水电站仿真.docx

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水电站仿真

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）

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。

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。

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。

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。

2、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

MVA

143

额定功率

MW

125

额定电压

KV

13.8

额定电流

KA

5.98

额定功率因数

COS

0.875

额定转子电流

KA

1.553

额定转子电压

V

450

空载励磁电流

KA

0.830

转子电阻（75℃）

Ω

0.257

定子电阻（75℃）

Ω

0.0051457

横轴电抗（Xq）

Ω

0.6207

纵轴电抗（Xd）

Ω

0.8918

纵轴瞬变电抗Xd′

0.3476

纵轴超瞬变电抗Xd＂

0.2390

转子衰减时间常数Tf

5.53

短路比

1.29

转速

转/分

62.5

磁极数

个

96

频率

HZ

50

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-m2

2）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

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：

32

3、风系统

1）水电站压缩空气的应用

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，常用空气围带止水。

充气压力通常采用7公斤／平方厘米。

（２）、主阀止水围带用气：

蝴蝶阀空气围带充气的目的是防止漏水。

空气围带必须的充气压力应比主阀的作用水头高1-3公斤／平方厘米。

9）油压装置供气

油压装置的压油油槽是一个蓄能容器，是水轮机调节系统的能源，在改变导水机构开度和转轮桨叶开度时用来推动接力器的活塞。

此外，油压装置也用来操作水轮机主阀，调压阀，以及技术供水管路上的电磁液压阀。

压油槽中的容积有30-40％是透平油，其余为压缩空气。

用空气和油共同造成压力，保证和维持调节系统所需要的工作能力。

由于压缩空气具有良好的弹性，并贮存了一定量的机械能，使压油槽在由于调节作用而油容积减少时仍能维持一定的压力。

在水轮机调节过程中，从压油槽中所消耗的油，由油泵自动补充。

压缩空气的损耗很少，一部分溶解于油中，另一部分从不严密处漏失。

所损耗的压缩空气可借助专用设备（如高压贮气罐、油气泵、进气阀等）来补充，以维持一定比例的空气量。

压入压油槽中的空气必须是清洁和干燥的，以避免压油槽中湿气凝结，从而锈蚀配压阀和接力器。

4、水系统

水电站的供水包括：

技术供水、消防供水和生活供水。

水电站的技术供水部门是各种机电运行设备，其中主要是水轮发电机组、水冷式空压机及其它采用水冷却的辅助设备。

技术供水的主要作用是为了运行设备的冷却和润滑，有时也可用作操作能源。

技术供水由水源、管道和控制元件等组成。

根据用水设备的技术要求，保证一定的水量、水压、水温和水质。

技术供水系统和辅助设备其它各系统一样，是保证水电站的安全、经济运行所不可缺少的组成部分。

1）水系统的作用

（a）、发电机空气冷却器的冷却

发电机在运行过程中有电磁损失和机械损失，除了定子绕组和涡流及高次谐波的附加损耗是随负荷而变外，其余几项几乎为定值，这些损耗转化为热量，这部分热量会影响发电机出力，甚至引起发电机事故，因此运行中必须冷却。

