基于準(zhǔn)確度分析的汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模仿真軟件

朱曉星，盛鍇，宋軍英

(1. 國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙410007;2. 國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南 長沙410007)

開展汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實測與辨識，建立電網(wǎng)穩(wěn)定性研究所需的汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，可用于系統(tǒng)地分析各種擾動條件下電網(wǎng)頻率響應(yīng)和負(fù)荷響應(yīng)曲線，對于電網(wǎng)穩(wěn)定性的分析具有重要的實用價值〔1-5〕。

汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型是電網(wǎng)四大元件模型之一，其真實性直接影響電網(wǎng)系統(tǒng)仿真的精度〔6-12〕，因此，模型參數(shù)辨識方法的準(zhǔn)確性和仿真校核方法的可靠性越來越受到重視。近年來有學(xué)者開發(fā)了汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)辨識與仿真軟件，但由于缺乏表征仿真校核準(zhǔn)確程度的參數(shù)和指標(biāo)，這些軟件的仿真功能都只是簡單地把實測曲線與仿真曲線進行粗略的人工比較，沒有定量和定性地分析仿真準(zhǔn)確程度。

文獻〔13〕Q/GDW 748 -2012 《同步發(fā)電機原動機及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實測與建模導(dǎo)則》(下文簡稱《導(dǎo)則》)提出了仿真品質(zhì)參數(shù)，并規(guī)定了仿真與實測對比中各品質(zhì)參數(shù)的偏差允許值〔13〕。本文對汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)辨識和仿真校核技術(shù)進行了研究，并依據(jù)該導(dǎo)則，以Matlab/Simulink 為平臺開發(fā)了1 套汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)了原始試驗數(shù)據(jù)的智能預(yù)處理、模型參數(shù)的智能辨識與結(jié)果選出、仿真品質(zhì)參數(shù)偏差值的自動計算。

1 軟件功能結(jié)構(gòu)

軟件分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、參數(shù)智能辨識、智能仿真校核、輔助功能等四大功能模塊，功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中帶虛框的為軟件內(nèi)部實現(xiàn)的功能。

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊可同時載入多個或單個原始數(shù)據(jù)文件，并自動分析原始數(shù)據(jù)文件格式，根據(jù)參數(shù)命名特征將各列原始數(shù)據(jù)智能分配給各參數(shù)變量，并提供小波去噪、數(shù)據(jù)標(biāo)幺功能，以便進行后續(xù)的參數(shù)辨識和仿真校核。

參數(shù)智能辨識模塊主要分執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)智能辨識和汽輪機參數(shù)智能辨識共2 個部分，根據(jù)各部分參數(shù)辨識的特點，提供了多項式擬合、最小二乘法、單純形法、遺傳算法和模擬退火法等5 種辨識方法，可由用戶自行選擇其中的1 種或多種算法組合辨識，并自動對同一參數(shù)在不同辨識樣本、不同辨識方法下的多個辨識結(jié)果進行最終值的智能選出。

智能仿真校核模塊中，對復(fù)雜的發(fā)電機模型和勵磁系統(tǒng)模型進行了合理簡化，并利用Matlab/Simulink 建立了考慮發(fā)電機側(cè)影響的汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，可以很好地仿真出負(fù)載條件下頻率階躍擾動試驗中常見的功率過調(diào)波峰，仿真曲線準(zhǔn)確度高。根據(jù)《導(dǎo)則》要求，界面上提供了汽輪機執(zhí)行機構(gòu)模型分別在靜態(tài)試驗和負(fù)載試驗條件下的仿真校核，以及汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型分別在閥控方式和閉環(huán)方式下的整體仿真校核等4 項仿真校核功能，能分別計算每一項仿真校核功能中各仿真品質(zhì)參數(shù)的仿真與實測偏差值，從而判斷辨識得到的模型參數(shù)準(zhǔn)確度是否合格。

