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武汉华英电力

基于DSP的水轮机调速系统仿真测试仪设计与实现-王兰芳

2020-01-18 10:57
  摘要:水轮机速度调节系统是水力发电控制的重要组成部分,不断增长的水轮机调速系统测试需求和国产调速器技术的变革推动了水电站调速系统专业测试仪器产生和发展,在近20年时间里,水轮机调速系统测试技术在国内经历了几个发展阶段,仪器试验项目翻盖范围不断增加,甚至某些仪器已经成为了超出调速系统测试范畴的水电站综合性试验仪器,国内水轮机调速系统测试技术已经具有了比较高的水平,尽管如此在水轮机调速系统测试技术依然存在一些问题,突出表现在产业化程度低,仪器稳定性和可靠性差等,这些问题将会促使水轮机调速系统专业测试仪器进入一个全新的发展阶段。
 
  (作者:武汉市华英电力科技有限公司总经理-王兰芳,基于DSP的水轮机调速系统仿真测试仪设计与实现,华中科技大学学位论文,2005.6 版权所有)
 
  关键词:水轮机调速系统水轮机调速器专业测试仪一次调频

 
  1引言
 
  水轮机调速器是水轮机调节系统的核心组成部分,水轮机调速器调节品质好坏对水轮发电机组运行的安全性、经济性以及电力系统电能质量和安全具有重大意义,在调速器生产、安装启动和大修等环节,都需要对其性能和特性进行全面测试,其试验包括产品出厂试验和现场交接验收试验。我国国家标准和有关行业标准等对水轮机调速系统及装置的设计制造、特性指标和测试验收方法、条件均提出了明确要求。但是如果没有专业的试验仪器配合要完成这些试验是相当有困难的,例如:
 
  (1)新产品在实验室开发阶段,没有真实发电机组,不能构成闭环系统进行动特性试验,以确定调速器是否能够按照正常调节规律运行,直接到工业现场试验成本极高,并存在很大的安全隐患。
 
  (2)水轮机调速器在出厂时,都要进行出厂检验试验以确定调速器是否能按照正确的规律调节控制水轮机的运行,但是在调速器厂家往往没有条件构造水力发电现场环境。
 
  (3)在水电站现场,调速器安装投运和大修时,要对调速系统进行试验,试验过程中需要全程记录,并计算相关参数指标,完成这些工作所需仪器繁多,过程复杂,容易出错。
 
  (4)要求调速器测试人员有较高的专业知识和丰富的实践经验,并且结果处理工作量大,容易带来误差。
 
  这些不断增长的市场需求和近些年新兴技术的发展,导致了水轮机调速系统专业测试仪器的产生和快速发展。
 
  2水轮机专业测试仪器应用领域分析
 
  水轮机调速系统专业测试仪器的使用单位主要包括水轮机调速器生产厂家,学校,科研机构,水电站,水电建设单位以及电力科学研究院。测试仪在这些单位的典型应用场景可归纳为以下几类:
 
  (1)水轮机调速器生产厂家和科研机构
 
  在水轮机调速器厂家和科研机构,调速系统专业测试仪器所承担的任务主要是仿真发电机组,新的水轮机调速器研制过程中,需要反复试验,但是在水轮机调速器生产厂家或者科
 
  研机构,往往没有真实水电站运行环境,那么就需要构造一套能让水轮机调速器运转起来的系统。调速系统专业测试仪器能够满足这种需求,通过采集水轮机调速器导叶主接力器行程信号,模拟发电机组计算机组频率,将得到的机组转速信号输出至水轮机调速器,让水轮机调速器像在真实水电站环境一样正常运转。此时系统原理框图如图1所示,这样就可以大大方便水轮机调速器的研制开发。
 
  每一台水轮机调速器被生产出来时,都需要对其质量进行检测,观察其是否能按照正常规律完成对水轮发电机组的控制。这样的质量检测包括静态试验和动态试验两个环节,对于静态试验,手工试验方法耗时长,容易出错,计算结果比较复杂;动态试验环节则需要一个真实运行环境,能够让水轮机调速器正常运转起来。调速系统专业测试仪器在这两个试验环节中都可以发挥重要作用,一方面自动完成调速器静态试验,速度快并且结果准确;另一方面调速系统专业测试仪器还可以仿真发电机组给水轮机调速器提供一个能使其正常运行的环境,并且记录整个动态试验过程,自动计算结果给出相应的参数和报告。
 
  图1专业测试仪器处于仿真工作模式时的系统原理框图
 
  (2)水电站、电力科学研究院和水电建设单位
 
  新的水轮发电机组投运和处于运行中的发电机组大修时,都需要完成调速器调试工作,其中一个重要方面就是对调速器进行试验,检测调速器性能指标是否能达到国家标准要求。水轮机调速系统专业测试仪可以记录整个试验过程,采集试验数据,实时给出试验的各种数据波形,自动计算试验结果给出试验报告,此时的系统连接原理图如图2所示。
 
  另一方面目前很多的水轮机调速系统专业测试仪器还加入了一次调频功能和同期试验功能,这使得调速系统专业测试仪器的应用范围得到大大扩展,同期试验可以用来在投运和检修时检测同期装置性能,而一次调频试验功能则通过发送高精度频率信号来检测调速器死区,同时还可以模拟和记录整个电网的一次调频试验过程,从而检查调速器的一次调频功能。

 
  图2专业测试仪器在水力发电现场的工作模式原理框图
 
  (3)学校
 
  水轮机调速系统专业测试仪器还可以模拟整个发电机组现场运行环境,为高校和职业学校水电站运行课程教学提供一个良好实验平台,通过水轮机调速系统仿真测试仪模拟水电站运行过程中调速器的调节规律、开关机过程、各种事故及其状态等等。
 
