水電站智能運行仿真培訓平臺研究及應用

萬元

(國家電力投資集團公司五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004)

水電站智能運行仿真培訓平臺研究及應用

萬元

(國家電力投資集團公司五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004)

本文研制了一套集計算機技術、三維可視化技術、網絡技術、通信技術、電力自動化建模技術為一體的水電站智能綜合仿真培訓平臺。平臺應用全景式1∶1仿真方式，能實現混流式機組、燈泡貫流式機組的運行仿真培訓，采用圖模一體化技術，結合數學建模、圖形化建模技術提高運行仿真的逼真度。

水電站；仿真培訓；數學模型；3D虛擬化；混流式；燈泡貫流式

為適應水電站的運行工種專業人員的培訓需要，研制了基于圖模一體化技術的水電站智能運行仿真培訓平臺，該平臺是計算機及網絡技術、三維虛擬場景技術、信息通訊技術、電力設備數學建模技術等多方面技術，采用全景式1∶1仿真方式，能實現混流式電廠、燈泡貫流式電廠的運行人員的數字化培訓，且為了有效地增加培訓的真實感，平臺提出并應用了圖模一體化建模技術、電力設備與場景全部采用三維建模的方式。

1 基本原理

基于圖模一體化技術的水電站智能運行仿真培訓平臺采用虛擬培訓的方式，對水電站的電力系統進行建模，用計算機虛擬操作的方式模擬現場操作，由于電力系統采用了數字化建模的方式，操作引起的后果將通過數學方程的求解的方式計算，這便將實物培訓有效地轉化為 “虛擬”培訓，不僅可提高培訓效果，還可有效地避免人為引起的事故。采用計算機虛擬培訓的基本原理可用圖 1描述。

由圖1可知，虛擬培訓不再是針對現場的具體設備，而是以設備的數學模型為基礎，通過設計、求解電力設備的數學模型，達到電力系統暫態過程、動態過程、靜態過程模擬，人為的設備操作則可已通過建立二維、三維界面系統實現。因此，虛擬培訓的基礎包括:①電力設備及其連接的數學模型；②2D界面，模擬水電站計算機監控系統界面；③3D界面，模擬水電站運行場景、計算機監控系統不可達的電力設備、運行操作工具等。

通過虛擬培訓平臺的建立，可衍生出運行人員的設備運行監視、設備3D巡視、設備操作處理、事故處理、3D操作及模擬操作等培訓。

圖1 計算機虛擬培訓的基本原理

2 平臺設計與研究

2.1 軟件總體結構的規劃與設計

基于圖模一體化技術的水電站智能運行仿真培訓平臺可被人為劃分成為兩大部分:

第1部分:虛擬化電氣設備仿真，包括水電站水力—電氣系統—機械系統仿真，即水機電系統，水機電系統仿真是仿真培訓平臺的基礎，采用數學建模方式描繪整個水電站的水機電的動態物理過程。

第2部分:虛擬化人機交互界面仿真。界面仿真包括二維、三維界面仿真，重點仿真各種操作的盤面，計算機監控系統界面，及監控不可達界面等。

以上2個部分互相銜接與關聯，最終實現水電站各類運行操作、設備巡視、事故處理的全方位仿真，水電站運行人員在二維、三維的人機交互界面上進行操作，觸發水機電數學模型的計算，如實地計算出運行操作引起的后果。如運行操作人員能在虛擬化人機界面上下達負荷調節令，水機電數學模型則依之進行負荷調節過程計算，并將計算過程中的重要參數反饋到人機交互界面上。

軟件層次化結構如圖2所示，軟件層次結構分別為界面表現層、數學模型層、自動評分層，其中數學模型層是運行的基礎，沒有數學模型，則運行仿真系統遠遠無法模擬水電站的動態過程，而無法實現其仿真培訓功能。

2.2 電力設備的數學建模技術研究

采用數學模型描述整個水電站的動態運行過程，需建立 2層數學模型，具體包括單個設備(或者單個系統)的建模，設備間連接的建模，其基本原理是:采用微分方程的方式，對單個設備或多個設備的連接進行描述，當外界認為觸發而改變設備或設備連接的邊界條件時，微分方程由于邊界條件發生變化，將啟動求解，求解的過程即為設備操作后引起的動態過程，求解的結果即為設備操作后最終的運行狀態。

圖2 軟件層次化結構

2.2.1 設備建模方法研究

對水電站的主要設備進行建模，包括發電機、水輪機、調速系統、勵磁系統、輔助系統、開關設備等，變壓器、GIS等關鍵可采用同樣的方法實現模型的建立。本文以發電機、調速器輔助系統、開關設備等為例，研究電力設備數學建模方法。

1)發電機模型，仿真系統主要是用于教學培訓，而非工程計算與技術設計，因此要求描述電力系統的動態過程而非暫態過程，這就需要在建立設備數學模型時，在計算精度與運算速度間均衡考慮。文中采用三階微分方程對發電機系統進行建模與仿真，式(1)—(5)即為本項目采用的發電機模型:

在式(1)—(5)中，分別描述了同步發電機動力矩，發電機轉速，勵磁磁場，發電機有功與無功，能基本描繪出發電機運行狀態。

2)輔助系統模型，以調速油系統為例，研究輔助系統的建模方式，某電站2號機組調速器液壓系統包括壓力油罐、調速器控制柜、配壓閥、過速保護裝置、接力器、油泵及控制系統和電廠高壓氣系統等組成。

調速器動力系統建模:首先用數學建模方式描述壓力油罐的物理原理。描述壓力油罐的一些重要物理量為:物理容積V0，壓力油罐油位h，油罐的壓力P，壓力油罐的截面積s，假定壓力油罐內部溫度不變，用數學方程式 (6)，(7)描述:

式中 P1為油泵啟動前的油罐壓力，V1為油罐空氣容積，P2為油泵在啟動運行過程中壓力油罐的實時壓力，V2為P2油壓下對應的油罐空氣容積。

油泵的建模:描述油泵的相關物理量包括油泵電動機的銘牌功率N，油泵的工作效率?，油泵的楊程H，液壓油的密度 (比重)ρ，油泵的流量Q，可用方程式 (8)對油泵進行描述:

根據油泵運行的特征曲線得知，油泵的效率?和油流量Q及揚程H相關 (速度、高度、壓力)，可通過查找油泵特征曲線圖獲得，采用一次插值擬合方式，可建立方程式 (9)，(10)。

建立油泵啟動加壓過程的數學模型如式(11)—(14):

式 (13)經簡單的離散化處理可得:

壓力油罐的油壓

壓力油罐的油位

式 (15)， (16)建立起油泵啟動運行過程中壓力油罐的油壓和油位的關系，通過壓力油罐、油泵2個數字模型的有效建模，創建相關物理量之間的邏輯關系。

當調速系統第1次建壓時，啟動1臺高壓油泵對壓油罐充油，壓油罐的油位從0上升至1 000 mm (1/3處)時所需時間大約為9 min，此時壓油罐的油壓從0上升為3.0 MPa(壓油罐內部的空氣被壓縮)，壓油罐油量增加，回油箱的油位降低，從1 251 mm降到了1 150 mm。然后手動對壓油罐進行了補氣，經1 min，壓油罐的油壓從3.0 MPa上升至3.93 MPa。在水電機組運行過程中，當壓油罐的油壓降低至3.65 MPa時，工作高壓油泵啟動運行，經80 s將壓油罐油壓升至4.0 MPa時，油泵停止。高壓油泵動作過程、油壓上升過程等與現場實際情況完全吻合，對提高培訓的真實性大有裨益。

其他輔助系統的建模可采用相類似的方法實現。

3)開關設備模型，開關設備的模型相對比較簡單，可采用簡單的邏輯建模的方式，開關建模的具體方式可描述為:當開關閉合時，用邏輯 “0”描繪開關的狀態；當開關斷開時，用邏輯 “1”描繪開關的狀態。部分開關存在兩個觸點，即開關存在著中間態，需要用2個邏輯字節描繪。

2.2.2 設備間連接的數學建模方法研究

設備間連接建模即將單個設備 (或者系統)串聯起來，按照水電站特定的連接關系，連接起來，進而構成水電機組、整個水電站，其建模方式為:先建立各個機組的數學模型，在把這些的數學模型根據圖3機組結構邏輯圖串聯起來，形成整個機組的數學模型。再根據水電站的主接線圖，將各個機組以及電廠的出線連接起來，形成整個水電站的整體數學模型。

圖3 設備連接建模－水電機組的整體建模

圖3 為某水電站機組的建模，先將水輪機、發電機、調速系統、勵磁系統、保護系統、斷路器、同期系統等單獨建模，然后根據因果邏輯關系，將各個系統串聯，形成水電機組的整體模型。

在上述模型中，水輪機為發電機提供原動力，勵磁系統采集發電機的電壓控制發電機勵磁電流，調速系統采集發電機的有功或者頻率控制發電機組的進水流量，從而調節發電機的有功功率，整個水電機組是一個整體，任何一個個體發生變化，水電機組的運行狀態將發生相應的變化。

2.3 2D圖形化建模方法研究

二維監控建模完全模擬水電站的計算機監控系統界面而設計的，2D建模主要指監控系統建模，2D監控平臺加載監控畫面數據，呈現至圖形界面，通過統一的組件鏈接實時數據庫系統，根據設定的圖元動作來調整相應的圖元顯示；接收用戶操作指令執行相應的動作，通過消息系統接口發送操作指令。提供圖形界面供用戶繪制監控畫面，并保存配置。繪圖環境包含:常規幾何圖形如線、形狀等；圖表繪制；曲線繪制；組合功能；圖層功能；通過動態鏈接組件鏈接實時數據庫系統；設定測點數據對于的圖元動作特性。

