銅街子水電站計算機仿真系統(tǒng)創(chuàng)新研究及應(yīng)用

王 瑜，劉 永，熊 飛，李航海

(國能大渡河公司龔電總廠，四川 樂山 614900)

1 引言

大渡河公司龔嘴水力發(fā)電總廠位于四川樂山境內(nèi)的大渡河上，下轄龔嘴電站、銅街子電站。其中：銅街子電站裝有4臺4×175MW水輪發(fā)電機組，總裝機700MW。電站1992年正式投產(chǎn)發(fā)電，至今已運營28年。目前，銅街子水電站計算機仿真系統(tǒng)已投運10年以上，為更好的滿足水電站值班人員開展仿真培訓、技能鑒定和技能競賽的需求，急需對該系統(tǒng)功能進行優(yōu)化升級，達到仿真與現(xiàn)場實際相一致的效果，使運行值班人員通過仿真培訓即能掌握現(xiàn)場設(shè)備的實際操作和故障分析處理技能，切實達到學以致用、練以致用的目的。同時為水電行業(yè)技能鑒定和集團公司技能競賽提供更好的平臺支持。

2 仿真系統(tǒng)的必要性及其重要意義

銅街子水電站計算機仿真系統(tǒng)是利用計算機仿真技術(shù)模擬真實水電站的生產(chǎn)過程，并提供真實的培訓環(huán)境的現(xiàn)代化數(shù)字仿真培訓系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，可對生產(chǎn)運維人員進行：水電站正常工況運行操作過程培訓；水電站異常工況運行操作過程培訓；水電站緊急事故工況處理操作培訓；水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)培訓；水電站生產(chǎn)過程運行知識和專業(yè)理論實踐培訓。

安全生產(chǎn)在水電站運營中占有極其重要的地位，生產(chǎn)運維人員的技能水平、操作經(jīng)驗及面對突發(fā)事件時的應(yīng)變能力，是系統(tǒng)運行安全性的絕對性因素。對生產(chǎn)運維人員進行培訓和職業(yè)技能鑒定是一項提高安全性的重要措施。利用仿真培訓的手段，對生產(chǎn)運維人員進行仿真培訓，可使受訓人員在幾乎與實際工作環(huán)境一致的條件下，接受各種運行知識和實操的訓練。同時利用仿真系統(tǒng)的靈活性與真實性，對受訓人員進行職業(yè)技能考核，可以迅速提高運維生產(chǎn)人員的技能等級和職業(yè)素質(zhì)。其直接效果就是為運維值班員生產(chǎn)知識水平和自身技能素質(zhì)都帶來了巨大的提高，從而為企業(yè)安全運營帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，具有重要價值和意義，概括起來主要表現(xiàn)在以下幾點：

1)可以使生產(chǎn)運維人員能熟練、正確地掌握在各種條件下(正常和非正常)的操作和正常運行中的監(jiān)視操作技術(shù)；

2)可以模擬各種故障、事故發(fā)生過程，以培養(yǎng)和提高運維人員正確判斷，排除各種事故的應(yīng)變能力，并通過各種故障判斷和分析的反復培訓，提高對水電站運行的綜合分析能力；

3)可以對運維人員進行輪訓和技能考核，提供客觀反映運維人員生產(chǎn)知識水平和事故、故障分析及應(yīng)變處理能力的手段。

3 仿真系統(tǒng)的組成及功能概述

3.1 仿真系統(tǒng)的組成

計算機硬件系統(tǒng)包括仿真主計算機(服務(wù)器)、教練員臺計算機、學員站計算機、計算機外圍設(shè)備、主控室環(huán)境仿真計算機、I/O接口系統(tǒng)、UPS不間斷電源設(shè)備、交流穩(wěn)壓電源、直流穩(wěn)壓電源等。

計算機軟件系統(tǒng)包括計算機系統(tǒng)軟件(如計算機操作系統(tǒng)、計算機編程語言等)、仿真支撐軟件(即仿真模型軟件的支撐平臺軟件)、仿真教練員臺軟件、仿真模型軟件、I/O接口通訊軟件等。

