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发电厂大型机组电气仿真应用问题分析
2010年4月2日    评论:    分享:

    作者:武成香,张炜

 

    摘要:以高科技推动的电力事业正蓬勃发展,电气运行人员原有技术水平已经不能满足需要,高技术含量、设计功能完善的仿真机成为保证电力安全经济生产的关键。文章从如何在计算机上实现虚拟平台对发电厂运行人员进行结训的实际问题着手,确立了以建立发电机数学模型为核心,操作仿真与故障仿真为主要内容,对仿真的大体框架进行了深入研究。

 

    关键词电气仿真;数学模型;面向对象;继电保护

 

    中图分类号TM62文献标识码A文章编号1008-1151200603-0120-02

 

    发电厂是电力系统的重要组成部分,利用发电厂仿真机对运行人员进行培训,可提高运行人员的日常工作及处理事故的能力,并提高电力系统的安全性和经济性。当今世界上已普遍采用仿真机来培训运行人员,这种培训方式安全、直观、有效,在此过程中取得良好的练习效果,已经成为法定的培训方式。

 

    一、仿真技术特征及电力仿真系统开发

 

    随着仿真技术的发展,仿真机生产厂家和研制单位为进一步开拓市场,努力扩大仿真机的应用范围,在电站仿真机功能的扩展方面做了不少工作。如在仿真机上进行实际机组控制系统合理性验证和分析,寻求有关参数的最佳整定值,通过对不同运行方式的仿真试验获得最优运行方式和提供事故分析指导等,促进了电站仿真机的发展。较流行的多功能电站仿真研究系统由粗线以太网为主干网架,整个系统包括子网、粗线以太网、细线以太网,其间用桥连接。系统功能包括:仿真机组的正常运行操作、事故分析与处理、DCS治理、控制系统组态、参数最优化、计算机网络应用、机组运行状态分析、故障诊断和优化运行治理研究等。另外值得一提的是,最近几年网络技术的飞跃发展也给大型仿真机的开发带来了生气,远程培训、多点同时教学测试、网上专家分析都成为电力仿真新的发展方向。今后的仿真机将朝着通用型、多任务型、系统专家型、远程服务型的方向发展。

 

    电气部分培训仿真数据库以数学模型来模拟电厂部分物理特性,有大量数据(模拟量和数字量)需处理,且在培训过程中,有以下几方面特点:

 

    方便性:友好的人机交互界面,可方便地输入单元机组电气部分的参数,形成数据库。

 

    通用性:对不同结构的系统,可根据数据库中的数据自动选择相应模块中类的函数进行仿真,而用重新编写仿真程序。

 

    可扩展性:假如模块库中未能提供对应于某些设备和功能的类,可以轻易地建立新的类加入到相应模块中,便于维护。

 

    同时,火电站仿真机应提供一个连续的实时运行环境。它真实地仿真整个电站的运行工况。正常或异常状态下全部参数在相应的仪表上显示和记录。当参数达到极限时,与实际电站一样,报警或逻辑连锁保护动作。仿真机还提供机组在不同运行条件下,分析和改进操作方式并进行优化试验条件,提供正确的故障、事故现象仿真,以提高运行人员正确判定、处理各种故障及事故的应急能力,并为进一步改进操作方式和制定反事故对策提供手段。对机组的控制系统进行仿真试验和控制系统的参数整定。对岗位运行人员、技术治理人员定期轮训上岗或晋升前考核,提供反映运行人员实际操作能力和分析判定能力的手段。

 

    二、仿真机数学模型的建立及实际应用

 

    建立各元件的数学模型及全系统的数学模型是仿真的核心。发电机组电气仿真机涉及到发电机及其励磁系统、同期装置、信号系统、变压器冷却系统、二次保护的数学模型。本论文分别对发电机励磁系统,发电机空载调压特性,发电机有功、无功调节模型及变压器温度进行了建模。

 

    发电机励磁系统模型

 

    以太仓电厂300MW机组的励磁控制系统作为建模的具体对象,其控制接线见图1

 

