水电站过渡过程与仿真
水力机组过渡过程控制与仿真课程作业--河海大学
水力机组过渡过程控制与仿真作业一、基于Simulink的水轮机调节系统仿真1、水轮机调节系统的数学模型1.1、引水系统模型1.1.1 刚性水击模型一般在小扰动情况下，对简单直管路且管道长度小于600~800 m 时，管壁及水体的弹性以及流动的摩擦阻力均可以忽略，此时可以认为是刚性水击，其传递函数为：h(s) = −T w sq(s) (1)式中：h 为管道中水头的变化量；q 为管道中瞬时水流量的变化量轮机额T w为管道水流惯性时间常数；T w=LQ r/gFH rL 为管道长度；F 为管路截面面积；Q r为水轮机额定流量H r 为水定水头；g为重力加速度。
Simulink刚性水击模块如下：图1 刚性水击模块1.1.2 弹性水击模型当引水管路较长时，管道及水体的弹性均不能忽略，此时弹性水击理论能更精确地描述管道动态过程，在不考虑水力摩阻的情况下，由水力学原理中的动力方程和连续方程可以导出弹性水击方程：22()1()18rwrT sh shq s T s=-+33221()241()18r rwrT s T sh shq s T s+=-+3322441()2411()18384r rwr rT s T sh shq s T s T s+=-++(2)式中：T r为水锤压力波反射时间，即水锤相长；T r=2L/c，c为压力水波速，对于钢管c=1220 m/s，对于混凝土管道c=1420 m/s；h w为管道特征系数，h w=T w/T r。
上述3式均为弹性压力引水管道传递函数的表达式，可根据工程需要采用。
项数取得越多，计算精度就越高，但计算的复杂性也增加了，甚至可能造成数值不稳定。
1.2、线性水轮机模型当水轮机各参数在小范围内变动时，水轮机特性可以用线性的水轮机力矩方程和流量方程来表示，其中具有单一调节机构的水轮机线性模型可表示为：t y x hqy qx qhm e y e x e hq e y e x e h=++=++(3)式中：1, 1.5, 1.0,0.5,0y h qy qh qxe e e e e=====为水轮机力矩对导叶开度传递系数xe水轮机力矩对转速传递系数；he水轮机力矩对水头传递系数；qye水轮机流量对导叶开度传递系数；qxe水轮机流量对转速传递系数；qhe水轮机流量对水头传递系数。
水电站运行与仿真实习教材(上传稿)
• 随着社会经济的发展，很多教学工作者对教学 的方式、方法和手段进行创新，涌现出一些很 好的教学方式方法。根据本课程的教学内容和 对现代教学方式、方法的调研，我们认为以下 教学方式、方法有助于本课程的教与学，建议 教学时根据具体教学内容选用。
1、现场教学法
• 立足于仿真系统的设备、水电机组模型，将学 员拉到仿真系统现场进行教学，从感性认识入 手，由表及里，由浅至深的进行教学，在能动 手的情况下，尽量让学员动手操作，将理论与 实际结合起来，促进学员对有关知识的学习。
常规方式开机 • 操作任务 • 条件 • 操作步骤：按1#机组自动开机自动准同期并列严格执行
33
（一）检查
• 机调柜上的锁锭投入光字牌红灯亮。 • 机调柜上的频率表指示为45Hz。 • 机调柜上转速表指示为零。 • 油压表指示为零。 • 机调柜上的开度限制红针是否与实际开度黑针在零位重合，如果不重合，用
第九章 变压器运行
• 第一节 仿真变压器技术参数 • 第二节 变压器的运行及操作维护 • 第三节 变压器的事故处理
第十章 配电装置运行
• 第一节 仿真水电站主要配电设备技术参数 • 第二节 配电装置的运行维护 • 第三节 配电装置的事故处理
第一节 水电仿真系统辅助设备运行
一、闸门系统 二、油系统 三、气系统 四、供水系统 五、排水系统
• 第一节 水轮发电机组值班员的任务 • 第二节 运行值班人员在值班时应填写下列值班
记录 • 第三节 运行组织 • 第四节 电网调度管理 • 第五节 运行管理制度
第三章 水电站机组运行
• 第一节 水电仿真系统辅助设备运行 • 第二节 水电仿真系统机组开停机（常规方式） • 第三节 水电仿真系统机组设备运行（监控模式） • 第四节 机组设备运行的异常处理
水电站水机电仿真系统的开发及探究
水电站水机电仿真系统的开发及探究摘要：电站水机电一体化的仿真包括了由详细水力系统、发电机组、升压站、等值电力系统构成的中小型电力系统。