輔助功能模塊中，提供了方便曲線、圖像操作的一些功能，以及參數(shù)和量程的設(shè)置、保存與提取等功能，以便用戶使用。

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)實測現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)量很大，不同數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)據(jù)輸出格式不統(tǒng)一，各個信號的量程和單位不相同，且必定含有噪聲信號，因此無法直接用于參數(shù)辨識，必須先對現(xiàn)場采集的原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。

本文對主流便攜式高速數(shù)據(jù)采集儀生成的原始數(shù)據(jù)文件格式、現(xiàn)場需采集的各參數(shù)命名規(guī)律、現(xiàn)場實測中影響原始數(shù)據(jù)輸出格式的常見問題等進行了分析，基于Matlab 編寫了用于原始數(shù)據(jù)智能分析函數(shù)varconfirm，其格式如下:

function ［oriData txtDataName DataFields varflag pl row ］ =varconfirm (fullname)

其中，返回的參數(shù)意義見表1。

通過編寫varconfirm 函數(shù)，實現(xiàn)了自動分析各主流便攜式高速數(shù)據(jù)采集儀生成的原始數(shù)據(jù)中包含何種參數(shù)、將原始數(shù)據(jù)分配給各個參數(shù)變量，以及自動計算采樣周期、采樣時長等功能;當(dāng)分析出錯時，還能提供相應(yīng)錯誤信息，指導(dǎo)用戶處理。整個分析、分配的過程在用戶選取了用于參數(shù)辨識的原始數(shù)據(jù)文件(可同時選擇多個文件)之后自動進行，無需人工干預(yù)。

此外，軟件還提供了小波去噪、數(shù)據(jù)標(biāo)幺等〔14〕功能，與varconfirm 函數(shù)一起，實現(xiàn)了將原始數(shù)據(jù)用于參數(shù)辨識的整個預(yù)處理過程。

表1 智能分析函數(shù)varconfirm 的返回參數(shù)及意義

3 參數(shù)智能辨識

汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)辨識與建模可分為調(diào)節(jié)系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)、汽輪機共3 個部分。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)主要是通過控制邏輯檢查、資料收集來獲取，其過程相對簡單;而執(zhí)行機構(gòu)和汽輪機的部分重要參數(shù)需要通過對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行辨識獲得。

軟件提供了“執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)辨識”、 “汽輪機參數(shù)辨識”以及“其他參數(shù)辨識”等3 個參數(shù)辨識界面。

“執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)辨識”的流程如圖2。它主要是對靜態(tài)條件下執(zhí)行機構(gòu)階躍試驗數(shù)據(jù)進行辨識，以獲取綜合反映整個油動機特性的油動機開啟時間常數(shù)TO、油動機關(guān)閉時間常數(shù)TC。

執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)智能辨識如圖3 所示。用戶選取用于執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)辨識的原始數(shù)據(jù)文件后，只需勾選軟件提供的多項式擬合、最小二乘法、單純形法、遺傳算法、模擬退火法等多種辨識算法中的1種或多種，軟件即根據(jù)閥位信號的微分?jǐn)?shù)據(jù)自動提取每條數(shù)據(jù)曲線中可能存在的多個參數(shù)辨識樣本(如圖3 中顯示的數(shù)據(jù)曲線包括了3 次閥門開/關(guān)的辨識樣本)，并用每一種勾選的辨識算法分別對每一個辨識樣本進行參數(shù)辨識，最后通過預(yù)設(shè)的選優(yōu)算法選出最終辨識結(jié)果TO，TC。

“汽輪機參數(shù)辨識”主要是對閥控方式下的頻率擾動試驗數(shù)據(jù)進行辨識，以獲取汽輪機模型中蒸汽容積時間常數(shù)TCH、再熱器時間常數(shù)TRH、交叉管時間常數(shù)TCO。對于高壓蒸汽容積環(huán)節(jié)、再熱蒸汽容積環(huán)節(jié)這種1 階慣性環(huán)節(jié)，可以認(rèn)為從頻率階躍開始，到特征量達(dá)到新穩(wěn)態(tài)后變化量的63.2%所需的時間為該容積環(huán)節(jié)時間常數(shù)?？紤]到現(xiàn)場測點的布置，可以將調(diào)節(jié)級壓力作為高壓蒸汽容積的集中參數(shù)，將中壓缸進汽壓力代表再熱器的蒸汽壓力〔15〕。而交叉管時間常數(shù)可通過對中壓缸進汽/排汽壓力的變化數(shù)據(jù)及趨勢進行辨識確定。軟件辨識界面及流程與執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)辨識相似。