密封式的发电机通风出来的热空气，再由设置在发电机旁的空气冷却器冷却。

（b）、发电机推力轴承及导轴承油冷却器

发电机在运行时的机械摩擦损失，以热能形式积聚在轴承中。

由于轴承是浸在透平油里的，热量由轴承传入油中，此部分热量如不及时排出，就会影响轴承的寿命及机组的安全运行，并且加速透平油的劣化。

油槽内油的冷却方式有两种：

一种是内部冷却，即将冷却器浸在油槽内，其中通过水流，冷却润滑油，使轴承不致过热；另一种是外部冷却，即将润滑油利用油泵抽到外面的专用油槽内，利用冷却器进行冷却。

（c）、油压装置集油槽油冷却器

水轮机调节系统用油，在油泵压油及油高速流动时存在摩擦，都可能产生热量，在操作后流回集油槽，使油温增高。

某些水电站调节系统由于接力器漏油量大，使漏油泵超支输油次数增多，以致使集油槽油温过高，有时因主配压阀漏油过多，也可能使集油槽内油温升高。

因此，为了保持一定的油温，在集油槽中装置一组黄铜管制成的水管将油冷却。

（d）、水轮机导轴承的润滑和冷却

2）水源

（a）、上游取水：

自压力钢管或蜗壳取水：

钢管取水一般是从主阀前面取水。

取水口的位置布置在钢管或蜗壳的两侧，一般在45度方向上，避免被悬浮物或泥沙堵塞。

直接从坝前取水：

设置数个这种取水口，装设在不同的高程上，随着上游水位的变化，可以选择合适的水温及含砂量；在机组检修或进水口闸门关闭的情况下，供水仍不中断。

（b）、下游尾水取水。

3）水的净化处理

滤水器是清除水中悬浮物的常用设备，一般采用滤网固定式的和手动回转式两种型式。

4）供水方式：

（a）、自流供水：

自流供水系统的水压是由水电站的自然水头保证的。

水电站水头在20-80米范围内，当水温、水质符合要求时，一般都用此种供水方式。

对于水头高于40米的采用自流供水时，一般要装设可靠的减压装置，对多余的水头压力，通过减压装置加以削减。

（b）、水泵供水：

水头小于20米时，自流供水将不能保证一定的水压，而水头大于80米时，一方面浪费了水能，同时又使减压发生困难，这时采用水泵供水系统。

水泵供水系统的水压和水量，是由水泵来保证的，取水口可设置在上游或下游尾水。

5）主阀

在水轮机供水系统中，在不同的位置上设有各种阀门和闸门。

主阀的作用：

（１）、构成机组检修的安全工作条件。

（２）、停机时减少机组漏水量和缩短重新起动时间。

当机组较长时间停机时，导叶漏水几乎是不可避免的。

在停机时，导叶不可能保持严密的关闭，装了主阀以后由于阀门关闭较严，可以大大减少漏水损失。

（３）、防止飞逸事故的扩大

当机组和调速系统发生故障时，可以迅速关闭主阀，截断水流，防止机组飞逸时间超过允许值，避免事故扩大。

（４）、主阀主要有：

蝴蝶阀、球阀、闸阀。

6）供水阀门

（１）、闸阀和截止阀

水系统中有截断水流和调节流量的地方一般都装设闸阀或截止阀。

且一般都装设有手动操作机构，部分采用机械传动装置，需远距离操作的，一般采用电动或液压动。

（２）、自动调整减压阀

此种减压阀可以保证当阀前的压力变化时，阀后仍保持所要求的压力。

（３）、固定减压阀

它是利用水流通过装设在水管中的某一固定装置，产生局部水头损失，来降低水压值。

7）排水系统

（１）、水电站有生产用水排水、机组和厂房水下部分的检修排水、渗漏排水

（２）、集水井能把最低一层设备及该层地面的渗漏水，依靠自流排入集水井。

采用卧式离心式水泵排出。

5、油系统

1）油系统（透平油）的作用：

透平油在设备中的作用主要是润滑、散热和液压操作。

2）润滑作用：

在轴承间或滑动部分间造成滑膜，以润滑油内部油膜代替固体干摩擦，从而减少设备的发热和磨损，延长设备寿命，保证设备的功能和安全。

3）散热作用：

设备转动部件因摩擦所消耗的功转变为热量。

根据油的润滑理论，润滑油在对流作用下将热量带出，再经过油冷却器将其热量传导给冷却水，从而使油和设备的温度不致升高超过规定值，保证设备的安全运行。

4）液压操作：

在水电站中有许多设备，如调速系统，主阀，调压阀以及管路上的液压阀等，都必须用高压油来操作，透平油可以作为传递能量的工作液体。

5）机组油系统和润滑油系统：

水电站油系统是由两部分组成，即机组的用油系统和油处理系统。

机组的用油系统的用途是向机组蓄油部件注油、排油、更换净油以及为了补偿运行中的损耗向设备加油等。

用油系统又分为压力油系统和排油系统，这两个系统又分别与油处理系统相连。

油处理系统是用来处理机组用过的废油和供机组的新油。

6、计算机监控系统

