它的真實(shí)模型。它的誤差主要來自2個(gè)方面：一是采樣信號(hào)的精度，二是數(shù)學(xué)模型的計(jì)算精度。采樣信號(hào)精度一般在0．2％～0．1％之間，而計(jì)算機(jī)的計(jì)算精度可以控制在很高的水平，一般都在萬分之一以上，因此總體精度可優(yōu)于0．2％。由于真機(jī)試驗(yàn)仿真的精度很高，這就為調(diào)速器的設(shè)備狀態(tài)分析提供了很高的可信度。

檢驗(yàn)真機(jī)試驗(yàn)仿真精度的方法比較簡(jiǎn)單：對(duì)機(jī)組做一次真實(shí)的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)（如甩負(fù)荷試驗(yàn)），或可通過查詢相關(guān)的歷史資料；停機(jī)之后在無水狀態(tài)下，做一次同樣的真機(jī)仿真試驗(yàn)，2次試驗(yàn)的曲線應(yīng)該完全重合。

3基于真機(jī)仿真試驗(yàn)的水輪機(jī)調(diào)速器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

調(diào)速器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)由硬件和軟件2大部分組成。

硬件包括：計(jì)算機(jī)，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，高精密數(shù)字變頻裝置，高精密數(shù)字測(cè)頻裝置，定子電流檢測(cè)模塊和相應(yīng)的傳感器。

軟件包括：調(diào)速器所有試驗(yàn)軟件，真機(jī)仿真建模軟件，真機(jī)仿真軟件，狀態(tài)分析軟件，在線監(jiān)測(cè)軟件，通訊繪圖顯示軟件包，數(shù)據(jù)庫和趨勢(shì)分析軟件。若將調(diào)速器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)納入1臺(tái)機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，則某些硬件（如計(jì)算機(jī)和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）可以直接引用監(jiān)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，而不需另外配置，只需配置數(shù)字變頻，數(shù)字測(cè)頻，定子電流檢測(cè)和傳感器等專用硬件即可。軟件部分可將試驗(yàn)軟件包，真機(jī)仿真建模軟件，真機(jī)仿真軟件，狀態(tài)分析軟件和在線監(jiān)測(cè)軟件放在下位機(jī)，而通訊繪圖顯示軟件包，數(shù)據(jù)庫和趨勢(shì)分析軟件放在上位機(jī)。在機(jī)組運(yùn)行期間，利用在線監(jiān)測(cè)軟件對(duì)調(diào)速器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)和分析。機(jī)組大修或初投時(shí)，可調(diào)用試驗(yàn)軟件包完成調(diào)速器靜特性和所有動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，并選取調(diào)節(jié)特性好的試驗(yàn)文件作為樣板文件存入樣板庫。以后只要機(jī)組小修或停機(jī)無水狀態(tài)下，就可以進(jìn)行真機(jī)仿真試驗(yàn)。設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)度程序，由它來安排仿真試驗(yàn)的時(shí)間和順序，全部自動(dòng)進(jìn)行。仿真后的試驗(yàn)文件及分析結(jié)果自動(dòng)傳送到上位機(jī)，并存入數(shù)據(jù)庫，同時(shí)可以顯示和打印。上位機(jī)的趨勢(shì)分析軟件將數(shù)據(jù)庫中歷年來的仿真試驗(yàn)文件調(diào)出來進(jìn)行趨勢(shì)分析，得出調(diào)速器是否需要大修的結(jié)論，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速器的狀態(tài)檢修。

4調(diào)速器的真機(jī)仿真的兩個(gè)重要意義

a．實(shí)現(xiàn)調(diào)速器的狀態(tài)分析和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

b．甩負(fù)荷仿真可以代替真實(shí)的甩負(fù)荷。機(jī)組大修之后往往都要進(jìn)行一次甩負(fù)荷試驗(yàn)來檢查調(diào)速器及相關(guān)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)控制特性。甩負(fù)荷試驗(yàn)不僅要向調(diào)度申請(qǐng)，而且大型機(jī)組的甩負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)和機(jī)組都產(chǎn)生很大的沖擊，影響機(jī)組壽命。甩負(fù)荷仿真試驗(yàn)完全可以模擬真實(shí)的甩負(fù)荷，從而取代它。這樣既保證了檢修質(zhì)量，又提高了工效，延長機(jī)組的使用壽命。

5應(yīng)用前景

目前我省的水電廠采用的調(diào)速器種類較多，但大多數(shù)都已升級(jí)為微機(jī)型調(diào)速器，這就對(duì)用仿真技術(shù)實(shí)施調(diào)速器真機(jī)仿真提供了很好的應(yīng)用背景。利用真機(jī)試驗(yàn)仿真技術(shù)可以對(duì)調(diào)速器在充水之前就能了解調(diào)速器的大修質(zhì)量和及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題隱患，為整個(gè)大修提供有力的技術(shù)保障。隨著狀態(tài)檢修工作的進(jìn)一步深入開展，在水電廠進(jìn)行調(diào)速器的真機(jī)仿真試驗(yàn)已是勢(shì)在必行。通過在柘溪水電站做的仿真試驗(yàn)以及實(shí)測(cè)真機(jī)的過渡過程進(jìn)行的比較，調(diào)速器真機(jī)仿真試驗(yàn)的結(jié)果是可以令人信服的。在逐步加深對(duì)調(diào)速器的狀態(tài)檢修的認(rèn)識(shí)后，用調(diào)速器真機(jī)仿真試驗(yàn)技術(shù)來進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估調(diào)速器性能能夠得到更好的應(yīng)用。