本仿真系統(tǒng)選用的是UNIX主機+Windows下位機的組合操作系統(tǒng)方案。這種方案兼具了UNIX和Windows系統(tǒng)的優(yōu)點，達到了強強聯(lián)合，取長補短，性能最優(yōu)的效果。

主機操作系統(tǒng)：

仿真模型主機以SCO Open Server UNIX操作系統(tǒng)為運行環(huán)境，通過仿真支撐平臺的數(shù)據(jù)庫管理和工具軟件等實現(xiàn)仿真模型的開發(fā)、調(diào)試、運行。軟件層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真主機操作系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)

3.2 仿真系統(tǒng)的基本功能

1)操作培訓

仿真系統(tǒng)能連續(xù)、實時地仿真電氣一次系統(tǒng)、二次系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等部分的各種正常運行工況。仿真系統(tǒng)根據(jù)具體的運行工況，計算出相應(yīng)的系統(tǒng)運行參數(shù)，并使這些參數(shù)在控制盤儀表和操作員站上顯示出來。

對機組、變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘、輔助系統(tǒng)以及二次回路上的各種刀閘、按鈕、連片、切換壓板、電流端子、熔斷器等都應(yīng)該能夠進行操作，各種操作受控部分，其儀表、信號燈及位置指示器均應(yīng)實時響應(yīng)，且應(yīng)在屏幕上也同時顯示。

此外，系統(tǒng)還能反映在正常操作中發(fā)生設(shè)備異常的情況，以提高學員對此類特殊情況的處理能力。

正常運行和操作的仿真包括：

a) 主閥系統(tǒng)的正常運行和操作；

b) 油壓裝置系統(tǒng)的正常運行和操作；

c) 機組調(diào)速系統(tǒng)的正常運行和操作；

d) 技術(shù)供水、排水系統(tǒng)的正常運行和操作；

e) 壓縮空氣系統(tǒng)的正常運行和操作；

f) 機組制動系統(tǒng)的正常運行和操作；

g) 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的正常運行和操作；

h) 保護裝置的正常運行和操作；

i) 機組的并網(wǎng)、解列操作；

j) 機組的負荷調(diào)整；

k) 廠用電系統(tǒng)的正常運行和操作；

l) 直流電系統(tǒng)的正常運行和操作；

m) 開關(guān)站的正常運行和倒閘操作；

n) 機組的手、自動啟停機操作；

o) 水庫及閘門系統(tǒng)正常運行和操作；

p) 操作過程中設(shè)備異常；

q) 黑啟動；

r) 機組圓筒閥系統(tǒng)的正常運行和操作。

2)日常監(jiān)控培訓

系統(tǒng)具備日常監(jiān)控培訓功能。能仿真現(xiàn)場的監(jiān)控后臺系統(tǒng)，包括監(jiān)視畫面、簡報信息以及報表、曲線、棒圖等畫面，操作界面和操作方法與實際系統(tǒng)保持一致。系統(tǒng)應(yīng)能連續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)的運行方式、機組的各種運行工況，并為運行人員提供各種文字、聲光報警。并應(yīng)具備控制功能，能實現(xiàn)運行方式的轉(zhuǎn)換、機組工況改變、有功、無功負荷調(diào)整等功能。

3)事故、故障處理培訓

仿真系統(tǒng)能模擬系統(tǒng)實時運行中的異常和故障。仿真系統(tǒng)發(fā)生故障與事故的可能性可分為兩種：一種是由于運維培訓人員操作不當而引發(fā)的，另一種是由于設(shè)備質(zhì)量原因發(fā)生的故障與事故。教員可在仿真機上任意設(shè)置該類故障，其產(chǎn)生的現(xiàn)象應(yīng)當自動生成，其現(xiàn)象與實際情況反映一致。

仿真機對事故、故障的仿真能實時、準確地反映真實的事故、故障現(xiàn)象。發(fā)生事故、故障時，仿真機仿真的動、靜態(tài)特性與仿真對象在事故、故障時的動、靜態(tài)特性一致或相像，或與運行經(jīng)驗和工程分析所估計得到的動、靜態(tài)特性相符合。如仿真對象的事故和故障可以通過運維人員的操作得以消除，在仿真機上，運維人員亦可通過操作以消除事故、故障的影響，或恢復機組正常運行；如處理不當，引起事故、故障擴大的效果與仿真對象的真實現(xiàn)象一致或相像。