2.4 3D圖形化建模方法研究

2.4.1 3D控制界面建模

3D控制界面建模主要實現計算機監控系統不可達的電力設備或自動化元件的建模，受訓者(或用戶)可在三維虛擬化控制界面上對設備進行操作，觸發設備后臺的數學模型計算，改變設備數學模型的邊界條件，最終改變水機電設備的狀態。

該程序由用戶啟動，程序不可重入。程序包含OSG圖形接口模塊、MFC視窗接口模塊、三維節點加載模塊、實時數據通訊模塊、場景漫游模塊、視窗控件模塊、事件觸發器模塊。

2.4.2 3D運行場景建模

三維運行場景建模主要是便于受訓者盡快的熟悉水電站的結構與布置，其繪圖采用靜態的三維建模方式，整體上勾勒出水電站的三維輪廓，確保受訓者有種 “身臨其境”的感覺，使培訓更具真實感。

2.4.3 3D工具庫建模

3D運行工具庫建模主要是建立運行人員在工作過程中所必須的工具，包括安全工具、測量工具等。在工作過程中，若沒有正確采用工具，則被視為不規范地培訓，通過三維工具建模，確保受訓人員更加規范地利用工具操作。

2.4.4 3D運行索引

1)設備的查找、快速定位，開發研制3D運行仿真系統的索引，構建設備位置數據庫、設備場景數據庫、快速索引數據庫，并能在現有3D場景中進行自動搜索和3D場景定位。學員通過關鍵字進行設備搜索時，現有的仿真3D場景能自動切換到所搜設備對應的3D場景和相對應的位置，以便于學員在3D虛擬場景中能快速找到所需的設備。

2)場景回切，學員在進入下個場景后能快速切換回到上個場景所在的位置。

3)電廠整體3D場景與分3D場景的無縫自動切換，建立水電廠整體運行3D場景，該場景須囊括水電廠所有的設備間、控制間等，但不能實現操作，設備操作在分3D場景上進行，當操作人員在該場景上進入任何分3D場景區域時，自動切換到分3D場景，切換時間控制在4 s之內。

2.5 自動評分機制研究

自動評分機制是基于題庫設計的，題庫有出題專家首先設計好，然后輸入到題庫中，學員操作系統答題，答題結束后，系統采用前向、后向匹配算法，自動評出學員答題分數。題庫配置系統使用B/S結構，利用WEB發布的形式實現對仿真題庫的綜合管理。系統功能包括用戶管理、提干設置、初始設置、故障設置、試題答案參數配置等。用戶可以對學員信息進行配置，如增加、刪除學員、修改登錄密碼；對試題的配置包括試題編號、試題名稱、分數、試題類型、所屬系統、工況設置、故障設置、試題說明、及附件等設置。

自動評分進程作為系統啟動項，不可重入，以文字的方式呈現系統運行時的各種通知，并根據考生在人機交互平臺的操作，結合題庫數據庫的步驟參數自動算出成績結果。

3 結語

基于圖模一體化技術的水電站智能運行仿真培訓平臺結構簡單，僅通過一定的軟件包、簡單的數據庫系統及通用家庭電腦即可實現其功能。通過系統的數學建模技術、三維虛擬場景建模技術的引入，平臺基本覆蓋了運行工種設備巡視、設備操作、事故處理等全部工作內容，能實現水電站全方位、全過程的操作仿真，受訓人員可在虛擬的計算機平臺上熟練地掌握水電機組啟動過程、停機過程、工況切換過程、及維持電站正常運行的所有操作，掌握緊急情況下處理設備異常、電站事故的高層次技能，有效地提高了受訓人員實際運行操作技能、設備運行工況分析判斷技能，鍛煉了應急處置能力。該平臺已在五凌電力有限公司投入工程應用，取得了良好的效果。

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Research and application of intelligent operation simulation training platform for hydropower station

WAN Yuan
(China State Investment Corp.Wuling Power Co.，LTD.，Changsha 410004，China)

The intelligent simulation training system of hydropower station has been developed，which is a set of comprehensive simulation training system concluding computer technology，3D visualization technology，network technology，communication technology.The system adopts the panoramic 1∶1 simulation to achieve the simulation training function of the Francis turbine，the bulb turbine unit operation work.In order to improve the sense of reality，all the three dimensional modeling method is used in the system.At present，the intelligent simulation training system has been built and put into operation of hydropower station，which is used widely not only in hydropower station for the work skills training，but also for the large skills contest.

hydropower stations；simulation training；digital model；3D visualization；Francis turbine；bulb turbine

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.007

TV7

B

1008-0198(2015)04-0027-04

2015-06-16

萬元(1981)，博士，高級工程師，從事水電廠生產過程自動化研究工作。