“其他參數(shù)辨識”主要提供各缸功率比例、功率過調(diào)系數(shù)、汽輪機轉(zhuǎn)速慣性時間常數(shù)等相對簡單的參數(shù)辨識和計算功能。如高壓缸功率過調(diào)系數(shù)λ可由式(1)計算得到:

式中 ε 為是進排汽壓比，k 為過程絕熱系數(shù)。

4 智能仿真校核

4.1 建立考慮發(fā)電機側(cè)影響的模型

目前國內(nèi)汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模相關(guān)的研究，一般都將重點放在參數(shù)辨識上，而仿真功能比較粗糙，甚至存在一定程度的失真。其中很重要的一點就是功率在頻率擾動下的仿真響應(yīng)曲線沒有實測曲線中常見的過調(diào)波峰，而這恰恰是電網(wǎng)穩(wěn)定計算需要考慮的一個重點指標(biāo)?！秾?dǎo)則》中將階躍試驗中功率快速變化過程達(dá)到的最大值減去初始功率的數(shù)值定義為高壓缸最大出力增量PHP，是最重要的汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真與實測偏差允許值指標(biāo)之一。

功率響應(yīng)仿真曲線沒有過調(diào)波峰的主要原因是因發(fā)電機模型和勵磁系統(tǒng)模型比較復(fù)雜，要建立考慮發(fā)電機側(cè)影響的汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型非常困難，故大多模型中沒有考慮發(fā)電機側(cè)相關(guān)因素的影響。

為提高仿真曲線的準(zhǔn)確度，本文采用發(fā)電機降階模型來代替全階模型。根據(jù)Prony 分析的思想基礎(chǔ)，通過輸出/輸入在擾動作用下的關(guān)系，可以從全階模型中抽取出線性化的低階模型，從而得到相關(guān)的傳遞函數(shù)。在基于參數(shù)實測的前提下，考慮勵磁系統(tǒng)和PSS 影響的發(fā)電機模型可用一個2 階傳遞函數(shù)表示。如式(2)為某機組發(fā)電機的降階模型:

圖4 是以該機組辨識所得參數(shù)在PSASP 中建立的帶全階發(fā)電機的汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型和在本軟件中建立的降階模型，分別在同一頻率擾動下的功率仿真響應(yīng)曲線。

圖4 表明:在本軟件中建立的發(fā)電機降階模型功率仿真響應(yīng)曲線和全階模型響應(yīng)曲線具有幾乎完全相同的變化趨勢，能很好地仿真出頻率階躍擾動試驗中的機組有功功率響應(yīng)特性。

4.2 仿真校核

根據(jù)《導(dǎo)則》要求，仿真校核應(yīng)包括汽輪機執(zhí)行機構(gòu)模型的仿真校核和汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型整體仿真校核2 個方面。

汽輪機執(zhí)行機構(gòu)模型應(yīng)在機組靜態(tài)條件下分別進行開度大階躍和開度小階躍擾動仿真校核，且應(yīng)在負(fù)載條件下進行開度小階躍擾動仿真校核，主要的仿真品質(zhì)參數(shù)是上升時間tup和調(diào)節(jié)時間ts。

汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)整體模型仿真校核是對調(diào)節(jié)系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)、汽輪機等3 個部分的模型及參數(shù)辨識結(jié)果的整體性仿真校核，其目的是為了確認(rèn)整個模型與參數(shù)是否能夠真實反映實際汽輪機特性。應(yīng)在負(fù)載條件下，與汽輪機閥控方式下總閥位指令階躍試驗的功率實測響應(yīng)曲線，以及閉環(huán)方式下頻率擾動試驗的功率實測響應(yīng)曲線分別進行仿真校核。主要的仿真品質(zhì)參數(shù)包括汽輪機高壓缸最大出力增量PHP、汽輪機高壓缸峰值時間THP和調(diào)節(jié)時間ts。

