楊葉平，王德寬，吳 迪，羅 斌

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院中水科技公司，北京100038;2.白山水力發(fā)電廠，吉林 樺甸132400）

白山水力發(fā)電廠培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

楊葉平1，王德寬1，吳 迪2，羅 斌2

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院中水科技公司，北京100038;2.白山水力發(fā)電廠，吉林 樺甸132400）

在不影響發(fā)電生產(chǎn)的前提下，水電站培訓(xùn)仿真系統(tǒng)可以使新老員工能有更多的實(shí)際操作機(jī)會(huì)，提高培訓(xùn)效率，降低培訓(xùn)成本。白山水力發(fā)電廠培訓(xùn)仿真系統(tǒng)基于仿真軟件平臺(tái)OTS2000，實(shí)現(xiàn)了水電站常見(jiàn)的正常操作和事故模擬仿真。自主研發(fā)的Simulog 語(yǔ)言是OTS2000的核心技術(shù)，它的成功研發(fā)和應(yīng)用解決了阻礙培訓(xùn)仿真系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，具有一定的先進(jìn)性。

OTS 2000；Simulog；白山水力發(fā)電廠；培訓(xùn)仿真系統(tǒng)

白山發(fā)電廠位于吉林省東南部，松花江上游，是一廠兩壩三站的特大型水力發(fā)電廠，總裝機(jī)容量為1700MW，在東北電網(wǎng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用。白山發(fā)電廠生活基地建在吉林省樺甸市，白山電站位于紅石電站上游距樺甸市73km，紅石電站距樺甸市35km。

研究開(kāi)發(fā)水電站培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，可以在不影響發(fā)電生產(chǎn)的前提下，使新老員工能有更多的實(shí)際操作機(jī)會(huì)，提高培訓(xùn)效率，降低培訓(xùn)成本。

對(duì)于一個(gè)正常運(yùn)行的電站來(lái)說(shuō)，設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重故障的概率比較小，但一旦發(fā)生，后果不堪設(shè)想。一方面，電站運(yùn)行維護(hù)人員應(yīng)該盡量避免此類事故的發(fā)生，另一方面，運(yùn)行維護(hù)人員需要在日常工作中培養(yǎng)判斷、處理突發(fā)故障的能力。運(yùn)行維護(hù)人員在實(shí)際工作中很少能有機(jī)會(huì)處理突發(fā)事故的機(jī)會(huì)，而通過(guò)培訓(xùn)仿真系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行這方面的培訓(xùn)，是一個(gè)經(jīng)濟(jì)而高效的方式。

北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院自動(dòng)化所）承擔(dān)了白山水力發(fā)電廠培訓(xùn)仿真系統(tǒng)（后簡(jiǎn)稱白山仿真系統(tǒng)）的建設(shè)。在白山電廠和中水科技技術(shù)人員通力合作下，克服困難，以成熟的水電站監(jiān)控系統(tǒng)H9000V 4.0為基礎(chǔ)，完成了水電站培訓(xùn)仿真系統(tǒng)平臺(tái)OTS2000的研制開(kāi)發(fā)。目前白山仿真系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了電廠運(yùn)行、維護(hù)人員的嚴(yán)格測(cè)試，已經(jīng)正式投入了試運(yùn)行。

1 仿真系統(tǒng)的主要用途

水電站培訓(xùn)仿真系統(tǒng)既可以用于運(yùn)行維護(hù)人員培訓(xùn)，也可以用于實(shí)驗(yàn)研究。

（1）培訓(xùn)運(yùn)行操作人員

培訓(xùn)仿真系統(tǒng)對(duì)水力發(fā)電過(guò)程給予全面仿真。可用于水電機(jī)組正常工況的操作運(yùn)行訓(xùn)練，如機(jī)組啟停、正常運(yùn)行、調(diào)整負(fù)荷等操作訓(xùn)練?？蛇M(jìn)行各種異常工況下的操作訓(xùn)練，如各種故障狀態(tài)下的現(xiàn)象判斷和事故處理的操作訓(xùn)練。