对于水电厂水机电耦合问题的研究，通常采用单机无穷大系统进行代替，并非针对本厂的具体数据和参数进行研究，因而相关结论具有参考意义但一般无法对本厂的生产直接形成指导意见。
关键词：水电站水机电仿真系统；开发；水电站在实际运行中，当运行操作或因事故而改变系统的运行状态时，就会产生过渡过程，由于水体惯性的存在，就会引起系统中管道压力、流量、机组转速的剧烈变化，对水电站的运行质量以至安全将产生非常重要的影响。
因此，无论为确定电站设计参数或保证电力系统运行质量都必须对水电站进行静、动态仿真研究。
一、研究水电站水机电系统（HMES）为一类非线性耦合系统，主要包括水力系统、机械系统及电气系统3 个子系统，其动态特性取决于各子系统的共同作用。
其中，水力系统主要包含有压引水系统、调压井、蜗壳及尾水管等；机械系统主要包含水轮机、调速器等；电气系统主要包括水轮发电机、励磁系统、电力系统稳定器及负荷等。
随着水电机组装机容量逐渐增大，调峰调频任务愈发繁重，水电站水机电系统的动态特性对电力系统安全稳定运行的影响日益显现。
大型水电机组的切机或者突然甩负荷将导致电力系统失去较大功率，对系统的功角、频率及电压稳定性都会造成严重影响。
如何准确模拟出大小扰动下水电站水机电系统动态特性，并采取相关措施抑制其对电力系统造成的不良影响已成为水电站建设的主要问题。
作为对真实物理系统进行模拟的重要手段之一，数字仿真凭借成本低、不受外部环境限制等优点，现已成为电力系统研究、规划、运行、设计等各个方面不可或缺的工具。
二、水电站水机电仿真系统的开发1.监控运行系统和仿真系统的一体化。
目前的水电厂基本上都投运了计算机监控系统，监控系统和仿真系统一般都是两个独立的系统，这两个系统一般由不同的单位研制，它们之间可能会通过通讯协议来进行通讯，在两个系统设计之初就缺乏统一的规划和接口，由于存在这个缺陷，仿真系统和监控运行系统不能作到一体化运行，仿真系统一般只能作为员工的离线培训系统。
基于MATLAB的水力过渡过程数字仿真
基 于 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ的 水 力过 渡 过程 数 字仿 真
孙 美 凤， 王 佳
（ 华 北 水 利 水 电大 学 电力 学 院 ， 河南 郑州 ４ ５ ０ ０ １ １ ）
摘要 ： 水 力 过 渡过 程 ， 尤 其 是 甩 负荷过 渡过 程 的计 算 ， 是 水 电站 和 水 力 机 组 设 计 不 可 或 缺 的 一 项 工作 ， 也 是 保 证 水 电站 安 全 稳 定 运 行 的 前 提 。 为 了确保 水 电站 甩 负荷 过 渡 过 程 的 安 全 ， 基 于 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ ， 采 用以有压管道 非 恒 定 流微 分 方 程 组 为 基 础 的 特 征 线 法 ， 对某个具有上游调压 室， 且 为 一 洞 三机 布 置 的 复 杂 引 水 管 路 系统 进 行 了甩 负荷 过 渡 过 程 数 字仿 真 。根 据 仿 真 结 果 ， 最 终 确 定 了合 理 的 导 叶 关 闭规 律 ， 给 出 了 瞬 态 参 量 随 时 间 变 化 的 历程 线 ， 并 计 算 了调压 井 的 最 高 、 最低涌浪 ， 为 该 水 电站 的设 计 及 安 全 稳 定 运 行 提 供 了技 术 依 据 ， 同 时对 类 似 工程 也 具有 一定 的参 考 价 值 。
对 于水 力发 电机 组 机械 旋 转 部分 的运 动 方程 ， 可
运 用旋 转 刚体运动 方程 描述 ：
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３一 Ｏ １ —１ ７
ＲＱ ｌ Ｑ Ｉ ； Ｃ 。＝ ； Ｒ＝
ａ
பைடு நூலகம்上， Ａ
。 其 中， Ｃ 。 、 Ｒ为 常数 ；
Ａ为 管道截 面面 积 ； Ａ ｔ 为 时间步 长 。
第４ ４卷 第 １ ７期
第九章水电站水力过渡过程
第九章 水电站水力过渡过程教学要求：了解水电站水力过渡过程的水力现象和有关基本方程的建立，掌握水锤和机组转速变化计算的基本方法，熟悉调节保证计算的控制指标和基本措施；掌握调压室水位波动分析的基本方法。
水电站的引水系统、水轮机及其调速设备、发电机、电力负荷等组成一个大的动力系统。
这个系统有两个稳定状态：静止和恒速运行。
当动力系统从一个状态转移到另一状态，或在恒速运行时受到扰动，系统都会出现非恒定的暂态（过渡）过程，由此产生一系列工程问题：压力水管（道）的水锤现象、调压室水位波动现象、机组转速变化和调速系统的稳定等问题。
