水轮机调速器真机仿真试验技术在水电厂的应用
摘要介绍了水轮机调速器真机仿真试验中真机建模的两种方法，即数字建模与试验建模的可行性，结合水电厂实际情况进行前景分析，为仿真技术在实际中的运用提出了建设性意见。
关键词水轮机调速器真机仿真试验水电应用
0前言
为了顺利地开展水电厂状态检修工作，必须对水轮发电机组及其辅助设备的状态进行准确全面的评估。
水轮机调速器是水轮发电机组的一个重要辅助设备，其状态的好坏直接关系到发电机的供电质量并影响水轮发电机组的安全稳定和经济运行。全面、有效、客观地评价设备状态的有效手段是对设备进行状态性能参数的在线监测，并将监测到的运行参数与有关仪表及规程进行比较作出其状态性能的评估。由于大中型水轮机调速器都是微机型的，是一种高度智能化的调节设备，其硬件结构又是千差万别，并趋向于集成化、模块化方向发展，外部结构越来越紧凑，因此，在现场运行中通过在线监测水轮机调速器各部结构性能参数来总体评估其状态性能具有一定的难度。同时，由于水轮机调速器处于一个水、机、电联合作用的复杂系统中，被调节、控制的系统会对调速器的状态性能产生或多或少的影响，因此仅仅去监测水轮机调速器的某些状态参数，如转速（频率）、导叶开度、浆叶角度和功率，还不能很全面客观地对其状态性能进行评估，必须将其置身于所调节、控制地整个系统中去考虑。因此，为了检验运行中水轮机调速器的状态性能，一般都是通过一系列试验来实现的，如静特性和开、停机，空载摆动，空载扰动，突增、突减负荷，甩负荷等动态特性试验。水轮机调速器的真机试验一般分为无水试验和有水试验，而利用真机仿真技术就可以在无水状态下进行有水试验的项目，提前预知设备检修质量和及早发现设备缺陷所在，为水电厂的检修提供可信服的依据。
1调速器真机仿真的原理和方法
调速器真机仿真有2种建模方法：数字仿真和试验仿真。数字仿真是人工构造机组的数学模型。将模型输入到计算机，然后将这台具有测量控制功能的计算机和调速器相连，由计算机中的模型代替真实机组，用软件的方法实现仿真试验。由于技术上的原因，人工构造的模型和实际机组模型存在一定的差异，仿真试验的精度不是很高，很难用状态分析软件来判断它的调节品质是否发生了变化。同时，由于人工构造模型需要人工介入，很难实现仿真试验自动进行。
试验仿真与数字仿真在构造数学模型和试验方法上都大不一样，它的建模原理是：被仿真的机组，如果以前做过一次动态特性试验（如空载扰动、甩负荷等），而且试验是很成功的。那么试验过程中记录的数据，已隐含着该机组的全部特性参数（包括水轮机的综合特性曲线，发电机的Ta和引水系统的TW等）。在相同的工况下，如果重复上一次试验，只要调速器（及相关机构）的控制特性不变，那么它们的过渡过程曲线应该是相同的。基于这种原理，可以将上一次的试验文件作为样板文件保存起来，每次仿真时将它调出来，通过一定的数学手段构造它的真实模型，对调速器做真机仿真试验。将这次试验的曲线和样板文件的曲线进行比较，用状态分析软件进行分析，得出这次试验是否成功，并判断调速器（及相关机构）的调节特性是否变化，以及变化多大。由于使用了计算机自动构造模型，为仿真试验自动进行提供了可能。
2精度分析和验证方法
真机试验仿真是根据实测的采样数据，通过一定的数学方法构造它的真实模型。它的误差主要来自2个方面：一是采样信号的精度，二是数学模型的计算精度。采样信号精度一般在0．2％～0．1％之间，而计算机的计算精度可以控制在很高的水平，一般都在万分之一以上，因此总体精度可优于0．2％。由于真机试验仿真的精度很高，这就为调速器的设备状态分析提供了很高的可信度。
检验真机试验仿真精度的方法比较简单：对机组做一次真实的动态特性试验（如甩负荷试验），或可通过查询相关的历史资料；停机之后在无水状态下，做一次同样的真机仿真试验，2次试验的曲线应该完全重合。
3基于真机仿真试验的水轮机调速器状态监测系统
调速器的状态监测由硬件和软件2大部分组成。
硬件包括：计算机，高速数据采集系统，高精密数字变频装置，高精密数字测频装置，定子电流检测模块和相应的传感器。
软件包括：调速器所有试验软件，真机仿真建模软件，真机仿真软件，状态分析软件，在线监测软件，通讯绘图显示软件包，数据库和趋势分析软件。若将调速器的状态监测纳入1台机组的状态监测系统或计算机监控系统中，则某些硬件（如计算机和高速数据采集系统）可以直接引用监控系统的计算机，而不需另外配置，只需配置数字变频，数字测频，定子电流检测和传感器等专用硬件即可。软件部分可将试验软件包，真机仿真建模软件，真机仿真软件，状态分析软件和在线监测软件放在下位机，而通讯绘图显示软件包，数据库和趋势分析软件放在上位机。在机组运行期间，利用在线监测软件对调速器的运行状态进行简单的监测和分析。机组大修或初投时，可调用试验软件包完成调速器静特性和所有动态特性试验，并选取调节特性好的试验文件作为样板文件存入样板库。以后只要机组小修或停机无水状态下，就可以进行真机仿真试验。设计一个调度程序，由它来安排仿真试验的时间和顺序，全部自动进行。仿真后的试验文件及分析结果自动传送到上位机，并存入数据库，同时可以显示和打印。上位机的趋势分析软件将数据库中历年来的仿真试验文件调出来进行趋势分析，得出调速器是否需要大修的结论，从而实现调速器的状态检修。
4调速器的真机仿真的两个重要意义
a．实现调速器的状态分析和状态监测。
b．甩负荷仿真可以代替真实的甩负荷。机组大修之后往往都要进行一次甩负荷试验来检查调速器及相关机构的调节控制特性。甩负荷试验不仅要向调度申请，而且大型机组的甩负荷对系统和机组都产生很大的冲击，影响机组寿命。甩负荷仿真试验完全可以模拟真实的甩负荷，从而取代它。这样既保证了检修质量，又提高了工效，延长机组的使用寿命。
5应用前景
目前我省的水电厂采用的调速器种类较多，但大多数都已升级为微机型调速器，这就对用仿真技术实施调速器真机仿真提供了很好的应用背景。利用真机试验仿真技术可以对调速器在充水之前就能了解调速器的大修质量和及时发现存在的问题隐患，为整个大修提供有力的技术保障。随着状态检修工作的进一步深入开展，在水电厂进行调速器的真机仿真试验已是势在必行。通过在柘溪水电站做的仿真试验以及实测真机的过渡过程进行的比较，调速器真机仿真试验的结果是可以令人信服的。在逐步加深对调速器的状态检修的认识后，用调速器真机仿真试验技术来进行状态监测和评估调速器性能能够得到更好的应用。