计算机监控系统用来监视和控制水电站的运行状态。

监视电厂生产过程中各个系统的工作情况，并可以通过远程操作来控制电厂的生产过程。

水电站计算机监控系统主要包括：

1）主画面；

2）全厂通用功能画面

（1）监控系统运行监视

（2）电厂主接线

（3）500KV系统监视

（4）220KV系统监视

（5）全厂一次系统监视

（6）全厂发电功率棒图

（7）全厂送电功率棒图

（8）继电保护配置

（9）全厂负荷电压曲线

（10）AGC运行监视

（11）AVC运行监视

（12）500KV开关站操作

（13）220KV开关站操作

（14）联变分接头操作

（15）6KV系统运行监控

（16）直流系统运行监控

（17）备励系统运行监控

（18）全厂油系统运行监控

（19）全厂风系统运行监控

（20）全厂水系统运行监控

（21）全厂400V系统

3）机组通用功能监视

（1）油系统运行监视

（2）风系统运行监视

（3）水系统运行监视

（4）轴承瓦温监视

（5）发变组运行监控

（6）发变组操作接线

（7）励磁系统运行监控

（8）机旁动力盘监控

（9）辅助设备运行监控

（10）顶盖状态监视

（11）机组开机顺控监视

（12）机组停机顺控监视

4）计算机监控系统的功能

计算机监控系统可实现对电厂生产过程的实时测量，实时监视和实时控制。

（1）、数据的采集与处理

　　（a）　模拟量的采集

　　（b）　开关量的采集

　　（c）　脉冲量的采集

（2）、电站运行安全监视

　　（a）　全厂运行实时监视

　　（b）　事故顺序记录

　　（c）　开停机过程监视

　　当开、停机指令下达后，计算机监控系统自动显示相应的开、停机监视画面；实时显示开、停机过程中每一步骤及执行情况；提示在开、停机过程受阻时的受阻部位及其原因。

　　（d）　电站一次设备操作指导

　　计算机监控系统能根据全厂当前的运行状态及隔离开关闭锁条件，判断该设备在当前是否允许操作，如果操作不允许则提示闭锁原因。

（3）、控制与调节

　全厂计算机监控系统能根据电厂当前的运行情况和远方及当地的控制命令，对电厂的设备进行控制，包括开、停机操作；有功功率、无功功率的调节；断路器的分、合操作以及对全厂公用设备的控制。

（4）、设备运行统计记录及生产管理

　　（a）　电厂发电运行记录

　　（b）　主要电气设备动作及运行记录

　　（c）　操作记录

　　包括手动方式开、停机；断路器和隔离开关的手动分、合等。

（5）、屏幕画面显示

　　画面显示是计算机监控系统的主要功能。

包括各种单线图（如电气结线图、油、水、气系统图等），棒图（如机组有功功率、无功功率、频率等的显示），曲线图（如电流、电压曲线、负荷曲线等），表格（如各种参数表、各类运行报表、运行日志等）等。

（6）、数据通信

包括将电厂的有关数据和信息通过网络终端送往上级调度中心以及接收上级调度中心下发的各种命令。

5）计算机监控系统的运行方式

控系统在中央控制室有两台，分别为监控A和监控B，两台机可以同时监控并控制系统运行。

7、6kV厂用电系统

1）电厂厂用电系统采用两级电压供电，低压采用0.4KV，高压采用6KV。

6KV设有601M-607M共七段母线，其中601M-602M在A厂房，603M-606M在B厂房，607M在开关站。

601M与602LM、603M与604M、604M与605M、605M与606M、606M与601M互为备用，并设置了备用电源自动投入装置。

厂房6KV系统正常运行时应有四路独立电源，检修方式应有三路独立电源，异常运行方式应有两路独立电源。

开关站6KV系统最少应有两路独立电源。

0.4KV母线分为：

a）机组用电母线：

1#M-12#M

b）厂房公用电母线：

1#GP-2#GP

c）厂房照明母线：

d）厂房检修母线：

e）机旁动力母线：

1M#JP-12M#JP

f）站用电母线：

机组用电母线21P-24P各分为两段，两段间互为备用，并设置了备用电源自动投入装置。

公用电母线4P分为三段，5P分为两段，各段间互为备用，并设置了备用电源自动投入装置。

站用电母线43P分为三段，各段间互为备用，并设置了备用电源自动投入装置。

6.3KV母线电压正常保持在6.3±5%KV（6-6.6KV）范围内，超出允许值应查明原因，进行调整。

0.4KV母线电压最高不得超过420V，最低不得低于360V运行。

照明母线电压正常保持在额定电压的±3%范围内。

超出允许值应查明原因。

6KV联络线倒闸操作时，应先停