    励磁系统是一种他励旋转硅整流励磁方式。它系交流励磁机供给主机的励磁回路中的整流装置采用同轴旋转的硅整流器。交流励磁机的励磁电流由中频副励磁机经可控整流桥供给。副励磁机是永磁发电机,正常运行电压为95V。发电机的励磁调节器随主机参量的变化改变交流励磁机励磁回路的可控硅的控制角,以改变交流励磁机的磁场电流,达到改变交流励磁机的端电压,最终调节了发电机的励磁。

 

    在励磁调节环节中,包括测量比较单元、综合放大单元、移相触发单元。测量比较单元又包括整流电路、滤波回路、正序滤过器和比较整定电路。综合放大是沟通测量比较单元与移相触发单元的中间单元,起到放大信号和综合信号以及功放输出和限幅的作用,它输出一个控制电压Uk。移相触发单元产生可以改变相位的脉冲,用来触发整流桥中的可控硅,使其控制角随着综合放大单元输出的控制电压Uk的大小而改变,从而达到自动调节的目的,它由同步、移相、脉冲形成、脉冲放大几环节组成,最后输出触发角a

 

    励磁调节、控制系统在本仿真建模中只考虑其实际的静态特性,因此对各环节均以线性方程进行处理。在可控硅整流单元中,论文设计直接从综合放大单元输出的Uk一入手,再经过移相触发形成的控制角a去控制整流输出电压的大小。由控制电压从0-5V的变化引起直流电压的变化。除此之外,在其它励磁传输环节中,均将其线性化,以简化控制传递函数,下面进行逐个分析:

 

    1.付励磁机是一台永磁电机,它的输出电压与发电机转速成平方关系,其输出额定交流电压为95V

 

    2.付励定子三相交流电压经过三相可控硅的整流,输出直流电压Uc

 

    根据整流电路得到整流公式:

 

    Uc=1.35×95(ωn2×Uk/5×(1+3×Xk/ΠR))

    =5.849×Uk公式1.1

    式中ωn=ω/ωe。转速比

 

    Uk控制电压(05V

 

    3.经整流的付励电压加到主励磁机的转子,在转子中流过的主励电流,它与付励电压拟合成一线性关系。考查实测数据,取得两点数据:1.U=5VI-=50A2.U=16VI=225A则有主励电流:1=15.91U=29.55A)公式1.2

 

    4.由主励磁机转子电流产生的磁场,在主励磁机定子感应出交流电压。我们采取同样的方法进行线性化,从实测数据采集两点:I.U=5VV`=142.29V2.U=16VV403V

 

    从而得到线性化关系式:V`=23U+23.79V)公式1.3

 

    5.主励转子电压经同轴旋转的整流硅整流,就形成直流的发电机转子电压Ud。这个过程也是一个整流过程,按照三相整流公式,经过简化,变成公式:Ud=1.35V`/1.7=0.794V`V)公式1.4

 

    6.经过整流后得到的直流转子电压加到发电机的转子之上,形成转子电流If。同样,我们将其线性化,取得两点数据:1.Ud=113VIf=987A2.Ud=320VIf=2510A最后,得到的转子电流公式:If=7.3575Ud+155.6A)公式1.5

 

    由于太仓电厂300MW机组的励磁系统为同轴旋转整流硅堆,所以转子电压和转子电流不能直接从转子上测得,只有测量主励磁机的转子电压与电流作为整个励磁系统的励磁水平进行监视。

 

    从公式1.11.5得出直流电压表测量的主励磁机转子电压U_=Uc=5.849UkV)公式1.6(使用手动励磁时U_为厂用380V电源经过调压整流得到的转子电压)。直流电流表测量的主励磁机转子电流:工_=93.06Uk-29.55A)。公式1.7

 

    另外从公式1.11.5还可以推导发电机转子电流:If=785.78Uk+294.58A)公式1.8;这便于以后发电机有功、无功模型的建立。

 