本章主要介绍水电站水力过渡过程的现象和基本方程。
第一节 概述一、水锤（一）水锤现象及其传播引水系统是水电站大系统中的子系统，水锤是发生在引水系统中的非恒定流现象。
当水轮发电机组正常运行时，如果负荷突然变化，或开机、停机，引水系统的压力管道的水流会产生非恒定流现象，—般称为水锤。
水锤的实质是水体受到扰动，在管壁的限制下，产生压能与动能相互转换的过程，由于管壁和水体具有弹性，因此这一转换过程不是瞬间完成的，而是以波的形式在水管中来回传播。
为了便于说明水锤现象，我们首先研究水管材料、管壁厚度、管径沿管长不变，并且无分叉的水管（一般称为简单管），阀门突然关闭时的水锤现象，见图9-1：管图9－1 水锤压力传播过程 中水流的初始状态是水压力为0H ，流速为0v 。
当阀门突然关闭时，首先在阀门附近长度为l ∆的管段发生水锤现象——水体被挤压，水压力上升为H H ∆+0，流速变为0，这时管中水体的动能转变为压能。
由于管壁膨胀，水体被压缩，在管段l ∆中会产生剩余空间，待后面的水体填满剩余空间后，邻近管段水体又会发生水体挤压，引起水压力上升，流速变为0，也产生剩余空间。
这样在水管中，从阀门开始逐段产生水锤现象，水锤波以一定的速度a 从阀门传向进口（水库）。
当水锤到达引水管进口时，这时进口外的水压力为0H ，管内水压力为H H ∆+0，在水管进口处造成压力差H ∆。
水电站过渡过程与仿真(3)
dx 1 V V a 2 dt
3.1 特征线方程
解得：
1 a
1 dH 1 dV f V V 1 V sin 0 a dt g dt 2 gD a C dx V a dt
分别称为C+上成立的相容性方程和C+特征线方程
H PNS CP BPQPNS
4. 管道末端的阀门:在这里阀门也可以是冲 击式水轮机喷嘴。为分析方便，取阀门中 点水平面作为测压管水头的基准线。在一 般情况下，通过阀门孔口的流量为:
QP Cd AG 2gHP Qr (Cd AG )r 2gHr C A d G (Cd AG ) r
1 dH 1 dV f V V 0 a dt g dt 2 gD C dx a dt
1 dH 1 dV f V V 0 a dt g dt 2 gD C dx a dt
3.2 有限差分方程
把一根管子等分为n段，每一段的长度 为x，如图3-2所示，算出时步为 t=x/a。 在图示网格中，正向倾斜的对角线AP 满足方程C+特征线方程。如果在A点 的因变量V和H已知，则C+相容性方程 (此方程沿C+线成立)可以在端点A和P 间积分，从而可以用P点的未知量V和 H把该方程表示出来； 图上朝负方向倾斜的对角线BP满足方 程C-特征线方程，沿BP对C-相容性方 程积分，用B点的已知条件和P点的未 知条件，可以得出用在P点的同样两个 未知变量表示的第二个方程。 联立求解这两个方程，可以得出xt平面 中以P标出的点在特定时间和位置的参 数。
3.3 基本边界条件
基于MATLAB的水力过渡过程数字仿真
基于MATLAB的水力过渡过程数字仿真孙美凤;王佳【摘要】水力过渡过程,尤其是甩负荷过渡过程的计算,是水电站和水力机组设计不可或缺的一项工作,也是保证水电站安全稳定运行的前提.为了确保水电站甩负荷过渡过程的安全,基于MATLAB,采用以有压管道非恒定流微分方程组为基础的特征线法,对某个具有上游调压室,且为一洞三机布置的复杂引水管路系统进行了甩负荷过渡过程数字仿真.根据仿真结果,最终确定了合理的导叶关闭规律,给出了瞬态参量随时间变化的历程线,并计算了调压井的最高、最低涌浪,为该水电站的设计及安全稳定运行提供了技术依据,同时对类似工程也具有一定的参考价值.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2013(044)017【总页数】5页(P92-96)【关键词】水力过渡过程;数字仿真;MATLAB;水轮机特性;特征线法【作者】孙美凤;王佳【作者单位】华北水利水电大学电力学院,河南郑州450011;华北水利水电大学电力学院,河南郑州450011【正文语种】中文【中图分类】TK730.2水力过渡过程是指系统中的水流从某一恒定状态转换到另一恒定状态的过程。
虽然水电站水力过渡过程是一种暂态现象，但在实际运行中却是不可避免的，尤其是甩负荷过渡过程的计算，是在水电站和水力机组设计过程中不可或缺的一项工作。
