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電力技術
水輪發電機組微機調速系統的實時仿真儀（ZSTG2000）
時間：2022-11-06
中試控股技術研究院魯工為您講解：水輪發電機組微機調速系統的實時仿真儀（ZSTG2000）
ZSTG2000水輪機調速器和機組同期綜合仿真測試系統
ZSTG2000水輪機調速器仿真測試儀，別名：水輪機調速系統仿真測試儀。英文名（Hydraulic Turbinegovernor Simulationtester）是中試控股針對于水力發電調速系統、水力發電自動準同期系統特性檢測與華中科技大學聯合開發的一種綜合性測試平臺，儀器可以完成水輪機調速系統的空載擺動、空載擾動、甩負荷、不動時間，調速器靜特性，接力器開關規律、仿真開/關機支持，頻率死區測量、負荷響應試驗和跟蹤電網一次調頻等試驗項目,自動生成各種類型的試驗報告，ZSTG2000水輪機調速器仿真測試儀還可以做通用錄波器和頻率發生器使用，并且系統采樣頻率可以達到4KHZ，這大大拓寬了儀器的使用范疇，增強了儀器的靈活性。
ZSTG2000水輪機調速器和機組同期綜合仿真測試系統內部集成了5種不同類型的水輪機組模型，儀器可以執行這些模型的仿真功能，使之與調速器構成閉環系統，使調速器在沒有與真實機組連接的情況下也可以很方便的完成動態檢測。
水輪機調速器是水輪發電機組非常重要的輔 助控制設備之一。它的運行品質的好壞直接決定了機組的安全和穩定運行。降低水輪機調速器的故障率是提高機組運行可靠性的最行之有效的手段。
始于1986年 ? 30多年專業制造 ? 國家電網.南方電網.內蒙電網.入圍合格供應商
1.1 ZSTG2000水輪機調速器和機組同期綜合仿真測試系統簡介
ZSTG2000水輪機調速器和機組同期綜合仿真測試系統是湖北中中試針對于水力發電調速系統、水力發電自動準同期系統特性檢測而開發的一種綜合性測試平臺，中試控股儀器可以完成水輪機調速系統的空載擺動、空載擾動、甩負荷、不動時間，調速器靜特性，接力器開關規律、仿真開/關機支持，頻率死區測量、負荷響應試驗和跟蹤電網一次調頻等試驗項目,自動生成各種類型的試驗報告，ZSTG2000水輪機調速器和機組同期綜合仿真測試系統還可以做通用錄波器和頻率發生器使用，并且系統采樣頻率可以達到4KHZ，這大大拓寬了儀器的使用范疇，增強了儀器的靈活性。
ZSTG2000水輪機調速器和機組同期綜合仿真測試系統內部集成了5種不同類型的水輪機組模型，中試控股儀器可以執行這些模型的仿真功能，使之與調速器構成閉環系統，使調速器在沒有與真實機組連接的情況下也可以很方便的完成動態檢測。
1.2ZSTG2000水輪機調速器和機組同期綜合仿真測試系統特性和技術參數
1.2.1 軟件系統
ZSTG2000水輪機調速器和機組同期綜合仿真測試系統具有功能強大的軟件系統，在保證儀器能夠方便完成各種試驗的同時，大大提高了儀器的靈活性和通用性。儀器的軟件系統的主要特性可概括如下：
1儀器能夠自動生成WORD試驗報告，Excel試驗報告
2 試驗報告對曲線進行自動標識，使試驗報告制作完全自動化
3 所有采樣通道的名稱和單位都可以重新定義
4 各種試驗的試驗環境設置和儀器設置自動保存
5 內置混流式，軸流轉漿式，沖擊式，貫流式和非線性5種機組模型，滿足不同類型調速器的仿真支持
6 自動計算各種試驗的試驗參數
7 簡單方便的通道濾定方式
8 中試控股使用U盤或移動硬盤等存儲設備方便的導出試驗數據
9 實時繪制試驗曲線，并且提高多種曲線分析工具，使用戶可以對曲線進行任意縮放和定位操作
10 Windows XPE操作系統，可以實現軟件系統自我保護與恢復，防止病毒攻入與侵蝕
11 采用防抖動處理，避免用戶錯誤操作
12 對輸入信號進行實時監測，及時自動切除超過量程范圍的輸入信號，保護信號采集通道和儀器
