本发明涉及水利水电工程领域，具体涉及一种定量评估水电机组调节系统稳定性能的方法与系统。
背景技术：
1、水电站输水发电系统是水力系统、机械系统和电力系统相互耦合的复杂动力系统，各子系统间的内部耦合作用和动力学响应机制直接影响着整个电站系统的运行稳定性和动态特性。在国内的抽水蓄能电站运行实践中，存在着诸多因水力、机械或电气等方面引起的机组运行不稳定问题。例如，西岩滩水电站在运行时机组和厂房同时出现剧烈振动，导致机组停机事故；由于水泵水轮机固有的s特性，导致天荒坪、宝泉抽水蓄能电站并网困难；广州、宜兴抽水蓄能电站过渡过程中机组发生异常振动。因此，研究水电机组的运行稳定性对于水电站本身甚至整个电网都具有重要意义。
2、水电站输水发电系统主要由有压输水系统和水电发电机组调节系统组成。就有压输水系统而言，现有研究大多对水力系统模型进行了简化，即采用刚性水体模型来描述有压管道内水体的水力特性，但这种简化无法客观反映有压输水系统中水锤波传播、反射以及对系统运行的影响；也有部分研究基于全面考虑水体弹性的有压管道瞬变流模型，采用水力阻抗法和总体矩阵法分析水电站系统振动特性，但水力振动分析是从水电站整体系统的角度出发，难以揭示水电机组的稳定性能。
3、鉴于此，亟需发明一种定量评估水电机组调节系统稳定性能的方法，为水电站的安全稳定运行提供依据。
技术实现思路
1、发明目的：为克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种定量评估水电机组调节系统稳定性能的方法与系统，可根据水电机组调节系统水锤反射系数的模值对其稳定性能进行定量评估，具有物理意义明确、方便高效的优点。
2、技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：
3、一种定量评估水电机组调节系统稳定性能的方法，包括以下步骤：
4、步骤一：建立水电站输水发电系统的数学模型，所述数学模型包括水电机组调节系统的水轮机方程、发电机方程和调速器方程；
5、步骤二：根据步骤一的水轮机方程、发电机方程和调速器方程，得到水电机组调节系统水锤反射系数的计算公式；
6、步骤三：根据步骤二的水电机组调节系统水锤反射系数的计算公式，计算水电机组调节系统水锤反射系数的模值；
7、步骤四：将步骤三计算得到的水电机组调节系统水锤反射系数的模值与1进行比较；若步骤三中水电机组调节系统水锤反射系数的模值大于1，水电机组调节系统是不稳定的水力边界，且模值越大，稳定性能越差；若水电机组调节系统水锤反射系数的模值小于1，水电机组调节系统是稳定的水力边界，且模值越小，稳定性能越好。
8、进一步的，所述步骤一中，水轮机方程表示为：
9、
10、式中：ht为水轮机工作水头变化相对值，ht＝(ht-ht0)/ht0；pt为水轮机出力变化相对值，pt＝(pt-pt0)/pt0；qt为水轮机流量变化相对值，qt＝(qt-qt0)/qt0；为转速变化相对值，μ为导叶开度变化相对值，μ＝(τ-τ0)/τ0；s5-10为水轮机传递系数，可通过水轮机特性曲线求得；ht、pt、qt、n、τ和ht0、pt0、qt0、n0、τ0分别为水轮机工作水头、出力、流量、转速、导叶开度及对应的初始稳态值；
11、发电机方程表示为：
12、
13、式中：ta为机组惯性时间常数；pg为发电机吸收功率变化相对值；t为时间；
14、调速器方程表示为：
15、
16、式中：bt为暂态转差系数；td缓冲时间常数。
17、进一步的，所述步骤二中，将步骤一中的方程进行拉普拉斯变换，化简后得到机组的水力阻抗zt：
18、
19、式中：δht(s)为δht(t)的拉普拉斯变换式，δht(t)＝ht-ht0；δqt(s)为δqt(t)的拉普拉斯变换式，δqt(t)＝qt-qt0；s为拉普拉斯算子；ht、ht0为水轮机工作水头及其初始稳态值；qt、qt0为水轮机流量及其初始稳态值；s5-10为水轮机方程中水轮机传递系数，可通过水轮机特性曲线求得；ta为发电机方程中机组惯性时间常数；bt、td为调速器方程中暂态转差系数和缓冲时间常数；
20、根据管道下游侧水力阻抗和水锤反射系数之间的关系，得到机组水锤反射系数rt的表达式为：
21、
22、式中：zc为管道特征阻抗，zc＝c/ga；c为水锤波速；a为管道断面积；g为重力加速度。
23、进一步的，根据如下方程计算未知量拉普拉斯算子s：
24、
