武汉大学学报(工学版)   2016, Vol. 49 Issue (3): 384-389

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张广涛, 邹吉林, 程远楚, 郭琦, 李伟
ZHANG Guangtao, ZOU Jilin, CHENG Yuanchu, GUO Qi, LI Wei
基于DSP与RTDS的水电机组实时混合仿真系统研究
Research of real-time and hybrid simulation of hydro turbine governing system based on DSP and RTDS
武汉大学学报(工学版), 2016, 49(3): 384-389
Engineering Journal of Wuhan University, 2016, 49(3): 384-389
http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2016-03-011

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收稿日期: 2015-12-16
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张广涛, 邹吉林, 程远楚, 郭琦, 李伟. 基于DSP与RTDS的水电机组实时混合仿真系统研究[J]. 武汉大学学报(工学版), 2016, 49(3): 384-389.
ZHANG Guangtao, ZOU Jilin, CHENG Yuanchu, GUO Qi, LI Wei. Research of real-time and hybrid simulation of hydro turbine governing system based on DSP and RTDS[J]. Engineering Journal of Wuhan University, 2016, 49(3): 384-389.
基于DSP与RTDS的水电机组实时混合仿真系统研究
张广涛1, 邹吉林1, 程远楚1, 郭琦2, 李伟2     
1. 武汉大学动力与机械学院，湖北 武汉 430072;
 2. 南方电网科学研究院有限公司，广东 广州 510080
收稿日期: 2015-12-16
作者简介: 张广涛（1987-），男，博士研究生，研究方向为水力发电与电力系统稳定性与控制,E-mail:zhanggt@whu.edu.cn.
摘要: 为精细化研究水电机组水、机、电耦合过渡过程特性，为机网协调研究搭建精确水电机组实时仿真平台，研究开发了一种基于DSP与RTDS的水电机组实时混合仿真系统.其中，基于DSP的仿真系统实现水力-机械过渡过程的非线性实时仿真；RTDS系统完成电磁过程及负载与网络的仿真；基于DSP的仿真系统与RTDS系统间通过A/D、D/A实时通讯机制交换信息，形成一套两侧独立计算、数据实时交互的实时仿真系统.以楚穗直流孤岛系统的JAQ电厂水轮机调节系统为算例，其结果验证了该混合仿真系统的可行性和有效性.
关键词： 水电机组     实时仿真     混合仿真     RTDS     DSP    
Research of real-time and hybrid simulation of hydro turbine governing system based on DSP and RTDS
ZHANG Guangtao1, ZOU Jilin1, CHENG Yuanchu1, GUO Qi2, LI Wei2     
1. School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China;
 2. Research Institute of China Southern Power Grid, Guangzhou 510080, China
Abstract: A real-time simulation system of hydro turbine governing system based on digital signal processor(DSP) and real-time digital simulator(RTDS) which has been applied to study the transition process including in hydraulic, mechanical and electromagnetic of hydropower units, has been developed. The new method can simulate the hydro turbine more precisely and can meet the need of real-time simulation and the coordination control of the machine and network. The system based on DSP realizes the nonlinear real-time simulation of hydro-mechanical transient process; and the RTDS system for the electromagnetic process,load and network. They communicates with each other using A/D and D/A, the real-time communication mechanism, to achieve the formation of a simulation system which calculates independently and interacts data on real time. Taking turbine regulation system of JAQ power station of Chusui DC island system for case study, the results show that the system is feasible and effective.
Key words: ydropower units     real-time simulation     hybrid simulation     RTDS     DSP    

同步发电机是电力系统的核心设备，直接影响电力系统的暂态、动态安全性与稳定性.随着大容量机组不断并入电网，电力系统的动态安全问题日益突出.因此，研究机网协调问题具有重要意义[1].这些问题的研究须配合大量试验，且需要对调速器等实际装置的精确度及可靠性进行验证，然而，这些试验和验证的实施难以在实际电力系统中直接进行，因此，实时仿真成为解决这一问题的主要方法之一.

目前在电力系统仿真中大量运用的实时数字仿真器RTDS[2]是一种专门设计用于研究电力系统中电磁暂态现象的装置，由加拿大曼尼托巴公司开发制造，仿真步长可达50 μs.RTDS包含一个比较完善的电力系统控制模块库，用户可通过模块搭建电力系统回路和相关控制回路.其大量的模拟量和数字量输入输出接口，使其能与实际的控制和保护装置相连构成回路.RTDS实时仿真具有建模周期短、精度高、实时性高、灵活性好等优点.