軟件界面上提供了以上4 項仿真校核功能，輸入模型參數(shù)后，只需選取用于對應(yīng)校核項目的實測曲線原始數(shù)據(jù)文件，軟件即可自動計算各仿真品質(zhì)參數(shù)的仿真與實測偏差值，并與《導(dǎo)則》要求的允許值進行比較，從而判斷辨識得到的模型參數(shù)準(zhǔn)確度是否合格。

4.3 手自動優(yōu)化

現(xiàn)有的汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型對實際系統(tǒng)進行了簡化，有些環(huán)節(jié)沒有考慮;有些環(huán)節(jié)雖然在模型中有體現(xiàn)，但現(xiàn)有的技術(shù)手段無法精確獲取這些環(huán)節(jié)的參數(shù)。因此在現(xiàn)場實測、參數(shù)辨識過程一切正常的情況下，可能還是會出現(xiàn)仿真品質(zhì)參數(shù)偏差值超過允許值的情況。

針對這種客觀情況，參考相關(guān)文獻〔16〕并根據(jù)大量仿真試驗結(jié)果，對影響仿真品質(zhì)參數(shù)的因素及其影響作用進行了分析，見表2。

表2 仿真品質(zhì)參數(shù)的影響因素及作用

基于以上分析，本軟件提供了仿真品質(zhì)參數(shù)偏差手自動優(yōu)化功能:軟件仿真校核界面上提供仿真曲線、實測曲線、仿真品質(zhì)參數(shù)偏差值和允許值的顯示，且以可編輯狀態(tài)列出模型相關(guān)參數(shù)。當(dāng)某仿真品質(zhì)參數(shù)偏差值超過允許值時，用戶可根據(jù)提示手動調(diào)整模型相關(guān)參數(shù)，再重新進行仿真校核，可方便直觀地看出調(diào)整后的仿真校核結(jié)果;逐步調(diào)整直到所有的仿真品質(zhì)參數(shù)偏差合格為止，即為手動優(yōu)化功能。自動優(yōu)化功能的原理與手動優(yōu)化相同。

5 應(yīng)用實例

用軟件對某330 MW 熱電機組汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)現(xiàn)場實測原始數(shù)據(jù)進行辨識，主要參數(shù)辨識結(jié)果見表3。

表3 主要參數(shù)辨識結(jié)果

將該機組的模型參數(shù)輸入本軟件中，進行各項仿真校核，仿真校核結(jié)果見表4。

表4 某330 MW 熱電機組模型仿真校核結(jié)果

從該機組模型的仿真校核結(jié)果可以看出，各項仿真品質(zhì)參數(shù)值均在允許值范圍內(nèi)，說明辨識得到的汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型參數(shù)能夠真實反映實際汽輪機的執(zhí)行機構(gòu)特性和功率響應(yīng)特性。

6 結(jié)論

文章以Matlab/Simulink 為平臺開發(fā)了汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，在對現(xiàn)場實測原始數(shù)據(jù)文件常見格式進行分析的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了對汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實測原始數(shù)據(jù)的自動分析、分配、去噪和標(biāo)幺等預(yù)處理;采用多項式擬合、最小二乘法、單純形法、遺傳算法、模擬退火法等多種先進算法進行參數(shù)辨識，并按預(yù)設(shè)選優(yōu)算法進行最終辨識結(jié)果的選出，實現(xiàn)了模型參數(shù)的智能辨識;建立了考慮發(fā)電機側(cè)影響的汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，提高了仿真曲線準(zhǔn)確度;通過仿真品質(zhì)參數(shù)偏差值的自動計算，實現(xiàn)了對辨識所得模型參數(shù)準(zhǔn)確度的定量和定性分析;最后對影響仿真品質(zhì)參數(shù)的因素及影響作用進行了分析，實現(xiàn)了仿真品質(zhì)參數(shù)的手自動優(yōu)化功能。