1.2.1 ZSTG2000水輪機調速器和機組同期綜合仿真測試系統硬件系統
ZSTG2000水輪機調速器和機組同期綜合仿真測試系統硬件系統特性和技術參數如下：
1> 8路低電壓／電流模擬量采集，電壓和電流可以任意轉換，電壓輸入范圍-10V~10V，電流輸入范圍-20mA~20mA，10%~100%滿量程采樣誤差小于0.2%
2> 2路頻率測量通道，45HZ~55HZ范圍，頻率分辨率為0.001HZ，測量誤差小于0.001HZ，測頻電壓輸入范圍0.5V~110V
3> 2路無源節點開關量測量通道
4> 2路有源節點開關量測量通道，開關信號輸入電壓范圍12V~220V
5> 8路模擬量采集通道采用隔離采集方式，并且通道和通道之間也相互隔離
6> 2路有源節點開關量測量通道，開關信號輸入電壓范圍12V~220V
7> 1路4-20mA模擬量輸出通道,輸出誤差0.2%
8> 1路頻率輸出通道，頻率分辨率為0.001HZ，45Hz-55Hz范圍內輸出誤差0.001HZ，輸出電壓幅值AC12V
8> 觸摸屏方式實現人機交互
9> 中試控股儀器自帶8G數據存儲空間
10> 12.1寸大彩屏顯示
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圖4.2 空載擾動試驗參數設置
4.2 空載擾動試驗
試驗原理與目的：空載擾動試驗記錄機組在沒有帶負荷的空載工況運行時，機組調速系統遇到外加干擾時，自動跟蹤干擾信號的能力和速度。
試驗連線：空載擾動試驗的連線和空載擺動試驗相同
試驗操作：試驗連線完成后，使調速器運行于空載工況，點擊軟件主界面空載擾動試驗出現試驗參數設置對話框如圖4.2所示，設定采樣頻率，最長記錄時間，干擾施加方式和穩態最大波動，其中穩態最大波動為軟件自動判斷試驗停止的條件。試驗啟動后，當儀器監測到信號的最大波動小于設定的“穩態最大波動值”并且持續一段時間，試驗記錄會自動停止。如果試驗過程中記錄達到了最長記錄時間或用戶點擊了停止試驗，則試驗也會被停止。試驗完成后，軟件自動計算超調量，波動次數，穩定時間等參數。
如果是處于非仿真模式，試驗過程中儀器運行到達指定起擾時間時會改變“仿真頻率輸出”端子的頻率輸出值至擾后頻率。對于仿真模式，只能通過調速器面板的頻率給定方式加擾，儀器本身不輸出擾動，因為儀器只有一個頻率輸出通道。
4.3甩負荷試驗
試驗原理與目的：甩負荷試驗記錄機組在帶負荷并列運行時，突然與電網解列，機組轉速上升的最大值和機組恢復空載工況的能力和時間，以及在此過程中渦殼中水壓的上升過程。
試驗連線：
1）對于非仿真模式
1> 連接機組頻率信號至測試儀“機組頻率”測量端子
2> 連接導葉接力器行程信號至測試儀“導葉行程輸入”測量端子
3> 若有漿葉接力器行程，則連接漿葉接力器行程信號至“漿葉行程輸入”測量端子
4> 連接斷路器信號（指發電系統與電網并列斷路器狀態）至測試儀“斷路器”測量端子。
5> 連接渦殼壓力傳感器輸出至測試儀“渦殼壓力輸入”測量端子
圖4.3 甩負荷試驗參數設置
2）儀器工作在仿真模式時
1> 連接測試儀“仿真頻率輸出”端子至調速器機組頻率信號測量輸入
2> 連接導葉接力器行程信號至測試儀“導葉行程輸入”測量端子
3> 若有漿葉接力器行程，則連接漿葉接力器行程信號至“漿葉行程輸入”測量端子
4> 連接斷路器信號至測試儀“斷路器”測量端子，仿真時的斷路器信號僅僅是一個模擬的開關，不是實際的斷路器
試驗操作：試驗連線完成后，使調速器運行于帶負荷并列工況，點擊軟件主界面甩負荷試驗出現試驗參數設置對話框如圖4.3所示，設定采樣頻率，最長記錄時間和穩態最大波動，其中穩態最大波動為軟件自動判定試驗停止的條件，其原理與空載擾動的最大波動一致。
甩負荷試驗完成后儀器自動計算最大頻率，波動次數和穩定時間等參數。