設(shè)置事故分水輪機、發(fā)電機、機組輔助系統(tǒng)、線路、變壓器、母線、高壓電纜、斷路器、廠用交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)等方面。在設(shè)置的事故中其類型(如相間短路、接地短路、三相短路、二相接地短路、單相斷線)、性質(zhì)(永久或瞬間)、地點(線路從首端末端、反方向，下段線路的首端等)可以任意排列組合，同時還可以與斷路器、繼電保護及自動裝置誤動、拒動及控制電源狀態(tài)排列組合。

4 仿真系統(tǒng)創(chuàng)新研究

由于系統(tǒng)已投運10年以上，為更好的滿足水電站值班人員開展仿真培訓、技能鑒定和技能競賽的需求，達到仿真與現(xiàn)場實際相一致的效果，使運行值班人員通過仿真培訓即能掌握現(xiàn)場設(shè)備的實際操作和故障分析處理技能，需針對仿真系統(tǒng)進行創(chuàng)新研究。結(jié)合培訓和實際生產(chǎn)運維經(jīng)驗，應(yīng)從操作培訓的優(yōu)化，加強事故故障處理能力著手創(chuàng)新。本系統(tǒng)為此完成了以下功能的研發(fā)創(chuàng)新：

1) 監(jiān)控系統(tǒng)光字報警及簡報信息分類完善

完善了光字報警及簡報信息，刪除了重復、無用或已停用設(shè)備光字報警及簡報信息，更改了部分用語不當、與現(xiàn)場實際不符的信息。同時對簡報及光字報警欄進行了分類，在保留原簡報窗口數(shù)據(jù)報出的同時，新增了故障報警欄和事故報警欄，更加符合現(xiàn)場實際，畫面更加清晰、整潔、準確。更有利于培養(yǎng)運行人員在事故處理、故障分析時的信息提取能力。

一般報警的數(shù)量都很大，在處理方面有不少困難之處。比如報警數(shù)目在各個畫面上的顯示、專用功能鍵的響應(yīng)等。包括報警的數(shù)據(jù)表、時間間隔、新報警的產(chǎn)生、舊報警的確認和復歸、特殊功能鍵(包括上翻、下翻、分類切換等)的定義和作用、報警頁的長度、顯示的格式(變量名、描述、當前值、上下限等)等等。報警動態(tài)需要一個后臺的通訊程序和仿真數(shù)據(jù)庫作支持，每一個報警動態(tài)必須有一個特定的標識，稱為tag-name，與tag-name相關(guān)的詳細信息存儲于仿真的數(shù)據(jù)庫當中，包括它的描述、模型變量的名稱等，當以tag-name作為輸入時，它將從數(shù)據(jù)庫中自動提取仿真變量名及其范圍并把它們填入到動態(tài)結(jié)構(gòu)當中去，報警的動態(tài)屬性也將作相應(yīng)的改變。在完善了報警數(shù)據(jù)庫和簡報信息分類的標簽后，只要tag-name不變，仿真應(yīng)用程序總是能夠正確地按照目前數(shù)據(jù)庫的定義執(zhí)行報警。

2) 開關(guān)站、廠用電及機組二次電壓動態(tài)模型

增加了開關(guān)站、廠用電及機組二次電壓空開及選測畫面，并與輔助設(shè)備、保護、勵磁等設(shè)備關(guān)聯(lián)，形成了由上至下的動態(tài)模型。為了直觀體現(xiàn)二次電壓空開的動態(tài)模擬，在就地仿真系統(tǒng)中增加了相應(yīng)各線路、母線的電壓表計顯示，可以實現(xiàn)在就地系統(tǒng)上檢察三相的相電壓和線電壓，同時二次電壓空開模型與同期電壓回路、儀表電壓回路和保護電壓回路模型邏輯同步，可以使操作的過程更全面、事故或故障的現(xiàn)象更真實和全面

