水電運(yùn)行培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

（湖南五凌電力有限公司長沙市410004）

水電運(yùn)行培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

黃效恩 張文棟

（湖南五凌電力有限公司長沙市410004）

水電廠培訓(xùn)仿真系統(tǒng)可以給員工提供較多實(shí)操與事故處理機(jī)會(huì)，有利于員工工作經(jīng)驗(yàn)快速積累，受訓(xùn)員工在培訓(xùn)仿真系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練如同在實(shí)際電廠操作中完全一樣，這樣就避免了在實(shí)際設(shè)備運(yùn)行時(shí)不能進(jìn)行培訓(xùn)的難題,另外受訓(xùn)員工可以在系統(tǒng)中模擬各種設(shè)備故障，不影響設(shè)備電廠設(shè)備正常運(yùn)行，這樣學(xué)員受訓(xùn)的面比實(shí)際設(shè)備訓(xùn)練中更廣。五凌電力發(fā)電廠培訓(xùn)仿真系統(tǒng)SD8000-SIM，由國電南自和五凌電力共同開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了水電站的運(yùn)行生產(chǎn)過程仿真，主要包括設(shè)備巡視仿真、常規(guī)操作仿真和事故處理仿真，其采用的技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。

SD8000-SIM水電仿真系統(tǒng)水電仿真機(jī)圖模庫一體化技術(shù)

五凌電力水電仿真系統(tǒng)仿真對(duì)象包括洪江電廠燈泡貫流式、五強(qiáng)溪混流式兩種機(jī)型的水電廠，研究開發(fā)水電站培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，可以在不影響水電廠正常生產(chǎn)運(yùn)營前提下，為員工提供較多動(dòng)手機(jī)會(huì)，有利于員工工作經(jīng)驗(yàn)快速積累、成長，從而為電廠安全運(yùn)行提供人才保障。如何在短期內(nèi)提高運(yùn)行維護(hù)人員的判斷、處理突發(fā)故障能力，成為一名合格的電廠工作人員，一直是發(fā)電生產(chǎn)追求的目標(biāo)。培訓(xùn)仿真系統(tǒng)可以給電廠運(yùn)行維護(hù)人員提供典型的操作和事故處理虛擬現(xiàn)實(shí)場景，學(xué)員可以而通過仿真培訓(xùn)系統(tǒng)模擬現(xiàn)場工作中遇到的問題，對(duì)處理的方法不斷改進(jìn)、總結(jié)，可以多快好省地提高學(xué)員的技術(shù)能力。

五凌電力水電廠培訓(xùn)仿真系統(tǒng)（后簡稱五凌仿真系統(tǒng)）。在五凌電力和國電南自技術(shù)人員通力合作下，克服困難，完成了五凌仿真系統(tǒng)平臺(tái)研制開發(fā)。目前五凌仿真系統(tǒng)經(jīng)過了電廠運(yùn)行、維護(hù)人員的嚴(yán)格測試，已經(jīng)正式投入了運(yùn)行，得到了業(yè)界的好評(píng)。

1 仿真系統(tǒng)的主要用途

水電廠培訓(xùn)仿真系統(tǒng)主要用途包括兩個(gè)方面：為電廠運(yùn)行人員提供培訓(xùn)平臺(tái)、作為設(shè)備分析和診斷平臺(tái)。

（1）培訓(xùn)運(yùn)行操作人員。培訓(xùn)仿真系統(tǒng)可以模擬對(duì)水電廠重要設(shè)備進(jìn)行拆分、安裝，有利于學(xué)員對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)形成直觀的認(rèn)知。系統(tǒng)模擬了水力廠發(fā)電原理和實(shí)際的設(shè)備場景。學(xué)員可以在虛擬場景中進(jìn)行機(jī)組控制如機(jī)組啟停和功率增減、開關(guān)操作、設(shè)備參數(shù)巡視等；也可以各種設(shè)備故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行故障判斷和處理。

（2）五防操作驗(yàn)證。水電生產(chǎn)，安全第一。五防系統(tǒng)將電廠機(jī)械閉鎖、電氣閉鎖邏輯寫入系統(tǒng)，有效防止在進(jìn)行機(jī)組啟停操作、開關(guān)倒閘、設(shè)備投運(yùn)并網(wǎng)等重要操作時(shí)出現(xiàn)誤操作。因此，學(xué)員可以在仿真系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)模擬操作，選擇最優(yōu)倒閘方案，確保運(yùn)行操作票的正確性，杜絕誤操作。

（3）模型驗(yàn)證。電廠中的二次設(shè)備牽涉到各種控制模型,電廠技術(shù)人員可以在仿真系統(tǒng)上進(jìn)行電廠調(diào)速、勵(lì)磁、保護(hù)等各種控制系統(tǒng)的模型驗(yàn)證工作，確?？刂茀?shù)在最優(yōu)值。

