数字仿真系统在梯级水电站生产培训中的应用

何　军，　曹 红 旺，　杨　怡，　罗 盛 华

(四川大川电力有限公司，四川 雅安　625605)



数字仿真系统在梯级水电站生产培训中的应用

何军，曹 红 旺，杨怡，罗 盛 华

(四川大川电力有限公司，四川 雅安625605)

全数字梯级水电站仿真系统能根据需要改变外部参数、改变工作状态、设置故障和事故，提高其了解、分析和处理故障及事故的能力，满足各种不同培训对象的需要，可作岗前培训、在岗培训及以技术比武之用，为全面提高公司水电生产运行人员技术水平打下良好基础，实现了数字仿真系统建设预期目标。

数字仿真；梯级水电站；生产培训；应用

1　电厂概况

大川电厂位于雅安市芦山县大川镇，距芦山县城70 km,距邛崃市58 km,距成都132 km,电厂总部及生活基地坐落在大川镇镇上，所属五个电站随大川河而上梯级建造，离大川镇最近的佛山电站约8公里,最远的小牛颈电站约38公里，各子站之间相距约10公里左右，上下横跨约40公里，海拔高程在1 200-2 200米之间。

大川电厂由佛山电站、长石坝电站、中咀电站、马桑坪电站、小牛颈电站组成。佛山电站装机容量2×11 000 kW、长石坝电站装机容量2×10 000 kW、中咀电站装机容量2×14 000 kW，马桑坪电站装机容量2×7 300 kW、小牛颈电站装机容量2×9 400 kW。其中，中咀电站始建于2002年11月18日，建成于2005年9月8日；长石坝电站始建于2003年3月，建成于2006年9月1日；佛山电站始建于2003年3月，建成于2006年12月25日。马桑坪建于2005年2月，建成于2007年11月26日、小牛颈建于2005年2月，建成于2008年1月11日，各电站由长石坝梯调中心统一调度运行。

各电站所有控制系统部分全部采用基于PLC控制的GE9030控制系统(软件采用南京钛能公司TalentView6.52版式本)。

每套控制系统设上位机、现地LCU柜以及辅控柜，上位机系统由专用键盘、鼠标以及彩色液晶显示器作为联合循环机组的主要监视和控制手段，实现全LCD监控。

2　数字式梯级电站仿真系统功能

数字式梯级电站仿真系统实现全范围、真实、准确地模拟梯级发电厂多台水轮发电机组对象静、动态全范围物理生产过程，覆盖的仿真范围包括大坝、水轮机、发电机、变压器、二次系统、输电线路及相关辅助设备等系统设备的运行、控制，包括仪表、CRT监视、操作的所有设备及部分就地操作的阀门、开关设备，过程包括大坝的蓄、放水、监测；单元机组启停、正常运行及事故处理。具备完善的培训功能，运行人员通过仿真机训练，能熟练地掌握机组启停过程和正常运行调整及事故处理技能，提高实际操作和分析判断能力。

仿真系统控制系统采用搭建方式进行，能对实际DCS控制逻辑进行仿真与调试。使学员能够熟练的掌握专业系统的工作原理，正确分析、判断、处理相关的各种故障，对自动控制参数进行整定、优化，为其稳定运行提供试验手段。

仿真系统电气系统能够仿真电气保护动作过程、现象及处理方式与现场一致，能够培训电气运行人员，使其能够熟练的掌握专业系统的工作原理，正确分析、判断、处理相关的各种故障。

仿真系统教练员站提供多种对仿真机的监控手段及教学管理手段，有完整的训练方式，能设置发电机、辅助控制、电气运行等各种故障及各种初始条件，具有生成教案、评定成绩的功能。

仿真系统支撑系统成绩评定功能提供了学员仿真培训的客观评分功能，对学员操作形成操作记录存档，对学员操作的运行工况进行有效的参数记录存档，并通过软件分析得出客观评分，为教练员主观评分提供手段。教练员能方便地预设评分方案。教练员可以对学员的操作水平作出成绩评价，并通过打印机输出运行人员操作情况报告及运行人员成绩报告。并且对教练员感兴趣的训练项目，教练员可修正其评价过程。该功能的特点是：组态方式实现，无需编程，变量和权重可随意调整和改变。

仿真系统使用微软Windows操作系统为平台，采用一机多模方式和分组培训运行，有良好的中文人机界面，易于维护与升级。同时，该系统应具有一定的扩展功能，有能力对一机多模系统提供广泛的系统软、硬件接口。

