澜沧江通用型水电站三维仿真系统开发与应用

王继伟，李 俊，刘 伟

（华能澜沧江水电股份有限公司检修分公司，云南省昆明市 650214）

0 引言

华能澜沧江水电股份有限公司是中国华能集团控股和管理的大型流域水力发电企业，水电装机容量2250余万kW，是云南省最大的发电企业和国内第二大流域水力发电公司，实施“西电东送”“云电外送”的核心企业和龙头企业。随着景洪、小湾、糯扎渡、黄登·大华桥、乌弄龙·里底等水电站陆续投产发电，需要大批生产运维人员和人才储备，近年来从专业院校招聘大量应届毕业生充实到生产一线，人员结构普遍年轻，存在实操技能、故障/事故应急处理能力不足等问题，传统师带徒“传、帮、带”的培训方式周期长、培训成本高，远远不能满足对大批量高技能运维人员的迫切需求，亟需采用现代化、科学规范的培训手段来开展员工技能培训。另外，澜沧江公司承建的华能第一水力发电国家职业技能鉴定站和员工技能竞赛工作也需要一个高效、客观、公平的实操考核平台。为此，澜沧江公司结合实际需求开发一套通用型水电站三维仿真系统。

随着计算机仿真和三维虚拟现实技术日趋成熟应用，水电站运行仿真培训系统开发出来并成功应用于运行人员技能培训工作。经过实践检验，可为受训学员提供一个与真实水电站相近的实训环境，能有效提升水电站运行人员实操技能和设备故障/事故应急处理能力[1]。

1 开发思路及实施流程

1.1 开发思路

（1）结合澜沧江流域水电站设备差异性大、员工培训亟需规范和统一、人才储备需求紧迫等现状，开发一套模型逼真、算法优异、技术先进、培训实效强的通用型水电站三维仿真系统，既适用于流域性水力发电企业运行人员技能培训，又避免了各个水电站自行开发仿真系统的大量重复投资。

（2）采取“总体规划、分期分步” 方式开发，软件平台具备“一机多模，分组培训”能力，所有功能模块和接口均标准统一，支持第三方软件系统接入和升级，满足后续“一机多模”仿真系统开发需求。

（3）采用精准、先进的图形化、模块化建模方法，对水电站主要设备系统生产过程、运行特性进行全范围、全工况1∶1仿真开发，同时采用虚拟现实技术与图像、图片、声音、文字等相结合的多媒体方式，为学员提供一个与真实水电站生产现场高度一致的实训环境，满足水电站设备运行监视、漫游巡视、操作、控制、调节、故障及事故应急处理等培训需求。

（4）配套开发技术先进、成熟应用的培训考核评价管理软件和远程培训管理软件，具有学员管理、题库管理及组卷、上机考试、手/自动评分、远程异地登录培训等功能，既能科学、高效、公平、公正地开展技能培训、竞赛和技能认证，又能满足各水电站现场运行人员异地远程登录上机实训需求[2]。

1.2 实施流程

水电站运行仿真培训系统实施流程见图1。

图1 通用型水电站三维仿真系统开发流程Figure 1 Development flow of three-dimensional simulation system for general hydropower stations

2 仿真系统架构

仿真软件：主要由仿真支撑软件、仿真模型软件、教练员站软件、操作员站软件、三维图形建模软件、监控仿真软件等组成。

硬件设备：主要由仿真服务器、教练员站、操作员站、现地操作站、网络设备等组成（见图2）。

图2 通用型水电站三维仿真系统硬件结构Figure 2 Hardware structure of three-dimensional simulation system for general hydropower stations

3 仿真原理

按照真实水电站设备系统的工作原理和运行特性，采用图形化建模工具对相关联的设备系统间物理联系及其控制逻辑进行数学建模，即：对设备图元进行连接和组态，生成系统模型网络结构，再经过运算分析，产生所需要的仿真数据，用以驱动整个仿真系统运行（见图3）。

图3 通用型水电站三维仿真系统工作原理Figure 3 Working principle of three-dimensional simulation system for general hydropower station

仿真系统建模主要包括仿真数学建模、仿真监控系统建模和三维虚拟现实系统建模三部分。其中，仿真数学模型提供整个仿真系统所需的各种仿真数据，在系统后台运行；仿真监控系统和三维虚拟现实系统模型则分别模拟水电站现场计算机监控系统和现地设备，以二维界面和三维动态场景的形式展现水电站生产运行特性，通过网络通信从仿真数学模型获取所需的仿真数据[3]。

3.1 仿真数学建模

仿真数学模型是水电仿真系统的核心，为整个仿真系统运行提供所需的各种仿真数据。通过灵活、通用、快捷的仿真建模平台和可视化（基于现场设备图元）的图形建模工具对水电站主要设备系统进行数学建模，支持系统开发人员在工程师站上编辑图符后能够自动生成仿真模型，易于用户对仿真系统进行功能扩展。

