王安林,丘濤基,陳齊燈,陳 上,陳金保,肖志懷
(1.福建華電金湖電力有限公司,福建將樂(lè) 353300;2.武漢大學(xué)水力機(jī)械過(guò)渡過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430072)
根據(jù)國(guó)家能源發(fā)展規(guī)劃,我國(guó)未來(lái)電網(wǎng)中將是多種新能源、水電、火電多電源點(diǎn)并列運(yùn)行、多能互補(bǔ)協(xié)同運(yùn)行的格局,隨著大規(guī)模風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源電能的接入,其隨機(jī)性和間歇性對(duì)電網(wǎng)調(diào)度及安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[1,2]。水電對(duì)保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行將發(fā)揮更加重要作用。這對(duì)水電機(jī)組調(diào)節(jié)性能提出了更高要求,而鑒于實(shí)際系統(tǒng)對(duì)安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的要求,水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能通常不允許在現(xiàn)場(chǎng)水輪發(fā)電機(jī)組上進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大規(guī)模試驗(yàn),因此,也難以獲得具有滿意的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能最佳控制參數(shù);此外,隨著水電站自動(dòng)化程度的提高,無(wú)人值班,少人值守模式的逐步實(shí)施和完善,對(duì)水電廠員工培訓(xùn)和各項(xiàng)試驗(yàn)提出了更高要求,因此迫切需求建立水電廠水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)。
水電站仿真的研究在國(guó)外始于20 世紀(jì)70年代,經(jīng)過(guò)十多年的探索研究,在80年代中期出現(xiàn)了一批用于培訓(xùn)和實(shí)驗(yàn)研究的仿真機(jī),如日本的三菱、美國(guó)的S3 等公司都相繼開(kāi)發(fā)了數(shù)套水電站實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)[3]。在國(guó)內(nèi),中國(guó)水利水電科學(xué)研究院以“模擬調(diào)節(jié)對(duì)象+真實(shí)調(diào)速器”為設(shè)計(jì)模式成功研發(fā)了“水輪機(jī)調(diào)速器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試仿真系統(tǒng)”和“微機(jī)型水輪機(jī)調(diào)速器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)”[4]。徐桂英、王永冀等人研究出了以IBM-PC/XT模擬水輪發(fā)電機(jī)組特性,調(diào)速器以280 為核心構(gòu)成的水輪發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[5]。
早期仿真測(cè)試儀多采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)采樣和處理,產(chǎn)品攜帶不易,價(jià)格較為昂貴,推廣困難,且仿真模型多采用較為簡(jiǎn)化的線性模型[6,7]。而針對(duì)不同電廠的管道引水系統(tǒng)和水輪發(fā)電機(jī)組,建立較為精細(xì)化的非線性模型,對(duì)提高整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)仿真精度與效果至關(guān)重要。
鑒于此,本文建立了水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)非線性模型,把真實(shí)調(diào)速器、以機(jī)組非線性模型為基礎(chǔ)的隨動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)組仿真儀對(duì)接構(gòu)成實(shí)時(shí)閉環(huán)系統(tǒng),搭建基于虛實(shí)結(jié)合的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真平臺(tái),利用該平臺(tái),可在沒(méi)有真實(shí)機(jī)組或不具備開(kāi)機(jī)條件時(shí),模擬機(jī)組動(dòng)態(tài)特性,對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器進(jìn)行各種試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)故障反演和培訓(xùn)員工,具有較大的實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。