（2）重要設(shè)備操作模擬、操作票驗(yàn)證

運(yùn)行人員在進(jìn)行倒閘、并網(wǎng)解列等重要操作時(shí)，如果出現(xiàn)操作失誤可能帶來(lái)巨大的損失。在進(jìn)行實(shí)際操作前，先通過(guò)仿真系統(tǒng)進(jìn)行模擬操作，并檢查正確性，確保運(yùn)行操作票的正確性，杜絕誤操作，大大提高操作的安全性、可靠性。

（3）控制系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)

依靠仿真系統(tǒng)建模工具、模型運(yùn)行軟件和模型算法庫(kù),用戶技術(shù)人員可以在仿真系統(tǒng)上進(jìn)行控制系統(tǒng)的各種研究和設(shè)計(jì)工作。例如:控制系統(tǒng)的仿真研究、組態(tài)分析、控制系統(tǒng)的參數(shù)尋優(yōu)等。

（4）最優(yōu)化運(yùn)行方式實(shí)驗(yàn)研究

仿真系統(tǒng)作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可用來(lái)進(jìn)行不同方式的機(jī)組啟停等操作實(shí)驗(yàn)，在仿真機(jī)上可以監(jiān)視各種過(guò)程運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行指標(biāo),可以進(jìn)行大型流域水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度控制仿真研究,尋求優(yōu)化的運(yùn)行方式，也可以進(jìn)行廠站內(nèi)AGC、AVC的仿真實(shí)驗(yàn)。

2 仿真系統(tǒng)的典型配置

OTS2000仿真系統(tǒng)可以為純數(shù)字仿真，也可以為數(shù)字物理混合仿真，其硬件結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示。

目前白山仿真系統(tǒng)采用純數(shù)字仿真。

3 白山培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

白山仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了白山一號(hào)機(jī)組開(kāi)機(jī)流程，工況初始化，停機(jī)流程，有無(wú)功調(diào)節(jié)，異常操作設(shè)置，事故模擬的仿真功能。具體介紹如下：

（1）正常操作調(diào)節(jié)與仿真

圖1 純數(shù)字仿真模式硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2 數(shù)字物理混合仿真模型硬件結(jié)構(gòu)圖

由于OTS2000系統(tǒng)以H9000系統(tǒng)為基礎(chǔ)，因此監(jiān)控系統(tǒng)的正常操作均可在仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，如開(kāi)、停機(jī)操作，斷路器，隔離開(kāi)關(guān)，有功、無(wú)功調(diào)節(jié)，各種設(shè)備的投、切等，并通過(guò)仿真系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)反饋。該功能是正常的監(jiān)控系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)的組合。

白山培訓(xùn)仿真系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)的正常操作調(diào)節(jié)功能包括：

1）機(jī)組開(kāi)機(jī)流程仿真；

2）機(jī)組有功功率調(diào)節(jié)仿真；

3）機(jī)組無(wú)功功率調(diào)節(jié)仿真；

4）2201 開(kāi)關(guān)分、合仿真；

5）2251 開(kāi)關(guān)分、合仿真；

6）機(jī)組FMK開(kāi)關(guān)分、合仿真；

7）機(jī)組停機(jī)流程仿真等。

（2）異常運(yùn)行工況仿真與處理

為了培訓(xùn)學(xué)員正確應(yīng)對(duì)各種異常情況，仿真系統(tǒng)可生成各種異常情況，如水機(jī)或電氣的事故或故障、量測(cè)系統(tǒng)異常、閘門(mén)系統(tǒng)故障等。目前，白山仿真系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了主要事故模擬，如機(jī)械事故：事故低油壓、機(jī)組140%過(guò)速、調(diào)速器失靈、機(jī)組溫度過(guò)高等；電氣事故如：機(jī)組電氣事故、變壓器電氣事故、勵(lì)磁事故等。

（3）無(wú)操作閉鎖的操作模式

正常運(yùn)行的監(jiān)控系統(tǒng)具有完善的防誤操作功能，可對(duì)進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各項(xiàng)操作指令自動(dòng)進(jìn)行條件判斷，滿足條件則執(zhí)行，不滿足條件則閉鎖，并向運(yùn)行培訓(xùn)人員提示閉鎖原因。因?yàn)楸O(jiān)控系統(tǒng)的操作閉鎖功能，運(yùn)行人員在操作時(shí)不再需要一一仔細(xì)檢查有關(guān)設(shè)備的運(yùn)行工況，且很少誤操作，實(shí)現(xiàn)了所謂的“傻瓜機(jī)”功能。正是由于功能簡(jiǎn)化，導(dǎo)致許多運(yùn)行人員操作時(shí)“只知其然，而不知其所以然”，概念并不是十分清楚。為培訓(xùn)學(xué)員，還可解除防誤操作閉鎖功能，由學(xué)員親自檢查該操作的條件，可更好地檢驗(yàn)學(xué)員對(duì)該操作條件的理解，并進(jìn)行考核。