为了水电机组与电网协调安全运行，需建立一个水电机组实时仿真平台，对水电机组的动态行为进行精细化描述，然而水电机组的动态行为是一个水力、机械、电磁过程高度耦合的过程，因此，建立水电机组水、机、电耦合数学模型是仿真建模的关键.实际的水轮机存在显著的非线性特性，而实时数字仿真器RTDS只能完成线性方程的计算，因此需要寻求一种能够精确仿真水轮机非线性特性的实时仿真平台.本文结合成熟的RTDS电磁暂态实时仿真装置，提出了基于DSP与RTDS的水电机组实时混合仿真系统.

该混合仿真系统的重要意义在于：1)利用RTDS系统仿真发电机及电力系统暂态过程，建模方便，并能保证仿真的实时性；2)基于DSP的仿真系统能精确计算水轮机调节系统的水轮机等非线性模型，弥补RTDS系统不能解非线性方程的不足；3)RTDS与DSP之间不需要复杂的交互机制便能保证两边数据交互的同步.

1 混合仿真系统结构及组成

混合仿真系统由RTDS实时仿真器、基于DSP的实时仿真系统和监测计算机组成.水电机组实时仿真系统是一个对实时性要求很高的系统，在一个步长之内要对所有采集量进行一次计算，传统的实际试验方法由于计算周期太长，导致计算一个仿真结果需要很长的时间，使仿真效率很低.本文建立基于DSP与RTDS的水电机组实时混合仿真系统，基于DSP的实时仿真装置从RTDS获得发电机转速信号x，水轮机调速器通过x的变化计算得到调节开度uw，通过电液随动系统的积分处理得到控制导叶开度y，水轮机由x和y信号综合计算得到力矩信号mt并提供给RTDS，由以下公式得到新的转速x：

$J\frac{\text{d}x}{\text{d}t}={{M}_{\text{t}}}-{{M}_{\text{g}}}$    (1)

式中：J为机组转动部分转动惯量：Mt为水轮机主动力矩;Mg为发电机阻力矩.监测计算机采用基于LabWindows/CVI平台，能实现对实时仿真装置进行在线参数设置和实时监测的人机交互界面.混合仿真结构如图 1所示.

图 1 水电机组实时仿真系统 Figure 1 Hydro turbine governing system
图选项
1.1 基于DSP的实时仿真系统硬件结构

DSP(Digital Signal Processor)是一种以数字信号来处理大量信息的器件，具有强大的数据处理能力和很高的运行速度，这是其被用于实时仿真装置的关键优势[3].基于DSP的实时仿真系统的数值计算部分由CPU承担；数值计算代码存入2片总计0.75MByte的SRAM外扩存储器中，大量中间结果和表格数据存入外扩的32MByte空间DRAM中；与RTDS通信设计为基于A/D与D/A的模拟通信，与工业PC机监控系统的通信采用基于W5100A硬件的TCP/IP通信.

1.2 RTDS仿真系统硬件结构

RTDS硬件也是基于DSP处理的，计算步长为50 μs左右，核心的计算原理是基于EMTDC，仿真的系统频率范围为0~4 000 Hz[4].DSP位于双处理器卡TPC上，每块TPC卡的物理结构相同，其运行软件决定了每块TPC卡的功能.每片DSP均配有模拟量和开关量的输入输出通道，用来与外部的其他物理设备进行连接[5].

1.3 实时监测系统

为直接观测和分析仿真系统过渡过程试验，本文利用计算机通用测试系统开发工具LabWindows/CVI开发了水电机组实时仿真监测系统，该系统能够实现水电机组运行参数的实时监测.软件平台实现的功能包括机组参数的在线读取和修改、仿真参数的实时监测和曲线绘制、仿真参数的实时录波和回放、仿真参数的分析等.

2 系统功能及数学模型

水轮机调节系统的数学模型如图 2所示.其中发电机、励磁系统、负载及网络由RTDS实时仿真系统实现；水轮机调速器、随动系统、水轮机及尾水系统由基于DSP的实时仿真系统实现.