从普遍意义上讲，水电站水力过渡过程是水、机、电系统的相互影响以及相互制约的联合过渡过程，其计算的合理与否，关系到输水系统的优化设计和水电站的安全运行以及供电的品质［1］。
随着计算机应用的推广，在大中型水电站和压力引水系统比较复杂的水电站设计中，越来越多地采用电子计算机进行水力过渡过程计算仿真。
MATLAB是集数值计算、符号运算及图形处理等强大功能于一体的科学计算语言，作为一种大型数学软件，它包含了丰富的函数资源，使解决各种学科数学问题的编程变得简单易行［2］。
1 数学模型1.1 机械旋转运动对于水力发电机组机械旋转部分的运动方程，可运用旋转刚体运动方程描述［3］:式中，为机组转动部分的转动惯量为角加速度;Mt为水轮机的主动力矩;Mg为发电机的阻力矩。
冲击式水电站过渡过程数值模拟
冲击式水电站过渡过程数值模拟
樊红刚;陈乃祥;孔庆蓉;王芋丁
【期刊名称】《水力发电学报》
【年(卷),期】2007(26)2
【摘要】冲击式水电站机组甩负荷时,由于电站引水道长,为了减小系统最大压力上升,针阀关闭时间较长,而为了避免机组转速上升过高,在喷嘴后设置折向板以截断水流,在过渡过程计算中对针阀前管道和机组需要用不同的流量计算,本文分析了冲击式水轮机与常规混流式水轮机运行的不同,建立了冲击式水电站折向板关闭时的计算数值模型,并用该模型对一冲击式电站进行了过渡过程计算。
【总页数】4页(P133-136)
【关键词】水力机械;冲击式水轮机;数值模拟;过渡过程
【作者】樊红刚;陈乃祥;孔庆蓉;王芋丁
【作者单位】清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室热能工程系【正文语种】中文
【中图分类】TK72
【相关文献】
1.水电站长距离引水隧洞水力过渡过程数值模拟研究 [J], 张梁;陈宏川
2.伊朗卡仑I水电站机组甩负荷过渡过程的数值模拟计算 [J], 王威;王知行;钟师胜
3.水电站长距离引水隧洞水力过渡过程数值模拟研究 [J], 张梁;陈宏川;
4.带调压室水电站甩负荷过渡过程数值模拟计算 [J], 黎丹;柯国凡;肖惠民
5.某水电站冲击式机组水力过渡过程研究 [J], 贺朋朋;张辉
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二塬子水电站输水系统过渡过程仿真计算研究报告--河海大学_49613.
二塬子水电站输水系统过渡过程仿真计算研究报告河海大学2017年7月二塬子水电站输水系统过渡过程仿真计算研究项目负责人：蔡付林周建旭主要参加人：曹青胡明张雯花玉龙李永发郭强刘跃飞顾金彤河海大学2017年7月目录第一章工程概况和研究内容 (1)第一节工程概况和基本资料 (1)第二节计算研究目的和内容 (6)第二章计算理论和计算方法 (9)第一节计算理论 (9)第二节计算方法 (9)第三章有压输水系统数学模型 (14)第一节管道划分和相关参数 (14)第二节机组特性曲线处理方法 (16)第三节引水发电系统数学模型 (18)第四章机组导叶和调压阀启闭规律的优化选择 (22)第一节说明 (22)第二节机组导叶和调压阀启闭规律的优化选择 (22)第三节调压阀拒动时机组导叶关闭规律分析 (26)第四节调压阀启闭规律的确定 (27)第五章有压输水系统过渡过程计算分析 (30)第一节大波动过渡过程计算分析 (30)第二节小波动稳定性分析 (46)第三节水力干扰稳定性分析 (49)第六章结论与建议 (52)第一章工程概况和研究内容第一节工程概况和基本资料一、工程概况二塬子水电站是利用原设计北干线压力管道1#调节池与2#调节池之间N27+434.1~N29+208.1段，水头差约101m发电。
发完电后，供水水量通过电站尾水再退入原压力管道。
这样，在不影响供水的情况下，充分利用水能资源，做到一水多用。
电站站址位于西安数字学院南侧，电站装机容量2400kW，安装3台混流式机组。
工程为Ⅲ等中型工程，主要建筑物为3级建筑物，次要及临时建筑物为4级建筑物。
本电站采用地面厂房布置形式，厂内共装有三台单机容量为800kW卧式水轮发电机组，总装机容量为2400kW。
输水管线由厂房右侧通过，设有闸阀、调压阀及旁通泄水阀等管线调压设施，满足电站不发电时，保证供水不受影响。
电站厂区建筑物包括主、副厂房、尾水池、尾水管、宿办楼及道路等部分。
抽水蓄能电站过渡过程仿真自动建模及通用程序
抽水蓄能电站过渡过程仿真自动建模及通用程序
陈乃祥
