基于神經(jīng)網(wǎng)絡的實時仿真在新型調(diào)速器研制中的應用

楊炳良

(中國華電集團公司福建分公司，福州 350000)

基于神經(jīng)網(wǎng)絡的實時仿真在新型調(diào)速器研制中的應用

楊炳良

(中國華電集團公司福建分公司，福州 350000)

依托中國華電集團公司福建分公司棉花灘水電站4臺調(diào)速器的更新改造，圍繞水電機組一次調(diào)頻功能對電網(wǎng)穩(wěn)定和安全的重要作用，提出了兼顧快速性和穩(wěn)定性的水輪機調(diào)速器一次調(diào)頻新的調(diào)節(jié)模式及協(xié)調(diào)控制策略，在建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡的水輪發(fā)電機組非線性模型的基礎上，研制滿足國際標準的變參數(shù)功率調(diào)節(jié)與變參數(shù)功率前饋控制相結(jié)合的復合控制模式的新型調(diào)速器，并取得成功，解決了棉花灘水電站目前調(diào)速器關鍵部件主要依賴進口產(chǎn)品問題。

水輪機調(diào)速器；神經(jīng)網(wǎng)絡；非線性模型；實時仿真

0 引言

棉花灘水電站系國家九五重點工程，為中國華電集團公司全資的國有大型水電廠，2001年4月正式投產(chǎn)發(fā)電。其水輪機調(diào)速器采用德國福伊特(VOITH)公司生產(chǎn)的VGC211型微機調(diào)速器，該調(diào)速器以可編程序控制器為核心，采用總線插入式模塊，雙中央處理器(CPU)，64KB存儲器(EPROM)，功率控制采用線性控制器(PI)調(diào)節(jié)規(guī)律，頻率控制采用比例積分微分調(diào)節(jié)器(PID)調(diào)節(jié)規(guī)律，開度控制為電手動控制。在專用軟件的支持下，主要可實現(xiàn)的控制方式包括：空載頻率控制、并網(wǎng)頻率控制、并網(wǎng)功率控制、孤網(wǎng)頻率控制和開度控制。

隨著時間的推移，原有調(diào)速器已運行10年以上，系統(tǒng)元器件出現(xiàn)老化，發(fā)生故障的概率加大。維護中存在零部件及備品備件采購成本高，售后服務不及時，售后服務成本增加等諸多問題。因此，利用國內(nèi)近年來在調(diào)速器生產(chǎn)制造水平方面的科技發(fā)展，尋找并研制國產(chǎn)新型調(diào)速器并替換進口設備具有顯著的理論意義和實際應用價值。

1 調(diào)速器設計原則

1.1 水輪機調(diào)速系統(tǒng)特點

水輪機調(diào)速系統(tǒng)是以水輪機調(diào)速器為控制器，以水輪發(fā)電機組及引水系統(tǒng)為控制對象共同構(gòu)成的頻率或功率閉環(huán)控制系統(tǒng)，其性能好壞將直接關系到水電廠的安全運行和供電品質(zhì)。與其他控制系統(tǒng)顯著的不同點在于作為受控對象的水輪發(fā)電機組及引水系統(tǒng)通常存在著較強的非線性，這意味著在不同的水頭、轉(zhuǎn)速和開度下，水輪機的流量特性和力矩特性不能用簡單的線性關系描述，因而，表征其特性的傳遞函數(shù)參數(shù)將有著很大的變化。

在僅具有速度調(diào)節(jié)方式的傳統(tǒng)水輪機調(diào)速系統(tǒng)中，一旦機組并網(wǎng)，調(diào)速系統(tǒng)基本可以認為是一開環(huán)或接近于開環(huán)的系統(tǒng)，其速動性可通過調(diào)節(jié)器的參數(shù)設置實現(xiàn)，而無需考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。因而調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇只需保證在空載工況下的系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)品質(zhì)即可。然而，對于具有功率調(diào)節(jié)方式的水輪機調(diào)速系統(tǒng)，由于機組并網(wǎng)后始終處于功率閉環(huán)工作狀態(tài)，工況的變化導致對象參數(shù)的變化，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性品質(zhì)均發(fā)生較大的變化，有時可能導致系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。因而，對于功率的閉環(huán)控制而言，使用固定的調(diào)節(jié)器參數(shù)和前饋參數(shù)顯然是不合理的。在這種情況下，確定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和控制策略，尋找隨工況變閉環(huán)調(diào)節(jié)參數(shù)和功率前饋參數(shù)，是獲得快速、穩(wěn)定的功率閉環(huán)控制的關鍵。

