国家电力公司（部级）重点实验室—水电站仿真实验室

水电站仿真培训实验指导书第一册（水电站仿真培训系统介绍）国家电力公司（部级）重点实验室三峡大学水电站仿真实验室2000年6月总体进度安排前言第一册水电站仿真培训系统介绍（半天：4h）第二册水电站运行认识实验（1天7h）第三册水轮发电机组开机实验（4学时）第四册水轮发电机组停机实验（3学时）第五册水电站电气故障及继电保护实验（1天：7学时）第六册水电站水机故障及水机保护（1天：7学时）实验总结交流（半天：3学时）水电站仿真培训实验指导书1前言电力系统运行行为及现代化控制技术在这一复杂系统中的有效应用，是电气工程及有关专业的学生应该掌握和了解的知识。随着电力工业的飞速发展，电网规模不断扩大，无人值班少人值守正逐步实现，对21世纪的电力类人才的要求将发生质的变化。传统局限于课堂教学和课程实验教学模式培养出来的学生将在人才市场中缺乏竞争力，在工作岗位的适应能力差、适应周期长。我国教育界正在进行电气工程类教育体系的改革与实践正是为了面向这一挑战而作出的重大举措。国际研究界预计，对于复杂的大型电力系统的运行行为的全面理解，对于现代控制技术在这一系统中有效应用的掌握，将是新世纪对电力人才提出的要求，而仿真培训将是电力工程人才培养过程中的一个重要手段。为了培养符合要求的人才，电力系统仿真培训应突破传统的培训模式，应将操作培训、系统运行行为分析培训、新技术应用培训全面紧密结合在一起。为了充分发挥国家电力公司（部级）重点实验室—水电站仿真实验室的教学功能，本实验室提出了相应的实验教学体系，以适应21世纪对于人才培养的要求。水电站仿真实验室为在校有关专业学生提供一个与实际水电站相似的真实环境，进行相关专业的基础知识、基本操作、水电站运行知识及事故处理的操作培训。目的在于全面提高学生对电力系统基础知识的掌握和对于整个电力系统运行与控制行为的理解。水电站仿真培训实验指导书2第一章水电站仿真及其意义水电站仿真培训系统是利用计算机仿真技术模拟真实水电站的生产过程，并提供真实的培训环境（水电站中央控制室）的现代化数字仿真培训系统。通过该系统，可对学员进行：水电站正常工况运行操作过程培训；水电站异常工况运行操作过程培训；水电站紧急事故工况处理操作培训；水电站计算机监控系统培训；水电站生产过程运行知识与专业理论培训。学员可以在较短的时间内掌握并熟悉水电站运行操作和事故处理。多年来国内外的经验表明：利用仿真培训手段对电力生产过程运行人员和管理人员进行仿真培训，可使被培训人员在几乎与实际工作环境一致的条件下，接受实际运行知识和实际操作技能的各种训练，特别是进行异常运行和事故处理技能及快速应变能力的训练，从而迅速提高被培训人员的实际工作经验、能力和技术素质，其直接效果就是保证电厂及电网的安全可靠运行，从而给国民经济带来巨大的经济效益和社会效益。随着电力工业的迅速发展和水资源的充分开发和利用，大批大中型水电站将相继建成投产，从而需要大批训练有素的运行技术人员。同时，由于我国电力工业结构中水电比重较大和水电站运行的特点，使得水电站的安全可靠运行对确保整个电力系统的安全性与可靠性具有十分重要的作用，从而对水电站运行技术人员提出了更高的要求。为了实现这一要求，迫切需要采用现代化培训手段，对水电站运行技术人员进行更全面更有效的培训。水电站仿真培训实验指导书3第二章水电站仿真物理环境水电站仿真实验室的培训环境模拟了大中型水电站的中央控制室的物理环境，包括集控台、返回屏、计算机监控系统和现地操作站。培训环境由玻璃隔断分成两个区，教练员工作区和受训人员工作区。同时还包括两个区之间的通信电话系统，模拟操作员与外界的电话联系，如接受调度指令，汇报操作情况以及与培训有关问题解答。水电站运行人员在中央控制室监视控制整个发电厂的运行。中央控制室主要包括计算机监控系统，集控台，返回屏，教练员台和现地操作站等。其中计算机监控系统为现代自动化监控系统所配置，集控台和返回屏则为传统监控系统所配置。