【期刊名称】《水利学报》
【年(卷),期】1994(000)010
【摘要】本文在改进文献中数学模型及有关连接方式的前提下引入结构形式参数，工况标识参数及部件动态计算模块化等，解决了按仿真对象及仿真工况的自动建模问题，编制的程序用于多个具有不同引水系统和参数的电站过渡过程仿真计算，证明有较强的通用性，灵活性和实用性。
【总页数】1页(P47)
【作者】陈乃祥
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TV743
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1.WINDOWS界面下水力-机械过渡过程仿真计算通用软件 [J], 沈祖诒;孙昀
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3.通用智能自动建模软件开发与应用 [J], 杜斌;林云
4.黑麋峰抽水蓄能电站机组水力过渡过程仿真研究 [J], 刘平;李博;魏加富;付亮;毕
智伟;于佐东
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水电站过渡过程与仿真课件
调整与改进
根据运行状态监测结果，对控制 策略进行调整和改进，提高过渡
过程控制的可靠性和效率。
05
水电站过渡过程的优化方法
优化目标的确定
发电效率最大化
通过优化过渡过程，提高水轮机的发电效率，最 大化电站的电能产出。
减少水锤压力
优化过渡过程，降低水锤压力，保护水电站设备 和管道的安全。
。
确定控制参数
根据分析结果，确定用于控制过渡 过程的关键参数，如机组流量、转 速等。
设计控制逻辑
基于控制参数，设计合理的控制逻 辑，包括启动、停机、调速等控制 环节。
控制策略的实施与优化
实施控制策略
将设计好的控制逻辑应用于实际 的水电站控制系统，并进行调试
和优化。
监测运行状态
实时监测水电站的运行状态，收 集相关数据，为控制策略的进一
经济性影响
过渡过程控制不当可能导 致机组偏离最优工况，增 加能耗和减少发电效益。
稳定性影响
过渡过程的稳定性决定了 水电站的稳定运行，对电 网的稳定性也有重要影响 。
过渡过程的研究意义
提高水电站运行安全
保障电网稳定性
通过研究过渡过程，可以优化控制策 略，减少机组和管道承受的冲击，提 高运行安全性。
深入了解过渡过程有助于制定合理的 并网策略，减小对电网稳定性的影响 。
降低能耗
通过优化过渡过程，降低水电站的能耗，提高能 源利用效率。
优化算法的选择
数学模型法
建立水电站过渡过程的数学模型，通过求解数学模型得到最优解 。
人工智能算法
采用人工智能算法，如遗传算法、粒子群算法等，对过渡过程进行 优化。
混合算法
结合数学模型法和人工智能算法，形成混合算法，提高优化效率和 精度。
水电站过渡过程与仿真课件
评估方法：可以采用定量评估和定性评估相结合的方法，通过对比分析仿真结果与实际结果，评估 仿真课件的准确性和可靠性。
评估流程：首先需要制定评估计划，明确评估目标、评估指标和评估方法；然后进行仿真实验，收 集仿真数据；接着对仿真数据进行处理和分析，得出评估结果；最后根据评估结果对仿真课件进行 改进和优化。
课件制作注意事项
内容要简洁明了， 突出重点
图文并茂，增强 视觉效果
注重实践操作， 提高学员实际操 作能力
注重交互性，增 强学员参与度
06
水电站过渡过程仿真课 件应用与效果评估
仿真课件应用领域与方式
● 仿真课件在水电站过渡过程中的应用 * 用于模拟和预测水电站过渡过程 * 帮助工程师理解和分析复杂的水 电系统
仿真课件的应用：通过仿真课件可以模拟导叶和桨叶的协联关系，帮助理解过渡过程的原理
04
水电站过渡过程仿真模 型
仿真模型建立方法
添加项标题
确定仿真目标：明确仿真目的和需求，确定仿真范围和精度。
添加项标题
模型参数确定：根据实际数据和经验，确定仿真模型的参数 和初始条件。
添加项标题
模型应用：将建立的仿真模型应用于水电站过渡过程的模拟 和分析，为实际运行提供参考和指导。
库水位变化对机组安全性的 影响
机组负荷变化对机组影响
机组负荷变化对机 组转速的影响
机组负荷变化对机 组效率的影响
机组负荷变化对机 组振动的影响
机组负荷变化对机 组稳定性的影响
调速器工作原理
调速器的作用：调节水轮机的转速， 保持机组稳定运行
调速器的类型：机械调速器、电气 调速器和微机调速器等
水电站运行仿真实验教学方法探究