1.2 水輪機調(diào)速器設計應達到的目標

水輪機新型調(diào)速器圍繞水電機組一次調(diào)頻功能對電網(wǎng)穩(wěn)定和安全的重要作用，其產(chǎn)品除兼顧快速性和穩(wěn)定性的一次調(diào)頻調(diào)節(jié)模式及協(xié)調(diào)控制策略，各項性能指標應達到或超過國家標準外，同時應滿足先進性、安全性原則，達到電廠“無人值班(少人值守)”的要求。在可靠性、通用性上，采用了高性能、高可靠性的進口可編程控制器，標準模塊配置，適于工業(yè)環(huán)境使用，具有硬件和軟件兼容性。配置和原件選型符合計算機控制技術發(fā)展迅速的特點，便于功能和硬件設備的擴充升級，同時系統(tǒng)應具有開放性。

圖1 功率與頻率的綜合控制仿真模型

圖2 功率與頻率的選擇控制仿真模型

為便于電廠工程技術人員檢修維護，設計中采用了容錯性原則，即采用故障容錯設計以期達到調(diào)速器安全、穩(wěn)定地運行。同時為滿足市場和經(jīng)濟要求，新型調(diào)速器應充分利用分析和吸收原有調(diào)速器的先進的控制策略，保留原有機械液壓系統(tǒng)和油壓裝置，盡量減低產(chǎn)品成本、改造成本和后期的運行與維護成本。

2 水輪機調(diào)速器一次調(diào)頻調(diào)節(jié)模式

在大多數(shù)水電機組一次調(diào)頻試驗過程中，往往采用一組專門參數(shù)來解決一次調(diào)頻的速動性問題，事實上是犧牲了一定的穩(wěn)定性，當電站與大電網(wǎng)解列帶地區(qū)負荷，不能保證調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定，從而可能使地區(qū)系統(tǒng)進一步瓦解，擴大事故。另一方面，穩(wěn)定性差的機組并入電網(wǎng)后是靠吸收電網(wǎng)的穩(wěn)定儲備而穩(wěn)定的，這在一定程度上降低了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。為此有必要對水輪機調(diào)速器一次調(diào)頻的模式進行研究，在保證調(diào)節(jié)速動性的前提下，保證各臺機組的單機穩(wěn)定性，保證電網(wǎng)有足夠的穩(wěn)定儲備，確保電網(wǎng)的安全運行。

為解決上述問題，本次通過建立“功率與頻率的綜合控制”、“功率與頻率的選擇控制”、“一次調(diào)頻前饋控制”、“功率給定前饋控制”4種仿真模型(如圖1～4所示)，考察不同的一次調(diào)頻調(diào)節(jié)模式下的靜態(tài)特性及不同調(diào)節(jié)參數(shù)對動態(tài)特性的影響、不同控制模式對功率給定的響應。通過分析，得出以下結(jié)論。

(1)兩種控制方式的靜態(tài)特性相同，動態(tài)特性不同。對功率與頻率的綜合控制，當頻率給定或頻率擾動相同時，調(diào)差系數(shù)速度變動率(ep)不同，穩(wěn)定目標值不同，響應時間不同；當功率給定相同時，ep不同，穩(wěn)定目標值相同，響應時間不同；對功率與頻率的選擇控制，當頻率給定或頻率擾動相同時，ep不同，穩(wěn)定目標值不同，響應時間相同；當功率給定相同時，ep不同，穩(wěn)定目標值相同，響應時間相同。

(2)對于采用前饋控制的系統(tǒng)，應對前饋的加入量及加入速度進行分析，并根據(jù)前饋的加入量及加入速度的不同進行PI參數(shù)的合理配置。

圖3 一次調(diào)頻前饋控制仿真模型

圖4 功率給定前饋控制仿真模型

(3)在調(diào)速器中宜采用功率與頻率的選擇控制模式。在頻率控制時采用PID調(diào)節(jié)；在一次調(diào)頻和功率控制時采用PI調(diào)節(jié)，并采用前饋控制提高功率控制和一次調(diào)頻的響應速度。

