水电运行培训仿真系统的结构和关键技术实现

（湖南五凌电力有限公司长沙市410004）

水电运行培训仿真系统的结构和关键技术实现

黄效恩 张文栋

（湖南五凌电力有限公司长沙市410004）

水电厂培训仿真系统可以给员工提供较多实操与事故处理机会，有利于员工工作经验快速积累，受训员工在培训仿真系统进行实操训练如同在实际电厂操作中完全一样，这样就避免了在实际设备运行时不能进行培训的难题,另外受训员工可以在系统中模拟各种设备故障，不影响设备电厂设备正常运行，这样学员受训的面比实际设备训练中更广。五凌电力发电厂培训仿真系统SD8000-SIM，由国电南自和五凌电力共同开发，实现了水电站的运行生产过程仿真，主要包括设备巡视仿真、常规操作仿真和事故处理仿真，其采用的技术处于国内领先地位。

SD8000-SIM水电仿真系统水电仿真机图模库一体化技术

五凌电力水电仿真系统仿真对象包括洪江电厂灯泡贯流式、五强溪混流式两种机型的水电厂，研究开发水电站培训仿真系统，可以在不影响水电厂正常生产运营前提下，为员工提供较多动手机会，有利于员工工作经验快速积累、成长，从而为电厂安全运行提供人才保障。如何在短期内提高运行维护人员的判断、处理突发故障能力，成为一名合格的电厂工作人员，一直是发电生产追求的目标。培训仿真系统可以给电厂运行维护人员提供典型的操作和事故处理虚拟现实场景，学员可以而通过仿真培训系统模拟现场工作中遇到的问题，对处理的方法不断改进、总结，可以多快好省地提高学员的技术能力。

五凌电力水电厂培训仿真系统（后简称五凌仿真系统）。在五凌电力和国电南自技术人员通力合作下，克服困难，完成了五凌仿真系统平台研制开发。目前五凌仿真系统经过了电厂运行、维护人员的严格测试，已经正式投入了运行，得到了业界的好评。

1 仿真系统的主要用途

水电厂培训仿真系统主要用途包括两个方面：为电厂运行人员提供培训平台、作为设备分析和诊断平台。

（1）培训运行操作人员。培训仿真系统可以模拟对水电厂重要设备进行拆分、安装，有利于学员对设备结构形成直观的认知。系统模拟了水力厂发电原理和实际的设备场景。学员可以在虚拟场景中进行机组控制如机组启停和功率增减、开关操作、设备参数巡视等；也可以各种设备故障发生时进行故障判断和处理。

（2）五防操作验证。水电生产，安全第一。五防系统将电厂机械闭锁、电气闭锁逻辑写入系统，有效防止在进行机组启停操作、开关倒闸、设备投运并网等重要操作时出现误操作。因此，学员可以在仿真系统进行反复模拟操作，选择最优倒闸方案，确保运行操作票的正确性，杜绝误操作。

（3）模型验证。电厂中的二次设备牵涉到各种控制模型,电厂技术人员可以在仿真系统上进行电厂调速、励磁、保护等各种控制系统的模型验证工作，确保控制参数在最优值。

2 仿真系统的结构

（1）仿真系统硬件结构。SD8000-SIM仿真系统为纯软件仿真，其硬件结构如图1所示。硬件系统包括服务器（主要用于题库存储）、操作员站（界面、仿真机安装和运行）、交换机等组成。仿真系统仿真部署在每个学员站上，每个学员可以在自己的学员站进行操作培训，互相之间不干扰。学员培训方式多样，可以在自己家进行、可以在电厂培训室进行、也可以在流域培训中心进行。

图1 纯数字水电仿真系统硬件结构图

（2）仿真系统软件结构。图2所示为五凌电力SD8000-SIM水电站运行仿真系统结构图，水电站水机电模型仿真水电站的所有过程，包括机组开停机过程、发电过程、调节过程中主机设备、辅助设备等所有设备的所有实时数据，这些数据在界面系统（二维和三维界面）显示出来，如图3，运行操作人员可以在界面上巡视，并可以在界面上进行操作，操作过程引起的相应反应全部由水机电模型模拟出来。如果发生事故，运行人员在界面上进行处理，处理的过程由水机电模型模拟出来。水电站运行规程通过专业人员转化成运行仿真题库。运行操作人员在上机培训后，可以通过选择运行仿真题库中的题目来进行测试，并通过自动评分系统来进行自动评分，自动评分系统会给出操作人员的操作信息，操作人员可以找出自己的操作错误。