图 2 水轮机调节系统数学模型 Figure 2 Mathematical model of Hydro turbine governing system
图选项
2.1 发电机模型

同步发电机及其控制系统是电力系统的主要元件之一，对整个电力系统的动态性能有极大影响.RTDS系统中同步发电机模型采用7阶模型，通过A、B、C端口与电力系统网络节点进行连接，以及机械转矩Mt、转子角速度x、励磁电压Efd、励磁电流Ifd和机端电压Vt等输入输出接口与调速系统和发电机的励磁系统连接[6]，如图 3所示.

图 3 RTDS中同步发电机模型 Figure 3 Synchronous generator model in RTDS
图选项

由于同步发电机内部的电磁暂态过程非常复杂，通常采用理想化的假设条件建立同步发电机的数学模型.带阻尼绕组的凸极同步发电机包含定子a、b、c三相绕组、励磁绕组、转子D轴阻尼绕组和转子Q轴阻尼绕组6个绕组，隐极机则一般需增加一个转子交轴方向上的等效阻尼绕组.图 4为经过派克变换的同步发电机的d、q轴等值电路，其中X230表示D轴上阻尼绕组与励磁绕组的互感磁链通路.

图 4 RTDS中同步电机d,q轴等值电路 Figure 4 Equivalent circuit of the d,q shaft in RTDS
图选项
2.2 励磁系统模型

RTDS模型库中提供了发电机励磁系统模型，包括IEEE 标准模型、IVO 非标准励磁系统模型、DEGOV 非标准调速模型和 PSS2A 电力系统稳定器模型等[7].系统经过功率放大器向励磁控制系统提供必要的模拟电压电流信号，励磁控制装置采集一次系统的电压电流信号，计算后向发电机模型提供脉冲触发信号，从而构成一个闭环的测试系统[8]，如图 5所示.

图 5 RTDS中励磁及PSS控制系统 Figure 5 Excitation and PSS control system in RTDS
图选项
2.3 负荷模型

RTDS中的负荷模型采用静态ZIP负荷模型[9]，其数学模型如下：

$P={{P}_{0}}\left[ {{P}_{1}}{{\left( \frac{v}{{{v}_{0}}} \right)}^{2}}+{{P}_{2}}\left( \frac{v}{{{v}_{0}}} \right)+{{P}_{3}} \right]\left( 1+\Delta f\cdot {{L}_{\text{DP}}} \right)$    (2)
$Q={{Q}_{0}}\left[ {{Q}_{1}}{{\left( \frac{v}{{{v}_{0}}} \right)}^{2}}+{{Q}_{2}}\left( \frac{v}{{{v}_{0}}} \right)+{{Q}_{3}} \right]\left( 1+\Delta f\cdot {{L}_{\text{DQ}}} \right)$    (3)

式中：LDP和LDQ分别代表频率变化1%所引起的有功变化率和无功变化率.

2.4 水轮机调速器仿真模型

水轮机调速器与水轮机的稳定运行密切相关，随着控制技术的不断发展，目前采用的水轮机调速控制技术包括PID控制、自适应控制、智能控制和鲁棒控制等[10~11].

本文以JAQ电站为实例进行仿真对比分析.JAQ电站调速器采用PID控制方法.选择频率模式时其数学表达式为

$\frac{y\left( s \right)}{e\left( s \right)}={{K}_{\text{P}}}+{{K}_{\text{I}}}+\frac{1}{s}+{{K}_{\text{D}}}\frac{s}{1+{{T}_{1v}}s}$    (4)

其中：y为控制输出；e为转速给定值与实际值的偏差；KP为比例增益；KI为积分增益；KD为微分增益；T1v为微分时间常数.

2.5 随动系统仿真模型

随动系统是将调速器送来的电气信号yc转换放大成机械信号y，并去执行导叶开启或关闭操作，随动系统模型框图如图 6所示.其中，Ty为接力器反应时间常数.

图 6 随动系统仿真模型 Figure 6 Servo system simulation model
图选项
2.6 水轮机仿真模型

水轮机是将水能转换成机械能的水力机械，一般根据水轮机的实验特性曲线，将力矩和流量表达为导叶开度、转速、水头的函数，用相对值表示：

${{m}_{\text{t}}}={{m}_{\text{t}}}\left( y,x,h \right)$    (5)
$q=q\left( y,x,h \right)$    (6)

基于DSP的仿真系统在对水轮机进行仿真计算时采用查找综合特性表各个点传递系数的方法.在稳定工况或小波动工况下，水轮机的传递系数可看成常量，利用下式进行计算：

${{m}_{t}}={{e}_{y}}y+{{e}_{_{x}}}x+{{e}_{h}}h$    (7)
$q={{e}_{qy}}y+{{e}_{qx}}x+{{e}_{qh}}h$    (8)

