新安江电厂水电仿真培训系统的开发

新安江电厂水电仿真培训系统的开发 上海交通大学 硕士学位论文 新安江电厂水电仿真培训系统的开发 姓名:施海熊 申请学位级别:硕士 专业:电气工程 指导教师:范春菊;邵开宏 20070301 上海交通大学工程硕士论文 4 摘 要 水电厂仿真培训系统是一个跨学科、复杂的模拟系统,目前国内对这一技 术的研究处于起步阶段。本文从目前电力系统的仿真现状出发,概述了几个 水 电厂仿真培训系统的实际情况,指出开发水电厂仿真培训系统是符合水电厂 实 际应用的需求的。文章通过新安江水力发电厂仿真培训系统的开发和总体设 计 实例,给出了水电厂仿真培训系统开发与设计的一个模型构思。 文章叙述了仿真系统开发的流程,介绍了新安江水电厂仿真培训系统的软 硬件环境,本文的第二章、第三章、第四章、第五章分别对仿真支撑系统的原 理和功能、新安江水电厂主要设备的数学模型和仿真模型的构造、图形界面的 实现、多媒体的实现这四个方面进行了阐述,并对他们之间的关系进行说明, 给出一个仿真培训系统开发研究的流程和基本方法。文章对混流式水轮发电机 组采用了小波动过程和大波动过程仿真的研究方法,对发电机、励磁系统、水 轮机、引水系统、调速器等各部分的数学模型和仿真方法进行了详细的分析。 最后对全文的内容予以分析,指出水电厂仿真培训系统开发的特点及需注意的 问题,并对研究成果进行了分析。 关键词:水电厂 仿真 支撑系统 数学模型 图形界面 多媒体 上海交通大学工程硕士论文 5 ABSTRACT Hydropower plant simulation system is an interdisciplinary and complicated analog system. The domestic study on this technology is still at the starting stage at present. Base on the simulation of the electric power system. This thesis makes an attempt to show that to develop the simulation training system of computer is accord with the actual demands of hydropower plants after studing the actual simulation of the simulation training system of some hydropower plants. By means of the example of development and design of the simulation training system of xin an jiang hydropower plant, It provides a model of development and design of the simulation training system of computer of hydropower plant. This thesis describes the process of development of the simulation system and recommends the software and hardware environment of the simulation training system of xin an jiang hydropower plant. The second chapter, the third chapter, the fourth chapter and the fifth chapter expound the four respects, namely, the tenets and function of simulation support system, building a mathematic model and a simulation model of the major facilities of xin an jiang hydropower plant , realization of graphics 上海交通大学工程硕士论文 6 interface and realization of multimedia with separately, furthermore, explain a relation about them and try to put forward a basic method and a technological process of the development of the simulation systemThis paper adopts the simulation research approach small disturbance and large disturbance in mixed-flow hydraulic generator unit, establishes mathematic model and simulation