萬元

(國(guó)家電力投資集團(tuán)公司五凌電力有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

水電站智能運(yùn)行仿真培訓(xùn)平臺(tái)研究及應(yīng)用

萬元

(國(guó)家電力投資集團(tuán)公司五凌電力有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

本文研制了一套集計(jì)算機(jī)技術(shù)、三維可視化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、電力自動(dòng)化建模技術(shù)為一體的水電站智能綜合仿真培訓(xùn)平臺(tái)。平臺(tái)應(yīng)用全景式1∶1仿真方式，能實(shí)現(xiàn)混流式機(jī)組、燈泡貫流式機(jī)組的運(yùn)行仿真培訓(xùn)，采用圖模一體化技術(shù)，結(jié)合數(shù)學(xué)建模、圖形化建模技術(shù)提高運(yùn)行仿真的逼真度。

水電站；仿真培訓(xùn)；數(shù)學(xué)模型；3D虛擬化；混流式；燈泡貫流式

為適應(yīng)水電站的運(yùn)行工種專業(yè)人員的培訓(xùn)需要，研制了基于圖模一體化技術(shù)的水電站智能運(yùn)行仿真培訓(xùn)平臺(tái)，該平臺(tái)是計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、三維虛擬場(chǎng)景技術(shù)、信息通訊技術(shù)、電力設(shè)備數(shù)學(xué)建模技術(shù)等多方面技術(shù)，采用全景式1∶1仿真方式，能實(shí)現(xiàn)混流式電廠、燈泡貫流式電廠的運(yùn)行人員的數(shù)字化培訓(xùn)，且為了有效地增加培訓(xùn)的真實(shí)感，平臺(tái)提出并應(yīng)用了圖模一體化建模技術(shù)、電力設(shè)備與場(chǎng)景全部采用三維建模的方式。

1 基本原理

基于圖模一體化技術(shù)的水電站智能運(yùn)行仿真培訓(xùn)平臺(tái)采用虛擬培訓(xùn)的方式，對(duì)水電站的電力系統(tǒng)進(jìn)行建模，用計(jì)算機(jī)虛擬操作的方式模擬現(xiàn)場(chǎng)操作，由于電力系統(tǒng)采用了數(shù)字化建模的方式，操作引起的后果將通過數(shù)學(xué)方程的求解的方式計(jì)算，這便將實(shí)物培訓(xùn)有效地轉(zhuǎn)化為 “虛擬”培訓(xùn)，不僅可提高培訓(xùn)效果，還可有效地避免人為引起的事故。采用計(jì)算機(jī)虛擬培訓(xùn)的基本原理可用圖 1描述。

由圖1可知，虛擬培訓(xùn)不再是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的具體設(shè)備，而是以設(shè)備的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過設(shè)計(jì)、求解電力設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，達(dá)到電力系統(tǒng)暫態(tài)過程、動(dòng)態(tài)過程、靜態(tài)過程模擬，人為的設(shè)備操作則可已通過建立二維、三維界面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。因此，虛擬培訓(xùn)的基礎(chǔ)包括:①電力設(shè)備及其連接的數(shù)學(xué)模型；②2D界面，模擬水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面；③3D界面，模擬水電站運(yùn)行場(chǎng)景、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)不可達(dá)的電力設(shè)備、運(yùn)行操作工具等。

通過虛擬培訓(xùn)平臺(tái)的建立，可衍生出運(yùn)行人員的設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視、設(shè)備3D巡視、設(shè)備操作處理、事故處理、3D操作及模擬操作等培訓(xùn)。

圖1 計(jì)算機(jī)虛擬培訓(xùn)的基本原理

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究

2.1 軟件總體結(jié)構(gòu)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)

基于圖模一體化技術(shù)的水電站智能運(yùn)行仿真培訓(xùn)平臺(tái)可被人為劃分成為兩大部分:

第1部分:虛擬化電氣設(shè)備仿真，包括水電站水力—電氣系統(tǒng)—機(jī)械系統(tǒng)仿真，即水機(jī)電系統(tǒng)，水機(jī)電系統(tǒng)仿真是仿真培訓(xùn)平臺(tái)的基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)建模方式描繪整個(gè)水電站的水機(jī)電的動(dòng)態(tài)物理過程。

