水電運行培訓仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和關鍵技術(shù)實現(xiàn)

（湖南五凌電力有限公司長沙市410004）

水電運行培訓仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和關鍵技術(shù)實現(xiàn)

黃效恩 張文棟

（湖南五凌電力有限公司長沙市410004）

水電廠培訓仿真系統(tǒng)可以給員工提供較多實操與事故處理機會，有利于員工工作經(jīng)驗快速積累，受訓員工在培訓仿真系統(tǒng)進行實操訓練如同在實際電廠操作中完全一樣，這樣就避免了在實際設備運行時不能進行培訓的難題,另外受訓員工可以在系統(tǒng)中模擬各種設備故障，不影響設備電廠設備正常運行，這樣學員受訓的面比實際設備訓練中更廣。五凌電力發(fā)電廠培訓仿真系統(tǒng)SD8000-SIM，由國電南自和五凌電力共同開發(fā)，實現(xiàn)了水電站的運行生產(chǎn)過程仿真，主要包括設備巡視仿真、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)領先地位。

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

五凌電力水電仿真系統(tǒng)仿真對象包括洪江電廠燈泡貫流式、五強溪混流式兩種機型的水電廠，研究開發(fā)水電站培訓仿真系統(tǒng)，可以在不影響水電廠正常生產(chǎn)運營前提下，為員工提供較多動手機會，有利于員工工作經(jīng)驗快速積累、成長，從而為電廠安全運行提供人才保障。如何在短期內(nèi)提高運行維護人員的判斷、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。培訓仿真系統(tǒng)可以給電廠運行維護人員提供典型的操作和事故處理虛擬現(xiàn)實場景，學員可以而通過仿真培訓系統(tǒng)模擬現(xiàn)場工作中遇到的問題，對處理的方法不斷改進、總結(jié)，可以多快好省地提高學員的技術(shù)能力。

五凌電力水電廠培訓仿真系統(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)平臺研制開發(fā)。目前五凌仿真系統(tǒng)經(jīng)過了電廠運行、維護人員的嚴格測試，已經(jīng)正式投入了運行，得到了業(yè)界的好評。

1 仿真系統(tǒng)的主要用途

水電廠培訓仿真系統(tǒng)主要用途包括兩個方面：為電廠運行人員提供培訓平臺、作為設備分析和診斷平臺。

（1）培訓運行操作人員。培訓仿真系統(tǒng)可以模擬對水電廠重要設備進行拆分、安裝，有利于學員對設備結(jié)構(gòu)形成直觀的認知。系統(tǒng)模擬了水力廠發(fā)電原理和實際的設備場景。學員可以在虛擬場景中進行機組控制如機組啟停和功率增減、開關操作、設備參數(shù)巡視等；也可以各種設備故障發(fā)生時進行故障判斷和處理。

（2）五防操作驗證。水電生產(chǎn)，安全第一。五防系統(tǒng)將電廠機械閉鎖、電氣閉鎖邏輯寫入系統(tǒng)，有效防止在進行機組啟停操作、開關倒閘、設備投運并網(wǎng)等重要操作時出現(xiàn)誤操作。因此，學員可以在仿真系統(tǒng)進行反復模擬操作，選擇最優(yōu)倒閘方案，確保運行操作票的正確性，杜絕誤操作。

（3）模型驗證。電廠中的二次設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)上進行電廠調(diào)速、勵磁、保護等各種控制系統(tǒng)的模型驗證工作，確保控制參數(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)包括服務器（主要用于題庫存儲）、操作員站（界面、仿真機安裝和運行）、交換機等組成。仿真系統(tǒng)仿真部署在每個學員站上，每個學員可以在自己的學員站進行操作培訓，互相之間不干擾。學員培訓方式多樣，可以在自己家進行、可以在電廠培訓室進行、也可以在流域培訓中心進行。

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水電站運行仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，水電站水機電模型仿真水電站的所有過程，包括機組開停機過程、發(fā)電過程、調(diào)節(jié)過程中主機設備、輔助設備等所有設備的所有實時數(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，運行操作人員可以在界面上巡視，并可以在界面上進行操作，操作過程引起的相應反應全部由水機電模型模擬出來。如果發(fā)生事故，運行人員在界面上進行處理，處理的過程由水機電模型模擬出來。水電站運行規(guī)程通過專業(yè)人員轉(zhuǎn)化成運行仿真題庫。運行操作人員在上機培訓后，可以通過選擇運行仿真題庫中的題目來進行測試，并通過自動評分系統(tǒng)來進行自動評分，自動評分系統(tǒng)會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誤。