水电站运行仿真实验教学方法探究作者：赵辛欣来源：《教学考试》2017年第05期摘要：本文结合大学学习和电气工程及其自动化专业的特点，阐述了进行水电站运行仿真实验的必要性。
在分析水电站运行仿真课程内容的特点的基础上，有针对性的采用应用式教学、启发式教学、案例式教学方式。
并利用水电站运行仿真实验教学中的实例说明了如何利用这三种教学方法提升该课程的教学效果。
关键词：水电站运行仿真实验；应用式教学；启发式教学；案例式教学中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：2095-2627（2017）05-0074-02一、水电站运行仿真实验大学本科学习有其特殊的特点：首先，分专业学习涉及到的专业知识和交叉学科知识众多，学生在学习专业知识时往往很困惑：自己所学习的专业知识与实际工作的联系在哪里？其次，大学学习中的理论课程均以课程结业考试或考查的方式来检验学习效果，所以学生在学习的过程中往往在学习后续课程的时候，前修课程的知识已经部分遗忘。
考虑到这些特点，在学生走上工作岗位之前，如果能创造机会，让他们将所有专业知识融会贯通，理论联系实际，对他们在工作后能快速适应工作是非常有利的。
电气工程及其自动化专业的许多学生在毕业后会从事电力系统相关工作，成为电力系统的工作人员。
他们工作的对象电力系统具有下列特点：1.电能的生产与消费具有同时性；2.电能与国民经济和人民日常生活关系密切；3.电力系统的过渡过程非常短暂。
上述电力系统的特点也对从事电力系统相关工作的人员提出了特殊的要求：1.在系统处于正常工作状态时，他们在工作中应保证其操作的正确性，因为一旦出现失误操作，可能危及人身、设备安全或在短时间内造成巨大的损失；2.若电力系统出现不正常工作状态、故障状态，电力系统的工作人员应迅速做出处理措施，让系统尽快恢复正常状态，或是防止事故的扩大。
考虑到这些要求，如果能有一个模拟的电力系统供学员进行正常操作的练习，并能模拟电力系统的不正常和故障状态以提高学员的事故分析处理能力，就能在短时间内让学员的工作能力有很大的提升，这对提高整个电力系统运行的安全性、稳定性和经济性有非常重大的意义。
水利水电工程施工过程仿真
水利水电工程施工过程仿真第一节施工仿真的理论基础与特点在利用计算机进行进度模拟时，所采用的理论还是运筹学中的排队理论，虽然对于具有循环运行特征的系统，采用了排队网络、循环网络的模型，但从总体上来说，施工进度模拟的理论基础还应该是排队理论（参见系统规划技术部分）。
与工业与自动控制系统的模拟相比，水利水电工程施工中进度模拟具有以下两个显著特点：（1）常见的系统模拟分为连续系统与离散系统两类。
而水利水电工程进度模拟很难按上述方式分类，即便是采用排队理论，其顾客到达率也难以服从标准的分布。
大多数模拟模型是根据具体施工机械、施工方法与施工特点而建立的。
（2）系统模拟大都为随机系统模拟，以进行大量的（模拟次数足够多）模拟而获取对象在随机因素影响下的总体特征为目的，而对水利水电工程而言，随机性虽然存在，但在工程施工中通过设计予以充分考虑，模拟的目的主要是取得在既定的施工方案下的施工特征，如施工强度、机械设备利用情况及坝体施工的形象面貌，从而进行施工可行性论证与方案优选。
第二节建模要求的数据水利水电施工过程仿真的主要目的有二：①合理配置机械设备，针对不同设备方案的运行特征进行仿真，从中选择优化方案；②对于选定的施工方案把握其施工特征，为施工计划与现场管理服务。
施工模拟模型实质上是对现实施工过程或施工机械在施工控制条件下运行方式的描述。
从作业方式看，施工机械可以分为循环机械与连续机械两类，循环机械以混凝土坝施工中高架门机、缆机及当地材料坝施工中正反铲、装载机为代表，连续机械则以塔带机、皮带机、斗轮式装载机为代表。
不同的施工机械除了生产率、工作效率等参数不同外，在建立模拟模型时通常还要用到不同的模拟方法（参见第二章相关内容）。
一、大坝结构参数大坝结构参数即指坝体形体参数与孔洞参数等反映坝体几何形状的数据。
对混凝土坝来说，包括坝段个数、每一坝段建基面高程、起始坐标、坝段轮廓参数、纵缝位置等；对当地材料坝来说，包括坝体分期分区参数、坝底最低点高程等。
【精品】水电站过渡过程与仿真PPT课件
1.7 发展过程与研究现状