3　系统各部分简述

采用基于虚拟现实技术的现场环境仿真。大坝、开关站、厂内水机、电气、辅助系统等设备采用组件技术、3D建模技术和虚拟现实技术来模拟，构建虚拟电厂，形象地反映设备的正常、异常、事故状态及其操作过程，不但可以对虚拟场景中的设备巡视、检查、漫游，而且可以进行虚拟操作，提高系统的真实感、现场感。主要部分如下：

3.1水轮机系统

(1)水轮机系统结构、工作原理及技术参数模型；

(2)水轮机各种状态下启动前的检查模型；

(3)水轮机充水前、后各压力表计动态特性；

(4)各种状态下机组启动以及停机的全过程；

(5)水轮机流量、轴承温度、各部压力及阀门在各种工况下的动态特性；

(6)不同状态下机组启动与停机全过程中，各轴承轴瓦温度和机组振动、摆度等主要监视参数之间的关系及变化情况；

(7)水轮机所有保护、联锁和信号；

(8)机组负荷与导叶开度之间的关系；

(9)水轮机系统在运行中检查模型；

(10)正确地仿真水轮机系统可能出现的故障。当故障加入后，有关参数反映正确，保护动作与报警情况反映正确。

3.2调速器系统

(1)调速器系统结构、工作原理及技术参数模型；

(2)调速器各种状态下启动前的检查模型；

(3)调速器自动启动工况下各元件参数变化情况及信号与现场完全仿真；

(4)调速器手动启动工况下各元件参数变化情况及信号与现场完全仿真；

(5)调速器自动与手动相互转换各元件动作参数及信号与现场完全仿真；

(6)机组事故工况下，调速器各元件动作参数及信号与现场完成防止；

(7)机组单机运行及并网运行，调速器各元件动作参数及信号变化与现场完全防止；

(8)调速器油压装置各种状态下启动前的检查模型；

(9)油压装置各油泵的动态仿真，正确反映各油泵在各种运行工况下，各元件及安全装置投入动作过程与现场完全仿真；

(10)油压装置油泵启动或退出工作时压力的动态变化及备用备用泵自动投入的动态过程；

(11)各种运行工况下压油槽、油罐油位、压力及保护、信号装置的动态变化；

(12)调速系统在运行中的检查模型；

(13)正确地仿真调速系统可能出现的故障。当故障加入后，有关参数反映正确，保护动作与报警情况反映正确。

3.3电气系统仿真

3.3.1发变组系统

仿真范围主要包括：发电机本体、主变压器、110 kV主开关、刀闸、PT、CT、中性点设备及相关辅助设备，发电机、主变、发变组保护及自动装置。仿真做到真实再现生产过程、逻辑关系正确、实时性和精度满足部颁标准。

(1)发电机和变压器结构、工作原理及其技术参数模型；

(2)发电机、变压器在各种状态下投运前的检查模型；

(3)发电机的数学模型应能反映发电机的全物理过程，应包括：发电机转子运动方程、电流电压平衡方程、电磁暂态方程(数值计算)，能实时反映发电机的短路特性(数值计算)。调节特性和各种负载下不同功率因数时的负载特性。在正常工况、异常和事故状态下，各表计的变化与实际运行情况一致，各有关参数的暂态变化过程(数值计算)符合物理定律，其动态值与物理分析值(或实际运行值)之误差小于+1%，其稳态值与设计值(或精确理论计算值或实际计算值)之误差小于+0.5%模型。模型应正确反映发电机各种运行方式，如启动到满负荷、负荷变化、发电机组故障、失磁、异步运行过程、非全相运行、进相或调相运行、发电机与系统发生振荡等。

(3)在各种运行工况和不同负荷下，准确实时模拟发变组的动、静态行为。

(4)准确实时地模拟发变组的机电暂态过程、电磁暂态过程和长期动态过程。

(5)准确地模拟发变组的各特性曲线，包括空载、短路、外特性曲线和各种负载下不同功率因数时的负载特性。

(6)准确地模拟发电机定子、转子冷却条件发生变化时各自的温度变化情况。

(7)准确模拟发变组的所有保护在机组故障或异常情况下，保护的动作状况、报警等现象。

(8)正确地模拟变压器的数学模型及冷却系统。当负荷变化或冷却系统异常时，能够正确地反映出变压器油温的变化。

(9)正确地仿真发变组可能出现的故障。当故障加入后，有关参数反映正确，保护动作与报警情况反映正确。

(10)发电机、变压器在各种状态下的启动、停运全过程；

3.3.2发电机励磁系统

发电机励磁系统主要包括精确、实时地仿真励磁系统的动、静态特性 ,正确仿真励磁系统的保护、限制，保护的动作过程、动作结果、产生的现象，逻辑关系等变化与实际基本一致。在异常和事故状态下，各主要电气参量的暂态数值计算符合物理定律，其稳态值与设计值偏差小于1%。真实反映励磁的自动调节和手动调节两种运行方式。