而在机组开机启动、甩负荷等大波动计算过程中，仿真计算将进入小开度、小单位转速或某些工况制动区，传递系数在这些区域是不断变化的，本文采用的处理方法为：首先对水轮机综合特性曲线进行外延，求出各个点的传递系数ey、ex、eh、eqy、eqx、eqh，在进行水轮机模型计算时，传递系数可采用简单的查表插值计算得到，增量计算的公式如下：

$\Delta {{m}_{t}}={{e}_{y}}\cdot \Delta y+{{e}_{x}}\cdot \Delta x+{{e}_{h}}\cdot \Delta h$    (9)
$\Delta q={{e}_{qy}}\cdot \Delta y+{{e}_{qx}}\cdot \Delta x+{{e}_{qh}}\cdot \Delta h$    (10)

得到增量后，利用累加的方法，用此时刻的流量和力矩值加上增量值，得到下一时刻的流量和力矩值：

${{m}_{\text{t}}}\left( t \right)={{m}_{\text{t}}}\left( t-1 \right)+\Delta {{m}_{\text{t}}}$    (11)
${{q}_{t}}={{q}_{t-1}}+\Delta q$    (12)
2.7 引水系统仿真

在水轮机调节系统中，引水管道可采用刚性水锤或弹性水锤.在低水头电站中，引水管道不是很长，水击相长较小时，使用刚性水击，引水系统的传递函数为

${{G}_{h}}\left( s \right)=\frac{H\left( s \right)}{Q\left( s \right)}=-{{T}_{\text{w}}}\left( s \right)$    (13)

其中，Tw为水流惯性时间常数，即以额定水头加速管道中水流到额定流量所需要的时间.

当压力过水系统为中等长度或长引水管道时，弹性水击较为符合实际情况[12]，引水系统的传递函数为

${{G}_{h}}s=\frac{H\left( s \right)}{Q\left( s \right)}=-{{h}_{\text{w}}}\frac{{{T}_{\text{r}}}s+\frac{1}{24}T_{\text{r}}^{3}{{s}^{3}}}{1+\frac{1}{8}T_{\text{r}}^{2}{{s}^{2}}}$    (14)

其中:hw为管路特性系数;Tr为水击相长.

2.8 数据交互

基于DSP的实时仿真装置与RTDS仿真系统之间的数据交互采用基于A/D、D/A转换的模拟量通讯机制.实时性方面，通过CPU直接对模拟量输入进行实时A/D转换，确保输入数据按时送达模型对应参数；通过专用D/A转换芯片，实现高速D/A转换，将CPU计算结果转换为模拟量发送给RTDS.

混合仿真需要考虑的一个关键问题是保证数据交互的实时性，其可靠性与稳定性决定了仿真系统是否能长时、可靠地运行[13].通过对整体仿真模型的分析，本文提出的混合仿真系统不需要建立复杂的交互时序便能实现数据的实时同步交互，实现两侧独立运行、参数实时交互的目的.首先，两侧的仿真步长均能达到50 μs左右[14]，仿真精度高.其次，RTDS中进行暂态仿真计算，暂态分析是以磁链守恒原则为基础的，在运行状态突变瞬间，励磁绕组的总磁链守恒，暂态电势与总磁链成正比，暂态电势不能突变[15].电力系统发生短路故障后，发电机组发生甩负荷过渡过程，由式(1)可得：

$x=\frac{1}{J}\int \Delta m\text{d}t$    (15)

RTDS送给基于DSP的实时仿真装置的转速x信号是关于Δm的一个积分信号，对于步长达到50 μs的仿真系统，若某一时刻mt的值不变，计算得到的x信号的误差可忽略不计.其三，由于调速器及随动系统的仿真步长较长，一般为20 ms，因此来自RTDS的转速x的误差信号对输出导叶开度信号y的误差的影响可忽略不计，计算得到流量q和水头h，结合转速x值，查表插值得到水轮机输出转矩mt，单个的转速x值对水轮机输出力矩mt的影响很小，因此，直接将两侧交互信号连接起来便可进行精确的实时仿真.

