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1、华中科技大学 硕士学位论文 中小水电站仿真培训系统数学模型研究 姓名：王越 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：游大海 20070606 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 我国的中小水电经过 50 多年的艰苦奋斗，取得了世人瞩目的成就。随着国内一 批中小水电站的落成投运，如何对电站运行人员进行行之有效的培训的课题已提上日 程。国内外对于仿真系统数学模型的研究，特别是对大型系统的研究已日趋成熟，若 将这些成功的模型直接用于中小型水电站仿真系统的开发势必大大提高成本，造成资 源浪费，收不到预期的经济效益。为
2、了降低成本，针对中小型电站的仿真系统硬件规 模小的特点，必须对现有的大系统复杂模型进行合理的简化。 水电站仿真培训系统的主要仿真对象为引水管道、水轮发电机组、调速器、励磁 等系统， 为达到仿真培训的目的， 并保证一定的仿真精度， 仿真模型应能够胜任开机， 停机，增、减负荷等电站基本运行工况的仿真要求；此外，为了体现通用仿真培训系 统的通用性，在建模时应充分考虑各个模型的特点，对参数进行合理的分类；在软件 实现上必须加以优化，提供良好的可扩展的数据接口，真正做到通用。 本文在总结了国内外大量的数学模型基础上，针对通用仿真培训系统的特点，建 立了一套适合中小水电仿真培训系统的数学模型，并采用 C+
3、语言开发了算法库，通 过仿真，对模型和算法均进行了验证。 实践证明该套算法库程序能够满足中小水电站仿真培训系统的计算要求，具有良 好的数据接口和一定的模型扩充能力，有一定的应用价值 关键词：仿真培训系统，水电站数学模型，数值算法。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Small hydropower in our country has accomplished great achievements during fifty years hard working by many scientists.As a g
4、reat many of small hydropower plants finished buiding,how to training the workers manipulating the equipments of these plants well is becaming more and more important.The Researching of Mathmatic models for the training systems in hydropower plants has been given much more attation,especially for la
5、rge capacity hydropower plants.But the problem is that these models doesnt fit the small hydropower systems whose sturcture is more simple,so that we must simplify these models to fit the demands of small hydropower system. The equipments simulated in training system const of pipeline,hydro tuibine,
6、 synchronous motor ,regulator, excitation and et al.Without accuracy required strictly,the model for simulation should be able to simulate Booting, turning off,increasing load,decreasing load,load disturbance so as to meeting simulating and training.Even more,in order to reflect universal nature,cha
7、rateristic of models must be considered and the parameters sorted well;The code should be optimized to give the parameters expansionable port. In these paper,a new model for the training system of small hydropower plant is set up with the reference of many papers at home and abroad.Even more,author
8、develop the special programe of algorithm library with Visual C+ 6.0.In the end of the paper,it proves the correctness of both model and algorithm through simulation reasult. Practice shows the model for the training system of small hydropower plant is able to bear the demand of simulation. Keywords