3 水輪發(fā)電機組的非線性仿真模型的建立

在對現(xiàn)有水輪機組的相關資料進行詳細分析的基礎上，以水輪機模型綜合特性曲線及飛逸特性曲線為基礎，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡模擬水輪機流量特性和力矩特性，并結(jié)合簡化的可變采樣頻率的特征線法模擬引水系統(tǒng)，建立了水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)對象的非線性模型。此建模更接近于實際調(diào)節(jié)對象的特性，并以此作為新型調(diào)速器及相應調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究基礎。水輪發(fā)電機組的非線性實時仿真建模的基本輸入輸出關系為如圖5所示。

圖5 實時仿真模型示意

圖中：虛線框內(nèi)為機組實時仿真裝置的計算模型；Q11=fM(N11,a,z)、M11=fM(N11,a,z)分別表示以單位參數(shù)表示的水輪機的流量和力矩非線性特性。如果是單調(diào)系統(tǒng)，則無需考慮輪葉位置信號z。

式中：Q11為單位流量，m3/s；M11為單位轉(zhuǎn)矩，N·m；N為出力，kW；H為水頭，m；a為導葉開度，(0→1)。

在非線性建模中，按照以滿足仿真精度和計算量小為前提，確定合理的水輪機流量和力矩非線性特性的神經(jīng)網(wǎng)絡模擬方法，研發(fā)軟件GraphRead，用于自動處理和讀取水輪機模型綜合特性曲線和飛逸特性曲線，所獲取的數(shù)據(jù)將作為神經(jīng)網(wǎng)絡訓練樣本；研發(fā)軟件GraphProc，用于擴展模型綜合特性曲線的范圍，延拓相應的神經(jīng)網(wǎng)絡訓練樣本，進而對固定結(jié)構(gòu)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，最后形成文件形式表達的神經(jīng)網(wǎng)絡模型(主要是神經(jīng)網(wǎng)絡的各權值和閾值)。并采用簡化的、可變采樣周期的特征線法，形成引水系統(tǒng)計算模型。最終給出了可用于實時仿真裝置的兩種調(diào)節(jié)對象數(shù)學模型(即基于線性傳遞函數(shù)的水輪發(fā)電機組模型和基于神經(jīng)網(wǎng)絡的非線性水輪機數(shù)學模型及改進的特征線法引水系統(tǒng)模型)及其實時仿真計算方法，完整地模擬了水輪發(fā)電機組及引水系統(tǒng)。

在水輪機調(diào)速系統(tǒng)多功能試驗裝置上建立的非線性模型和算法，不僅可以對水輪機調(diào)速系統(tǒng)進行全面的測試，更重要的功能在于可對調(diào)速系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)對象-水輪發(fā)電機組進行非線性實時仿真，即可以驗證各種新型控制規(guī)律、調(diào)試調(diào)速器軟件，也可以在不接入原型機的情況下，輔助幫助選擇調(diào)速器參數(shù)，測試調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性以及各參數(shù)指標，克服了原型機試驗的缺點以及現(xiàn)場調(diào)試的盲目性。

4 新型調(diào)速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)模式確定

對原有進口調(diào)速器的調(diào)節(jié)模式及控制策略進行了詳細的研究、分析和仿真，確定了新型調(diào)速器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)模式。

4.1 整體結(jié)構(gòu)

綜合考慮使用方便、性能優(yōu)良、可靠性滿足要求及備品備件充足的基礎之上，新型調(diào)速器的主控機采用當今流行的施耐德新型可編程控制器，添加了獨立的、基于相同可編程控制器的轉(zhuǎn)速信號測量裝置，并設置了相應的操控觸摸屏。

4.2 設備運行可靠性和穩(wěn)定性設置

為保證功率反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，建立一種依機組的導葉開度，調(diào)整功率調(diào)節(jié)器PI參數(shù)的適應式變參數(shù)功率調(diào)節(jié)模式，并以仿真為基礎，進行參數(shù)尋優(yōu)，給出典型導葉開度下的優(yōu)化調(diào)節(jié)參數(shù)。首先在機組多工況點下建立線性化的傳遞函數(shù)模型，并以此為基礎，根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學模型及特點，給出大范圍工況變化情形下調(diào)節(jié)器參數(shù)的穩(wěn)定域。然后，以常規(guī)計算機仿真為工具，分別在典型工況點下搜尋調(diào)節(jié)器的最優(yōu)參數(shù)，并作為適應式變參數(shù)功率調(diào)節(jié)器在不同工作點下調(diào)節(jié)參數(shù)的選擇依據(jù)。