3) 機組勵磁調(diào)節(jié)器建壓及遞升加壓動態(tài)模型

原勵磁調(diào)節(jié)器模型只具有AVR(自動勵磁電壓調(diào)節(jié))自動建壓功能，同時兩套勵磁調(diào)節(jié)器只有A套可用，致使勵磁調(diào)節(jié)器建壓模型存在無法手動啟勵、調(diào)壓，無法A、B套相互切換的問題。要解決上述問題，首先要完善勵磁調(diào)節(jié)器的功能模型，實現(xiàn)手動和自動功能、手動跟蹤自動功能以實現(xiàn)自動、手動的無擾動切換、手動和自動相互跟蹤的功能。根據(jù)實際設(shè)備采取電壓恒定調(diào)節(jié)的建模方法如下：

偏差信號的獲得

式中

(1)

U

90——

AVR

自動電壓調(diào)節(jié)給定電壓，標么值

K

——無功電流補償系數(shù)

K

——無量綱化系數(shù)

此偏差信號為考慮了無功電流補償作用的負調(diào)差信號，此信號經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，輸出控制可控硅導通角。

A

=

K

Δ

U

(2)

B

=

B

+

K

Δ

U

(3)

式中

C

=

K

(Δ

U

-Δ

U

-1)

(4)

A

——比例環(huán)節(jié)輸出

K

——比例系數(shù)

B

——本次計算積分環(huán)節(jié)輸出

B

——上次計算積分環(huán)節(jié)輸出

K

——積分系數(shù)

C

——微分環(huán)節(jié)輸出

K

——微分系數(shù)Δ

U

——第

n

次偏差信號Δ

U

-1——第

n

-1次偏差信號

以上方程式反應(yīng)PID的調(diào)節(jié)作用，與其它信號進行競比，形成綜合放大器的輸出，這些信號有低勵限制、過勵限制等。低勵限制和過勵限制根據(jù)發(fā)電機的P-Q曲線特性線插值求得。

根據(jù)調(diào)節(jié)器所控實際對象的物理特性，在勵磁電流小于等于發(fā)電機額定空載勵磁電流前是線性的，隨后開始向磁飽和特性發(fā)展，當勵磁電流達到滿載額定值時，其物理特性已在飽和特性區(qū)域了。發(fā)電機空載自動升壓和滿載甩負荷帶廠用電運行或甩負荷空載運行，可以說就是發(fā)電機分別工作在這兩段不同勵磁特性段里。為滿足調(diào)節(jié)器對這兩段調(diào)節(jié)特性的需要，在建模中用到了變參數(shù)調(diào)節(jié)，將PID常數(shù)的取值跟勵磁電流的大小聯(lián)系起來，就可使勵磁電壓調(diào)節(jié)器快速而小超調(diào)地控制了發(fā)電機端電壓。

現(xiàn)將勵磁調(diào)節(jié)器模型功能完善后，與電調(diào)、監(jiān)控等模型關(guān)聯(lián)，符合現(xiàn)場實際情況，使運行人員能夠進行勵磁建壓及遞升加壓培訓，反饋的信息準確、明了。

4) 開關(guān)站線路及旁路光纖保護裝置動態(tài)模型

針對目前220kV系統(tǒng)線路保護發(fā)展趨勢，增加了光纖保護動態(tài)模型，一方面是符合現(xiàn)場實際，另一方面也為線路保護培訓提供了多樣化，……．

5) 主廠用變保護裝置動態(tài)模型

6) 頂蓋排水控制系統(tǒng)及排水動態(tài)模型

銅街子電站頂蓋排水系統(tǒng)是機組的重要組成部分，也是在機組和廠用設(shè)備操作及事故處理中不容忽視的重點，此次改造增加了頂蓋排水控制系統(tǒng)及排水動態(tài)模型，系統(tǒng)的定值、邏輯與現(xiàn)場完全一致，能夠更加直觀的顯示機組機械部分故障或事故時的現(xiàn)場情況。

7) 機組調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)模型

一直以來，機組調(diào)速系統(tǒng)油回路的動作流程、各閥門動作原理等都是培訓重點、難點，原因在于圖紙上不能完全反映動作原理及動態(tài)過程，而仿真系統(tǒng)畫面也存在同樣缺陷。此次改造，新增了調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)模型，將調(diào)速系統(tǒng)中的過速電磁閥、導葉接力器、導葉主配壓閥等閥門的執(zhí)行機構(gòu)與油路油壓模型關(guān)聯(lián)，以平面動態(tài)圖形的方式，體現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部的管路動作變化。能夠清晰顯示調(diào)速系統(tǒng)在操作、故障、事故等情況下的動作邏輯的過程，為此方面培訓提供有力支撐。

