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基于MATLAB的同步发电机原动机及其调速系统参数辨识与校核可视化软件设计
2017-08-29 11:23:24  作者:  来源:中国设计师网  
  •   针对同步发电机原动机及其调速系统参数辨识与校核存在任务繁重、数据处理效率低、缺乏可视化处理工具的现状,本文基于MATLAB/GUI开发平台,采用模块化、局部化的软件设计原理,设计开发了同步发电机原动机及其调速系统的参数辨识与校核可视化软件。软件主要包括原动机类型选择模块、数据预处理模块、参数辨识与校核模块和结果输出模块。某发电厂机组的试验数据测试结果表明研制的可视化软件功能模块设计合理,操作便捷友好,参数辨识结果准确,易于学习和掌握,可有效提高原动机及其调速系统的参数辨识与校核工作效率,降低人员技能经验的影响。

  国网上海市电力公司电力科学研究院 李福兴

  同济大学电气工程系 乔冠伦 李梧桐 沈小军

  1 引言

  同步发电机组调速系统的动态特性是影响电力系统安全稳定的主要因素,对原动机及其调速系统进行准确的参数辨识和仿真校核是电力系统安全稳定分析计算的重要环节[1-2]。

  同步发电机原动机及其调速系统的参数辨识与仿真校核的基本原理是利用参数辨识算法对原动机及其调速系统模型进行参数辨识,在保证辨识结果满足DL /T 1235-2013《同步发电机原动机及其调节系统参数实测与建模导则》(以下简称《导则》)规定误差的基础上,通过仿真校核进一步验证参数辨识结果的工程可用性。实际工作经验表明,由于同步发电机原动机及其调速系统参数辨识需要考虑互相关联的多个方面[3],过程较为复杂,从熟悉原理至工程应用的周期较长,新技术人员较难独立工作,对专家经验依赖性较强;另外系统仿真校核过程缺乏操作便捷的工具,存在数据处理效率低、任务繁重、技术人员短缺等问题[4]。可见,研制出操作便捷、友好的同步发电机原动机及其调速系统参数辨识与校核可视化软件,对于降低人员技能经验影响,提升工作效率具有重要的工程价值。

  本文根据工程需求,基于《导则》规定的标准模型及标准试验方法,以MATLAB /GUI 为平台,设计开发了同步发电机原动机及其调速系统参数辨识与仿真校核可视化软件,为同步发电机原动机及其调速系统参数辨识与校核提供了高效、友好的工具。

  2 软件功能需求分析与架构设计

  2.1 需求分析

  结合工程实践和《导则》要求,研制者认为原动机及其调速系统参数辨识与校核可视化软件应具备以下功能特点[5,6]:

  (1)封装复杂的程序操作和计算过程,通过数据底层交换,降低入门技术门槛和技术经验的依赖性,提高使用的便捷性与友好化;

  (2)模块化设计,预留出软件接口,方便功能扩展和新型机组的增加;

  (3)局部化设计,将关系密切的软件元素布局在同一模块内,减少模块之间的联系,降低人机交互操作量;

  (4)具备输入参数和辨识图像的同步调整功能,半自动的参数辨识与校核操作降低数据处理的繁杂度,提高工作效率;

  (5)具备辨识结果误差定量分析和可视化展示功能,辅助最优解选择;

  (6)具备人机交互界面,以界面形式展示系统内部各环节,通过鼠标点击操作代替命令行输入操作,提高使用的便利性。

  2. 2 架构设计

  软件采用模块化设计,以同步发电机原动机及其调速系统参数辨识与校核作为设计对象,将软件划分为原动机类型选择模块、数据预处理模块、参数辨识与校核模块和结果输出模块,软件架构如图1所示。

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  3 可视化软件设计与实现

  MATLAB具备强大的数据处理能力和快捷的建模仿真及绘图功能,是一种面向科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。另外,基于MATLAB实现同步发电机原动机及其调速系统建模与参数辨识是当前工程界主要的技术手段[7]。鉴于此,本文基于MATLAB开展系统参数辨识与校核软件的研制。

  3. 1 原动机类型选择模块

  原动机类型选择模块负责完成原动机系统模型的修改、删除和添加,并根据原动机类型的选择决定后续模块的数据走向和数据处理方式。本模块利用MATLAB语言的条件分支结构语句将原动机划分为汽轮机、水轮机和风力机3类主模型,各类主模型内部包含多种子模型。为方便系统模型的修改与添加,系统模型的数据处理和仿真校核程序均以子模型为单位保存,并利用GUI的press button组件对各类系统模型进行封装隔离。原动机类型及其模型的选择是原动机及其调速系统参数辨识与校核软件的第一环节,该界面亦作为本可视化软件的主界面,如图2所示。

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  3. 2 数据预处理模块

  原始数据预处理模块实现将录波仪采样得到的原始数据导入对应的原动机及其调速系统模型,然后对原始数据做标幺化、归一化等数据预处理,以便后续模块元件特性与参数的比较分析,简化计算。

  为方便原始数据的编辑与修改,降低操作的繁杂性,原始数据预处理模块通过高级文件O/I操作执行状态变量的初始数据的赋值和存取,并采用txt文件读写模式实现MATLAB工作空间和磁盘文件间的数据传递。数据计算过程中,则利用GUI的text组件将原始数据的数据交换程序封装隔离,对外显示为原始数据边界条件的确定。同时,为提高程序的执行效率,本模块通过MATLAB全局变量global函数将所有的原始数据定义为全局变量,实现跨界面跨模块调用原始数据。

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