水电站智能运行仿真培训平台研究及应用

万元

(国家电力投资集团公司五凌电力有限公司，湖南 长沙 410004)

水电站智能运行仿真培训平台研究及应用

万元

(国家电力投资集团公司五凌电力有限公司，湖南 长沙 410004)

本文研制了一套集计算机技术、三维可视化技术、网络技术、通信技术、电力自动化建模技术为一体的水电站智能综合仿真培训平台。平台应用全景式1∶1仿真方式，能实现混流式机组、灯泡贯流式机组的运行仿真培训，采用图模一体化技术，结合数学建模、图形化建模技术提高运行仿真的逼真度。

水电站；仿真培训；数学模型；3D虚拟化；混流式；灯泡贯流式

为适应水电站的运行工种专业人员的培训需要，研制了基于图模一体化技术的水电站智能运行仿真培训平台，该平台是计算机及网络技术、三维虚拟场景技术、信息通讯技术、电力设备数学建模技术等多方面技术，采用全景式1∶1仿真方式，能实现混流式电厂、灯泡贯流式电厂的运行人员的数字化培训，且为了有效地增加培训的真实感，平台提出并应用了图模一体化建模技术、电力设备与场景全部采用三维建模的方式。

1 基本原理

基于图模一体化技术的水电站智能运行仿真培训平台采用虚拟培训的方式，对水电站的电力系统进行建模，用计算机虚拟操作的方式模拟现场操作，由于电力系统采用了数字化建模的方式，操作引起的后果将通过数学方程的求解的方式计算，这便将实物培训有效地转化为 “虚拟”培训，不仅可提高培训效果，还可有效地避免人为引起的事故。采用计算机虚拟培训的基本原理可用图 1描述。

由图1可知，虚拟培训不再是针对现场的具体设备，而是以设备的数学模型为基础，通过设计、求解电力设备的数学模型，达到电力系统暂态过程、动态过程、静态过程模拟，人为的设备操作则可已通过建立二维、三维界面系统实现。因此，虚拟培训的基础包括:①电力设备及其连接的数学模型；②2D界面，模拟水电站计算机监控系统界面；③3D界面，模拟水电站运行场景、计算机监控系统不可达的电力设备、运行操作工具等。

通过虚拟培训平台的建立，可衍生出运行人员的设备运行监视、设备3D巡视、设备操作处理、事故处理、3D操作及模拟操作等培训。

图1 计算机虚拟培训的基本原理

2 平台设计与研究

2.1 软件总体结构的规划与设计

基于图模一体化技术的水电站智能运行仿真培训平台可被人为划分成为两大部分:

第1部分:虚拟化电气设备仿真，包括水电站水力—电气系统—机械系统仿真，即水机电系统，水机电系统仿真是仿真培训平台的基础，采用数学建模方式描绘整个水电站的水机电的动态物理过程。

第2部分:虚拟化人机交互界面仿真。界面仿真包括二维、三维界面仿真，重点仿真各种操作的盘面，计算机监控系统界面，及监控不可达界面等。

以上2个部分互相衔接与关联，最终实现水电站各类运行操作、设备巡视、事故处理的全方位仿真，水电站运行人员在二维、三维的人机交互界面上进行操作，触发水机电数学模型的计算，如实地计算出运行操作引起的后果。如运行操作人员能在虚拟化人机界面上下达负荷调节令，水机电数学模型则依之进行负荷调节过程计算，并将计算过程中的重要参数反馈到人机交互界面上。

软件层次化结构如图2所示，软件层次结构分别为界面表现层、数学模型层、自动评分层，其中数学模型层是运行的基础，没有数学模型，则运行仿真系统远远无法模拟水电站的动态过程，而无法实现其仿真培训功能。

2.2 电力设备的数学建模技术研究

采用数学模型描述整个水电站的动态运行过程，需建立 2层数学模型，具体包括单个设备(或者单个系统)的建模，设备间连接的建模，其基本原理是:采用微分方程的方式，对单个设备或多个设备的连接进行描述，当外界认为触发而改变设备或设备连接的边界条件时，微分方程由于边界条件发生变化，将启动求解，求解的过程即为设备操作后引起的动态过程，求解的结果即为设备操作后最终的运行状态。

图2 软件层次化结构

2.2.1 设备建模方法研究

对水电站的主要设备进行建模，包括发电机、水轮机、调速系统、励磁系统、辅助系统、开关设备等，变压器、GIS等关键可采用同样的方法实现模型的建立。本文以发电机、调速器辅助系统、开关设备等为例，研究电力设备数学建模方法。