本实验室配置了现代和传统两套监控系统，目的在于让学员全面了解我国水电站运行监控方式。计算机监控系统自动监视控制整个发电厂的运行，是发电厂自动化的主要组成部分。集控台是运行人员手动操作控制发电厂运行的操作台。发电厂主系统运行状态可通过返回屏显示。教练员台，是教练员工作的位置。教练员通过教练员台启动仿真培训系统，载入相应水电站仿真工况，设置培训项目，充当调度员等；现地操作站是仿真培训系统专门设置的，是受训人员工作的位置，通过现地操作站可模拟实际水电站的中央控制室以外的操作。水电站仿真实验室的计算环境主要是基于SUNSPARCstation的计算机网络。如图1所示，硬件配置主要有SUNSPARCstation工作站作为教练员台和运行主体仿真软件，两台CISCPC作为计算机监控系统，两台CISCPC作为现地操作站，两台工控机作为计算机网络与返回屏和集控台之间的接口系统。水电站仿真培训实验指导书4第三章水电站仿真模型电站系统水电站是将水能转换为电能的生产单位。作为水电站的运行管理人员，首先要了解水电站的生产过程，了解水电站的主要生产设备及其控制、辅助系统。水电站的主要生产设备有水轮机、发电机、变压器、调速器、励磁调节器、继电保护系统、风系统、水系统、油系统及厂用电系统等。首先水轮机将水能转换成机械能，通过转子运动将机械能传导给发电机，然后发电机将机械能转换为电能并输送到电网。这一过程的完成必须在水电站各个部分包括各控制辅助系统的密切配合下完成。水电站仿真培训系统模型电站系统介绍了水电站模型系统的主要组成及功能。包括水轮发电机组及其控制系统、电气主系统及系统接入方式、继电保护及安全自动装置、6kV厂用电系统、220V直流系统、400V动力系统、水系统、油系统、风系统、计算机监控系统、中央返回屏和中央集控台。该模型系统代表了大中型水电站的模型结构特点，同时其电气系统的运行行为反映了电力系统作为大系统的运行特点。虽然，从水轮机的结构特点来说，不同的水电站具有不同的形式，但该模型系统的水轮机的选型力图反映水轮机运行的主要特性。水轮发电机组及其控制系统、电气主接线形式、继电保护及自动装置、厂用电系统、风水油系统及计算机监控系统均具有典型的代表意义。一方面，从水电站的角度来说，能够全面反映水电站的运行行为，包括水电站的正常运行行为、水电站的异常运行行为、水电站的故障过程、继电保护及自动装置对水电站运行的作用、以及风水油系统对保证水电站可靠运行的作用。另一方面，从电力系统的角度来说，该模型系统与外部等值系统连接起来又构成了一个具有典型意义的大型电力系统，从系统运行与控制、系统调度、系统的动态行为等方面全面地反映了电力系统的运行行为。因而，该模型系统既是一个完整的水电站模型，同时也是一个大型电力系统。1、水电站电气主系统该水电站有A、B两个电厂。单机容量12.5MW，总装机12台，总容量150MW，其中A厂8台机组，B厂4台机组。A、B电厂通过联络变压器互联。A厂机组主接线为联合扩大单元接线，开关站母线为3/2接线，3串，3进3出。电压等级为500KV。3条出线与外部系统相连。B厂机组为发电机—变压器单元接线，开关站母线为双母带旁路接线，电压等级为220KV。4条出线与外部系统相连。水电站仿真培训实验指导书52、水轮发电机组及其控制系统1）发电机规范名称单位型式SF125-96/15600容量MVA143额定功率MW125额定电压KV13.8额定电流KA5.98额定功率因数COS冄0.875额定转子电流KA1.553额定转子电压V450空载励磁电流KA0.830转子电阻（75℃）Ω0.257定子电阻（75℃)Ω0.0051457横轴电抗（Xq)Ω0.6207纵轴电抗（Xd)Ω0.8918纵轴瞬变电抗Xd′0.3476水电站仿真培训实验指导书6纵轴超瞬变电抗Xd＂0.2390转子衰减时间常数Tf5.53短路比1.29转速转/分62.5磁极数个96频率HZ50结线方式3Y接地方式消弧线圈冷却方式空冷励磁方式可控硅自复励转动惯量T-m22）励磁及调节系统同步电机主要采用三种励磁调节器：电磁型的带电压校正器的复式励磁装置和相位复式励磁装置，电子型的可控硅励磁调节装置。