水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)試驗(yàn)與診斷分析平臺(tái)由調(diào)速器控制柜(電氣柜)、隨動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試仿真儀、水電機(jī)組仿真儀構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng),如圖1所示。利用該平臺(tái),用戶在調(diào)速器控制柜上發(fā)各種機(jī)組開(kāi)、關(guān)以及調(diào)整負(fù)荷命令,相應(yīng)PLC 模塊發(fā)出對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)和比例閥控制信號(hào),該信號(hào)輸入到隨動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試仿真儀,仿真儀依據(jù)仿真模型和算法,計(jì)算調(diào)速系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)各隨動(dòng)環(huán)節(jié)(包括比例閥、導(dǎo)葉開(kāi)度)輸出,此輸出信號(hào)經(jīng)D/A變換一方面反饋給調(diào)速器控制柜,另一方面輸入給水輪發(fā)電機(jī)組仿真儀(GTS4-TG),GTS4-TG 仿真儀依據(jù)仿真模型和算法,仿真計(jì)算水輪發(fā)電機(jī)組頻率和功率輸出,該輸出信號(hào)經(jīng)D/A 變換反饋輸入到調(diào)速器控制柜,這樣就構(gòu)成了水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)試驗(yàn)與診斷分析平臺(tái)。仿真儀由下位機(jī)(前置機(jī))和上位機(jī)(分析機(jī))構(gòu)成,其中前置機(jī)主要用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、簡(jiǎn)單的信號(hào)分析處理以及實(shí)時(shí)仿真算法的實(shí)現(xiàn),并將采集到的信息和必要的分析處理或?qū)崟r(shí)仿真結(jié)果通過(guò)網(wǎng)口以TCP/IP 協(xié)議發(fā)送給分析機(jī)(臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦)。分析機(jī)安裝有完整的測(cè)試仿真軟件,是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各種功能的核心。它通過(guò)通信接口從前置機(jī)獲得調(diào)速器的各種數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)仿真算法的結(jié)果,進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示、分析[8],并自動(dòng)完成水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)各項(xiàng)測(cè)試和仿真結(jié)果處理。
利用該平臺(tái),可在沒(méi)有真實(shí)機(jī)組或不具備開(kāi)機(jī)條件時(shí),模擬機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性,并與真實(shí)調(diào)速器構(gòu)成完整的閉環(huán)系統(tǒng),從而校核調(diào)速器在各個(gè)工況下的控制功能、檢查調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性以及輔助尋找最佳PID參數(shù),另外利用該平臺(tái),可對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器進(jìn)行各種試驗(yàn),如調(diào)速器靜特性、動(dòng)特性試驗(yàn)、機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)等,用戶可在上位機(jī)軟件界面上實(shí)時(shí)修改機(jī)組各類參數(shù),即可進(jìn)行各種條件的機(jī)組靜、動(dòng)態(tài)特性實(shí)時(shí)仿真,評(píng)價(jià)電站調(diào)節(jié)系統(tǒng)現(xiàn)有調(diào)節(jié)控制參數(shù)在全部工況范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)品質(zhì),分析電站調(diào)速器控制參數(shù)穩(wěn)定域,在全部工況范圍內(nèi)的實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化;用戶可通過(guò)此平臺(tái)注入故障源,或修改系統(tǒng)參數(shù),模擬調(diào)速系統(tǒng)故障,觀察系統(tǒng)狀態(tài)輸出的變化,分析故障原因,實(shí)現(xiàn)故障反演;另外,作為電廠人員培訓(xùn)的有效平臺(tái),通過(guò)平臺(tái)操作實(shí)踐,可使員工了解機(jī)組構(gòu)成和運(yùn)行規(guī)律,熟練掌握機(jī)組啟停和運(yùn)行操作的基本技能。