method of generator, excitation system, hydraulic turbine, diversion system and regulator. The final part of thesis shows the characteristics of the development of this simulation system and the problems needs to take care. It also makes an analysis on the research achievements. Key words: hydropower plant, simulation, support system, mathematic model, graphic interface, multimedia. 上海交通大学工程硕士论文 2 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。学位论文作者签名:施海熊 日期: 2007 年 3 月 9 日 上海交通大学工程硕士论文 3 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定。同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和 借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密?,在___年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密? (请在以上方框内打“?”) 学位论文作者签名: 施海熊指导教师签名:范春菊 日期: 2007年 3 月9 日日期: 2007 年 3 月 9 日 上海交通大学工程硕士论文 1 第一章 绪 论 1.1计算机仿真概述 1.1.1 计算机仿真概念 仿真是利用一个模型来模仿实际系统所发生的运动过程并进行试验的技术 [1]。模型是实际系统或过程在某些方面特性的一种表现形式,它能反映出该系 统和过程的行为特性[1]。计算机仿真是指以计算机为主要工具,运行真实系统 或预研系统的仿真模型,通过对计算机输出信息的分析与研究,实现对实际系 统运行状态和演化规律的综合评估与预测[2]。根据这个定义,计算机仿真是 在 计算机上建立仿真模型,模仿实际系统的运行状态及其随时间的变化的过 程。 利用计算机进行数学仿真一般需要经过下列几个过程: 1、确定对系统进行仿真的目的和基本要求,即弄清楚仿真要解决的问题, 并给出明确的说明。 2、建立系统的数学模型,将被仿真的系统表示成微分方程组、差分方程组、 传递函数、结构图、信号流程图或其它数学表示式。 3、将原始的数学模型通过一定方式变换成能在计算机上实现和运行的数学 模型,即仿真模型。 4、编制仿真模型程序并进行调试。 5、仿真模型的校验和确认。仿真模型的校验是指仿真模型与数学或物理模 型的一致性校验,仿真模型的确认是指仿真模型与实际系统一致性的校验。 6、进行仿真试验。[2] 计算机仿真过程图见图 1-1。 确定仿真的对 象、目的、要求 建立系统数 学模型 建立系统仿 真模型 仿真模型程 序设计 仿真模型校 验确认进行仿真试验 上海交通大学工程硕士论文 2 图 1-1 计算机仿真过程图 Fig 1-1 the diagram of computer simulation 1.1.2 计算机仿真分类 计算机仿真分成主要分为两类:1)用于科学研究和工程设计的计算机仿真、 2)用于操作人员培训的计算机仿真。 用于科学研究和工程设计的计算机仿真对仿真模型的要求极高,仿真模型 应能准确的模拟出实际对象的内在原理,并能正确反映出因某些参数变化而 导 致的结果,为科学研究和工程设计提供可靠的依据。如计算机仿真系统上进 行 飞机的风洞试验、核爆炸试验等。 用于操作人员培训的计算机仿真要求能逼真的模拟实际的操作环境,并能 正确地反映操作结果。这类计算机仿真系统目前广泛地用于电力、化工、运 输、 钢铁等行业的操作人员的职业培训中,称为仿真培训系统。 1.1.3水电厂仿真培训系统开发目的和意义 随着计算机技术的高速发展,水电站运行的自动化程度也越来越高,自动 化程度成了水电站现代化水平高低的重要决定因素。而自动化程度越高,电站 人员专业培训也就越难。以前的电站人员培训多半采取“帮、教、传”的方式, 费时费力,效果也不显著,而且很不利于电站人员的自学。在重要而复杂的技 术上往往很长时间内都没有机会实时演练,尤其在电网中承担重要负荷任务的 大型电站,更不可能因为职工的技术培训而进行开、停机等直接影响电力系统 稳定和电站经济效益的操作,因此高质量、便捷实用的计算机仿真培训系统也 就应运而生并成为水电站现代化管理的一个必要内容。 电站仿真培训系统要完成以下主要任务:电站运行设备的可视化、各设备 之间的与实际相符合的关联运行、系统的培训任务设置(故障、异常设置)等。 仿真培训是当前各行各业广为采用的十分有效的手段。仿真培训系统能提 供一个与真实环境一致的仿真环境,在此仿真环境中运行人员不但能进行正常 上海交通大学工程硕士论文 3 操作培训,同时还能演习各种事故和故障处理的培训。