2 仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

（1）仿真系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。SD8000-SIM仿真系統(tǒng)為純軟件仿真，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件系統(tǒng)包括服務(wù)器（主要用于題庫存儲(chǔ)）、操作員站（界面、仿真機(jī)安裝和運(yùn)行）、交換機(jī)等組成。仿真系統(tǒng)仿真部署在每個(gè)學(xué)員站上，每個(gè)學(xué)員可以在自己的學(xué)員站進(jìn)行操作培訓(xùn)，互相之間不干擾。學(xué)員培訓(xùn)方式多樣，可以在自己家進(jìn)行、可以在電廠培訓(xùn)室進(jìn)行、也可以在流域培訓(xùn)中心進(jìn)行。

圖1 純數(shù)字水電仿真系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

（2）仿真系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)。圖2所示為五凌電力SD8000-SIM水電站運(yùn)行仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，水電站水機(jī)電模型仿真水電站的所有過程，包括機(jī)組開停機(jī)過程、發(fā)電過程、調(diào)節(jié)過程中主機(jī)設(shè)備、輔助設(shè)備等所有設(shè)備的所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在界面系統(tǒng)（二維和三維界面）顯示出來，如圖3，運(yùn)行操作人員可以在界面上巡視，并可以在界面上進(jìn)行操作，操作過程引起的相應(yīng)反應(yīng)全部由水機(jī)電模型模擬出來。如果發(fā)生事故，運(yùn)行人員在界面上進(jìn)行處理，處理的過程由水機(jī)電模型模擬出來。水電站運(yùn)行規(guī)程通過專業(yè)人員轉(zhuǎn)化成運(yùn)行仿真題庫。運(yùn)行操作人員在上機(jī)培訓(xùn)后，可以通過選擇運(yùn)行仿真題庫中的題目來進(jìn)行測試，并通過自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)來進(jìn)行自動(dòng)評(píng)分，自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)會(huì)給出操作人員的操作信息，操作人員可以找出自己的操作錯(cuò)誤。

圖2 SD8000-SIM水電站運(yùn)行仿真系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

圖3 SD8000-SIM水電站運(yùn)行仿真界面圖

3 五凌培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

五凌仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)組手動(dòng)、自動(dòng)開停機(jī)，工況初始化設(shè)置，機(jī)組功率調(diào)節(jié)，機(jī)組檢修操作、設(shè)備異常運(yùn)行狀態(tài)模擬，事故模擬等仿真功能。具體介紹如下：

（1）水電廠常規(guī)操作調(diào)節(jié)仿真。SD8000-SIM仿真系統(tǒng)包括SD8000E監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)、仿真機(jī)和自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)。水電廠設(shè)備倒閘、功率調(diào)節(jié)操作等均可在仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括監(jiān)控系統(tǒng)操作和實(shí)際設(shè)備操作。

五凌培訓(xùn)仿真系統(tǒng)正常操作包括：機(jī)組自動(dòng)、手動(dòng)啟停操作；機(jī)組功率調(diào)整操作；斷路器倒閘操作；設(shè)備狀態(tài)巡檢；其他如保護(hù)系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、油氣水系統(tǒng)的操作等。還包括接令、匯報(bào)、驗(yàn)電、掛牌、裝拆接地線、設(shè)置檢修護(hù)欄等。

（2）異常運(yùn)行工況仿真與處理。水電廠可能發(fā)生各種事故，如水機(jī)事故（漏油、調(diào)速器閥卡、閘門提升過速、軸瓦溫度過高、油氣水中斷等）和電氣事故（變壓器接地、發(fā)電機(jī)絕緣擊穿、線路短路等）。本仿真系統(tǒng)可以對(duì)這些事故進(jìn)行現(xiàn)象模擬，學(xué)員可以在系統(tǒng)上模擬這些事故的處理和操作，可以快速積累事故處理經(jīng)驗(yàn)。

（3）考試、培訓(xùn)操作模式。系統(tǒng)具有兩種操作模式。培訓(xùn)模式下，具有完善的五防操作閉鎖功能，系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)設(shè)備的操作條件進(jìn)行判斷，從而確定學(xué)員能否可以進(jìn)行操作。考試模式下，監(jiān)控系統(tǒng)沒有操作閉鎖功能，運(yùn)行人員可以自由操作，系統(tǒng)不提示，在后臺(tái)對(duì)學(xué)員操作步驟進(jìn)行評(píng)判，有利于檢驗(yàn)學(xué)員的培訓(xùn)效果。