• 水力过渡过程总是伴随着水波(纵向的或横向的)的传播，所以它的研 究历史可纵追溯到上世纪关于水波传播理论的探讨。但是首先对水锤 问题进行研究的是意大利工程师门那布勒(Menabrea)。他在1858年所 发表的文章中，不同于前人只注意波速，而把着眼点放在由波的传播 所引起的压力变化上面。他并且利用能量原理，考虑了管壁和流体的 弹性，导出了波速公式。可惜的是，门那布勒对水锤理论本身并没有 作出很大的贡献。
1.4 单管中压力波的传播和反射
• 在阀门完全关闭条件下，如果 不考虑管道中的水头损失，上 述过程将在每隔4L/a重复一次， 如下图4所示。这个间隔时间 称为管道水力瞬变的理论周期。 不过，在实际系统中，由于水 头损失的存在，压力波在管道 中传播时将被削弱，并且在很 短的时间内流体会停止下来。
❖ 对于串联管道系统，其水力瞬变的理论周期T为：
❖ 有：
1.3 波速的确定
• 流体的弹性模量K定义是：
❖ 故有：
a K V K V
p
gH
❖ 由上式和水击公式，有刚性管中可压 缩液体的水击波速公式：
a K
1.3 波速的确定
• 考虑管道的弹性，薄壁管波速计 算公式为：
K
a
1 c1(K E)(D e)
❖ 管子只在上游末端固定时：
c1
1
2
侧向应变
• 管系流动的日常控制通常是以调节一个或几个阀门的位置来实现。阀 门改变系统中损失的大小来调节流量(管子末端的针形喷嘴除外)。阀 门的每一次调节也产生一些压力脉冲波，这些波以各管的波速在系统 中传递。如果让阀门调节得很慢，当然可以控制住瞬变压力的变化， 但是，调得很慢，就会妨碍调节过程。因此希望弄明白，怎样实现阀 门的快速调节而仍能使瞬变保持在允许的限度以内。即控制住瞬变的 阀运动的设计理论与方法，所谓控制住瞬变，就是说在阀门调节完成 时，在系统中的各个地方，流动基本上处于新的定常状态。
水电站过渡过程与仿真(2).ppt
❖ 因为我们对流体只作一维分析，所以流体的各种参数均采用断面平均 值，例如平均压强、平均流速等等。因为水流是渐变流，压强沿过水断 而呈直线分布，因而断面的平均压强可以用断面的中心的压强代替;又因 为水流是渐变流，所以用平均流速计算动量和动能时所应加的修正系数 近似等于1。由此可见，以下我们所建立的基本方程式，严格说来，不 能用于弯道、叉管和水轮机的尾水管。不过，一般说来，这些管段的长 度都比较短，在整个管道系统中所占的比重都比较小，因而不致引起明 显的误差。但是，当水电站的引水道较短，而尾水管相对较长时，如果 仍采用一维流动的基本方程式进行计算，其误差可能就不容忽略了。
❖ 对加衬隧道可以建立包括泊松比影响的方程组。但在 大多数情况下，这个因素的附加精度是不保证的，因为另 外一些不确定因素似乎也是同等重要的。其它一些可能是 相当重要而尚未研究的因素有:流体的体积模数的非线性 特性、截面不圆、某些管子材料的非线性特性、摩擦损失、 粘弹性损失及滞后损失。
❖ 塑料管：如果采用适当的体积模数及泊松比，则为金属 管所建立的公式在计算塑料管内的波速时也是令人满意的。
pA [
pA
( pA) x
x]
0Dx
A s in x
A
dV dt
x
A
p x
0D
gAsin
A dV
dt
0
2.1 运动方程
❖ 假设切应力与定常流相同， 根据达西一威斯巴哈 (Darcy_Weisbach)公式有
f V V 0 8
❖ 而： dV V V V dt t x
p H Z
p g(H Z ) g(H sin )
❖ 圆隧洞:
❖ 带衬圆隧洞:
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1.2 瞬时流速变化引起的水压变化
对图1-1所示非恒定状 态，通过在控制体上附 加一个向下游方向的流 速a就转换为恒定状态。 这相当于假设一个观察 者以速度a向上游方向 移动。对观察者说来， 移动中的波前看起来就 像是静止的，如图1-2 所示，而且从控制体流 入和流出的速度分别为 V0+2
c1 1
K a
1 c1 ( K )(D ) E e
1.2 瞬时流速变化引起的水压变化
考虑图1-1所示管道系统，首先取一 段管子作为控制体，对此应用非定 常流动量方程和连续性方程。为了 简化推导，假设管道是刚性的，并 忽略管道沿程和局部的阻力。 先研究在下游阀门突然关闭的情况。 在关阀的一瞬间，紧挨阀门的流体 由于阀芯表面上产生的高压冲量使 其流速立刻由V0变成静止。一旦紧 挨阀门的第一层流体停止下来，同 样的作用加在第二层流体上，使其 也静止下来。照这样，可以想象有 一个高压脉冲波以某一声速a向上游 移动，并具有足够的压力把冲量加 在流体上刚好使流体静止下来.