4.3 運行反應快速性配置

采用按工況變功率前饋參數(shù)的前饋控制模式，提高功率閉環(huán)調(diào)節(jié)和一次調(diào)頻的快速性。即在反饋控制的基礎上，根據(jù)機組的給定功率、電站水頭，調(diào)整功率調(diào)節(jié)器前饋參數(shù)的適應式變參數(shù),實現(xiàn)功率閉環(huán)調(diào)節(jié)控制模式。其關鍵點在于確定準確的前饋控制輸出，在前饋控制輸出準確的前提下(無失調(diào))，引入合理、協(xié)調(diào)的變參數(shù)功率前饋控制的功率閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可顯著提高功率調(diào)節(jié)的快速性，大大改善機組一次調(diào)頻的響應特性。

5 實時仿真試驗

應用實時仿真試驗研究手段，檢驗和優(yōu)化新型調(diào)速器的控制規(guī)律及調(diào)節(jié)參數(shù)。

(1)在調(diào)速器生產(chǎn)廠內(nèi)，利用已建立的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)對象的非線性模型，運行于帶有轉(zhuǎn)速和功率輸出的基于新型DSP的實時仿真裝置，并與所研制的新型調(diào)速器(電氣部分)一起構(gòu)成功率(或速度)閉環(huán)控制系統(tǒng)，檢驗和優(yōu)化新型調(diào)速器的控制規(guī)律、控制算法和調(diào)節(jié)參數(shù)。

(2)在實時仿真的支持下，反復完善和優(yōu)化調(diào)速器軟件，修正缺陷，直至各項功能和性能滿足要求并出廠。

(3)調(diào)速器在現(xiàn)場安裝完成后，在帶有電液隨動系統(tǒng)的條件下，根據(jù)現(xiàn)場運行的進一步需求，重復上述過程，直至各項功能和性能滿足要求。

6 新型調(diào)速器進行現(xiàn)場試驗檢測

對新型調(diào)速器與真實機組一起構(gòu)成的功率或速度閉環(huán)系統(tǒng)，進行了靜態(tài)特性、動態(tài)特性(包括機組啟動、負荷擾動、甩負荷和一次調(diào)頻等)試驗，以檢驗調(diào)速系統(tǒng)的各項性能指標，檢測結(jié)果：新研制的調(diào)速器靜、動態(tài)特性好，品質(zhì)優(yōu)，其構(gòu)成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定、快速，一次調(diào)頻響應迅速，調(diào)節(jié)速度快，各項性能指標均優(yōu)于國家標準GBT9652.1—2007《水輪機控制系統(tǒng)技術條件》規(guī)定和華東電網(wǎng)要求的響應性能的要求。現(xiàn)場測試結(jié)果見表1～3。

表1 新型調(diào)速器現(xiàn)場測試成果與國家標準對照

表2 新型調(diào)速器現(xiàn)場測試與華東電網(wǎng)要求的響應性能比較 s

表3 新、老調(diào)速器甩100%負荷特性比較

7 結(jié)束語

棉花灘水電站是國家九五重點工程，建設時調(diào)速器采用德國VOITH公司的VGC211型微機調(diào)速器，該調(diào)速器性能高、運行穩(wěn)定。但由于技術上的封鎖，調(diào)速器的維修、部件更換、軟件的升級等均需由廠家從德國派專人到現(xiàn)場進行，成本高、耗時長，且一旦出現(xiàn)故障將直接影響電站和電網(wǎng)的安全運行。研制具有國產(chǎn)化技術的產(chǎn)品成為解決行業(yè)發(fā)展瓶頸的迫切需求。本文介紹了調(diào)速器一次調(diào)頻調(diào)節(jié)新型模式、關鍵技術、協(xié)調(diào)控制策略以及新型調(diào)速器建模、研制、試驗的方法和步驟，從另一側(cè)面提出水電廠一次調(diào)頻技術和調(diào)速器制造方法，希望在推動水力機械、動力機械、機電一體化、自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)等領域的科技創(chuàng)新和技術進步有一定的參考價值。

TV 734

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1674-1951(2017)12-0014-05

2017-05-23；

2017-10-10

(本文責編：齊琳)

楊炳良(1967—)，男，福建仙游人，工學碩士，高級工程師，從事水力發(fā)電行業(yè)生產(chǎn)技術和生產(chǎn)管理方面的工作(E-mail:yangbingliang3202@126.com)。