1)发电机模型，仿真系统主要是用于教学培训，而非工程计算与技术设计，因此要求描述电力系统的动态过程而非暂态过程，这就需要在建立设备数学模型时，在计算精度与运算速度间均衡考虑。文中采用三阶微分方程对发电机系统进行建模与仿真，式(1)—(5)即为本项目采用的发电机模型:

在式(1)—(5)中，分别描述了同步发电机动力矩，发电机转速，励磁磁场，发电机有功与无功，能基本描绘出发电机运行状态。

2)辅助系统模型，以调速油系统为例，研究辅助系统的建模方式，某电站2号机组调速器液压系统包括压力油罐、调速器控制柜、配压阀、过速保护装置、接力器、油泵及控制系统和电厂高压气系统等组成。

调速器动力系统建模:首先用数学建模方式描述压力油罐的物理原理。描述压力油罐的一些重要物理量为:物理容积V0，压力油罐油位h，油罐的压力P，压力油罐的截面积s，假定压力油罐内部温度不变，用数学方程式 (6)，(7)描述:

式中 P1为油泵启动前的油罐压力，V1为油罐空气容积，P2为油泵在启动运行过程中压力油罐的实时压力，V2为P2油压下对应的油罐空气容积。

油泵的建模:描述油泵的相关物理量包括油泵电动机的铭牌功率N，油泵的工作效率ŋ，油泵的杨程H，液压油的密度 (比重)ρ，油泵的流量Q，可用方程式 (8)对油泵进行描述:

根据油泵运行的特征曲线得知，油泵的效率ŋ和油流量Q及扬程H相关 (速度、高度、压力)，可通过查找油泵特征曲线图获得，采用一次插值拟合方式，可建立方程式 (9)，(10)。

建立油泵启动加压过程的数学模型如式(11)—(14):

式 (13)经简单的离散化处理可得:

压力油罐的油压

压力油罐的油位

式 (15)， (16)建立起油泵启动运行过程中压力油罐的油压和油位的关系，通过压力油罐、油泵2个数字模型的有效建模，创建相关物理量之间的逻辑关系。

当调速系统第1次建压时，启动1台高压油泵对压油罐充油，压油罐的油位从0上升至1 000 mm (1/3处)时所需时间大约为9 min，此时压油罐的油压从0上升为3.0 MPa(压油罐内部的空气被压缩)，压油罐油量增加，回油箱的油位降低，从1 251 mm降到了1 150 mm。然后手动对压油罐进行了补气，经1 min，压油罐的油压从3.0 MPa上升至3.93 MPa。在水电机组运行过程中，当压油罐的油压降低至3.65 MPa时，工作高压油泵启动运行，经80 s将压油罐油压升至4.0 MPa时，油泵停止。高压油泵动作过程、油压上升过程等与现场实际情况完全吻合，对提高培训的真实性大有裨益。

其他辅助系统的建模可采用相类似的方法实现。

3)开关设备模型，开关设备的模型相对比较简单，可采用简单的逻辑建模的方式，开关建模的具体方式可描述为:当开关闭合时，用逻辑 “0”描绘开关的状态；当开关断开时，用逻辑 “1”描绘开关的状态。部分开关存在两个触点，即开关存在着中间态，需要用2个逻辑字节描绘。

2.2.2 设备间连接的数学建模方法研究

设备间连接建模即将单个设备 (或者系统)串联起来，按照水电站特定的连接关系，连接起来，进而构成水电机组、整个水电站，其建模方式为:先建立各个机组的数学模型，在把这些的数学模型根据图3机组结构逻辑图串联起来，形成整个机组的数学模型。再根据水电站的主接线图，将各个机组以及电厂的出线连接起来，形成整个水电站的整体数学模型。

图3 设备连接建模－水电机组的整体建模

图3 为某水电站机组的建模，先将水轮机、发电机、调速系统、励磁系统、保护系统、断路器、同期系统等单独建模，然后根据因果逻辑关系，将各个系统串联，形成水电机组的整体模型。

在上述模型中，水轮机为发电机提供原动力，励磁系统采集发电机的电压控制发电机励磁电流，调速系统采集发电机的有功或者频率控制发电机组的进水流量，从而调节发电机的有功功率，整个水电机组是一个整体，任何一个个体发生变化，水电机组的运行状态将发生相应的变化。

