海南省建设项目规划设计研究院有限公司 海南海口 570203
摘要：电站水机电一体化的仿真包括了由详细水力系统、发电机组、升压站、等值电力系统构成的中小型电力系统。对于水电厂水机电耦合问题的研究，通常采用单机无穷大系统进行代替，并非针对本厂的具体数据和参数进行研究，因而相关结论具有参考意义但一般无法对本厂的生产直接形成指导意见。
关键词：水电站水机电仿真系统；开发；
水电站在实际运行中，当运行操作或因事故而改变系统的运行状态时，就会产生过渡过程，由于水体惯性的存在，就会引起系统中管道压力、流量、机组转速的剧烈变化，对水电站的运行质量以至安全将产生非常重要的影响。因此，无论为确定电站设计参数或保证电力系统运行质量都必须对水电站进行静、动态仿真研究。
一、研究
水电站水机电系统（HMES）为一类非线性耦合系统，主要包括水力系统、机械系统及电气系统3 个子系统，其动态特性取决于各子系统的共同作用。其中，水力系统主要包含有压引水系统、调压井、蜗壳及尾水管等；机械系统主要包含水轮机、调速器等；电气系统主要包括水轮发电机、励磁系统、电力系统稳定器及负荷等。随着水电机组装机容量逐渐增大，调峰调频任务愈发繁重，水电站水机电系统的动态特性对电力系统安全稳定运行的影响日益显现。大型水电机组的切机或者突然甩负荷将导致电力系统失去较大功率，对系统的功角、频率及电压稳定性都会造成严重影响。如何准确模拟出大小扰动下水电站水机电系统动态特性，并采取相关措施抑制其对电力系统造成的不良影响已成为水电站建设的主要问题。作为对真实物理系统进行模拟的重要手段之一，数字仿真凭借成本低、不受外部环境限制等优点，现已成为电力系统研究、规划、运行、设计等各个方面不可或缺的工具。
二、水电站水机电仿真系统的开发
1.监控运行系统和仿真系统的一体化。目前的水电厂基本上都投运了计算机监控系统，监控系统和仿真系统一般都是两个独立的系统，这两个系统一般由不同的单位研制，它们之间可能会通过通讯协议来进行通讯，在两个系统设计之初就缺乏统一的规划和接口，由于存在这个缺陷，仿真系统和监控运行系统不能作到一体化运行，仿真系统一般只能作为员工的离线培训系统。为了解决这个问题，特意提出了水电站运行仿真一体化系统。系统采用通用软件平台，提供的数据库访问、网络、广义软总线、分布式运行管理等中间件/ 组件是整个系统运行的基础。在此平台的基础上，仿真系统每时每刻可以通过软总线直接利用监控系统实时数据，进行仿真运算，并根据实时数据来对仿真计算的结果进行修正；同时，仿真运算的结果能马上输出到监控系统软总线，并通过监控系统软总线对水电厂运行的参数进行在线设定。
2.可组态水电站机电系统仿真。水电站计算机仿真可以分为两大部分：界面仿真和水电站水力— 机械— 电气系统（简称水机电系统）仿真。界面仿真是仿真各种盘面和计算机显示的画面；水机电系统仿真是仿真整个水电站的水机电物理过程。运行人员在仿真界面上进行操作，水机电系统仿真则对操作做出如真实水电站一样的反应。如运行人员可以在界面上下达开机令，水机电仿真系统则仿真开机过程，并将必要的参数反送到界面上。水电站水力— 机械— 电气部分的仿真是整个电站仿真的核心部分，是将水电站的主要生产控制过程、控制机理或流程进行仿真。