水輪發(fā)電機(jī)組是非線性較強(qiáng)的受控對(duì)象,為提高實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的性能,水電機(jī)組儀器提供兩個(gè)層次的仿真算法基于線性和非線性模型的仿真算法。前者是基于通用線性模型的仿真方法,即分段線性化模型,僅在固定的工況點(diǎn)附近具有可接受的性能,而后者則是基于非線性的仿真方法,它主要借助BP 型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)水輪機(jī)的非線性特性(即水輪機(jī)的流量特性和力矩特性)進(jìn)行模擬。
水輪機(jī)的動(dòng)態(tài)特性通常使用水輪機(jī)穩(wěn)態(tài)工況下的力矩與流量特性來(lái)進(jìn)行表示,水輪機(jī)力矩和流量與導(dǎo)葉開(kāi)度、槳葉角度(轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī))、水頭和轉(zhuǎn)速有關(guān)。水輪機(jī)非線性穩(wěn)態(tài)表達(dá)式為式(1)和式(2):
將這兩個(gè)式子展開(kāi)為泰勒級(jí)數(shù)并略去二次及以上的高次項(xiàng)。為方便描述將其中偏導(dǎo)數(shù)替換成傳遞系數(shù)通過(guò)式(3)來(lái)描述穩(wěn)態(tài)力矩與流量:
該方程描述穩(wěn)態(tài)工況附近微小偏差時(shí)力矩和流量的變化。即該方程的應(yīng)用條件是在已知該工況的傳遞系數(shù)以及波動(dòng)幅度產(chǎn)生的偏差在工程允許范圍之內(nèi)。當(dāng)工況波動(dòng)過(guò)大時(shí)該方程計(jì)算結(jié)果會(huì)與實(shí)際情況產(chǎn)生較大的誤差,故當(dāng)仿真計(jì)算波動(dòng)較大時(shí)應(yīng)當(dāng)采用其他建模方法。在分段線性化建模中最重要的就是工況的劃分以及傳遞系數(shù)的計(jì)算。通常該模型工況劃分以單位轉(zhuǎn)速和導(dǎo)葉開(kāi)度等比例選取,根據(jù)實(shí)際需求采取不同精度進(jìn)行劃分,工況劃分越細(xì),模型精度越高。
對(duì)于傳遞系數(shù)的計(jì)算通常采用的是采用兩點(diǎn)法或者曲線擬合法,適合計(jì)算有限工況點(diǎn)的傳遞系數(shù),且計(jì)算繁瑣,難以清晰而全面地認(rèn)識(shí)傳遞系數(shù)隨工況變化規(guī)律,故而出現(xiàn)通過(guò)模型綜合特性曲線結(jié)合BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)處理后直接進(jìn)行求偏導(dǎo)數(shù)的處理方法,此方法計(jì)算既保證了計(jì)算精度又減少了計(jì)算量[9]。
隨著人工智能的發(fā)展,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)非線性建模技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),只要有足夠多的隱含層和隱含層節(jié)點(diǎn),就可以逼近任意的非線性映射關(guān)系,而且BP 算法屬于全局逼近算法,故許多學(xué)者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入水輪機(jī)建模之中[10-15]。
在實(shí)時(shí)仿真中,利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)非線性特性計(jì)算具有計(jì)算量少、計(jì)算較為簡(jiǎn)單、精度可控且導(dǎo)數(shù)連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)。目前可供選擇的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型有很多種,前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)網(wǎng)絡(luò)和對(duì)稱連接網(wǎng)絡(luò),在水輪機(jī)建模中通常使用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
該網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)三輸入單輸出含一個(gè)隱層的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),用于對(duì)軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組的流量或力矩進(jìn)行模擬,其隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)可調(diào)整,輸出層為線性神經(jīng)元,隱層神經(jīng)元的傳遞函數(shù)為log-signoid函數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法表達(dá)式如式(4):