（4）場(chǎng)景庫(kù)與案例庫(kù)

在仿真軟件運(yùn)行時(shí)需要初始信息，即場(chǎng)景。場(chǎng)景的取得可以有多種方式。（a）可取自監(jiān)控系統(tǒng);（b）特別設(shè)置的典型場(chǎng)景。

仿真系統(tǒng)可將一些典型的運(yùn)行方式場(chǎng)景或典型的歷史場(chǎng)景保存下來(lái)，作為場(chǎng)景歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。場(chǎng)景庫(kù)可以是系統(tǒng)全局性的，也可以是僅涉及某一待操作設(shè)備有關(guān)的局部場(chǎng)景。教員或?qū)W員可根據(jù)培訓(xùn)內(nèi)容，選擇恰當(dāng)?shù)膱?chǎng)景庫(kù)。培訓(xùn)案例庫(kù)是培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的重要核心技術(shù)。豐富的案例，可以仿真各種運(yùn)行工況，也是培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的價(jià)值所在。如某機(jī)組事故跳機(jī)、開(kāi)機(jī)受阻、機(jī)組溫升異常、機(jī)組溜負(fù)荷，等等。

（5）仿真進(jìn)度控制

仿真系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可對(duì)慢過(guò)程進(jìn)行快進(jìn)，對(duì)快速變化的過(guò)程可慢鏡頭播放，必要的時(shí)候可凍結(jié)（frozen），待有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)分析后繼續(xù)前進(jìn)。發(fā)生事故時(shí)，系統(tǒng)可記錄觸發(fā)事件發(fā)生前后全部時(shí)間斷面數(shù)據(jù)，形成事故追憶。拍照記錄時(shí)間長(zhǎng)短可定義。用戶可定義不同的事故追憶內(nèi)容。事故追憶記錄的數(shù)據(jù)包括預(yù)定義的模擬量、狀態(tài)量等數(shù)據(jù)。觸發(fā)方式包括擾動(dòng)觸發(fā)、人工觸發(fā)等。事件過(guò)程記錄數(shù)據(jù)可分步瀏覽和回放，并可以單線圖、表格等方式重現(xiàn)，方便進(jìn)行事故分析。

（6）工況再現(xiàn)

工況再現(xiàn)是學(xué)員可以通過(guò)仿真系統(tǒng)提供的人機(jī)接口（OIX），在某一場(chǎng)景畫(huà)面上（比如“開(kāi)機(jī)流程畫(huà)面”），回放過(guò)去某一段時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行變化過(guò)程。該功能類似于將運(yùn)行人員監(jiān)視的實(shí)時(shí)系統(tǒng)畫(huà)面完整地拍照錄像，然后在事后進(jìn)行回放，只是更為靈活、豐富，數(shù)據(jù)量小得多。

學(xué)員可以對(duì)回放畫(huà)面、回放起止時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。因?yàn)樗行枰臄?shù)據(jù)信息都進(jìn)行了存儲(chǔ)，所以畫(huà)面的選擇是任意的，這大大加強(qiáng)了該功能的靈活性。在回放過(guò)程中，學(xué)員可以對(duì)回放過(guò)程進(jìn)行停止、暫停、繼續(xù)、加速、減速操作。該功能也能進(jìn)行對(duì)正常的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行回放。

（7）學(xué)員考核

系統(tǒng)可記錄受訓(xùn)人員的各種操作和特定參數(shù)，客觀評(píng)價(jià)受訓(xùn)人員的操作水平。

（8）語(yǔ)音報(bào)警

學(xué)員進(jìn)行操作時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)通過(guò)語(yǔ)音提示學(xué)員當(dāng)前進(jìn)行的操作，并將報(bào)警信息通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)。