2.3 2D图形化建模方法研究

二维监控建模完全模拟水电站的计算机监控系统界面而设计的，2D建模主要指监控系统建模，2D监控平台加载监控画面数据，呈现至图形界面，通过统一的组件链接实时数据库系统，根据设定的图元动作来调整相应的图元显示；接收用户操作指令执行相应的动作，通过消息系统接口发送操作指令。提供图形界面供用户绘制监控画面，并保存配置。绘图环境包含:常规几何图形如线、形状等；图表绘制；曲线绘制；组合功能；图层功能；通过动态链接组件链接实时数据库系统；设定测点数据对于的图元动作特性。

2.4 3D图形化建模方法研究

2.4.1 3D控制界面建模

3D控制界面建模主要实现计算机监控系统不可达的电力设备或自动化元件的建模，受训者(或用户)可在三维虚拟化控制界面上对设备进行操作，触发设备后台的数学模型计算，改变设备数学模型的边界条件，最终改变水机电设备的状态。

该程序由用户启动，程序不可重入。程序包含OSG图形接口模块、MFC视窗接口模块、三维节点加载模块、实时数据通讯模块、场景漫游模块、视窗控件模块、事件触发器模块。

2.4.2 3D运行场景建模

三维运行场景建模主要是便于受训者尽快的熟悉水电站的结构与布置，其绘图采用静态的三维建模方式，整体上勾勒出水电站的三维轮廓，确保受训者有种 “身临其境”的感觉，使培训更具真实感。

2.4.3 3D工具库建模

3D运行工具库建模主要是建立运行人员在工作过程中所必须的工具，包括安全工具、测量工具等。在工作过程中，若没有正确采用工具，则被视为不规范地培训，通过三维工具建模，确保受训人员更加规范地利用工具操作。

2.4.4 3D运行索引

1)设备的查找、快速定位，开发研制3D运行仿真系统的索引，构建设备位置数据库、设备场景数据库、快速索引数据库，并能在现有3D场景中进行自动搜索和3D场景定位。学员通过关键字进行设备搜索时，现有的仿真3D场景能自动切换到所搜设备对应的3D场景和相对应的位置，以便于学员在3D虚拟场景中能快速找到所需的设备。

2)场景回切，学员在进入下个场景后能快速切换回到上个场景所在的位置。

3)电厂整体3D场景与分3D场景的无缝自动切换，建立水电厂整体运行3D场景，该场景须囊括水电厂所有的设备间、控制间等，但不能实现操作，设备操作在分3D场景上进行，当操作人员在该场景上进入任何分3D场景区域时，自动切换到分3D场景，切换时间控制在4 s之内。

2.5 自动评分机制研究

自动评分机制是基于题库设计的，题库有出题专家首先设计好，然后输入到题库中，学员操作系统答题，答题结束后，系统采用前向、后向匹配算法，自动评出学员答题分数。题库配置系统使用B/S结构，利用WEB发布的形式实现对仿真题库的综合管理。系统功能包括用户管理、提干设置、初始设置、故障设置、试题答案参数配置等。用户可以对学员信息进行配置，如增加、删除学员、修改登录密码；对试题的配置包括试题编号、试题名称、分数、试题类型、所属系统、工况设置、故障设置、试题说明、及附件等设置。

自动评分进程作为系统启动项，不可重入，以文字的方式呈现系统运行时的各种通知，并根据考生在人机交互平台的操作，结合题库数据库的步骤参数自动算出成绩结果。

3 结语

基于图模一体化技术的水电站智能运行仿真培训平台结构简单，仅通过一定的软件包、简单的数据库系统及通用家庭电脑即可实现其功能。通过系统的数学建模技术、三维虚拟场景建模技术的引入，平台基本覆盖了运行工种设备巡视、设备操作、事故处理等全部工作内容，能实现水电站全方位、全过程的操作仿真，受训人员可在虚拟的计算机平台上熟练地掌握水电机组启动过程、停机过程、工况切换过程、及维持电站正常运行的所有操作，掌握紧急情况下处理设备异常、电站事故的高层次技能，有效地提高了受训人员实际运行操作技能、设备运行工况分析判断技能，锻炼了应急处置能力。该平台已在五凌电力有限公司投入工程应用，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

万元(1981)，博士，高级工程师，从事水电厂生产过程自动化研究工作。