    在系统虚拟控制盘面的设计中,控制电压Uk调节直接用一个手动按钮来实现,它的调节范围为0-5Vo

 

    发电机空载调压特性

 

    发电机空载特性是指发电机转子电流工f与空载电势Eo之间的关系。太仓电厂300MW机组的仿真是依据上海电机厂的出厂特性曲线(OEH.154.142)进行的。此曲线开始阶段电机磁路尚未饱和为直线,后铁磁部分迅速饱和。Eo=1时,Ku=1.2(电机的饱和系数)。对于此曲线特性,采用分段拟合的方法进行拟合,最后得出结果如下:

 

    U=fif)单位:V

    If=O1000AU=fIf=20If

    If=10001250AU=fIf=9.2If+10800

    If=12501750AU=f1f=3.41f+18050

    If=17503250AU=fIf=2If+20500一式1.9

 

    发电机空载特性分段线性化后,发电机的空载电压变化通过调节控制电压得以实现。

 

    发电机有功、无功调节模型

 

    1.无功模型。当发电机电压一定时,其励磁电流与定子电流及功率因数的关系曲线称为励磁调节特性曲线,实际上是有功功率与无功功率对应的函数关系。考察隐极发电机相量图可知,发电机电势相量三角形与转子励磁电流三角形是相似的。

 

    2.有功模型。发电机实际发出的有功功率/t.汽轮机的机械出力减去各项损耗(主要包括:定子线圈铜耗、定子铁耗、励磁损耗、短路附加损耗、机械损耗)剩下的转化成电能的部分。

 

    变压器温度模型

 

    变压器上层油暖和绕组温度是比较重要的参数,对于变压器的安全运行和延长使用寿命具有非常重要的意义。在电厂主控制室的仪表盘台上都设监视变压器温度的表计,仿真机必须建立温度模型。变压器对绕组线圈的冷却是通过不同方式的冷却油进行油浸冷却,同时,变压器的负荷情况也决定了温度的变化。所以其温度模型应当与其冷却方式、变压器负荷等因数有关。而且,变压器内不同地方的温度也不尽相同,模型中重点测算变压器上层油暖和绕组最热点温度。

 

    三、电气事故仿真的实现方法分析

 

    继电保护仿真介绍

 

    培训仿真机的核心是一个开放式的软件平台,电气仿真子系统由两个部分构成:其一是仿真电力系统的一次部分;其二是仿真电力系统的二次部分。二次部分有继电保护和安全自动装置。继电保护仿真有一个总的原则,就是保护表现出来的现象要正确、实时、逼真。也就是说,假如面对你的有两套界面,环境完全一样的系统,一套是实际系统,一套是仿真系统。发生各种故障或出现各种不正常状态时,你无法区分哪套系统是仿真的继电保护,哪套是实际的继电保护。这个原则的言外之意是继电保护仿真装置内部的实现方法不是相同的东西。

 

    继电保护仿真的两种方法

 

    目前,对继电保护的仿真有两种方法:一种是逻辑判别法,另一种是定值判别法或条件判别法或者兼而有之。前者适合于动作周期小于3的快速保护(如差动1保护等),而后者则适用那些延时动作的保护(如主变另序保护先判定另序电流和另序电压,然后延时动作)。目前,由于计算机速度的提高,使用故障电流计算从而确定保护动作的定值判别法也可以满足速断保护的速度要求,逐渐在故障仿真中统一使用这种方法。

 

    参考文献

    1邹燕,刘金宫.面向对象技术在调度员培训系统中的应用J.电网技术,1998,(7).

    2李建华,耿建.发电厂电气部分培训系统数据库的设计及其特点J.中国电力,1999,(3).

    3刘青,彭晓兰.面向对象的电力专家系统设计J.电力系统自动化,1997,(5).

    4展锦程.电站仿真的模块化建模技术J.华北电力技术,1999,(1).

    5万秋兰,单渊达.发电厂电气系统培训仿真实用模型J.东南大学学报,1999,(1).

标签:电气仿真数学模型继电保护武成香张炜
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