4 白山培訓(xùn)仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

基于設(shè)備運(yùn)行機(jī)理建立的水電站完整數(shù)字模型及其描述解析方法是建立培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，也是一直阻礙培訓(xùn)仿真系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

國(guó)內(nèi)水電站培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)起步較晚，與電網(wǎng)、火電、核電仿真系統(tǒng)的技術(shù)水平差距較大。目前國(guó)內(nèi)外有部分監(jiān)控系統(tǒng)廠家和高等院校在進(jìn)行水電站培訓(xùn)仿真系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)，但往往流于表面形式，僅僅是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的培訓(xùn)功能，而對(duì)仿真所必須的核心技術(shù)則沒(méi)有進(jìn)行更深入的研究。

在OTS2000的研制開(kāi)發(fā)過(guò)程中，模型的建立以仿真對(duì)象的生產(chǎn)工藝流程、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)計(jì)算和運(yùn)行數(shù)據(jù)資料為依據(jù)，以實(shí)際物理運(yùn)行機(jī)理為基礎(chǔ)，符合控制理論原理、電路電工原理、電力系統(tǒng)原理、水力學(xué)原理、電機(jī)學(xué)原理。同時(shí)要充分利用國(guó)內(nèi)外本領(lǐng)域已有的研究成果，消化吸收水電領(lǐng)域豐富的數(shù)學(xué)方程、公式。模型的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性與仿真對(duì)象相同或相似。

Simulog是中水科技自主創(chuàng)新的面向水電站仿真的過(guò)程模型描述語(yǔ)言，經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)，該語(yǔ)言已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)控制流程的計(jì)算機(jī)描述和解析運(yùn)行及水電站數(shù)學(xué)模型的計(jì)算機(jī)描述和解析運(yùn)行等功能。

Simulog語(yǔ)言定義了豐富的語(yǔ)法規(guī)則，可以對(duì)連續(xù)/離散系統(tǒng)、線性/非線性系統(tǒng)、簡(jiǎn)單/復(fù)雜系統(tǒng)、進(jìn)行建模，模型的解析運(yùn)行具有較好的精度。Simlog語(yǔ)言可以實(shí)現(xiàn)IEC61131-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)PLC編程語(yǔ)言（梯形圖、結(jié)構(gòu)化文本ST）的主要功能，可以對(duì)復(fù)雜的控制流程進(jìn)行建模。

5 結(jié)束語(yǔ)及建議

白山仿真系統(tǒng)基于仿真軟件平臺(tái)OTS2000，實(shí)現(xiàn)了水電站常見(jiàn)的正常操作（開(kāi)機(jī)、停機(jī)、有功調(diào)節(jié)、無(wú)功調(diào)節(jié)等）的仿真，也實(shí)現(xiàn)了常見(jiàn)的機(jī)械事故、電氣事故的仿真。目前該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了電廠運(yùn)行、維護(hù)人員的嚴(yán)格測(cè)試，已經(jīng)正式投入了試運(yùn)行。自主研發(fā)的Simulog語(yǔ)言是OTS2000的核心技術(shù)，它的成功研發(fā)和應(yīng)用解決了阻礙培訓(xùn)仿真系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，具有一定的先進(jìn)性。

[1]王德寬，等.水電廠計(jì)算機(jī)培訓(xùn)仿真技術(shù)的設(shè)想與初步研究[J].水電廠自動(dòng)化，2000,（3）.

[2]王德寬.培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的SimuLog語(yǔ)言及模型[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2003,（1）.

[3]王德寬.OTS2000系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及功能實(shí)現(xiàn)[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2003,（2）.

[4]王德寬，等.H9000V4.0計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)概要[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2007,（3）.

[5]張毅,王德寬,等.面向巨型機(jī)組特大型水電站監(jiān)控系統(tǒng)的研制與開(kāi)發(fā)[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2008,（1）.

[6]王德寬,楊葉平,等.H9000V4.0環(huán)境下的水電廠培訓(xùn)仿真系統(tǒng)[J].水電站機(jī)電技術(shù),2008,（3）.

TP391.9

B

1672-5387（2011）03-0035-03

2011-04-11

楊葉平，男，博士研究生，研究方向?yàn)樗娬痉抡妗?/p>