  3水轮机调速系统测试技术现状
 
  3.1测试模式和测试手段
 
  在国内,八十年代初期,中国水利水电科学研究院即开始这方面的研究工作,他们提出了"模拟调节对象+真实调速器"的模式。随后,众多的专家学者在水轮机仿真模型的建立,调速器控制策略研究方面进行了广泛的探讨,工程技术人员则在调速器的仿真研究、设计生产以及检修测试方面进行了有益的探索。
 
  1989年,孔昭年提出了一种描述水轮机动力学状态的新方法,以适应水轮机调节系统实时仿真需要。该方法的中心思想是以流量特性矩阵与力矩特性矩阵来取代传递系数表征水轮机的流量与力矩特性[3]。1992年,蒋日东在水电机组的控制研究过程中,建立了相应的水电机组仿真模型,随后近20年时间,水轮机专业测试仪器经历了几个大发展阶段。
 
  最先出现的测试模式是仿真调节对象+水轮机调速器模式,水轮机调速系统专业测试仪器通过采用数字仿真方法来模拟调节对象,经I/O接口与真实调速器相连,可进行调速器全部静、动态特性试验及调速系统动态试验。它的研制成功,推动了国产调速器调试手段的发展,为水轮机调速器自动测试技术开展提供了良好的开端。
 
  1998年以后,华中科技大学率先领导了水轮机调速系统测试技术的新革命,先后以Intel8086芯片和DSP2407芯片为核心,通过RS232串行通讯接口将测试仪与PC机相连,推出了新型的水轮机调速系统仿真测试仪[2],该类型仪器不仅能以模拟调节对象+调速器模式工作,还能应用于发电现场实现对调速器的静、动态性能进行全程测试、记录、处理、打印保存工作,大大简化了调速系统试验过程和数据处理过程,降低了试验错误几率,提高了试验效率。
 
  近两年水轮机调速系统测试技术更是得到了飞速发展,测试仪器出现了很多新的变化,试验仪器的主流配置基本都变成了DSP2812+USB2.0模式,新的测试仪器信号采集和输出通道数量多,速度快,精度高,数据处理变得更加方便,并且试验项目也大大增加,某些试验仪器甚至发展成为了超出了调速系统试验范畴的水电站综合性试验仪器,例如武汉华英电力科技有限公司和华中科技大学共同研制的新型调速系统仿真测试仪HYTS201不仅能完成常见的调速系统静、动态试验,还能完成并网同期试验,一次调频试验,甚至故障录波和在线监测等任务[1]。
 
  3.2测试项目
 
  随着水轮机调速系统测试技术的发展,专业测试仪器的测试项目也发生了很大变化。早期的试验仪设计的试验项目都是仿真调速系统进行常规试验,例如静特性试验,仿真摆动试验,仿真扰动试验,仿真甩负荷试验等等,试验项目非常少。
 
  现如今的水轮机调速系统专业测试仪器除了完成仿真模式常规测试项目以外,都能完成水力发电现场试验记录,计算和自动数据处理,一般试验仪器设计的试验项目包括:静特性,空载摆动试验,空载扰动试验,不动时间试验,甩负荷试验,开机过程记录等,该类型试验已经变成了调速系统专业测试仪器的主要应用。
 
  同期试验和一次调频试验属于非调速系统试验范畴,但是某些试验仪器(如HYTS201)已经将这些试验也纳入了仪器的试验项目,尤其是水电站一次调频试验,该试验虽然是一个比较经典的电站常规试验,但是在水力发电行业受到关注却是近两年的事情,目前水电站一次调频试验在全国各省变得越来越多热门,随着水电装机容量比例不断增加,水电站一次调频功能对提高大电网稳定性发挥着非常重要的作用,一次调频试验对专业试验仪器也提出了比以往更高的要求,尤其是仪器的频率输出和发送精度要求比早期仪器提高了一个数量级。
 
  4水轮机调速系统测试技术的发展趋势
 
  虽然水轮机调速系统专业测试仪器经历了很长时间的发展,但是现在还不能说水轮机调速系统测试仪器已经非常成熟,该类型测试仪从一出生就有着很多先天性缺陷,并且这些缺陷被一代一代传递了下来。由于市场规模有限,全国的测试仪器都缺乏产业化运作和推广,基本上都是高校或科研院校单打独斗,仪器研发、调试、检测和生产过程及其不规范,这些状况使得该类型的仪器存在一个通病即稳定性和可靠性极差。另一个问题是现有的测试仪器都使用笔记本电脑和仪器联机方式采集、处理数据,该方式存在非常多的不可靠因素,如通信过程不可靠,上位机软件不可靠,笔记本电脑多用途等等,往往容易造成仪器死机,这种现象在很多仪器上都存在。为了克服上述这些问题,武汉大学和华中科技大学的部分产品都开始了产业化运作,并对产品的工作原理正进行革命化的调整,例如武汉华英电力科技有限公司即将推出基于嵌入式系统的调速系统仿真测试仪,该仪器将能够有效的避免老式仪器的不可靠和死机问题,并且在产品整个研发和生产过程中都进行严密监控和严格测试,以保证仪器质量。
 
  从测试项目来看,调速系统专业测试仪器正在超越调速系统测试仪范畴,很多仪器已将同期,一次调频等非调速系统试验项目纳入仪器试验,并且测试仪还将担当录波器的任务,实施对水力发电现场进行实时监控和故障录波,这将使得测试仪能得到更好的应用,甚至从某种意义上,调速系统测试仪还可能发展成为具有水力发电厂故障录波功能的综合性仪器。
 
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