（4）采用反演計(jì)算的初始工況設(shè)置技術(shù)。全水電廠采用一種基本工況，也就是全發(fā)電工況。在全發(fā)電的工況下設(shè)置基本工況的變化量。采用反演計(jì)算得出新的工況各參數(shù)狀態(tài)。

（5）學(xué)員考核。教員通過水電站運(yùn)行專業(yè)題庫生成考試試卷或通過在線仿真培訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)操考核，學(xué)員通過上機(jī)進(jìn)行操作并進(jìn)行考評(píng)，并能進(jìn)行智能評(píng)分，并準(zhǔn)確標(biāo)記成功“漏做”的步驟?？荚嚦煽冏詣?dòng)排序、記錄、保存、查詢。

（6）音響模擬。系統(tǒng)將電廠實(shí)際操作時(shí)設(shè)備發(fā)出的聲音錄存在系統(tǒng)中，當(dāng)學(xué)員進(jìn)行設(shè)備操作時(shí)，相關(guān)聲音就會(huì)播放，這樣可以鍛煉學(xué)員的心理承受能力，有利于學(xué)員在事故處理時(shí)保持鎮(zhèn)定，思路清晰。

（7）設(shè)備查找導(dǎo)航功能。學(xué)員進(jìn)行操作時(shí)，可以直接在3D場景搜索定位水電廠相關(guān)設(shè)備，縮短學(xué)員熟悉仿真電廠設(shè)備布局的時(shí)間，很容易找到操作設(shè)備。

4 五凌培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的算法實(shí)現(xiàn)

水輪機(jī)和壓力管道具有非線性特征，其求解一般采用非線性求解方式。水輪機(jī)方程如下式：

4階發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，可以很好地描述發(fā)電機(jī)的暫態(tài)過程。其計(jì)算公式為：

5 五凌培訓(xùn)仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

五凌水電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)核心部分的仿真計(jì)算軟件由國電南自與五凌電力聯(lián)合開發(fā)，國電南自與五凌電力長期從事水電站水力－機(jī)械－電氣的仿真計(jì)算和模擬研究，在此基礎(chǔ)上研發(fā)的仿真機(jī)能比較真實(shí)地反應(yīng)水電站運(yùn)行狀況。

仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的主要難點(diǎn)在于對(duì)象的不同，包括機(jī)組類型、變壓器類型的不同，機(jī)組運(yùn)行的流程不同，變電站的接線方式不一樣，為此，特地開發(fā)出了①流程組態(tài)技術(shù)：根據(jù)不同電站機(jī)組運(yùn)行的不同流程進(jìn)行靈活的組態(tài)；②對(duì)象組態(tài)技術(shù)：對(duì)于機(jī)組不同的類型來進(jìn)行不同的機(jī)組屬性組態(tài)；③圖模庫一體化技術(shù)：對(duì)于變電站不同的接線方式，在作圖中畫出接線圖就可以形成接線拓樸圖。此三項(xiàng)技術(shù)的研制成功可以多塊好省地配置不同電站、不同機(jī)型、不同出線方式的仿真系統(tǒng)。

五凌電力仿真系統(tǒng)界面分為監(jiān)控系統(tǒng)仿真界面和實(shí)際設(shè)備仿真界面兩部分，監(jiān)控系統(tǒng)仿真界面采用國電南自成熟的監(jiān)控系統(tǒng)界面，實(shí)際設(shè)備仿真界面采用OpenSceneGraph技術(shù)（簡稱OSG），電廠實(shí)際場景通過3DMAX進(jìn)行建模，然后導(dǎo)出IVE格式，再采用OSG 3D驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而能仿真場景漫游和實(shí)際操作。

6 結(jié)論

五凌仿真系統(tǒng)基于仿真軟件平臺(tái)SD8000-SIM，采用了流程組態(tài)技術(shù)、對(duì)象組態(tài)技術(shù)、圖模庫一體化技術(shù)、初始工況反演技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水電站常見的正常操作仿真、事故仿真。經(jīng)過專業(yè)人員嚴(yán)格測試，已經(jīng)正式投入了使用，業(yè)界反應(yīng)良好。經(jīng)過運(yùn)行和操作大賽的檢驗(yàn)，證明其具有操作便利性、技術(shù)先進(jìn)性、界面友好性等特點(diǎn)。

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2016-12-22）

黃效恩（1982－），男，大學(xué)本科，研究方向?yàn)樗姾碗娏Ψ抡嫦到y(tǒng)研究、教學(xué)與研發(fā)，電話：0731－85893318，E－mail：huang_hxe@wu－ling.com；張文棟（1983－），男，大學(xué)本科，工程師，從事水電廠集控運(yùn)行仿真和發(fā)電運(yùn)行工作。