[0001] 本发明涉及水力发电及电力系统建模技术领域，具体涉及一种冲击式水轮机建模方法、模型和装置。

[0002] 水力发电是我国最重要的发电方式之一，占到我国电力系统装机容量的20％以上。建立可表征水力发电系统实际特性的水轮机调节系统模型，含水电的电力系统仿真及稳定分析的重要基础，其仿真结果的准确度直接影响电力系统运行和规划中决策的正确性。水轮机的动态特性对水电机组控制系统及与其相连的电网的稳定性有重要的影响，在电力系统分析与水轮机调节系统研究中，作为调节系统的组成单元水轮机模型一直是研究的焦点。

[0003] 在电力系统仿真计算及大量的研究中，对反击式水轮机模型有较多的研究与描述，对冲击式水轮机的模型常采用简化的孔口出流模型，不能反映冲击式水轮机的真实特性。为反映冲击式水轮机的真实动力系统及研究冲击式水轮机在电网中的调节作用，需建立能够准确描述冲击式水轮机非线性特性的模型。

[0004] 冲击式水轮机具有高水头、长输水系统、独特的折向器机构及双调节特性，通用的水轮机调节系统模型不适用于表征冲击式水轮机调节系统的动态特性。当前已有的冲击式水轮机模型主要应用于水力系统暂态过程分析，所以该模型过于复杂，不利于模型参数实测，不适用于电力系统稳定分析。

[0050] 为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书一个或多个中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一个或多个一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书一个或多个中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。

[0051] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本说明书中的一个或多个实施例以及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本说明书一个或多个实施例。

[0052] 参见图1，本申请提供的一个实施例中，一种冲击式水轮机建模方法，包括：

[0053] S102，获取冲击式水轮机喷针接力器行程数据、水轮机动态水头数据和机组出力测量数据；

[0054] S104，基于冲击式水轮机喷针接力器行程数据、水轮机动态水头数据计算喷嘴流量数据；

[0055] S106，基于机组出力测量数据和喷嘴流量数据，得到水轮机效率与水轮机动态水头数据、冲击式水轮机喷针接力器行程数据的函数模型；

[0056] S108，基于水轮机动态水头数据和喷嘴流量数据迭代计算水轮机动态水头数据；

[0057] S110，基于水轮机动态水头数据、喷嘴流量数据和水轮机效率与水轮机动态水头数据、冲击式水轮机喷针接力器行程数据的函数模型计算水轮机出力数据。

[0058] 本发明通过对冲击式水轮机流量特性和效率特性的表述，可反映冲击式水轮机不同工况下的流量与出力特性，可用于冲击式水轮机全工况下的仿真计算。通过实测的不同水轮机静态水头H和喷针接力器行程S下的水轮机出力P搭建构建冲击式水轮机效率模型，用于计算在不同工况下的冲击式水轮机效率k；根据设计的喷针接力器行程与喷嘴射流直径的关系，基于实测的喷针接力器行程S计算水轮机流量Q、结合水击方程求出水轮机的工作水头H，从计算出出力P。本发明适用于冲击式水轮机模型的搭建，提供了一种结构简单、适用工况范围广、更贴近真机特性的建模方法，为冲击式水电机组仿真试验、动静态特性分析、控制系统参数整定等提供了更为切合实际的模型基础。

[0059] 基于冲击式水轮机喷针接力器行程数据、水轮机动态水头数据计算喷嘴流量数据(即S104)，包括：

[0060] S1042，基于获取的冲击式水轮机喷针接力器行程数据和水轮机设计参数计算射流直径数据。

[0061] 根据冲击式水轮机设计给出的冲击式水轮机喷针接力器行程数据S与射流直径数据d0的关系，由测量到的测量喷针接力器行程S计算射流直径数据d0。

[0062] d0＝f(S)；

[0063] 上式关系根据设计资料获取。

[0064] S1044，基于射流直径数据和水轮机动态水头数据计算喷嘴流量数据。

[0065] 根据射流直径数据d0和测量到的水轮机动态工作水头H，计算出冲击式水轮机的喷嘴流量数据Q。

[0066]

[0067] 基于机组出力测量数据和喷嘴流量数据，得到水轮机效率与水轮机动态水头数据、冲击式水轮机喷针接力器行程数据的函数模型(即S106)，包括：

[0068] S1060，基于获取的冲击式水轮机喷针接力器行程数据和水轮机设计参数计算射流直径数据。

[0069] 根据冲击式水轮机设计给出的冲击式水轮机喷针接力器行程数据S与射流直径d0的关系，由测量到的冲击式水轮机喷针接力器行程数据S计算射流直径数据d0。

[0070] d0＝f(S)；

[0071] 上式关系根据设计资料获取。

[0072] S1062，基于射流直径数据和水轮机静态水头数据计算喷嘴流量数据。

[0073] 根据射流直径数据d0和测量到的水轮机静态工作水头H0，计算出冲击式水轮机的喷嘴流量数据Q，其中g为重力加速度。

[0074]

[0075] 水轮机静态工作水头是调节系统稳定后水轮机的工作水头；接力器是用于控制喷针的开闭来调整喷嘴流量的执行机构，接力器行程为接力器活塞运动的位移，通过调整位移的大小和方向可以调节喷嘴流量的变化。