因此,仿真培训系统对 提高运行人员素质,增强应变处理能力,保证运行安全可靠是十分有效的。我 国电站仿真技术的研究和应用始于 70 年代,近三十年来,电站仿真培训系统的 研究和开发取得了一系列的研究成果。电站仿真培训系统具有以下主要特性和 优点:仿真模型的高精确度和动态过程的高逼真度使提供给受训人员的环境与 真实环境具有很高的一致性;仿真培训系统形式多样的培训内容与功能使提供 给受训人员的受训方式灵活多变;面向对象技术的应用使得仿真系统具有很强 的可移植性、可扩充性和可升级性。因此仿真培训系统能用于对电厂运行人员 的培训和考核,使受培训人员能熟练掌握机组在各种条件下的启、停过程和正 常运行中的监视操作技术;能通过对电厂常见故障的模拟,使受培训人员的应 急能力和对机组运行的综合分析能力得以提高;能满足工程技术人员对该种类 型的设备及其系统的研究分析等要求;能进行机组运行方式的优化和研究;总 之,对提高电站运行人员操作技能与水平、避免由于操作失误造成设备损坏、 电网解列以及其它重大事故具有重要意义。 1.2国内外水电厂仿真系统概况 水电厂仿真培训系统实际上是对水电厂某单元发电机组系统的工作过程 和操作流程的仿真。 国外水电厂仿真研究从七十年代开始,初期仅停留在调速系统等模型的理 论探讨上。接着出现了水轮机的动态非实时计算机模拟,主要用于水轮机特性 试验和调速系统试验。八十年代中期,国外出现了许多水电厂实时仿真系统, 用于培训和试验研究。如日本的三菱、美国的 S3等公司都相继开发了数套水电 厂实时仿真系统。九十年代以来国外水电厂实时仿真应用已经非常普遍了。 自八十年代以来,仿真技术在我国得到迅速的发展和运用,目前国内已有 火电,变配电仿真系统百套左右。但相对而言,水电仿真的技术发展和推广应 用显得相对滞后,迄今国内投入使用的水电厂仿真机不到十套。国内最早从事 水电厂仿真研究的是清华大学和南京自动化研究院。但南京自动化研究院研究 的目的是为其控制系统开发服务的,因此并不是真正的全仿真系统。清华大学 电机系于八十年代后期开始实用开发,现已成功完成了三套水电厂仿真系统的 研发。分别是丰满水电厂仿真系统、龙羊峡水电厂仿真系统和广州市小水电 仿 上海交通大学工程硕士论文 4 真机。此外隔河岩水电厂、丹江口水电厂也都开发出了自己的仿真系统。但在 水力资源丰富的华东地区,水电仿真还是一个空白。水电机组不象火电机组那 样有系列化,各厂的差别很大,这就决定了水电仿真机的通用性较差。随着计 算机硬件成本的下降,仿真机的成本也大幅下降。可以预见,今后几十年,我 国水电仿真将蓬勃兴起。 国内水电厂仿真情况简介: 丰满水电厂仿真系统 该系统是我国第一套水电厂仿真系统,由清华大学电机系厂站仿真室研制。 1989 年开始研制,1993 年通过验收和鉴定,获东北电管局科技成果一等奖。仿 真对象为丰满水电厂十台机组中的两台及该厂的主要公用系统,包括引水系统、 水轮机组及其配电系统等。系统总投资超过 400万元。 此系统安装于吉林市丰满水电技术学校,用于水电厂运行人员的培训。 龙羊峡水电厂仿真系统 该系统由清华大学电机系厂站仿真室 1994年 7 月开始研制,1996年 12 月 完成。仿真对象为龙羊峡水电厂四台机组中的两台2×230MW及水电厂的各公 用系统。该系统的硬软件水平都比第一套有了明显的提高,并初步尝试引进了 多媒体功能。 该系统安装于青海省西宁电力学校。系统投运后,西北地区众多水电厂纷 纷派人去培训。其中,龙羊峡、青铜峡、李家峡等水电厂更是规定,每个运行 人员每年必须到该仿真系统上培训 10~15 天。由此可见,该系统对生产现场大 有裨益,产生了良好的社会效益和经济效益。 广州小水电仿真机 该工程为世界银行贷款项目,也由清华大学研制,安装于广州市。项目历 时两年,于 1999 年底完成。该系统仿真了两台典型的 12MW 混流式水轮发电 机组。其服务对象为我国南方和东南亚国家的众多小水电厂。 隔河岩水电厂多媒体培训系统 隔河岩水电厂多媒体培训系统由华北电力大学研制,于 1998年 5月提交现 场试运行,包括运行操作仿真培训系统、主要设备结构原理培训、基础知识培 训等 11个子系统。整个系统基于 WinSchool 多媒体教学平台的网络系统,通过 上海交通大学工程硕士论文 5 模块化结构软件实现各部分内容的培训。[3] 1.3 本文的任务 本文讨论以新安江水电厂为仿真对象的一套仿真培训系统,它是实时动态 建模理论和计算机可视化技术相结合,对水电厂进行动态模拟的新成果。新安 江水电厂仿真系统是一套以新安江水电厂为仿真对象,采用多媒体技术、用 PC 机实现的全工况、全范围的实时系统,它仿真了该厂的整个生产流程,仿真范 围包括单元接线(一台主变带 3 台机组)的水轮发电机组系统、网控升压站系 统、厂用电系统、计算机监控系统(H9000)、油水风辅助系统及二次系统等, 可仿真水电厂的各种正常操作和多达 200 余种的故障和异常。该系统可以用于 现场运行人员的正常操作和事故处理的培训和教学[4]。 新安江水电厂仿真培训系统总体目标是先进、实用,要求仿真范围全面、 功能齐全、针对性强,要能满足深层次的培训需要,可进行水电站运行人员的 全过程技术培训,包括正常操作培训和各种事故、异常的培训[4]。 