这里采用可控硅自动励磁调节系统。可控硅励磁调节器的原理框图如下。调节器由量测滤波、综合放大、移相触发、可控硅输出及转子电压软负反馈等环节组成。当机端电压变化时，量测单元测得的电压信号与给定电压相比较，得到的电压偏差信号经放大后作用于移相触发单元，产生不同相位的触发脉冲，进而改变可控硅元件的导通角，使调节器的输出电压发生变化，达到调节机端电压的目的。3）水轮机水轮机型号：ZZ500-LH-1020最大水头：27m最小水头：8.3m励磁机VfSF转子电压软负反馈可控硅输出移相触发综合放大量测滤波可控硅励磁调节器其它信号VF0LBVFIFYBVLf图1-5可控硅励磁调节器原理框图水电站仿真培训实验指导书7设计水头：18.6m额定功率：129MW额定转速：62.5转/分最大飞逸转速（协联功况）：140转/分设计流量：825m3/s导叶数：323、风系统1）水电站压缩空气的应用水电站仿真培训实验指导书8由于空气具有极好的弹性，即可压缩性，是贮存压缩能的良好介质，因此在水电站中压缩空气得到了广泛的应用。水电站中使用压缩空气的设备有下列几方面：（１）油压装置压力油槽充气，它是水轮机调节系统和主阀操作系统的能源，工作压力为25公斤／平方厘米。（２）机组停机时制动装置用气，工作压力为7公斤／平方厘米。（３）水轮机导轴承检修密封围带充气，工作压力为7公斤／平方厘米。2）压缩空气系统的组成压缩空气系统是由空气压缩装置（空气压缩机及其附属设备）、管道系统和测量控制元件等三部分组成。3）空气过滤器用来过滤大气中所含的尘埃，常用的有填充纤维空气过滤器和金属网空气过滤器两种。4）贮气罐贮气罐可作为压力调节器，它能缓和活塞式压缩机由于断续动作而产生的压力波动；其次，贮气罐可作为气能的贮存器；第三，由于压缩空气的温度急剧下降，以及运动方向改变而将水分和油珠加以分离和汇集。5)油水分离器：油水分离器的功用是分离压缩空气中所含的油分和水分，使压缩空气得到初步净化，以减少污染、腐蚀管道等。6)冷却器：多级的空压机除气缸的冷却外，还有中间冷却器，其作用是使压缩后之高温气体得到冷却，以减少功耗和降低终温。此外，通常还装有止回阀、减压阀、电磁空气阀等。7)机组制动水轮发电机组在运转时具有很大的动能，当发电机与电网解列后，机组的动能主要消耗在克服摩擦上。根据这种能量的消耗程度，机组转速下降，经过一段时间就使机组停了下来。在自由制动过程中，作用于机组主轴上的制动总力矩等于发电机转子对空气的摩擦力矩，推力轴承和导轴承上的摩擦力矩，以及水轮机转轮对空气或水的摩擦力矩之和。由于制动力矩小，机组转速下降速度慢，对大型机组甚至长达１小时。由于水轮机长期在低速运转，推力轴承的润滑条件恶化，有发生半干摩擦的危险，通常采用压缩空气作为强迫制动。为了避免制动闸摩擦面上的过度发热和磨损，以及为了减少制动装置的功率，所以，通常规定待机水电站仿真培训实验指导书9组降低到额定转速的30-40％时才进行强迫制动。发电机制动装置除了用于制动之外，还作油压千斤顶用来顶起发电机转子。因长时间停机后，推力轴承油膜可能被破坏，故在开机前要将转子顶起，使之形成油膜。顶起转子是用移动式高压油泵，将油压加到接近100公斤／平方厘米，由制动闸将转子抬高10-20毫米。制动装置用气压力允许范围是5-7公斤／平方厘米。（１）制动操作：机组停机过程中，当转速降低至规定值时，由转速信号器控制的电磁空气阀自动打开，压缩空气进入制动闸对机组进行制动。（２）顶起转子：切换三通阀接通高压油泵，并切断制动系统各元件与风闸的联系，用电动油泵打油到风闸，使发电机转子抬起。开机前放出制动阀中的油，制动闸和环管中的残油可用压缩空气来吹扫。8)空气围带用气水电站水轮机设备常用空气围带止水，最常见的有轴承检修密封围带和主阀止水围带。（１）、轴承检修密封围带用气：水轮机导轴承检修时，常用