25、式中：l为管道长度。
26、进一步的，所述步骤四中，水锤波在水电站有压管道系统中传播时，在机组处会发生反射，产生一个反射波，反射波与入射波的比值为水锤反射系数，通过机组水锤反射系数的模值对机组稳定性能进行定量评价；当步骤三中计算得到的机组水锤反射系数模值/rt/小于1时，水锤波在机组边界反射时会发生衰减，此时机组为稳定的水力元件，且/rt/越小，机组对水锤波的衰减作用越明显，机组稳定性越好；当步骤三中计算得到的机组水锤反射系数模值/rt/大于1时，水锤波在机组边界反射时会发生增强，此时机组为不稳定的水力元件，且/rt/越大，机组对水锤波的增强作用越明显，机组稳定性越差。
27、基于相同的发明构思，本发明提供一种定量评估水电机组调节系统稳定性能的系统，包括：
28、数学模型构建模块，用于建立水电站输水发电系统的数学模型，所述数学模型包括水电机组调节系统的水轮机方程、发电机方程和调速器方程；
29、水锤反射系数计算模块，用于根据水轮机方程、发电机方程和调速器方程，得到水电机组调节系统水锤反射系数的计算公式；以及根据水电机组调节系统水锤反射系数的计算公式，计算水电机组调节系统水锤反射系数的模值；
30、以及性能评估模块，用于将计算得到的水电机组调节系统水锤反射系数的模值与1进行比较；若水电机组调节系统水锤反射系数的模值大于1，水电机组调节系统是不稳定的水力边界，且模值越大，稳定性能越差；若水电机组调节系统水锤反射系数的模值小于1，水电机组调节系统是稳定的水力边界，且模值越小，稳定性能越好。
31、基于相同的发明构思，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，所述计算机程序/指令被处理器执行时实现所述的一种定量评估水电机组调节系统稳定性能的方法的步骤。
32、有益效果：本发明提供一种定量评估水电机组调节系统稳定性能的方法，较为全面地考虑了水轮机、发电机和调速器特性的影响，可根据机组调节系统水锤反射系数的模值对其稳定性能进行定量评估，具有直观方便、物理意义明确的优点，为常规水电站和抽水蓄能电站的安全稳定运行提供了理论依据，具有广泛的应用前景。
1.一种定量评估水电机组调节系统稳定性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种定量评估水电机组调节系统稳定性能的方法，其特征在于，所述步骤一中，水轮机方程表示为：
3.根据权利要求1所述的一种定量评估水电机组调节系统稳定性能的方法，其特征在于，所述步骤二中，将步骤一中的方程进行拉普拉斯变换，化简后得到机组的水力阻抗zt：
4.根据权利要求3所述的一种定量评估水电机组调节系统稳定性能的方法，其特征在于，根据如下方程计算未知量拉普拉斯算子s：
5.根据权利要求1所述的一种定量评估水电机组调节系统稳定性能的方法，其特征在于，所述步骤四中，水锤波在水电站有压管道系统中传播时，在机组处会发生反射，产生一个反射波，反射波与入射波的比值为水锤反射系数，通过机组水锤反射系数的模值对机组稳定性能进行定量评价；当步骤三中计算得到的机组水锤反射系数模值/rt/小于1时，水锤波在机组边界反射时会发生衰减，此时机组为稳定的水力元件，且/rt/越小，机组对水锤波的衰减作用越明显，机组稳定性越好；当步骤三中计算得到的机组水锤反射系数模值/rt/大于1时，水锤波在机组边界反射时会发生增强，此时机组为不稳定的水力元件，且/rt/越大，机组对水锤波的增强作用越明显，机组稳定性越差。
6.一种定量评估水电机组调节系统稳定性能的系统，其特征在于，包括：
7.根据权利要求6所述的一种定量评估水电机组调节系统稳定性能的系统，其特征在于，所述数学模型构建模块中，水轮机方程表示为：
8.根据权利要求6所述的一种定量评估水电机组调节系统稳定性能的系统，其特征在于，所述水锤反射系数计算模块中，将数学模型构建模块中的方程进行拉普拉斯变换，化简后得到机组的水力阻抗zt：
9.根据权利要求8所述的一种定量评估水电机组调节系统稳定性能的系统，其特征在于，根据如下方程计算未知量拉普拉斯算子s：
10.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，其特征在于，所述计算机程序/指令被处理器执行时实现根据权利要求1-5任一项所述的一种定量评估水电机组调节系统稳定性能的方法的步骤。