新安江水电厂机组台数较多(共九台),装机容量较大(90MW)、出线电 压等级较高(220kV)、网络接线复杂的特点,具有国内水电厂的一般性和典型 性,考虑到经济效益和社会效益,在仿真系统的设计规模上,除满足新安江水 电厂的培训任务外,还应适度同类型的水电厂的培训需要。 新安江水电厂仿真培训系统为包括水、机、电系统的动态全过程仿真。动 态全过程仿真的优点在于: (1)模拟真实电力系统实际过程; (2)实际系统中,暂态过程对中长期过程有影响,中长期过程对后续新的 暂态过程有影响,因此,在全过程仿真中,要求仿真模型逼真度高、实时性强 且具有鲁棒性。 新安江水电厂仿真系统是以新安江水电厂#7、#8、#9 号三台经增容改造后 的水轮发电机组组成的单元为对象,按 1:1的比例对水轮发电机组进行全 过程、 全范围仿真。被仿对象为整个电厂各种系统和设备,其边界条件为上游水库、 厂区的下游河床以及电厂的对侧电网,仿真范围包括单元接线(一台主变带 3 台机组)的水轮发电机组系统、网控升压站系统、厂用电系统、计算机监控 系 统、油水风辅助系统及二次系统等。 上海交通大学工程硕士论文 6 新安江水电厂仿真系统主要由如下子系统组成: (1)水轮发电机组子系统。包括机组从引水到水机直至尾水的仿真,相应 的调速系统、发电机和励磁系统仿真及相应的控制保护仿真。 (2)监控子系统的仿真。仿真新安江 H9000 监控系统的界面和各种控制 过程。包含各种操作功能的仿真和光字牌报警功能的仿真。 配电子系统。仿真该厂升压站部分,包括输电线路(220kV)、母线(220kV)、 主变压器、开关、站用直流、保护装置、站用交流等。 (3)辅机子系统。仿真水、风、油辅助设备及相应的控制。 本文着重讨论整个系统的开发过程,及系统各主要部分(如:仿真支撑系 统、用户图形操作界面、水机电的主要仿真数学模型、多媒体等)的工作原理。 1.4预期效益 水电厂仿真培训系统的研制目前在国内仍处于初步阶段,从目前的情况看, 国内绝大多数水电厂都没有配置仿真培训系统,而火电厂在这方面的要求要高 一些,现在一些新建火电厂都要求在建厂的同时必须建立仿真培训系统。大型 水电厂如葛洲坝电厂等都还没有仿真培训系统,对于研究部门来说,这是一块 有持开发的市场,而且随着水电厂管理运用水平的提高,这种要求会显得更加 突出,因而可以说是市场的需要促使了这项技术的发展。另一方面,国内仿真 技术研究推广机构现在仍未推出完善的水电厂计算机仿真培训系统产品,这也 是目前应用厂家迟迟观望的一个原因。目前在水电厂仿真培训系统产品方面, 哪个科研机构推出的产品越完善、越实用、越能为用户带来实际的效益,将 来 其所占的市场份额将会越大,可以说,技术的不完善和产品的不定型,使这项 技术仍处于研究开发阶段。将来要想吸引用户、占领更大份额的市场,需注意 市场应用前景、用户利益体现、实用性、可移植性等问题。 由于目前大多数水电厂都没有配备仿真培训系统,因此只要该系统能切合 水电厂实际的需要,就能被大多数水电厂所接受,因而开发这一产品具有较好 的经济效益。一方面开发单位能够以自己的技术能力和产品特点吸引用户,使 更多的用户愿意购买自己的产品,从而为自己创造较好的经济效益;另一方面, 用户运用该产品能够达到培育职工、提高企业职工的整体素质,尤其是业务管 理水平的目的,从而为电厂的安全发供电创造更好的条件,同时,还可提高企 上海交通大学工程硕士论文 7 业的经营管理水平,并为企业带来更大的经济效益。 可以说,开发商在产品的销售后取得的是固定收益,而且随着产品的不断 充实和完善,会给用户提供更充分、更满意的产品,以满足水电厂管理运用水 平的不断提高;而水电厂运用该产品后取得的是长期应用的效益,尤其对那些 运行管理人员变化较大或不断变化的水电厂来说,配备仿真培训系统便成了一 件必须的事情。从当今人员流动较大的现状来看,配备这种系统是保证水电厂 安全稳定运行和优质高效发供电的保证措施之一,可以为水电厂带来长期稳定 的经济利益。 上海交通大学工程硕士论文 8 第二章 新安江水电厂仿真培训系统综述 2.1 新安江水电厂仿真培训系统模式的选择 2.1.1 仿真系统模式 在仿真系统中实现以计算机为基础的系统和子系统的设备和功能复制称仿 真模式。仿真模式共有三种,分别是激励方式 、 仿真方式以及部分仿真方式。 激励方式是指仿真系统在复制实际电站中以计算机为基础的监视和控制系 统时,直接接入与实际电站中相应的系统完全相同的实物,因而也称这种方式 为实际接入方式。也就是说,仿真系统中的这些系统和实际电站中相应的系统 是由同一个厂家制造的,其硬件和软件是一模一样的。仿真系统中这些系统的 硬件和功能无需进行仿真,而只需由仿真计算机向这些系统提供激励信号。 山东石横电厂 300MW 全范围仿真机的数据采集系统就采用激励仿真方式。 石横电厂发电机组的监控系统与其仿真机的监控系统都是由美国 Foxboro 公司 制造,两个系统硬件是同时出厂的同型号计算机系统,即 FOX-1/A,两个系统 软件是出厂前同时拷贝的软件系统,一套用在石横电厂,一套用在石横电厂的 仿真机上,可见两个系统是一模一样的。 仿真方式与激励方式相反,仿真系统在复制电站中以计算机为基础的系统 时,其计算机由仿真计算机主机、另选微机或工作站等计算机代替,不购置任 何操作盘硬件,也不购置主监控与操作的上位机部分,而是用计算机局域网为 载体,以纯软件的方式模拟整个电厂的操作、控制与监视系统。 