對實際機組進行參數(shù)辨識和仿真校核結(jié)果表明，本軟件功能上能滿足《導(dǎo)則》要求，且參數(shù)辨識結(jié)果精確，仿真校核準(zhǔn)確度高，為根據(jù)《導(dǎo)則》開展汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實測、辨識與仿真校核提供了良好平臺。

〔1〕竺煒、唐穎杰，譚喜意，等. 發(fā)電機調(diào)速附加控制對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的作用〔J〕. 電力自動化設(shè)備，2008，28 (12):21-24.

〔2〕張仰飛，袁越，陳小虎，等. 汽輪發(fā)電機組的調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)辨識〔J〕. 電力自動化設(shè)備，2006，26 (12):32-35.

〔3〕李陽海，張才穩(wěn)，楊濤，等. 基于電網(wǎng)穩(wěn)定性分析的汽輪機調(diào)速系統(tǒng)建模試驗研究〔J〕. 汽輪機技術(shù)，2011.53 (4):291-294.

〔4〕高偉，李陽海，黃樹紅，等. 600 MW 汽輪機調(diào)速系統(tǒng)試驗及辨識研究〔J〕. 汽輪機技術(shù)，2006.48 (4):284-286.

〔5〕王官宏，黃興. 汽輪機調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)對電力系統(tǒng)阻尼特性的影響〔J〕. 電力自動化設(shè)備，2011，31 (4):81-90.

〔6〕盛鍇. 高壓汽室蒸汽容積環(huán)節(jié)模型參數(shù)對再熱凝汽式汽輪機調(diào)速系統(tǒng)仿真校驗的影響〔J〕. 華東電力，2012，40 (11):2 049-2 053.

〔7〕文賢馗，鐘晶亮，錢進. 電網(wǎng)低頻振蕩時汽輪機控制策略研究〔J〕. 中國電機工程學(xué)報，2009，29 (26):107-111.

〔8〕宋新立，劉肇旭，李永莊，等. 電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算中火電廠調(diào)速系統(tǒng)模型及其應(yīng)用分析〔J〕. 電網(wǎng)技術(shù)，2008，32 (23):44-49.

〔9〕劉輝，田云峰，吳濤. 考慮機組協(xié)調(diào)控制的汽輪機調(diào)速器模型及其應(yīng)用〔J〕. 電力系統(tǒng)自動化，2008，32 (22):103-107.

〔10〕趙婷，田云峰. 用于電網(wǎng)穩(wěn)定分析的電液伺服及執(zhí)行機構(gòu)數(shù)學(xué)模型〔J〕. 電力系統(tǒng)自動化，2009，33 (3):98-103.

〔11〕黃青松，徐廣文. 水輪機調(diào)速系統(tǒng)自定義建模與應(yīng)用〔J〕.電力系統(tǒng)自動化，2012，36 (16):115-117.

〔12〕劉輝，楊寅平，田云峰，等. 電力系統(tǒng)強迫功率振蕩實例及機理分析〔J〕. 電力系統(tǒng)自動化，2012，36 (10):113-117.

〔13〕國家電網(wǎng)公司. Q/GDW 748—2012 同步發(fā)電機原動機及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實測與建模導(dǎo)則〔S〕. 北京:中國電力出版社，2012.

〔14〕朱偉民，谷俊杰，劉武林，等. 基于Matlab GUIDE 的汽輪機及調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)辨識數(shù)據(jù)處理軟件〔J〕. 湖南電力，2012，32 (1):13-16.

〔15〕田云峰，郭嘉陽，劉永奇，等. 用于電網(wǎng)穩(wěn)定性計算的再熱凝汽式汽輪機數(shù)學(xué)模型〔J〕. 電網(wǎng)技術(shù)，2007，31 (5):39-44.

〔16〕王穎，王印松，李中華. 300 MW 汽輪機調(diào)速系統(tǒng)模型與非線性分析〔J〕. 汽輪機技術(shù)，2007，49 (1):17-20.