水電廠仿真培訓系統故障模擬與報警功能的實現

呂毅松，白劍飛，李亦凡，陳偉光，李東璐，甄培江，丘恩華，劉德龍

（1.南方電網調峰調頻發電有限公司，廣東 廣州 510630；2.北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

0 引言

隨著計算機技術的發展，計算機三維仿真培訓系統已成為水電廠員工培訓的重要手段之一，特別在事故及故障處理培訓中獨具優勢[1]。仿真系統的準確性和信號反饋的實時性對于培訓效果十分重要。抽水蓄能水電站機組承擔著電網中調峰調頻的作用，一天之內啟停頻繁，工況及發電出力需經常性的調整，在運行過程中會產生大量控制和報警信息。因此為了培訓員工查找出故障真實原因，采取相應措施應對機組故障，需要仿真系統盡可能真實地模擬并上報故障信息。而實際故障或事故事件發生時，往往會產生多達數十條報警信息，如若直接在仿真系統中人工強置這些狀態和報警信息，工作將十分繁瑣，并存在故障模擬不靈活，報警范圍不全等缺點。基于設備數學模型后臺的OTS2000仿真系統可以便捷地解決這一問題。該系統引入故障點設置，只需設置好故障源頭的數據狀態信息，后續故障和報警信息可由模型內部自動觸發產生并上送至仿真人機界面[2]。

1 事件順序記錄故障點設置

隨著水電廠故障診斷和處理培訓需求的發展，用戶對仿真系統的真實性要求更高，希望系統能對故障事件全部狀態信號量進行模擬、記錄并具有較高的事件分辨率。

傳統仿真系統將全部應報出的狀態信號都設置在故障案例中，采用事件記錄模塊進行數據采集。這種做法一方面成本較高，另一方面也僅滿足了某單一工況下的某一故障現象，對水電廠廠站層其他設備的狀態信號量以及用戶程序產生的一些可用于診斷的中間變量信號的模擬有所缺失。

為解決這一問題，OTS2000系統在設備算法模塊中保留了模型故障點接口，可根據設備物理原理、控制及保護系統邏輯觸發產生一系列狀態變位信息及報警信息。在OTS2000系統中，故障點是從教員站平臺或學員站平臺以下令的方式強制后臺數學模型相關變量變位。根據故障的復雜程度，教員可在教員站中將故障設置為單點故障或多點復合故障。由于相同的故障點可根據不同工況，觸發相應的中間變量和報警信息，產生不同的故障效果。下發故障點前，使用者應首先明確故障發生時蓄能水電廠機組工況、線路狀態、油水氣等公用系統的工作狀態等。采用這一方法，可以讓故障現象的產生更加靈活，符合南方電網調峰調頻公司集約化培訓的需求，獲得更好的培訓效果[3]。

2 故障信息的產生、上送及事件分辨率

2.1 故障信息的產生與上送

故障點數據下發到設備數學模型后，會根據設備模型參數設置，觸發一系列連鎖的故障信息。根據不同故障類型，故障點數據可分為模擬量或數字量故障。例如機組轉子一點接地故障，可將相關電阻值的模擬量設為故障點，下發后會觸發相關故障報警和繼電保護邏輯。而模擬水泵故障造成的集水井水位過高現象，可將一個高出上限的集水井水位（模擬量）數據以及水泵故障停機狀態點（數字量）均設置為故障點。需要故障場景時，只需將這些故障數值及狀態下發至系統數學模型，則會觸發水位高報警信息，并觸發備用潛水泵啟動等一系列中間量的變化及狀態信息。

通用故障信號的設置和產生：圖1為故障觸發器模型，可模擬通用故障信號的產生。其中輸入S1設為故障信號，當其為高電平時，模塊輸出N產生故障報警信號，輸入S2設為故障復歸信號，當其為高電平時且輸入S1恢復低電平后，輸出N故障報警復歸，故障信號消失。仿真系統恢復蓄能水電站正常工作狀態。

圖1 故障觸發器

如果能像水電站監控系統那樣，將采集的狀態信號量和有用的中間變量信號進行全面模擬和事件順序記錄，就可以進一步提高仿真系統的仿真精度，為模擬故障、故障診斷訓練、故障處理訓練提供更真實的信息。因此，我們參考監控系統上位機的事件記錄功能和下位機現地控制單元的信號傳輸機制，設計用程序實現狀態信號量事件順序記錄和上送，這一功能被稱為變位上送功能。