隔河岩水电厂多媒体培训系统就采用的是仿真方式。整个系统基于 WinSchool 多媒体教学平台的网络系统,通过模块化结构软件实现各部分内容 的培训。 部分仿真方式在复制实际电站中以计算机为基础的系统时,一部分采用激 励方式,一部分采用仿真方式。一般是一个监控系统,它的计算机、人机界面 硬件和软件采用与实际系统完全相同的硬件和软件实现,即采用激励方式实现。 上海交通大学工程硕士论文 9 而在系统功能,如系统控制、数据处理、性能计算等功能则由开发其功能仿真 软件来实现,即采用仿真方式实现。 深圳深能公司制造的深圳妈湾电厂 300MW 全范围仿真机就采用部分仿真 方式,其 INFI-90 系统的硬件和人机界面软件是从 Bailey 公司引进的与妈湾电 厂完全相同的硬件和软件,而 INFI-90 系统的功能及通讯软件则是由深能公司 开发的。 2.1.2 新安江水电厂仿真系统模式的确定 激励方式对所仿真电厂的硬件的统一性要求较高。因为激励方式要求仿真 系统与实际电厂的硬件完全一致,若一个电厂的某一类硬件有几种型号,若要 做到完全仿真,就必须同时购置几种型号的此类硬件,这样其硬件的容量和系 统的价格就会更高。为了将成本控制在可以接受的范围内,这种仿真模式适用 于硬件统一性好的电厂。由于火电厂的仿真系统一般只仿真单元机组,而不仿 真整个电厂及其它附属系统,再加上火电机组的统一性、系列化情况较好,因 此这种仿真模式在火电厂尤其是新建火电厂较多。而水电厂受自然条件的限制, 其硬件装备的个性化较强,因此采用激励方式的可能性较小。具体就新安江水 电厂来说,作为一个老厂,它各单元机组的型号多不相同,同一类型的设备甚 至有几个厂家、几种型号的产品,而且目前它正在进行扩容改造,其控制和监 测装备改造后和改造前差异非常较大,所以采用激励方式仿真从经济角度考虑 是不可能和不实际的。同时由于采用仿真方式的仿真系统其效果已经可以满足 新安江水电厂对仿真培训系统的需求了,没有必要再投资几百万元购置硬件仿 真设备。因此,新安江水电厂仿真系统采用仿真方式是一种既经济实用、切合 实际又满足需求的选择。 2.2 新安江水电厂仿真系统的构成 2.2.1 硬件系统 新安江水电厂仿真培训系统的硬件是由一台 HP D25 服务器、六台 Dell PIII1.6GHZ PC 机、一台多媒体 PC机和大屏幕投影仪组成,不设硬盘台。主机 上海交通大学工程硕士论文 10 具有优良的运行稳定性和实时处理能力。其中 HP 工作站作教练员兼工程师 台, 四台 PC 机作监控系统的仿真用,二台 PC 机作现地系统仿真用。各台计算 机 通过以太网连接,仿真系统硬件系统配置具体构成见图 2-1。主要硬件设备 说明 见表 2-1. 图 2.1 新安江水电厂仿真培训系统硬件系统配置 Fig 2-1hardware of the computer simulation system 表 2-1 仿真系统硬件设备说明表 系统名 设备名称 性能要求 数量 教练员站 HP SERVER HP9000 UNIX SERVER G30 1 监控操作站 PC机 DELL , CPU :P4 1.6GHz , 主 内 存 :256MB , 硬盘 :40G,显示器: 19”LG液晶 4 就地仿真站 PC机 DELL , CPU :P4 1.6GHz , 主 内 存:256MB , 硬盘:40G,显示器:19” SONY彩显 2 多媒体站 PC机 DELL , CPU :P4 1.6GHz , 主 内 存:256MB , 硬盘:40G,显示器:17” SONY彩显 1 投影系统 投影仪 BARCO 6400 1 上海交通大学工程硕士论文 11 集线器 D-LINK DES10106R(10M/100M,16 口) 1 其它设备 3COM 网卡 8 2.2.2 软件系统 新安江水电厂仿真培训系统的软件主要有计算机厂商提供的 UNIX 操作系 统软件、Motif 图形界面开发软件包、FORTRAN 及 C 语言编译器, 另外系 统中 还有全套的仿真专用软件, 包括仿真支撑软件(SimuPlus)、绘图工具软件、 教 练员台功能软件等等。 2.2.2.1仿真支撑软件 (1) SimuPlus仿真支撑系统简介 目前仿真机的开发及运行都是在一个仿真支撑软件上进行的,因为仿真支 撑软件能大大缩短仿真机的研制周期,减轻工程技术人员的劳动强度,使仿真 机的研制更趋于系统化、合理化、规范化和工程化,提高仿真机的仿真精度、 可靠性和培训水平。 新安江水电厂仿真培训系统的支撑软件是一套基于 UNIX 系统的集成的仿 真支撑软件,即 SimuPlus。该软件包经过完善和发展,已经基本成熟。 SimuPlus 仿真支撑系统是一个能完整支持实时仿真软件开发、调试、运行 并具有开放性的支撑环境,是各种仿真机开发、研制的强有力的工具。它是以 开放式多用户实时计算环境为目标而设计的,是建立在计算机操作系统之上的 软件开发平台,可实现大型实时多用户数据管理、共享内存管理、实时任务调 度、源代码扫描分析和动态实时调试等功能,同时提供了一套通用的访问 SimuPlus实时数据库的接口函数,以方便其他仿真软件的开发(如:教练员台、 就地系统、集控系统仿真软件等) SimuPlus 仿真支撑系统由数据管理系统、模型连接系统、模型编译系统、 变量入库系统、实时调试系统、动态图形生成系统和运行控制系统等组成。 