开槽完成后，就需要进行下一步的伸缩缝装置安装施工，在安装伸缩缝装置之前，工作人员必须要对伸缩缝装置进行仔细的检查，并对沟槽进行进一步的清洁处理，确保装置的完好无损及沟槽的清洁。然后再使用吊车把伸缩缝装置吊起来，然后平整的安装到沟槽中。在这个过程中，要防止钢筋对伸缩缝装置的安装造成不利的影响，所以需要对安装到槽内的伸缩缝装置进行仔细的确认。

3.3.3同期系统

模型按照自动准同期合闸条件,对发电机、主变高压侧、送出线路断路器进行同期操作。频差计、压差计、同步表的指示和反映正确。根据频差、压差自动、迅速调节电压、转速到满足要求。准确地仿真并列过程中频差、压差、相位差对并网过程的影响，精确计算出频差、压差、相位差相关的并网冲击，表计反映真实。

3.3.410 kV厂用电系统

(1)模型仿真厂变各运行工况。反映在各种正常和异常运行方式下，各变压器原、副边电压、电流关系；模型反映出的变压器并列运行时的环流动态过程。

(2)仿真10 kV厂用电高厂变和起动/备用变之间手动和自动切换操作，操作过程中反映的现象、自动切换条件和逻辑等变化与实际基本一致。

(3)10 kV开关的操作与信号模拟，包括开关的手动分、合，自动(保护、联锁)分、合，及分合的条件逻辑关系，信号指示等均与实际一致。

(4)反映大功率电机启动对母线电压的影响。厂用电动机的启动、自启动特性符合设计要求，其动态变化过程符合参照机组实际，表计反映正确。

(6)仿真厂用变、母线、电动机及其它重要负荷等10 kV系统的所有保护功能，动作逻辑及动作现象变化与实际基本一致。仿真10 kV厂用系统中变压器、母线、PT、CT、电动机负荷等故障，故障发生后保护、开关、仪表、信号、联锁等反映正确无误，与实际基本一致。