8) 機組壓力流道動態(tài)模型

為更直觀的顯示機組在檢修、故障處理等情況下的排水方式及流程，增加此動態(tài)模型，在培訓中，可以更加清晰的反映工作門、導葉、放空閥、技術(shù)供水系統(tǒng)及尾水門的設(shè)備的配合流程。

9) 新研發(fā)優(yōu)化66個故障處理動態(tài)模型

電站運行人員除承擔日常設(shè)備監(jiān)視、操作的責任外，更重要的是負責現(xiàn)場設(shè)備故障的準確判斷和事故情況下應(yīng)急處理工作，能否根據(jù)現(xiàn)象準確分析故障原因和決定處理方法是判斷運行值班員合格與否的重要標準。此次改造的故障模型，包含了線路、母線、主變、機組、廠用、輔機等相關(guān)的典型故障和事故，每一故障現(xiàn)象都必須足夠清晰的指明故障原因，故障模型的邏輯關(guān)系必須正確，因此模型算法的復雜程度也比較高，對于本次改造的故障和事故模型，難點在于時間順序的簡化，由于實際裝置是由單片機構(gòu)成多CPU并行工作的，循環(huán)計算的周期僅為幾個到十幾個毫秒，在通常配置下，仿真系統(tǒng)的計算周期很難降到十幾毫秒以下，在實際裝置中有前后順序的一些邏輯關(guān)系，在仿真時只能放在同一周期中計算，所以只有對實際的框圖加以改進，才可以清晰的反應(yīng)出故障現(xiàn)象的邏輯順序，指明故障原因。

下面的例子為PRS-753型線路保護裝置，故障為“2E線路出口A相接地”的模型框圖。

圖2 模型框圖

圖3 模型框圖

變量說明：

JSJ：加速繼電器信號

DZ1CK：振蕩繼電器信號

1ZKJCK：一段阻抗繼電器出口信號

2ZKJCK：二段阻抗繼電器出口信號

3ZKJCK：三段阻抗繼電器出口信號

2ZJJSCK：二段阻抗加速出口信號

KG：控制字

同時本仿真系統(tǒng)采用了一機多模的系統(tǒng)分布方式。為了提升培訓效果，從實際生產(chǎn)角度出發(fā)，學員可以在獨立培訓模式、小組培訓模式、統(tǒng)一培訓模式中進行切換，滿足多樣化的培訓需求。

5 結(jié)語

根據(jù)本次仿真系統(tǒng)的研發(fā)創(chuàng)新方案，銅街子水電站計算機仿真系統(tǒng)在投入使用后，可以為學員提供逼真的培訓環(huán)境，達到提高運維人員的專業(yè)素質(zhì)，增強其知識實踐能力的目的，同時經(jīng)過反事故演練后，提高其對水電站非正常和事故狀態(tài)的判斷、處理能力。本系統(tǒng)還能對水電站運行特性、運行方式，以及控制系統(tǒng)進行分析研究。具體表現(xiàn)在：

仿真系統(tǒng)是全數(shù)學-物理過程的培訓仿真裝置，能完整仿真水電站運行的整個生產(chǎn)過程，可以使學員進行正常操作訓練：包括熟練地掌握水電站各種啟停操作、熟悉各種規(guī)程及操作要求、學習理解專業(yè)知識、實踐自身技術(shù)水平。

提供正確的故障、事故現(xiàn)象，培訓和提供學員正確判斷、處理各種故障、事故的應(yīng)變能力，提高分析故障原因和生產(chǎn)原理的能力。

可使學員對全廠運行的基本知識進行講解和訓練，使學員比較全面地理解水電站各種操作的意義和作用，提升水電站安全生產(chǎn)能力，切實達到學以致用、練以致用的目的。同時為水電行業(yè)技能鑒定和集團公司技能競賽提供更好的平臺支持。。