9、:simulation and training system,hydropower plant model,algorithm 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文
10、的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 1.1 研究的意义和目的 我国的中小水电经过 50 多年的艰苦奋斗，取得了世人瞩目的成就。随着我国经 济、社会的不断发展，人民群众生活水平和生
11、活质量的不断提高，中西部地区、少数 民族地区经济发展差距缩小的需求，特别是保护和改善环境，是人类 21 世纪面临的 共同课题。所有这一切都赋予了中小水电新的历史使命，为中小水电的发展提供了广 阔的空间。随着国内一批中小水电站的落成投运，如何对电站运行人员进行行之有效 的培训的课题已提上日程。因此开发一套专门针对中小型水电站的通用仿真培训系统 是十分必要和迫切的1。 仿真对象的数学模型是仿真培训系统的核心。国内外对于用于系统仿真的数学模 型研究，特别是对大型系统模型的研究已日趋成熟2，但由于各个电站设备配备上的 差异，为了满足精度上的要求，势必造成各个模型之间存在不同程度上的差异，无法 形成统一
12、的模型；由于中小型水电站存在系统规模小，负荷承担量相对较低等特点， 使得在适当降低仿真要求的情况下，建立一套中小型水电站仿真培训系统的通用模型 成为可能；仿真培训系统的数学模型不同于一般的仿真模型，其仿真计算结果必须能 够满足实时数据采集的要求。因此针对以上问题必须对现有的大系统复杂模型进行合 理的简化并采用相应的数值算法进行模块化的封装以适应中小型系统的这些特性。本 文在总结了国内外大量的数学模型基础上，建立了一套适合中小水电仿真培训系统的 数学模型，在此基础上开发了相应的算法库程序，并给出了仿真的结果，实践证明该 套数学模型基本能够胜任仿真培训的任务。 1.2 研究回顾 国外水电站仿真研究
13、从二十世纪七十年代开始，初期仅停留在调速系统等模型的 理论探讨上。接着出现了水轮机的动态非实时计算机模拟，主要用于水轮机特性试验 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 和调速系统试验。二十世纪八十年代中期，国外出现了许多水电厂实时仿真系统，用 于培训和试验研究。如日本的三菱、美国的 S3 等公司都相继开发了数套水电厂实时 仿真系统。二十世纪九十年代以来国外水电厂实时仿真应用已经非常普遍了。随着计 算机监控系统自动化程度日渐提高、电力系统的安全性要求日渐增高以及机组进一步 向大容量高参数方向发展，国内在二十世纪八十年代开始对水电站仿真予
14、以深入的研 究。我国第一台大型水轮发电机组的仿真系统于 1992 年由清华大学研制成功，仿真 对象为吉林省的丰满水电站。该系统 1993 年 8 月通过了有关部门的鉴定，安装于吉 林省丰满水电技术专科学校，用于水电厂运行人员的培训。龙羊峡水电站 1996 年起 使用了一套由国家电力公司苏州热工研究所开发的微机培训仿真系统，该机首次采用 常近时教授的内特性解析理论描述水力装置系统动态与稳态过程，专用微机称为常氏 特性演示台或内特性台。近几年，国内的隔河岩水电厂、丹江口水电厂、新安江水电 厂也已经开发出了各自的仿真培训系统。新安江水电厂机组台数多、容量大、出线电 压等级较高、网络接线复杂的特点,
15、具有国内水电厂的一般性和典型性, 新安江水电 厂仿真系统以新安江水电站为仿真对象, 以实时动态建模理论和计算机可视化技术相 结合, 对水电厂进行动态模拟的新成果。该系统是采用多媒体技术、用 PC 机实现的 全工况、全范围的实时系统, 仿真了该厂的整个生产流程, 仿真范围包括单元接线(1 台主变带 3 台机组) 的水轮发电机组系统、网控升压站系统、厂用电系统、计算机监 控系统、油水风辅助系统及二次系统等, 可仿真水电厂的各种正常操作和多达 200 余 种的故障和异常。可进行水电站运行人员的全过程技术培训, 包括正常操作培训和各 种事故、异常的培训。为了适应现代水电站水电运行培训的需要，1999
16、年 3 月东大新 业决定研制开发不依赖硬件的水电运行仿真系统，并选择了吉林丰满电力专科学校作 为技术合作伙伴，以吉林丰满水电站作为仿真对象。仿真的目标除了要对电气、水轮 机、辅助系统、数学模型及整套的盘台设备进行仿真外，而且还要在此基础上增加计 算机监控系统和事故故障处理， 利用多媒体的先进技术手段， 增加图像、 声音的仿真， 增强培训效果。以上的仿真系统均为单台机组仿真。2002 年，水口电厂与清华大学共 同参与开发“水口水电站仿真系统”，该仿真系统将成为国内首个以整个电站为对象 的仿真系统。 系统建成后， 除满足水口电厂乃至全国水电系统运行操作的培训任务外， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 还对电站的稳定运行、运行方式的优化研究与验证、电站控制系统的最佳组态、最佳 参数配合的研究与开发起指导作用34。 在仿真系统水轮机数学建模方面，文献57分别给出了目前应用非常广泛的几 种水轮机调节系统模型。 文献8分析对比了目前应用