(7)仿真变压器的冷却系统及其变化对变压器运行的影响。

(8)仿真厂用电系统各种可能的运行方式。

(9)仿真厂用电系统配置的备用电源快切装置、接地故障检测等自动装置。

(10)仿真厂用6KV系统的各种切换方式。

(11)仿真厂用电系统中可能的各种故障，要求能在保护范围内灵活设置故障点、故障性质，故障现象应正确。

3.3.5400 V厂用电系统

(1)在各种正常和异常方式下，仿真变压器两侧的电流电压关系。模型反映出的变压器并列运行时的环流动态过程。

(2)仿真低压工作变和备用变之间的手动和自动切换。

(3)被仿各开关的操作及信号与实际一致，包括手动分合、自动分合，控制逻辑与信号反映正确。

(4)低压厂用电系统工作、备用、联络支路功率、电流，各负荷支路电流动态变化与实际基本一致。

(5)仿真400 V厂用电系统的各项保护，保护的动作逻辑、条件、信号与实际一致。

(6)备用电源自投逻辑应与实际一致，动作结果正确。

(7)仿真400 V厂用电系统故障，故障加入后，仪表、开关、保护、信号等反映与实际一致。

(8)仿真低压厂用电系统各种可能的运行方式。

(9)仿真低压厂用电系统备用电源自投自动装置。

(10)仿真厂用电系统中可能发生的各种故障，要求能在保护范围内灵活设置故障点及故障性质。

3.3.8直流系统

仿真直流系统主接线及表计指示，正确反映各开关的状态、接地报警及选线查找等。

3.3.9水库、大坝建筑模型

(1)大坝水位的变化，水位数值显示。

(2)大坝各闸门的位置信号、开度显示。

(3)调压井(前池)水位的变化，水位数值显示。

(4)水库大坝季节性联合调度模型。

(5)大坝、水工建筑监测、报警模型。

3.3.10气系统

(1)建立完整的管道内流体流动模型，能反映机组制动、液压操作工作下，管内压力变化的物理动态过程。

(2)气系统在各种状态下启动前的检查。

(3)气系统各种状态下的自动和手动控制与现场完全仿真。

(4)实现系统中所有电动阀门和主要手动阀门的操作、调整的全过程。

3.3.11油系统

(1)建立完整的管道内流体流动模型，能反映机组制动、液压操作工作下，管内压力变化的物理动态过程。

(2)油系统在各种状态下启动前的检查。

(3)油系统在各种状态下的自动和手动控制与现场完全仿真。

(4)实现系统中所有电动阀门和主要手动阀门的操作、调整的全过程。

3.3.12水系统

(1)反映水系统在机组启停状态下的动态物理全过程。

(2)在各种状态下，水泵启动前的检查。

(3)水系统在各种状态下的自动和手动控制与现场完全仿真。

(4)实现系统中所有电动阀门和主要手动阀门的操作、调整的全过程。

4　系统应用

仿真培训系统主要是针对电站运行人员的培训需求而设计的，因此在培训功能方面，充分考虑了电站运行人员的主要工作，即监视、操作、巡视和事故处理，使得电站运行人员得到全面、详实的培训。

4.1监视

完成电站值班人员的主要监盘工作，主要包括对主控室的中央信号屏、控制屏、站用交直流屏等的电压、电流、有功、无功、频率(并列时的频差、压差、同步表)，信号指示灯、光字牌的监视工作。

4.2操作

基本涵盖了电站典型操作票中的所有操作，可对断路器、隔离开关以及二次回路上的各种刀闸、按钮、连片、切换压板、电流端子、保险等进行操作。各种操作受控部分，其仪表信号灯及位置指示器均实时响应，且在屏幕中也同时显示。

4.3巡视

按照部颁与现场制定的运行规程对仿真电站的设备(发电机、变压器、断路器等)进行巡视，利用多媒体真实厂景画面调出所需设备的图像，做到画面、声音、文字显示分明。在实际设备视景图像上，识别设备的正常或异常。如发电机轴承油池油温、油位、油色、冷却系统运行情况等。

4.4故障及事故处理

设置故障及事故分发电机组、线路、变压器、母线、断路器、直流系统、重大区域性雨情等七个方面。在设置的事故中其类型(如两相短路，单相接地短路、三相短路、二相短路接地)、性质(永久或瞬间)、地点(所有线路从首端到末端)可任意排列组合，同时还能与断路器、继电保护及自动装置误动、拒动排列组合。误操作事故仿真是随机的、实时的，若一旦发生误操作，系统则立即响应，不需要事先设置，如同实际操作一样。如在多媒体显示屏上自动出现误拉隔离开关时出现的弧光和响声。

防护措施按现场实际的功能仿真，但防护措施可以由教练员暂时取消，同时学员可以观察到误操作后果，增强培训效果。

5　结　语

全数字梯级水电站仿真系统人机界面友好，使用方便可靠。操作员站的界面和操作方法，与水电厂监控系统操作员站完全相同，使上机人员在较短时间内掌握水电厂实现计算机监控后的运行技术。同时，系统能根据需要改变外部参数、改变工作状态、设置故障和事故，提高其了解、分析和处理故障及事故的能力，满足各种不同培训对象的需要，可作岗前培训、在岗培训及以技术比武之用，为全面提高公司水电生产运行人员技术水平打下良好基础，实现了数字仿真系统建设预期目标。

[1]王子才．关于仿真理论的探讨[J]．系统仿真学报，2000．12(6)：604-608 ．

[2]张伟、王行仁．仿真可信度[J]．系统仿真学报，2001．13(3)：312-314．

[3]徐迪．基于相似理论的系统仿真可信性分析[J]．系统工程理论与实践，200l(4)：49 - 52．

(责任编辑：卓政昌)

2016-07-08

N945.13；TV7；C975

B

1001-2184(2016)04-0150-04

何军(1976-)，男，四川芦山人，毕业于西安航空技术高等专科学校热能工程专业，四川大川电力有限公司安全生产技术部副经理，工程师，从事水电安全生产管理工作；

曹红旺(1975-)，男，内蒙古武川人，毕业于沈阳电力高等专科学校热工自动化专业，四川大川电力有限公司总工程师，高级工程师，从事水电生产管理工作；

杨怡(1986-)，女，四川成都人，毕业于西南财经大学人力资源管理专业，四川大川电力有限公司综合部副主任，从事水电企业的人力资源管理工作；

罗盛华(1988-)，男，广东雷州人，毕业于四川理工学院电气工程及其自动化专业，四川大川电力有限公司培训专责，从事水电生产培训管理工作.