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

圖3 SD8000-SIM水電站運行仿真界面圖

3 五凌培訓仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)

五凌仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了機組手動、自動開停機，工況初始化設置，機組功率調(diào)節(jié)，機組檢修操作、設備異常運行狀態(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、仿真機和自動評分系統(tǒng)。水電廠設備倒閘、功率調(diào)節(jié)操作等均可在仿真系統(tǒng)實現(xiàn)，包括監(jiān)控系統(tǒng)操作和實際設備操作。

五凌培訓仿真系統(tǒng)正常操作包括：機組自動、手動啟停操作；機組功率調(diào)整操作；斷路器倒閘操作；設備狀態(tài)巡檢；其他如保護系統(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、驗電、掛牌、裝拆接地線、設置檢修護欄等。

（2）異常運行工況仿真與處理。水電廠可能發(fā)生各種事故，如水機事故（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)電機絕緣擊穿、線路短路等）。本仿真系統(tǒng)可以對這些事故進行現(xiàn)象模擬，學員可以在系統(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。

（3）考試、培訓操作模式。系統(tǒng)具有兩種操作模式。培訓模式下，具有完善的五防操作閉鎖功能，系統(tǒng)根據(jù)每個設備的操作條件進行判斷，從而確定學員能否可以進行操作。考試模式下，監(jiān)控系統(tǒng)沒有操作閉鎖功能，運行人員可以自由操作，系統(tǒng)不提示，在后臺對學員操作步驟進行評判，有利于檢驗學員的培訓效果。

（4）采用反演計算的初始工況設置技術(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)電的工況下設置基本工況的變化量。采用反演計算得出新的工況各參數(shù)狀態(tài)。

（5）學員考核。教員通過水電站運行專業(yè)題庫生成考試試卷或通過在線仿真培訓系統(tǒng)實操考核，學員通過上機進行操作并進行考評，并能進行智能評分，并準確標記成功“漏做”的步驟。考試成績自動排序、記錄、保存、查詢。

（6）音響模擬。系統(tǒng)將電廠實際操作時設備發(fā)出的聲音錄存在系統(tǒng)中，當學員進行設備操作時，相關聲音就會播放，這樣可以鍛煉學員的心理承受能力，有利于學員在事故處理時保持鎮(zhèn)定，思路清晰。

（7）設備查找導航功能。學員進行操作時，可以直接在3D場景搜索定位水電廠相關設備，縮短學員熟悉仿真電廠設備布局的時間，很容易找到操作設備。

4 五凌培訓仿真系統(tǒng)的算法實現(xiàn)

水輪機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。水輪機方程如下式：

4階發(fā)電機數(shù)學模型，可以很好地描述發(fā)電機的暫態(tài)過程。其計算公式為：

5 五凌培訓仿真系統(tǒng)關鍵技術(shù)

五凌水電仿真培訓系統(tǒng)核心部分的仿真計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－機械－電氣的仿真計算和模擬研究，在此基礎上研發(fā)的仿真機能比較真實地反應水電站運行狀況。

仿真培訓系統(tǒng)的主要難點在于對象的不同，包括機組類型、變壓器類型的不同，機組運行的流程不同，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)不同電站機組運行的不同流程進行靈活的組態(tài)；②對象組態(tài)技術(shù)：對于機組不同的類型來進行不同的機組屬性組態(tài)；③圖模庫一體化技術(shù)：對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。此三項技術(shù)的研制成功可以多塊好省地配置不同電站、不同機型、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)仿真界面和實際設備仿真界面兩部分，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，實際設備仿真界面采用OpenSceneGraph技術(shù)（簡稱OSG），電廠實際場景通過3DMAX進行建模，然后導出IVE格式，再采用OSG 3D驅(qū)動技術(shù)進行驅(qū)動，從而能仿真場景漫游和實際操作。

6 結(jié)論

五凌仿真系統(tǒng)基于仿真軟件平臺SD8000-SIM，采用了流程組態(tài)技術(shù)、對象組態(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)人員嚴格測試，已經(jīng)正式投入了使用，業(yè)界反應良好。經(jīng)過運行和操作大賽的檢驗，證明其具有操作便利性、技術(shù)先進性、界面友好性等特點。

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2016-12-22）

黃效恩（1982－），男，大學本科，研究方向為水電和電力仿真系統(tǒng)研究、教學與研發(fā)，電話：0731－85893318，E－mail：huang_hxe@wu－ling.com；張文棟（1983－），男，大學本科，工程師，從事水電廠集控運行仿真和發(fā)電運行工作。