忽略管道阻力时，作用在x 方向的合力Fx为：
根据牛顿第二运动定律，在x方向的 合力Fx等于x方向的动量变化率，即：
Fx H 0 A ( H 0 H ) A AH
AH (V0 a) AV
对于钢管、混凝土管道或岩石隧洞中的大部分水力瞬变，波速a(接近 1000m/ s)远远大于水流的速度Vo(一般小于10m/s),因此可以忽略式中 的V0：
1.1 术语与定义
管系的共振：是一种振荡现象。共振时，非定常振荡的振幅 随时间而增长，一直到发生事故或最后形成一个振幅异常大 的定常振荡流为止。共振通常发生在其周期为该系统的自然 周期之一或靠近这个自然周期时，这一自然周期可以是基本 周期，也可以是谐振周期。 阀调节：该词的意义只限于设计合适的边界条件以使流动以 预先规定的方式发生。 液柱分离：当封闭管道中的压力下降到液体汽化压力以下， 液体汽化产生空穴的现象，气体和(或)蒸汽积聚在管路中某 一部分的情形。
a H aV V g
1.2 瞬时流速变化引起的水压变化
对阀门瞬时开启的情况，用 类似的方法可以得到：
a H aV V g
当阀门关闭时， 流速是减小的；当阀 门开启时，流速是增加的，考虑△V 的符号，总有：
H
a V g
上式说明：当流速增加时，压力下降；而当流速减小时会 引起压力上升。
1.3 波速的确定
对于图示控制体，假定因压力的 变化，流体密度由变 + 。这 样，单位时间内流入控制体的质 量为（V0+a)A，而流出控制体 的质量为(+ )(V0+ V+a)A。 考虑质量的守恒，有：
有：
1.3 波速的确定
流体的弹性模量K定义是：
故有：
a K V V K p gH
1.2 瞬时流速变化引起的水压变化
若以指向下游方向的距 离x和流速V作为正，则 在正方向上的动量变化 率：
d ( MV ) (V0 a) A(V0 V a) (V0 a) A(V0 a) dt (V0 a) AV
1.2 瞬时流速变化引起的水压变化
水电站过渡过程与仿真
武汉大学 程远楚
第一章 瞬变流概念
任何动力系统在运行的过程中，由于种种原因，正常的和非 正常的，不可避免的要从某一恒定状态转换到另一种恒定状 态。这种转换自然不是在一瞬间完成的，总得有一个过程， 这个过程就叫做过渡过程。显然，在过渡过程中，整个系统 将处于非恒定状态。 自19世纪末期儒可夫斯基发表了关于水击的经典理论以来， 水力瞬变研究的深度和广度都有了很大发展，在管道系统的 技术经济设计中得到了广泛的应用，目前已经成为一门重要 的科学分支。 水电站的水力过渡过程就是指水电站系统(包括设备和建筑 物)中的水流，从某一恒定状态转换到另一恒定状态的过程。 在这个过程中，水流呈现非恒定状态，所以，对水电站水力 过渡过程的研究，实际上也就是对水电站过流部件中的非恒 定流的研究。
1.1 术语与定义
恒定流：一个点上的水流状态，如压力、流速和流量不随时 间而变化，称为恒定流(或定常流)。 非恒定流:如果水流状态随时间而变化，则称非恒定流(或非 定常流)。严格地说，紊流总是非恒定流，因为一个点上的 状态在连续变化。但是，考虑短时间的平均值，如果时间平 均状态不随时间而变，这种水流也被视为恒定流。 瞬变流或瞬态流:当水流状态从一种稳定状态变为另一种稳 定状态时，它的中间流态称为瞬态流(或瞬变流). 均匀流:如果流速在任何时间不随距离而变化(的流动)称为均 匀流; 非均匀流:流速随距离而变化的叫做非均匀流。
由上式和水击公式，有刚性管中可压 缩液体的水击波速公式：
a
K
1.3 波速的确定
考虑管道的弹性，薄壁管波速计 算公式为： K a 1 c1 ( K )(D ) E e
管子只在上游末端固定时：
c1 1
2
侧向应变 轴向应变
全管固定住，没有轴向运动： 管子全部采用膨胀接头连接（全管自 由）：
1.1 术语与定义
水击: 指由于流量或流速的变化引起的管道压力升降现象， 称为水击，也称为水锤，不过，现今水力瞬变这个术语使用 更为广泛。当在分析的过程中假设水体和管壁是刚性的，则 称为刚性水击;当在分析的过程中考虑水体和管壁的弹性，则 称为弹性水击。 虽然水锤这个术语习惯上只限于在水中使用，但在描述管路 中的非定常流时它和瞬变流常常是作为同义语来使用的。 周期流或脉动流：当流动状态每隔一个称作振荡周期的固定 时间间隔反复现时，叫做定常振荡流，或称之为周期流或脉 动流。 管系流体的自由振动：是指在本系统的许多自然周期中的某 一个周期上的衰减振荡流。 涌波:是指那些可以将流体当作不可压缩、管壁看成刚体而进 行分析的非定常流情况。