通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)可得到網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)的權(quán)值與閾值,從而建立了對(duì)應(yīng)的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水輪機(jī)模型,實(shí)際應(yīng)用中,只需要輸入單位轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開(kāi)度和槳葉角度,利用已建立的水輪機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,就可計(jì)算得出水輪機(jī)的輸出流量和力矩。
隨動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真主要實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)速器的機(jī)械液壓部分的實(shí)時(shí)仿真。圖4中給出了所隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真結(jié)構(gòu)示意圖(導(dǎo)葉或輪葉隨動(dòng)系統(tǒng)均適用)。圖中yc為系統(tǒng)的輸入,通常為調(diào)速器的控制柜的輸出,而y則為系統(tǒng)的輸出,一般為接力器的位移。隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真由中間放大級(jí)和主液壓放大級(jí)(輸出級(jí))兩級(jí)液壓放大組成,且每一級(jí)還可通過(guò)D/A 變換器輸出合適的模擬信號(hào),用于調(diào)速器隨動(dòng)系統(tǒng)控制部分的校核。中間放大級(jí)通常由電液伺服閥、中間接力器、輔助接力器或比例閥、步進(jìn)電機(jī)等組成,主液壓放大級(jí)由主配壓閥和主接力器等組成。如圖4仿真模型中,每一級(jí)均包括:1 個(gè)死區(qū)環(huán)節(jié),用于模擬實(shí)際環(huán)節(jié)由于機(jī)械傳遞、液壓閥的搭疊等引起死區(qū)特性;2個(gè)限幅環(huán)節(jié),一個(gè)位于積分器的輸入端,用于限制積分器輸出的最大運(yùn)動(dòng)速度,另一個(gè)位于積分器的輸出端,用于限制積分器輸出的最大位置;1個(gè)位于輸出端的純延遲環(huán)節(jié),用于描述整個(gè)液壓放大級(jí)在信號(hào)傳遞過(guò)程中的時(shí)間上的滯后,如接力器的不動(dòng)時(shí)間就是一個(gè)典型的實(shí)例。顯而易見(jiàn),對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)的仿真是帶有各種非線性環(huán)節(jié)的混合仿真。
圖3中包含有3個(gè)結(jié)構(gòu)系數(shù):Ks1,Ks2和Ks3。這些系數(shù)位于中間級(jí)或輸出級(jí)輸出的反饋通道上,可以方便地用于改變隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),當(dāng)這些系數(shù)取值為0時(shí)表示反饋斷開(kāi),相關(guān)的積分環(huán)節(jié)變?yōu)殚_(kāi)環(huán)。當(dāng)這些系數(shù)取值為一個(gè)非零的確定數(shù)值時(shí),相關(guān)的積分環(huán)節(jié)變又變?yōu)殚]環(huán)。例如,Ks1=非零值,Ks2=零值(一般,這兩個(gè)值之一應(yīng)取為零),表示系統(tǒng)的中間級(jí)輸出反饋到綜合放大器的前端,而Ks2反饋通路是斷開(kāi)的,這種結(jié)構(gòu)通常用于表達(dá)中間級(jí)輸出(如主配壓閥位置)通過(guò)傳感器反饋的情形。類似地,如果Ks1=零值,Ks2=非零值,則表示系統(tǒng)的中間級(jí)輸出通過(guò)機(jī)械反饋到自身的輸入端,而Ks1反饋通路是斷開(kāi)的,如由比例閥或步進(jìn)電機(jī)組成中間級(jí)的結(jié)構(gòu)。
通過(guò)選擇不同的結(jié)構(gòu)系數(shù)值,不同的死區(qū)值、限幅值及延遲值可使同一仿真算法方便、靈活地用于各種隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、各種參數(shù)配置的實(shí)時(shí)仿真。
為驗(yàn)證平臺(tái)的實(shí)用性,本平臺(tái)結(jié)合電廠實(shí)際需求,建立湖南某電廠燈泡貫流式機(jī)組的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)速器,進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證,測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)與機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果對(duì)比如下:
試驗(yàn)中調(diào)速器和仿真測(cè)試儀(處于貫流式機(jī)組非線性實(shí)時(shí)仿真狀態(tài),并且仿真已經(jīng)啟動(dòng))處于正常閉環(huán)工作狀態(tài),工作模式為并網(wǎng)運(yùn)行,在相同水頭下運(yùn)行,且采用同一組PID參數(shù)。數(shù)據(jù)采集時(shí),需手動(dòng)調(diào)整開(kāi)度,待其穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)量。電廠實(shí)際開(kāi)度與出力關(guān)系如表1所示;電廠仿真模型開(kāi)度與出力關(guān)系如表2所示。
表2 電廠水頭8.4 m下仿真與導(dǎo)葉開(kāi)度關(guān)系表%
將實(shí)際數(shù)據(jù)擬合與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比,得到圖4。從圖4可以看出,機(jī)組輸出功率較大時(shí),模型的導(dǎo)葉開(kāi)度與實(shí)際機(jī)組所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開(kāi)度存在一定的偏差,這主要是由于機(jī)組的模型(綜合特性曲線)與真實(shí)機(jī)組間特性的差異所引起的。此外,模型綜合特性曲線所覆蓋的范圍較小以及讀圖的誤差也是造成這種差異的重要原因。然而,對(duì)于校驗(yàn)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性而言,這樣的模型精度是可以接受的。如果需要更高精度的實(shí)時(shí)仿真模型,還可以通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正方法,使用機(jī)組實(shí)際運(yùn)行參數(shù)對(duì)力矩神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更進(jìn)一步地修正。修正后仿真數(shù)據(jù)與機(jī)組實(shí)際數(shù)據(jù)如圖4所示。可以看出修正后力矩輸出與實(shí)際輸出誤差明顯縮小滿足仿真需求。
除了靜特性試驗(yàn),本平臺(tái)還基于需求將仿真機(jī)組與實(shí)際機(jī)組甩負(fù)荷曲線進(jìn)行對(duì)比。仿真機(jī)組曲線是由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)速器接仿真儀進(jìn)行仿真甩負(fù)荷得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)際機(jī)組甩負(fù)荷數(shù)據(jù)則由機(jī)組真實(shí)甩負(fù)荷試驗(yàn)錄波得到。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。
比較真機(jī)和仿真機(jī)輸出波形圖易知,在甩負(fù)荷后,兩者機(jī)組頻率的上升曲線和蝸殼壓力變化曲線有些差異,但趨勢(shì)基本一致。
甩負(fù)荷過(guò)程中機(jī)組仿真轉(zhuǎn)速誤差更小。甩25%負(fù)荷時(shí),模型的轉(zhuǎn)速輸出與真實(shí)機(jī)組的轉(zhuǎn)速輸出兩者過(guò)渡過(guò)程幾乎重合。甩50%負(fù)荷時(shí),兩者轉(zhuǎn)速最大差異發(fā)生在轉(zhuǎn)速上升最高點(diǎn)(約為1%),但其后的過(guò)渡過(guò)程幾乎重合。甩負(fù)荷過(guò)程中,模型輸出與真實(shí)機(jī)組輸出所經(jīng)歷的過(guò)渡過(guò)程在有些情況下,存在一定的差異,其主要原因在于,機(jī)組的工況(導(dǎo)葉開(kāi)度、流量和轉(zhuǎn)速)在這個(gè)過(guò)程中經(jīng)歷了大范圍的變化,穿越的工況區(qū)可能是我們無(wú)法獲得準(zhǔn)確力矩或流量樣本的區(qū)域,如高轉(zhuǎn)速、小開(kāi)度區(qū)域等。顯然,在這樣的區(qū)域,依據(jù)不準(zhǔn)確的樣本訓(xùn)練出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法輸出準(zhǔn)確機(jī)組特性。
本文介紹了水輪發(fā)電機(jī)組和隨動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真原理及實(shí)現(xiàn)方法,基于虛實(shí)結(jié)合思想,把真實(shí)調(diào)速器和以機(jī)組非線性模型為基礎(chǔ)的隨動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)組仿真儀對(duì)接,搭建了基于虛實(shí)結(jié)合的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真平臺(tái)。將仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了仿真平臺(tái)精確性與實(shí)用性。該技術(shù)的開(kāi)發(fā)與推廣,將能夠大幅度提高水電站調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì),為保證供電質(zhì)量和電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障?!?/p>