以水轮机调速器及其压油装置系统建模为例[4]（见图4）：

图4 调速器控制系统传递函数方框图Figure 4 Transfer function block diagram of governor control system

各符号的物理意义及其典型值如下：

Twp：水流时间常数（典型值为0.5～4s）；

ω：水轮机组的转速标幺值；

ωref：水轮机组的转速标幺值参考值；

Ts：接力器时间常数（典型值为4～7s）；

β：软反馈系数（典型值为β=2.5Tw/H/2）；

Kδ：测速部件的放大倍数（典型值为10～20）；

TI：软反馈时间常数（典型值为2.5～15s）；

δI：静调差系数（典型值为0.03～0.06）；

Pm：水轮机输出功率。

水轮机及其调速器各状态量的初值可以用式（1）的计算过程求得：

采用可视化（基于现场设备图元）的图形建模工具，按照调速器控制程序以及传递函数进行数学模型建模，通过网络拓扑分析，生成系统计算所需的数据文件，进而准确仿真调速器的动/暂态运行特性，能实现手、自动方式下的开/停机操作、导叶开度/开限控制、负荷调整、事故紧急停机及甩不同负荷后的机组转速控制等（见图5）。

3.2 仿真监控系统建模

采用专用的二维图像图形编辑软件（Graph）制作仿真系统监控界面和设备虚拟盘台模型（控制屏、保护屏等），Graph软件中监控界面元件与虚拟盘台模型中的元件相对应，可实现仿真虚拟盘台的设备与模型状态一致，在模型状态发生变化以后，虚拟盘台相应的元件状态就会改变。同时，虚拟盘台的元件状态发生改变后，也会把相应的变化传给模型计算模块，从而实现模型计算与虚拟设备的同步（见图6）。

3.3 三维虚拟现实系统建模

图5 调速器及其压油装置系统数学模型Figure 5 Mathematical model of governor and its hydraulic system

图6 仿真系统监控界面和虚拟现实设备模型Figure 6 Monitoring interface of simulation system and virtual reality device model

采用三维建模软件（3DMax）对水电站三维全景、厂房各层及主要设备（水轮机、发电机、变压器、GIS、辅助设备等）进行1∶1建模。在此基础上，通过基于virtools引擎的三维编辑运行平台，采用三维视景、图像、图片、声音、文字结合的多媒体方式对主要设备系统巡视、操作、故障/事故进行精确仿真。通过该平台，可对三维设备模型进行参数定义，使其与后台仿真模型进行数据关联。系统运行时，接收来自后台仿真模型的数据，驱动三维设备运行（见图7）。

图7 开关站及水轮机室虚拟现实设备模型Figure 7 Virtual reality equipment model of switching station and turbine room

4 仿真实训功能

4.1 具备完善的水电站运行仿真培训功能

通过监控系统上位机运行监视、调节、控制以及水电站现场设备漫游巡视、检查、操作及故障/事故模拟等功能，能有效满足水电站设备运行监视、巡检、操作及故障/事故应急处理等方面技能实训需求。

（1）仿真系统监控与水电站现场监控的界面风格和操作使用方法高度一致，具备上位机监控全部功能，能连续、实时仿真水电站设备系统不同运行工况，数学模型根据不同运行工况和操作计算出相应设备主要运行参数（如：随着机组出力调整，机组无功功率、流量、导叶开度、励磁电压/电流、定子电压/电流、功率因数、发电机定/转子温度、调速器油压/油位、机组振动/摆度等运行参数呈现出动态变化）。同时，在现地设备屏柜及监控画面上，实时、动态显示各系统主要运行参数、设备状变、简报信息等，从而实现对水电站全站水力机械设备、发/供/配电设备、厂用电以及油水气等设备系统的运行监视。

同时，结合三维生产场景、现地设备以及全厂漫游功能实现对水电站设备巡视检查，能自动记录学员巡检设备全过程及检查确认步骤，具有设备巡检内容及要求、正常运行参数提示等功能（见图8）。

图8 监控远方分闸操作及厂用电运行监视仿真演示Figure 8 Simulated demonstration of remote switching operation and auxiliary power operation monitoring

（2）对水电站生产场景和主要设备（包括本体设备、管路、阀门以及动力柜、控制柜空开、按钮、切换把手、压板、信号灯、控制面板、子菜单等）进行全范围、全工况的1∶1仿真，能实现主要设备运行操作，操作方法及控制逻辑、动作过程、操作反馈等与实际设备一致，各设备系统受控部分测值、状变、位置指示、光字、简报信息等实时响应，并在现地设备和监控上动态显示。能为学员提供一个与水电站生产现场高度一致的逼真实训环境，有效满足学员开展仿真操作培训需求（见图9）。能实现的运行仿真操作主要包括：