图2 SD8000-SIM水电站运行仿真系统软件结构

图3 SD8000-SIM水电站运行仿真界面图

3 五凌培训仿真系统的实现

五凌仿真系统实现了机组手动、自动开停机，工况初始化设置，机组功率调节，机组检修操作、设备异常运行状态模拟，事故模拟等仿真功能。具体介绍如下：

（1）水电厂常规操作调节仿真。SD8000-SIM仿真系统包括SD8000E监控系统平台、仿真机和自动评分系统。水电厂设备倒闸、功率调节操作等均可在仿真系统实现，包括监控系统操作和实际设备操作。

五凌培训仿真系统正常操作包括：机组自动、手动启停操作；机组功率调整操作；断路器倒闸操作；设备状态巡检；其他如保护系统、厂用电系统、直流系统、油气水系统的操作等。还包括接令、汇报、验电、挂牌、装拆接地线、设置检修护栏等。

（2）异常运行工况仿真与处理。水电厂可能发生各种事故，如水机事故（漏油、调速器阀卡、闸门提升过速、轴瓦温度过高、油气水中断等）和电气事故（变压器接地、发电机绝缘击穿、线路短路等）。本仿真系统可以对这些事故进行现象模拟，学员可以在系统上模拟这些事故的处理和操作，可以快速积累事故处理经验。

（3）考试、培训操作模式。系统具有两种操作模式。培训模式下，具有完善的五防操作闭锁功能，系统根据每个设备的操作条件进行判断，从而确定学员能否可以进行操作。考试模式下，监控系统没有操作闭锁功能，运行人员可以自由操作，系统不提示，在后台对学员操作步骤进行评判，有利于检验学员的培训效果。

（4）采用反演计算的初始工况设置技术。全水电厂采用一种基本工况，也就是全发电工况。在全发电的工况下设置基本工况的变化量。采用反演计算得出新的工况各参数状态。

（5）学员考核。教员通过水电站运行专业题库生成考试试卷或通过在线仿真培训系统实操考核，学员通过上机进行操作并进行考评，并能进行智能评分，并准确标记成功“漏做”的步骤。考试成绩自动排序、记录、保存、查询。

（6）音响模拟。系统将电厂实际操作时设备发出的声音录存在系统中，当学员进行设备操作时，相关声音就会播放，这样可以锻炼学员的心理承受能力，有利于学员在事故处理时保持镇定，思路清晰。

（7）设备查找导航功能。学员进行操作时，可以直接在3D场景搜索定位水电厂相关设备，缩短学员熟悉仿真电厂设备布局的时间，很容易找到操作设备。

4 五凌培训仿真系统的算法实现

水轮机和压力管道具有非线性特征，其求解一般采用非线性求解方式。水轮机方程如下式：

4阶发电机数学模型，可以很好地描述发电机的暂态过程。其计算公式为：

5 五凌培训仿真系统关键技术

五凌水电仿真培训系统核心部分的仿真计算软件由国电南自与五凌电力联合开发，国电南自与五凌电力长期从事水电站水力－机械－电气的仿真计算和模拟研究，在此基础上研发的仿真机能比较真实地反应水电站运行状况。

仿真培训系统的主要难点在于对象的不同，包括机组类型、变压器类型的不同，机组运行的流程不同，变电站的接线方式不一样，为此，特地开发出了①流程组态技术：根据不同电站机组运行的不同流程进行灵活的组态；②对象组态技术：对于机组不同的类型来进行不同的机组属性组态；③图模库一体化技术：对于变电站不同的接线方式，在作图中画出接线图就可以形成接线拓朴图。此三项技术的研制成功可以多块好省地配置不同电站、不同机型、不同出线方式的仿真系统。

五凌电力仿真系统界面分为监控系统仿真界面和实际设备仿真界面两部分，监控系统仿真界面采用国电南自成熟的监控系统界面，实际设备仿真界面采用OpenSceneGraph技术（简称OSG），电厂实际场景通过3DMAX进行建模，然后导出IVE格式，再采用OSG 3D驱动技术进行驱动，从而能仿真场景漫游和实际操作。

6 结论

五凌仿真系统基于仿真软件平台SD8000-SIM，采用了流程组态技术、对象组态技术、图模库一体化技术、初始工况反演技术实现了水电站常见的正常操作仿真、事故仿真。经过专业人员严格测试，已经正式投入了使用，业界反应良好。经过运行和操作大赛的检验，证明其具有操作便利性、技术先进性、界面友好性等特点。

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2016-12-22）

黄效恩（1982－），男，大学本科，研究方向为水电和电力仿真系统研究、教学与研发，电话：0731－85893318，E－mail：huang_hxe@wu－ling.com；张文栋（1983－），男，大学本科，工程师，从事水电厂集控运行仿真和发电运行工作。