在仿真系统设计和研制要结合真实水电站中下述问题加以考虑，即：① 机组型式有混流式、转桨式及贯流灯泡式、冲击式及抽水蓄能可逆式，发电机也有不同类型，辅助设备的类型也是多种多样，二次设备如调速、励磁、同期、保护的厂商更多；② 不同的机组类型其运行流程不一样，同一种类型的机组在不同电站的运行流程也会不一样；③ 不同的电站接入电网的方式也不一样，有的是接入地方电网，有的是接入孤网，有的接入国家电网，电站接入电网的电压等级也不尽相同，这些不同的接线方式其潮流计算存在很大的不同。在设计和研制电站仿真系统过程中，要考虑的问题是采用什么样的技术来研制出一个通用的电站仿真系统，以适应不同电站型式，在部署监控系统的同时快速部署仿真系统。采用仿真对象组态技术和界面对象组态技术解决第1 个问题，采用流程组态技术解决第2 个问题；采用图模库一体化技术建立电气主接线有向图，来解决第3 个问题。
3.对象组态技术。电站对象模型多种，可以根据设备分类，如机组模型、变压器模型、开关模型、调速模型、励磁模型等。以机组模型为例，可分为冲击式和反击式，机组段模型包括两种参数：① 运行参数。例如转速、摆度、振动幅度、振动频率、流速、电压、电流、功率、流量、水头水位等参数。② 结构参数。例如导叶数目、轮叶数目、结构形式、主轴直径等等。可以根据机组模型的共同点来抽象成一个机组模型类，这个类的成员就包括上述的参数。在应用的时候碰到的不同机组有冲击式机组、反击式机组，这些机组的模型就可以抽象成不同模型的子类。在实际工程应用中碰到的机组可以看成是这些不同模型类的一个对象实例。机组的模型可以采用这样的存储结构，别的设备如变压器、开关等也可以采用类似的存储结构。同理，对于水力学的一些模型也可以类似建模，如管道模型类，对应计算水击的管道模型；水库模型类，对应计算水击的水库模型；调压井模型类：建立成通用性很强的阻抗式、差动式、圆筒式、溢流式调压井模型。在实际电站部署仿真系统的时候，根据不同的电站型式部署不同模型类的一个实例可以看出，这种面向对象的建模方法降低了建模的复杂性和对用户的要求，增强了软件的通用性和扩展性。
4.流程组态技术。机组流程包括很多方面，有机组的正常运行流程，其中包括锁机流程、开机流程、停机流程、紧急停机流程、甩负荷流程、带部分负荷运行流程、带满负荷运行流程；有机组的检修流程，如小修流程、大修流程；也有线路的正常运行流程如正常的倒闸操作；也有线路的故障跳闸流程。这些流程包含一些数字量输入状态、数字量输出状态、模拟量输入、模拟量输出、延时、比较等等逻辑。不同的机组有不同的流程，在不同电站部署仿真系统的时候，需要快速组态出适合电站的运行流程，系统功能比较多，最关键的问题，是组态好的流程界面怎么仿真运行起来，以及实际运行的流程怎么恢复到组态的流程。仿真系统采用指令表来进行运算。在流程图语言编制的程序中，用图符来表示操作指令，用图符的串并联来表示操作指令之间的次序。而二叉树的特点是一个父结点有且只有两个子结点，显然，用这种数据结构来表示逻辑关系很方便。因此，我们可以将梯形图语言的图符抽象为AOV 图的顶点，梯形图图符之间的连接关系抽象为AOV 图的弧，并通过二叉树结构来表示梯形图图符之间的逻辑关系。可以通过对二叉树的遍历来实现流程图程序向指令表程序的转换，该算法称为以二叉树为中心的转换算法。转换过程：将梯形图语言编制的程序映射成为AOV 图；根据建立起来的AOV 图，寻找入度为零的顶点，将AOV 图的每一行转化为相应的二叉树结构，用来表示流程图程序的逻辑关系；采用后序遍历算法对二叉树进行遍历，实现梯形图程序向指令表程序的转换。二叉树的每一个叶结点生成一条指令，但若叶结点对应的是梯形图程序中的虚结点，则该叶结点不生成任何指令。
本文中所开发的水电站水机电一体化的仿真系统可用于水电厂水力系统及电力系统动态特性的研究，为水电厂仿真机的电能生产过程提供精确的仿真数据，并成为一种水电厂的高级仿真教学工具。
参考文献：
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