1）手、自动方式机组启/停及并网/解列操作；

2）有功功率、无功功率调节和AGC/AVC投、切操作；

3）水轮机调速、筒阀系统正常运行和操作；

4）发电机励磁系统正常运行和操作；

5）发电机及其辅助设备的正常运行和操作；

6）水轮机及其辅助设备的正常运行与操作；

7）主变压器及其辅助设备的正常运行和操作；

8）开关站系统正常运行和倒闸操作；

9）油、气、水公用系统设备投、切操作；

10）保护装置的正常运行和投、切操作；

11）厂用电系统正常运行和倒闸操作；

12）直流系统的正常运行和倒闸操作；

13）闸门系统的正常运行和启、闭门操作；

14）全厂停电时的黑启动操作。

（3）具有完善的设备故障/事故仿真功能，能实时精确地模拟水电站各种常见的设备故障及事故，可以是单一简单的，也可通过合理组合模拟多重、较复杂的故障和事故。故障/事故模拟方式有两种：一是由于误操作引发；二是人为设置由于设备质量原因或外部因素引发的。故障/事故发生后，相应设备动/静态运行特性（现象、动作过程、发展趋势、造成的后果及影响等）与模型设备一致或相近。受训人员能进行干预操作，如果处理不当，引起故障和事故扩大的后果与生产实际一致或相近。同时，仿真系统实时记录学员干预处理故障和事故的全过程，方便学员培训和考核。能实现的设备故障及事故仿真主要包括：

1）开关站设备事故、故障；

2）水轮发电机组事故、故障；

3）变压器事故、故障；

4）保护系统事故、故障；

5）发电机及其励磁系统事故、故障；

6）水轮机调速器系统事故、故障；

7）调速器及筒阀压油装置系统事故、故障；

8）自动控制系统事故、故障；

9）引水系统、技术供水系统及排水系统事故、故障；

10）主阀（机组进水口快速闸门、筒阀）系统事故、故障；

11）厂用电系统事故、故障；

12）直流电系统事故、故障；

13）火灾、水淹厂房事故等。

图9 接地线及400V抽屉式开关仿真操作演示Figure 9 Demonstration of simulation operation of grounding wire and 400V drawer switch

4.2 远程培训功能

考虑到澜沧江流域水电站位置偏僻、交通不便、地域分散广，生产现场任务重、运行人员紧张、开展集中培训难度大等现状，配套开发远程培训功能，实现在线培训、讨论、考试以及学员远程管理。学员在水电站生产现场登录仿真系统远程服务器，启动学员站便可根据需求自行开展实训，其方式和效果与在昆明实训基地集中培训完全一致。同时，还可以提供Web服务，具备远程培训、讨论和答疑功能，通过教师工作站对远程学员进行培训指导。

4.3 培训考核评价管理功能

配套开发一套智能、先进、技术成熟的培训考核评价管理软件，科学、全面地记录学员理论考试和实操技能考核过程，准确、科学、公正地进行评判，满足技能培训、认证和竞赛需求。

（1）学员管理。方便添加、删除、修改学员信息，并能设置学员权限。能建立完善的数据库系统，包括学员的个人信息和培训考核过程记录等详细信息，方便查询和文档输出、打印，并与远程培训管理系统有机结合，构成科学、规范的学员管理系统。

（2）考试管理。具有完整的理论考试和实操考核试题库，方便维护，允许教练员修改、完善和设置题目难度。试题类型全面、设置合理，且具有不同的难易等级区分，方便组成不同难度的试卷，以满足各技能层次的培训、考核和竞赛需求。

（3）试卷管理。手动出题或自动生成试卷，方便教练员对试卷题型、题量、分值等进行设置和修改，灵活输出和打印。提供试题答案管理工具，方便进行答案管理，如生成标准答案、修改答案要点及评分细则、答案加密/解密等。

（4）学员上机考试及监视。理论考试、实操技能考核以及考试巡视等均能在仿真系统上进行，方便教练员监控学员的培训和考试过程。

（5）试卷评分。提供人工和自动两种评分方式，根据需要自行选择。学员答题内容、操作步骤、试题完成情况等自动记录存档，以文本、表格、视频等形式输出和打印，方便用户随时调阅、查询。

5 成果应用情况

自2016年9月投入使用以来，成功推广应用于中国华能第一水力发电国家职业技能鉴定站职业工种技能认证和华能澜沧江电力运行检修技能人才实训基地技能培训、竞赛工作，举办25期水电厂运行技能培训、10期水轮发电机组值班员技能认证和3期华能集团、区域公司技能竞赛，参训员工、竞赛选手、技能认证学员近800人，按照每人次3000元的培训费用来进行估算，节约费用近240万元。后续，按照每年承办360名员工的培训和技能认证规模，每年将节省约108万元培训费用。

6 结束语

经检验，澜沧江通用型水电站三维仿真系统达到预期开发目标和功能要求，具有仿真技术先进、三维场景逼真、切合生产实际、功能完善、培训实效强等显著优点，有效满足水电站运行人员技能实训、技能竞赛和认证需求。下一步结合公司水电站运行人员培训需求，视情况开发集轴流转浆式、灯泡贯流式机型以及扩大单元式机组、三角形主接线类型等为一体的“一机多模”水电站仿真系统。