實際工程中，在下位機(PLC)的主循環程序里，每個循環周期沿觸發器都會檢測所有狀態信號（包括數字輸入狀態量、數字輸出量、通信輸入狀態量、虛擬狀態量）是否發生上升沿跳變或下降沿跳變，如果檢測到狀態信號有跳變，就即刻進行記錄并生成變位信息記錄報文打包發送給上位機系統[3]。

OTS2000水電站仿真系統內的數學模型及模型驅動可以模擬下位機變位的這一工作過程。模型驅動循環檢測模型的狀態信號輸出，如果檢測到跳變，則即刻將該信號點的邏輯點名，變位狀態，變位發生的時間等信息，發送到上一層仿真人機界面系統，系統根據程序設定判斷邏輯點類型，如果是故障點，則向培訓人員發出告警信號，如果是事件點，則寫入事件列表，供培訓人員分析判斷。

針對故障情況下模擬量的變化，仿真系統也會提供曲線分析等手段，展現這一時段內模擬量的變化趨勢，方便培訓人員進行故障分析和判斷。

2.2 變位上送時間精度和事件分辨率

變位上送功能的狀態信號變位時間的記錄精度和事件分辨率主要受模型模塊的計算周期和模型驅動的掃描周期影響。

將t1設為狀態信號點或報警點實際發生變位的時刻，t2為變位上送功能記錄的信號點變位時刻，設t3為該周期掃描開始后變位上送功能程序段的執行時間,t4為模型狀態采集程序掃描周期。考慮以下兩種極端情況：

當信號變位發生在上次掃描結束、下一次掃描開始前，則t2=t1+t3，狀態點實際變位時刻t1與變位上送功能記錄的信號點變位時刻t2最為接近；當信號變位發生在本次掃描剛結束時，則t2=t1+t3+t4，狀態點實際變位時刻t1與變位上送功能記錄的信號點變位時刻t2相差最大。

在OTS2000系統中，變位上送功能檢測的是數學模型的信號狀態，構成數學模型的算法模塊的輸出結果每隔1 ms刷新一次，遠小于模型狀態采集周期。如果狀態信號點和報警點在模型狀態采集程序掃描周期內發生間隔很短的兩次跳變，變位上送功能是無法檢測到這期間模型信號的變位情況的。例如掃描開始時監測狀態發生了一次跳變，在本次掃描結束時該狀態點再次變位，這兩次跳變無法檢測到，期間間隔時間為掃描周期。基于以上分析，狀態點和報警點的變位上送的事件分辨率為模型狀態采集程序的掃描周期。

OTS2000平臺的建模算法模塊，最小計算周期為1 ms,遠小于模型驅動采集程序的計算周期，可以忽略不記。整體模型的狀態采集程序的掃描周期則取決于仿真數學模型的復雜程度，復雜精細的數學模型，涉及到的狀態信號點越多，掃描周期越長。在實際工程執行中，開發工程師應注意模型精細度和掃描周期時長的平衡，同時盡量精簡不必要的中間量和虛擬點。經實際仿真工程測試，OTS2000平臺的操作周期在十幾毫秒到幾十毫秒之間。對比實際水電廠監控下位機系統，如西門子S7-400系列PLC為主控制器的現地控制系統，正常運行時主循環程序掃描周期≤30 ms[5]。因此，OTS2000仿真系統的模型驅動掃描周期和上送分辨率基本貼合實際系統，可以滿足故障事件順序記錄對事件分辨率的仿真需求。

3 結語

OTS2000仿真系統實現的系統故障模擬與報警功能，記錄下故障的全部狀態和變位信息等事件，可以模擬實際水電站計算機監控系統以SOE模件對重要事件點做事件順序記錄的方式，通過這種手段為學員進行事件或故障原因分析提供更全面、可靠的信息存儲和故障分析依據。這一功能的實現也為將仿真培訓系統升級為仿真測試系統打下良好基礎，為OTS2000仿真系統的深度應用做準備。

目前，該仿真系統已部署在南方電網調峰調頻有限公司培訓中心。系統以廣東清遠抽水蓄能電站為被仿對象，從投運情況來看，該功能運行正常，可較為完整地記錄故障發生和處理操作過程中的事件順序，與實際基本相符。下一步，我們將在此基礎上進一步研究該系統與檢修培訓系統的信息交互和功能融合，設計并實現抽水蓄能水電站運維檢修一體化的培訓模式。