4.4不動時間試驗
試驗原理與目的：不動試驗記錄機組在帶25%負荷并列運行時，突然與電網解列時從定子電流消失至調速器導葉開始調節時刻的時間間隔。
圖4.4 不動時間試驗參數設置
試驗連線：
1> 連接機組頻率信號至測試儀“機組頻率”測量端子
2> 連接導葉接力器行程信號至測試儀“導葉行程輸入”測量端子
3> 通過儀器所帶附件5A電流傳感器將定子電流信號引至儀器“備用通道”測量端子
試驗操作：試驗連線完成后，使調速器運行于帶25%負荷并列工況，點擊軟件主界面不動時間試驗出現試驗參數設置對話框如圖4.4所示，設定采樣頻率和最長記錄時間。如果試驗過程中記錄達到了最長記錄時間或用戶點擊了停止試驗，則試驗會停止，儀器檢測到定子電流消失后，間隔一定時間后，試驗也會被自動停止，試驗完成后，軟件自動計算不動時間。
不動時間試驗完成后儀器自動計算不動時間，最大頻率，波動次數和穩定時間等參數。
4.5 頻率死區測量
試驗原理與目的：測量調速器的頻率死區值，該頻率死區是調速器設定的頻率死區值和調速器固有測頻死區值之和。
試驗連線：
1> 將儀器的“仿真頻率輸出”端子連接至調速器機組頻率測量輸入
2> 連接調速器導葉接力器行程至測試儀“導葉行程輸入”測量端子
試驗操作：試驗連線完成后，調速器運行于并網穩定運行工況，點擊軟件主界面“頻率死區測量”，出現如圖4.5所示界面，設置頻率變化步長，初始頻率，間隔時間，機組穩態判定條件等參數，啟動試驗。儀器會依據所設定的參數自動改變輸出頻率值，當檢測到調速器接力器動作時，試驗會自動停止。其中工作方式是指頻率輸出波形的式樣。
圖4.5 頻率死區測量參數設置
4.6 負荷響應試驗
試驗原理與目的：調速系統處于并網穩態運行時，在調速器的測頻信號上施加一個頻率擾動信號，并且使擾動后的頻差值大于調速器設定的頻率死區，檢查調速器是否正常啟動一次調頻功能，以及一次調頻過程中的目標功率，功率調節量，90%負荷響應時間，5%目標功率偏差時間，穩定時間等參數，調速器EP值和功率響應時間。
圖4.6負荷響應試驗參數設置
試驗連線：
1> 連接測機組頻率信號至測試儀調速器“機組頻率”測量端子
2> 連接測試儀頻率輸出信號至調速器“機組頻率”測量端子
3> 連接機組功率變送器至測試儀“機組功率輸入”測量端子
試驗操作：試驗連線完成后，調速器運行于并網穩定運行工況，點擊軟件主界面“負荷響應試驗”出現如圖4.6所示界面，設置測頻死區，擾動后頻率以及起擾時間，機組額定功率，穩態判定條件等參數，然后啟動試驗，試驗完成后儀器會自動計算起始功率，目標功率，90%功率響應時間，5%目標功率偏差時間，功率響應滯后時間，調速器實測EP值。負荷調整量等參數。
在沒有進行任何試驗時，ZSTG2000水輪機調速器和機組同期綜合仿真測試系統的頻率輸出是跟隨儀器的測頻通道測量值，因此可以在不進行任何試驗的情況下，將儀器連接至調速系統，完成系統開機，運行和帶負荷的過程，啟動負荷響應試驗后，儀器首先將頻率輸出變成50Hz，然后經過一段時間后輸出頻率變成擾后頻率，此功能可以大大的簡化一次調頻試驗的接線與操作。
4.7 跟蹤電網一次調頻試驗
試驗原理與目的：跟蹤電網一次調頻的原理與目的與負荷響應試驗一致，跟蹤電網一次調頻是在實際運行的電網中人為調高電網頻率，以檢查在此過程中，網內機組的一次調頻性能。
試驗連線：
1> 連接測試儀機組頻率信號至調速器“機組頻率”測量端子
2> 連接導葉接力器行程信號至測試儀“導葉行程輸入”測量端子
3> 連接機組功率變送器至測試儀“機組功率輸入”測量端子
試驗操作：試驗連線完成后，調速器并網穩定運行，點擊軟件主界面跟蹤電網一次調頻試驗，設置采集時間，采樣頻率等參數，儀器自動記錄一次調頻試驗過程，并依據所記錄的數據自動計算試驗結果參數，跟蹤電網一次調頻試驗的參數和負荷響應試驗的結果參數相同，跟蹤電網一次調頻試驗的各參數和負荷響應試驗是一致的。