它 是一个能完整支持实时仿真软件开发、调试、运行并具有开放性的支撑环境, 是各种仿真机开发、研制的强有力的工具。 上海交通大学工程硕士论文 12 SimuPlus 仿真支撑系统是基于共享内存+数据库管理的内核来工作的仿真 支撑系统,它通过信号灯机制实现对多用户的管理,从而防止了并发任务对 数 据库可能造成的破坏,保证了数据库的安全、可靠。同时,它针对变量数据库 的特点,提供了一个数据库管理方法,可对共享内存中的碎片进行搜集,避免 对内存不必要的浪费。其工作过程如图 2.2所示: 图 2.2工作流程图 Fig 2-2 the diagram of working steps SimuPlus仿真支撑系统的实时数据库是由一个数据文件(存放变量缺省值) 和一个索引文件(存放变量信息)组成的,它支持逻辑型(1、2、4 字节)、整 型(1、2、4字节)、浮点型、双精度型、字符型等数据类型。 SimuPlus 仿真支撑系统可在个人计算机上运行,因此可大大降低仿真系统 开发成本。 (2) SimuPlus仿真支撑系统基本原理 工程文件(*.prj)是 SimuPlus仿真支撑系统以及在 SimuPlus仿真支撑系 统 上进行仿真系统开发和运行的最基本文件。它包含了一个仿真系统的基本信 息, 如数据库文件所在路径、数据库变量的命名规则、最多可容纳的数据库变量的 个数、共享内存的大小、仿真模型库名等,用如下结构描述: typedef struct Database files Realtime Database Share Memory Realtime Database Management User & Task 上海交通大学工程硕士论文 13 char node_name[32]; /* 用于模型库名 */ char log_name[16]; /* 系统登录名 */ char glob_name[32]; /* 模型的全局变量表名 */ char diretory[128] ; /* 数据库文件所在路径 */ unsigned int prealloc_mem; /* 预分配的共享内存大小单位为字节 */ unsigned int prealloc_rec; /* 预分配的数据库变量个数 */ char var_pattern[128]; /* 数据库变量的命名规则 */ char prj_arch[128]; /* 必要的说明 */ STRU_PROJECT; 因此,在开发一个仿真系统过程中,首先要建立一个仿真系统的工程文件。 工程文件的建立可通过 SimuPlus的 pm命令实现,其界面如图 2.3 图 2.3 SimuPlus 界面 Fig 2-2 the interface of SimuPlus 工程文件的引用可通过设置环境变量 Project 实现(环境变量 Project 的内 容为工程文件的路径名),也可通过在使用 SimuPlus 仿真支撑系统的命令时添 加参数“?f 工程文件径名”来引用。 工程文件一经建立,SimuPlus仿真支撑系统的实时数据库也就同时建立了。 上海交通大学工程硕士论文 14 SimuPlus 仿真支撑系统的实时数据库是用来存放数据库变量及其数据的,每个 数据库变量都被认为是一个数组。数据库变量及其数据的信息存放在vdb 和 .dfv 两个数据库文件中。其中,文件.vdb 存放数据库变量的变量名、类型、 宽度、数组长度、性质、单位等数据,用如下结构描述: typedef struct char label[32]; /* 变量名 */ long offset; /* 变量在实时数据库中的偏移量 */ int dime; /* 变量的长度 */ char type; /* 变量的类型 */ char width; /* 变量的宽度 */ char unit[12]; /* 变量的单位 */ char prototy; /* 变量的性质,0:Undef; 1:Input; 2:Output; 3:Cofe; 99:deleted **/ SHARE_VAR_REC; 文件 .dfv 存放数据库变量的缺省值。.vdb 和 .dfv 两个数据库文件在建立 工程文件时自动生成。SimuPlus 用 dxs(Data Exchange Server)命令对实时数 据库进行管理,dxs根据工程(Project)文件,创建共享内存,将数据库文件 .vdb 和 .dfv 装入共享内存,对实时数据库的变量进行初始化,并对数据库和共享内 存进行动态管理。dxs 还创建一个特殊的共享段,用于存放仿真运行的某些标 识与数据。它是一个守护进程,以后台方式运行。共享内存的地址可通过工程 文件(*.prj)中指定的路径经过处理后由系统函数 shmget得到。 2.2.2.2 仿真数学模型软件 仿真机模型软件是在 UNIX操作系统下用 Fortran开发的。仿真机模型软件 是描述厂站设备及运行过程的应用软件,是仿真机中最重要, 最关键的软件之 一。在 SimuPlus仿真平台系统的支撑下,根据模块不同的分工形成了以下几部分: (1)动态计算 本模块完成初始数据的读入,初始潮流的计算,潮流与动态计算之间的接口, 最终完成动态计算。