3 实时仿真结果

本文建立了基于DSP与RTDS的水电机组实时混合仿真系统.其中基于DSP的实时仿真系统对水轮机调速器、随动系统及尾水系统进行了实时仿真，并实现了水轮机模型的非线性计算；RTDS实时仿真系统对发电机、励磁系统、负载及网络进行了实时仿真建模.两者的结合实现了两侧独立计算、数据实时交互的混合实时仿真系统.对JAQ电站进行算例分析，仿真结果如下.

试验1：单机甩100%负荷试验.JAQ电站水头设定为现场录波时的115 m，开度为78%左右，单机带负荷600 MW，断开发电机机端断路器，进行甩100%负荷试验.图 7和图 8分别为机组甩100% 负荷机组频率f与导叶开度y的仿真结果与现场实测结果.由试验结果可得，频率的上升时间、下降时间、峰值与现场实际录波结果吻合度很高，具体数据见表 1.

图 7 机组甩100% 负荷仿真结果 Figure 7 Results of 100% load rejection of simulation
图选项
图 8 机组甩100% 负荷现场实测结果 Figure 8 Results of 100% load rejection of field test
图选项
表 1 机组甩100%负荷实时仿真与现场试验结果对比 Table 1 Comparison of the results of load rejection of 100% between real-time simulation and field test
试验类型 初始开度/% 初始负荷/MW 最大频率/Hz 最小频率/Hz 出现时间/s 稳定开度/%
最大频率最小频率
实时仿真 78.5 0.9 69.15 49.5 7.946.0 12
现场试验 76.5 1.0 70.70 48.0 7.5 45.5 12
表选项

试验2：单机甩25%负荷试验.JAQ电站水头设定为现场录波时的115 m，开度为31%左右，单机带负荷150 MW，断开发电机机端断路器，进行甩25%负荷试验.图 9和图 10分别为机组甩25% 负荷机组频率f与导叶开度y的仿真结果与现场实测结果.由试验结果可得，频率的上升时间、下降时间、峰值与现场实际录波结果吻合度很高，具体数据见表 2.

图 9 机组甩25% 负荷仿真结果 Figure 9 Results of 25% load rejection of simulation
图选项
图 10 机组甩25% 负荷现场实测结果 Figure 10 Results of 25% load rejection of field test
图选项
表 2 机组甩25%负荷实时仿真和现场试验结果对比 Table 2 Comparison of the results of load rejection of 25% between real-time simulation and field test
试验类型 初始开度/% 初始负荷/MW 最大频率/Hz 最小频率/Hz 出现时间/s 稳定开度/%
最大频率最小频率
实时仿真 31 0.277 53.8 49.9 5.0 30.0 12.0
现场试验 31 0.250 53.0 50.0 5.3 31.5 12.5
表选项

试验3：双极闭锁试验.JAQ电厂水头设定为设计水头111 m，单机带负荷510 MW，对楚穗直流孤岛系统模拟双级闭锁故障导致直流保护动作的试验，其中楚雄侧电压为520 kV，楚穗直流的双极直流功率为5 000 MW，实验结果见表 3.由结果可知，直流双极闭锁仿真试验中，频率峰值、上升时间、稳定值均与PMU现场录波基本一致，仿真结果的频率恢复速度较现场录波更快.

表 3 楚穗直流双极闭锁实时仿真与现场试验结果对比 Table 3 Comparison of bipolar latch of Chusui DC system between real-time simulation and field test
试验类型 初始
开度/%		 初始
负荷/MW		 最大
频率/Hz		 最小
频率/Hz		 出现时间/s 稳定开
度/%
最大频率最小频率 正功率负功率
实时仿真 81 513 62.90 49.94 7.738 16 35 15
现场试验 510 63.64 46.328.545 17 41
表选项
4 结论

本文利用基于DSP的水电机组实时仿真系统实现了水轮机调速部分、液压随动系统、水轮机及引水系统的非线性仿真，利用RTDS仿真了发电机及其控制系统、电力系统负荷部分，两者的联合实现了RTDS与基于DSP的实时仿真系统的联合仿真，通过与RTDS的接口连接进行实时信息交互，实现了两者的联合闭环控制仿真，仿真结果与现场试验结果吻合度高；机组参数对用户清晰透明，通过对机组参数进行设置，可进行频率扰动试验、开度扰动试验、功率给定扰动试验和负荷扰动试验，并可长时间连续运行；该系统可实现对水、机、电过渡过程的精细化研究，对开展机网协调仿真研究具有重要意义.

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