4.8靜特性試驗
試驗原理與目的：通過記錄調速器在一定頻差值下所對應接力器行程，得到調速器的全開和全關靜態特性曲線，檢查調速器的非線性度和固有頻率死區，以及調速器設定的BP值是否和測量所得一致。
試驗連線：
1> 將儀器的“仿真頻率輸出”端子連接至調速器機組頻率測量輸入
2> 連接調速器導葉接力器行程至測試儀“導葉行程輸入”測量端子
3> 若有漿葉接力器，則連接漿葉接力器行程信號至“漿葉行程輸入”測量端子
試驗操作：使調速器運行于并網工況，點擊軟件主界面“靜特性”試驗選項出現如圖4.7所所示界面，設置頻率變化步長，間隔時間等參數，然后啟動試驗。儀器自動記錄頻差穩態值和行程的對應關系，繪制靜特性曲線，并計算非線性度，固有頻率死區和BP實測值等參數。
圖4.7 靜特性試驗參數設置
4.9同期試驗
試驗原理與目的：通過記錄機組頻率和電網頻率在合閘瞬間的頻率，相角，電壓判斷同期裝置的合閘條件是否滿足要求。
試驗連線：
1> 連接測試儀機組頻率信號至調速器“機組頻率”測量端子
2> 連接測試儀電網頻率信號至調速器“電網頻率”測量端子
3> 連接脈動電壓至測試儀“脈動電壓”測量端子
脈動電壓指電網PT二次測和機端電壓PT二次測的電壓差值，分別取兩個PT二次測的一根線組成脈動電壓，脈動電壓又稱為“滑差”信號。
試驗操作：完成試驗連線后，點擊軟件主界面的同期試驗選項，設置采樣頻率，最長記錄時間等參數，啟動試驗，儀器自動記錄合閘過程中的機組頻率，電網頻率，相角差，脈動電壓，同期合閘令和合閘斷路器狀態等信號，自動計算合閘瞬間的壓差，頻率差，相角差和導前時間等參數。
4.10仿真開停機試驗
試驗原理與目的：測試儀仿真實際運行的機組，所仿真的機組模型為儀器當前設定的仿真模型，使調速器和測試儀構成閉環的調節系統，記錄調速器的開機過程，計算開機時間和關機時間。
試驗連線：
1> 將儀器的“仿真頻率輸出”端子連接至調速器機組頻率測量輸入
2> 連接調速器導葉接力器行程至測試儀“導葉行程輸入”測量端子
3> 若有漿葉接力器，則連接漿葉接力器行程信號至“漿葉行程輸入”測量端子
試驗操作：完成試驗連線后，點擊軟件主界面的仿真開停機試驗，設置采樣頻率和最長記錄時間等參數，啟動試驗，儀器自動按照仿真模型計算并輸出機組頻率，記錄導葉接力器行程等參數，給出機組開機時間和關機時間等結果參數。
4.11接力器開關規律試驗
試驗原理與目的：測試儀作為錄波裝置，記錄調速器接力器全開和全關過程，自動計算導葉接力器的全開和全關時間。
試驗連線：
1> 連接調速器導葉接力器行程至測試儀“導葉行程輸入”測量端子
2> 若有漿葉接力器，則連接漿葉接力器行程信號至“漿葉行程輸入”測量端子
試驗操作：完成試驗連線后，點擊軟件主界面的接力器開關規律試驗，啟動試驗，使調速器的接力器做全開全關運動，儀器自動記錄并計算全開時間和全關時間。
4.12 錄波器
測試儀作為錄波器使用時相當于一個微機錄波裝置，曲線展示形式如圖4.8所示，可以同時記錄最多6路電壓信號（或5路電流信號），2路頻率信號，2路開關信號（有源或無源），最大采樣頻率可以達到4KHZ。測試儀依據所采集的數據繪制信號時間曲線，并提供曲線分析工具。用戶可以將所繪制的曲線自動生產WORD試驗報告，還可以將數據導出成EXCEL格式數據進行二次加工。
將測試儀作為錄波器使用時，請注意信號輸入通道的輸入范圍，切勿使輸入的物理信號值超過通道的最大允許輸入范圍。
4.13 頻率發生器
測試儀作為頻率發生器使用時，相當于一個可以發生頻率的低頻采樣微機錄波裝置，儀器處于運行中時，可以50HZ／100HZ的采樣頻率采集儀器所有輸入通道的物理信號，并且在此過程中能夠改變頻率輸出通道的頻率值。
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