从而得到各节点的电压、电流和系统的频率。 (2)故障计算 本模块完成故障计算初始化, 教练员台中的故障设置与故障计算之间的接 上海交通大学工程硕士论文 15 口, 故障随网络拓扑变化的隔离判断, 补偿法快速故障计算等程序。 (3)网络拓扑 本模块完成读入网络拓扑数据, 根据操作修改网络的拓扑导纳矩阵,计算电 流电压的各相分量及有名值。 (4)PT、CT、表计、同期 本模块完成 PT、CT 的电压计算, 各类表计显示量的计算, 开关合闸同期检 测, 变压器分接头调节计算, 变压器运行温度计算等等。 (5) 保护系统 本模块完成所有机械及电气保护的仿真功能。 (6)站用电系统 本模块完成站用交流系统和站用直流系统的仿真功能。 (7)本体系统的仿真 本模块完成水机部分、发电机部分、调速器、励磁器的仿真。 (8)辅助系统的仿真 本模块完成厂用水系统、气系统、油系统的仿真及相应屏面的仿真。 软件的总流程图如图 2.4: 上海交通大学工程硕士论文 16 图 2.4 模型仿真流程 Fig 2-4 the working steps of simulation 2.2.2.3仿真图形开发工具 在 UNIX 操作系统中,用 C 语言调用 Xlib、Xt、Motif 函数库编制的绘图 工具软件 draw,具有使用方便、绘制图形灵活的特点。它是为满足用户建立可 操作的动态图形而设计的功能强大的可视化组态工具,它支持中文显示,具有 丰富的矢量图元库,可方便地进行画图和动态定义,使动态元件和实时数据库 建立关联,真正实现所见即所得,并具有缩放、移动功能。 本仿真机的一大特色是集图形、图像、声音、文字为一体,完全 CRT 化。 这种仿真设计, 不仅思路新颖, 技术先进,节约投资, 而且便于调整仿真对象,修 改软件。本模型的图形显示模块和图形定义模块实现了 300 余种元件和它们的 近千种状态,并把做成的“软盘台”与动态数据库连接, 成为可操作的, 根据运 行情况实时变化的”活”盘台,如图 2.5。 网络参数、网络结构、发电机励磁器 调速器参数、辅机及本体等初始化 发电机调速器调节 发电机励磁器调节 发电机频率和功角计算 负荷等值和动态解网 故障计算 CT、PT、表计、交直流厂用电计算 继电保护计算 网络拓扑结构修改及操作 辅机及本体计算 TT+?T 上海交通大学工程硕士论文 17 图 2.5仿真图形开发工具界面 Fig 2-5 the interface of the software 2.2.2.4教练员台功能软件 教练员台功能软件是采用 X-Window 技术,用 C 语言编程,处于 SimuPlus 仿 真支撑环境下,在 PC 机上实现。软件结构清晰,便于维护和移植,程序文件 与数据 文件独立,用户扩充数据非常方便。教练员台功能有: 运行、冻结、单步、 停止、 清库、调入工况、 状态快照、快照工况转换、速度控制、 过程重放、时间倒 回、故障设置、故障删除、曲线显示、操作记录、自动评分及保护配置等功能。 2.2.2.5 多媒体软件 在新安江水电厂仿真培训系统中,由于不使用硬件盘台,而用 CRT 上的图 形再现现场的各种操作对象,这就与现场的操作气氛存在一定的距离,为了增 加培训时的逼真性,弥补无硬件盘台的缺陷,新安江水电厂仿真培训系统增加 了多媒体功能,以加强培训的真实气氛。多媒体软件是在Windows xp操作系统 下用 Broland C++ 6.0开发的,它具有如下的功能: 实现巡检功能; 在对开关、刀闸、地刀、风扇开关等正常操作时,同步播放现场设备的动 上海交通大学工程硕士论文 18 作画面; 系统发生故障时,同步显示对应的故障图象等。 2.3 小结 本章从硬件和软件两方面介绍了新安江水电厂仿真培训系统的构成。在硬 件方面介绍了系统内计算机的类型、连接方式及各台计算机的用途;在软件方 面介绍了整个系统的运行环境、开发工具及主要仿真模型和多媒体的功能。 本章的内容为以计算机局域网为硬件载体、采用仿真模式的大型水电厂的 仿真系统提供了一个规划设计的实例。 上海交通大学工程硕士论文 19 第三章 新安江水电厂部分系统的数学模型 建立系统的数学模型是水电厂计算机仿真培训系统开发的第二个阶段。建 立仿真系统的数学模型是处理物理原型与数学模型之间的关系,即是将水电厂 的水、机、电等系统建立起各自相对独立又互相联系的物理数学表达算式的过 程。在这一过程中,对水电厂的各个控制与操纵过程建立起能够用数学表达式 表达的算式。这一阶段是建立在仿真系统总体设计的基础上进行的,也为下阶 段建立仿真系统的数字仿真模型打下基出。 水电厂是一个集机械、电力、水力、电子等多学科设备为一体的生产系统[3]。 水电厂的设备分机械水力系统、电气一次系统、电气二次系统及辅助设备。其 中机械水力系统包括水轮机、压力输水系统、冷却供水系统及屯站排水系统 等; 电气一次系统为主变压器、断路器、隔离开关、母线、高压导线、厂用电供配 电系统等:电气二次系统分为励磁系统、自动控制系统、保护装置、仪表监测 系统等:与电厂直接关联的还有电网系统、水库、通讯等。这些系统构成了水 电站的基本模式。要完整的仿真一个水电站,必须将这些系统逐一分析,建立 数学模型,并对所建立的数学模型逐一进行计算机仿真,最后才能形成一个完 整的水电站仿真模拟系统。