[0076] S1064,基于机组出力测量数据和喷嘴流量数据计算水轮机效率。

[0077] 根据测量的机组出力测量数据P和水轮机静态工作水头H0及计算到的喷嘴流量数据Q，计算水轮机效率k。

[0078] k＝P/(9.81QH0)；

[0079] S1066，改变冲击式水轮机喷针接力器行程数据，得到在同一水轮机静态水头数据下水轮机效率与冲击式水轮机喷针接力器行程数据的函数模型。

[0080] 改变冲击式水轮机喷针接力器行程数据，重复步骤S1060‑步骤S1064，得到在同一水头下不同接力器行程的水轮机效率k(S)。

[0081] k(S)＝f(S)；

[0082] S1068，改变水轮机静态水头数据，得到在不同水轮机静态水头数据下水轮机效率与冲击式水轮机喷针接力器行程数据和水轮机静态水头数据的函数模型。

[0083] 在不同的水轮机静态工作水头H0下，重复步骤S1060‑步骤S1066，得到在不同水头下不同接力器行程的水轮机效率k(S，H)。

[0084] k(S,H)＝g(S,H)；

[0085] 基于水轮机动态水头数据和喷嘴流量数据迭代计算水轮机动态水头数据(即S108)，包括：

[0086] S1082，基于喷嘴流量数据和水击方程计算引水系统水击压力上升数据。

[0087] 根据水轮机喷嘴流量数据Q计算引水系统水击压力上升数据ΔH：

[0088]

[0089] 式中，Tw为水流惯性时间常数，Qr为额定流量，Hr为额定水头。

[0090] S1084，基于引水系统水击压力上升数据和水轮机动态水头数据得到更新的水轮机动态水头数据。

[0091] 基于引水系统水击压力上升数据和水轮机动态水头数据得到更新的水轮机动态水头数据(即S1084)，包括：

[0092] S842，获取目前的水轮机动态水头数据和引水系统水击压力上升数据；

[0093] S844，将目前的水轮机动态水头数据和引水系统水击压力上升数据相加得到更新的水轮机动态水头数据。

[0094] 水轮机静态工作水头H0和引水系统水击压力上升值ΔH，计算出水轮机工作水头H。

[0095] H＝H0+ΔH；

[0096] 基于水轮机动态水头数据、喷嘴流量数据和水轮机效率与水轮机动态水头数据、冲击式水轮机喷针接力器行程数据的函数模型计算水轮机出力数据(S110)，包括：

[0097] S1102，获取冲击式水轮机喷针接力器行程数据和水轮机动态水头数据，基于水轮机效率与水轮机动态水头数据、冲击式水轮机喷针接力器行程数据的函数模型获得水轮机效率数据。

[0098] 基于冲击式水轮机喷针接力器行程数据S和水轮机动态工作水头数据H计算水轮机效率k。

[0099] k＝k(S,H)；

[0100] S1104，基于水轮机动态水头数据、喷嘴流量数据和水轮机效率数据计算水轮机出力数据。

[0101] 根据获取的水轮机喷嘴流量数据Q、水轮机动态水头数据H、水轮机效率计算水水轮机出力P。

[0102] P＝9.81kQH；

[0103] 参见图2，本发明提供一种冲击式水轮机模型，包括：喷针接力器行程测量模块1、水轮机静态水头测量模块2、机组出力测量模块3、射流直径计算模块4、水轮机流量计算模块5、引水系统水击压力上升值计算模块6、动态工作水头计算模块7、水轮机效率计算模块8、水头反馈计算模块9、水轮机出力计算模块10；

[0104] 喷针接力器行程测量模块1将测量的喷针接力器行程数据一路发送至射流直径计算模块4，另一路发送至水轮机效率计算模块8；射流直径计算模块4将计算的射流直径数据与水头反馈计算模块9发送的水轮机动态水头数据发送至水轮机流量计算模块5；

[0105] 水轮机流量计算模块5将计算的喷嘴流量数据一路发送至引水系统水击压力上升值计算模块6，另一路发送至水轮机出力计算模块10；

[0106] 水轮机静态水头测量模块1将测量的水轮机静态水头数据、引水系统水击压力上升值计算模块6将计算的水击压力上升值分别发送至动态工作水头计算模块7；

[0107] 动态工作水头计算模块7将动态水头数据一路发送至水轮机效率计算模块8，一路发送至水轮机出力计算模块10，另一路发送至水头反馈计算模块9；

[0108] 水轮机静态水头测量模块1将测量的水轮机静态水头数据，机组出力测量模块3将测量的机组出力数据分别发送至水轮机效率计算模块8。

[0109] 参见图3，与前述冲击式水轮机建模方法的实施例相对应，本申请还提供了冲击式水轮机建模装置的实施例，该装置包括：

[0110] 数据测量模块302，获取冲击式水轮机喷针接力器行程数据、水轮机动态水头数据和机组出力测量数据；

[0111] 喷嘴流量数据计算模块304，基于冲击式水轮机喷针接力器行程数据、水轮机动态水头数据计算喷嘴流量数据；

[0112] 水轮机效率函数模块306，基于机组出力测量数据和喷嘴流量数据，得到水轮机效率与水轮机动态水头数据、冲击式水轮机喷针接力器行程数据的函数模型；

[0113] 水轮机动态水头迭代计算模块308，基于水轮机动态水头数据和喷嘴流量数据迭代计算水轮机动态水头数据；

[0114] 水轮机出力数据计算模块310，基于水轮机动态水头数据、喷嘴流量数据和水轮机效率与水轮机动态水头数据、冲击式水轮机喷针接力器行程数据的函数模型计算水轮机出力数据。

[0115] 需要说明的是，本说明书中关于冲击式水轮机建模装置的实施例与本说明书中关于冲击式水轮机建模方法的实施例基于同一发明构思，因此该实施例的具体实施可以参见前述对应的冲击式水轮机建模方法的实施，重复之处不再赘述。

[0116] 以上所述仅为本说明书一个或多个的实施例而已，并不用于限制本说明书一个或多个。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个可以有各种更改和变化。凡在本说明书一个或多个的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个的权利要求范围之内。