由于论文的篇幅有限,这里仅就部分系统的数学模 型予以讨论。 3.1水轮机组段的数学模型 水轮机组段是一个有压过水系统组成的数学模型。假设 x 为转速,y 为导 叶接力器行程,m t 为水轮机输出力矩,则:水轮机机组段的方块图可以如图 3.1 表示。 上海交通大学工程硕士论文 20 图3.1水轮机组段数学模型方块图 Fig 3-1 mathematical modeling of the hydraulic turbine 其中: q、mt、y、x、h??分别为水轮机流量、水轮机输出力矩、主接力器行程、 转速、水头; ey、ex、eh?分别为主接力器行程、转速、水头对力矩的传递系数; eqy、eqx、eqh?分别为主接力器行程、转速、水头对流量的传递系数。 由图可见,水轮机组段输入有 2个参数,转速 x、导叶接力器行程 y,输出 只有一个,即水轮机力矩 m t [2]。 根据方块图可写出传递函数矩阵 GtS GtS T xqx eSGe eSGe e SGe eSGe hqh hh y hqh hh qy+? +? 1 1 也可以写成: GtS T SGe SGeeeee SGe SGeeeee hqh hxqhh hqh hyqhhqyy qxx+?+ 1 1 输出: MtGtS X Y 即为水轮机组段的数学模型,其中GhS为有压过水系统的流量对压力的传 上海交通大学工程硕士论文 21 递函数。 3.2 水轮发电机数学模型 水轮发电机属于同步发电机,常用的数学模型有一阶、二阶、三阶和高阶, 这是仅讨论三阶发电机数学模型。 在三阶发电机模型中除了二阶模型已考虑的机械惯性和电磁功率外,还考 虑励磁绕组磁链的变化[2]: [ ]tjstet XDXXDTX mmt?? 1α 。 stb XX ?? ωδ [ ]dddqf d q IXXEE T E 1 ''''?。 以及附加方程: δδ 2 2 ' '2 ' ' Sin XX XXV Sin T VE P qd qdt d tq e ?+ '' ddtq jIjXIjXVE ++ b qe q de ddd Cos XX TXX Sin XX TXXED ωδδ + ?++ ? 022' '' 0 ''' 0 2 2' '' 0 ''' 2 IjXIjXVE qdt ++ ' f fad f R VX E 式中: αT -------发电机机械惯性时间常数 tm -------水轮机的输出力矩 em -------发电机的电磁力矩 tX -------发电机转子在电网频率的相对偏差 sX -------发电机所在电网频率相对偏差 jD -------发电机阻尼系数 上海交通大学工程硕士论文 22 δ --------转矩角,即发电机暂态电势 'E 与母线电压 tV 的夹角 bω -------角频率的基值,通常取2π f r ' qE -------发电机q轴暂态电势 dX ------发电机d轴电抗 ' dX ------发电机d轴暂态电抗 dI -------发电机d轴电流 eP -------电磁功率 qX ------发电机q轴电抗 tV -------母线电压 qI -------发电机q轴电流 E -------发电机反应电势 '' dX ------发电机d轴超暂态电抗 '' doT ------发电机d轴阻尼绕组时间常数 '' qoT ------发电机q轴阻尼绕组时间常数 eX ------漏抗,通常外部线路电阻应计入 eX oδ -------初始转矩角 '' qX ------发电机q轴超暂态电抗 ' qX ------发电机q轴暂态电抗 fV ------加在励磁绕组上的电压 adX ----励磁绕组与d轴的互感 fR ------励磁绕组的电阻 ' doT ------励磁时间常数 三阶发电机数学模型的向量如图3.2,发电机的数学模型的方快图如图3.3: 上海交通大学工程硕士论文 23 图3.2 发电机向量图 Fig 3-2 vector images of the generator 上海交通大学工程硕士论文 24 图3.3 传递函数图 Fig 3-3 the diagram of transfer function 3.3水轮机调速器的数学模型 调速器一般为软件反馈调节器,且以 PID 开调节为主。软反馈型调节器就 其系统结构可以分为两种:一种是从主接力器引出反馈,常称为辅助接力器型, 另一种是从中间接力器引出反馈,而带有单位反馈的主配夺阀接力器构成一个 随动系统,常称为中间接力器型[2]。下面分别是两种类型的调节系统结构图, 图 3.4为辅助接力器型调节系统结构图,图 3.5为中间接力器调节系统结构图:图3.4 辅助接力器型调节系统结构图 Fig 3-4 the diagram of assistant servomotor 上海交通大学工程硕士论文 25 图3.5 中间接力器型调节系统结构图 Fig 3-5 the diagram of intermediate servomotor 对于辅助接力器型调节系统,在 01 ?yT 时,其传递函数为: pdtdpd d a bbb STTTSTT ST SC SYSG yy ++++ + 1 2 ' yy TT bλ 式中: λb -------一级液压放大器反馈系数 1yT -------辅助接