第2部分:虛擬化人機(jī)交互界面仿真。界面仿真包括二維、三維界面仿真，重點(diǎn)仿真各種操作的盤面，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面，及監(jiān)控不可達(dá)界面等。

以上2個(gè)部分互相銜接與關(guān)聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)水電站各類運(yùn)行操作、設(shè)備巡視、事故處理的全方位仿真，水電站運(yùn)行人員在二維、三維的人機(jī)交互界面上進(jìn)行操作，觸發(fā)水機(jī)電數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，如實(shí)地計(jì)算出運(yùn)行操作引起的后果。如運(yùn)行操作人員能在虛擬化人機(jī)界面上下達(dá)負(fù)荷調(diào)節(jié)令，水機(jī)電數(shù)學(xué)模型則依之進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)過程計(jì)算，并將計(jì)算過程中的重要參數(shù)反饋到人機(jī)交互界面上。

軟件層次化結(jié)構(gòu)如圖2所示，軟件層次結(jié)構(gòu)分別為界面表現(xiàn)層、數(shù)學(xué)模型層、自動(dòng)評(píng)分層，其中數(shù)學(xué)模型層是運(yùn)行的基礎(chǔ)，沒有數(shù)學(xué)模型，則運(yùn)行仿真系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法模擬水電站的動(dòng)態(tài)過程，而無法實(shí)現(xiàn)其仿真培訓(xùn)功能。

2.2 電力設(shè)備的數(shù)學(xué)建模技術(shù)研究

采用數(shù)學(xué)模型描述整個(gè)水電站的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程，需建立 2層數(shù)學(xué)模型，具體包括單個(gè)設(shè)備(或者單個(gè)系統(tǒng))的建模，設(shè)備間連接的建模，其基本原理是:采用微分方程的方式，對(duì)單個(gè)設(shè)備或多個(gè)設(shè)備的連接進(jìn)行描述，當(dāng)外界認(rèn)為觸發(fā)而改變?cè)O(shè)備或設(shè)備連接的邊界條件時(shí)，微分方程由于邊界條件發(fā)生變化，將啟動(dòng)求解，求解的過程即為設(shè)備操作后引起的動(dòng)態(tài)過程，求解的結(jié)果即為設(shè)備操作后最終的運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 軟件層次化結(jié)構(gòu)

2.2.1 設(shè)備建模方法研究

對(duì)水電站的主要設(shè)備進(jìn)行建模，包括發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)、調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、開關(guān)設(shè)備等，變壓器、GIS等關(guān)鍵可采用同樣的方法實(shí)現(xiàn)模型的建立。本文以發(fā)電機(jī)、調(diào)速器輔助系統(tǒng)、開關(guān)設(shè)備等為例，研究電力設(shè)備數(shù)學(xué)建模方法。

1)發(fā)電機(jī)模型，仿真系統(tǒng)主要是用于教學(xué)培訓(xùn)，而非工程計(jì)算與技術(shù)設(shè)計(jì)，因此要求描述電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程而非暫態(tài)過程，這就需要在建立設(shè)備數(shù)學(xué)模型時(shí)，在計(jì)算精度與運(yùn)算速度間均衡考慮。文中采用三階微分方程對(duì)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，式(1)—(5)即為本項(xiàng)目采用的發(fā)電機(jī)模型:

在式(1)—(5)中，分別描述了同步發(fā)電機(jī)動(dòng)力矩，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，勵(lì)磁磁場(chǎng)，發(fā)電機(jī)有功與無功，能基本描繪出發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

2)輔助系統(tǒng)模型，以調(diào)速油系統(tǒng)為例，研究輔助系統(tǒng)的建模方式，某電站2號(hào)機(jī)組調(diào)速器液壓系統(tǒng)包括壓力油罐、調(diào)速器控制柜、配壓閥、過速保護(hù)裝置、接力器、油泵及控制系統(tǒng)和電廠高壓氣系統(tǒng)等組成。

調(diào)速器動(dòng)力系統(tǒng)建模:首先用數(shù)學(xué)建模方式描述壓力油罐的物理原理。描述壓力油罐的一些重要物理量為:物理容積V0，壓力油罐油位h，油罐的壓力P，壓力油罐的截面積s，假定壓力油罐內(nèi)部溫度不變，用數(shù)學(xué)方程式 (6)，(7)描述:

式中 P1為油泵啟動(dòng)前的油罐壓力，V1為油罐空氣容積，P2為油泵在啟動(dòng)運(yùn)行過程中壓力油罐的實(shí)時(shí)壓力，V2為P2油壓下對(duì)應(yīng)的油罐空氣容積。

油泵的建模:描述油泵的相關(guān)物理量包括油泵電動(dòng)機(jī)的銘牌功率N，油泵的工作效率?，油泵的楊程H，液壓油的密度 (比重)ρ，油泵的流量Q，可用方程式 (8)對(duì)油泵進(jìn)行描述:

根據(jù)油泵運(yùn)行的特征曲線得知，油泵的效率?和油流量Q及揚(yáng)程H相關(guān) (速度、高度、壓力)，可通過查找油泵特征曲線圖獲得，采用一次插值擬合方式，可建立方程式 (9)，(10)。

建立油泵啟動(dòng)加壓過程的數(shù)學(xué)模型如式(11)—(14):

式 (13)經(jīng)簡(jiǎn)單的離散化處理可得:

壓力油罐的油壓

壓力油罐的油位

式 (15)， (16)建立起油泵啟動(dòng)運(yùn)行過程中壓力油罐的油壓和油位的關(guān)系，通過壓力油罐、油泵2個(gè)數(shù)字模型的有效建模，創(chuàng)建相關(guān)物理量之間的邏輯關(guān)系。

當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)第1次建壓時(shí)，啟動(dòng)1臺(tái)高壓油泵對(duì)壓油罐充油，壓油罐的油位從0上升至1 000 mm (1/3處)時(shí)所需時(shí)間大約為9 min，此時(shí)壓油罐的油壓從0上升為3.0 MPa(壓油罐內(nèi)部的空氣被壓縮)，壓油罐油量增加，回油箱的油位降低，從1 251 mm降到了1 150 mm。然后手動(dòng)對(duì)壓油罐進(jìn)行了補(bǔ)氣，經(jīng)1 min，壓油罐的油壓從3.0 MPa上升至3.93 MPa。在水電機(jī)組運(yùn)行過程中，當(dāng)壓油罐的油壓降低至3.65 MPa時(shí)，工作高壓油泵啟動(dòng)運(yùn)行，經(jīng)80 s將壓油罐油壓升至4.0 MPa時(shí)，油泵停止。高壓油泵動(dòng)作過程、油壓上升過程等與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況完全吻合，對(duì)提高培訓(xùn)的真實(shí)性大有裨益。

其他輔助系統(tǒng)的建模可采用相類似的方法實(shí)現(xiàn)。

3)開關(guān)設(shè)備模型，開關(guān)設(shè)備的模型相對(duì)比較簡(jiǎn)單，可采用簡(jiǎn)單的邏輯建模的方式，開關(guān)建模的具體方式可描述為:當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，用邏輯 “0”描繪開關(guān)的狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，用邏輯 “1”描繪開關(guān)的狀態(tài)。部分開關(guān)存在兩個(gè)觸點(diǎn)，即開關(guān)存在著中間態(tài)，需要用2個(gè)邏輯字節(jié)描繪。

2.2.2 設(shè)備間連接的數(shù)學(xué)建模方法研究

設(shè)備間連接建模即將單個(gè)設(shè)備 (或者系統(tǒng))串聯(lián)起來，按照水電站特定的連接關(guān)系，連接起來，進(jìn)而構(gòu)成水電機(jī)組、整個(gè)水電站，其建模方式為:先建立各個(gè)機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，在把這些的數(shù)學(xué)模型根據(jù)圖3機(jī)組結(jié)構(gòu)邏輯圖串聯(lián)起來，形成整個(gè)機(jī)組的數(shù)學(xué)模型。再根據(jù)水電站的主接線圖，將各個(gè)機(jī)組以及電廠的出線連接起來，形成整個(gè)水電站的整體數(shù)學(xué)模型。

圖3 設(shè)備連接建模－水電機(jī)組的整體建模

圖3 為某水電站機(jī)組的建模，先將水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、斷路器、同期系統(tǒng)等單獨(dú)建模，然后根據(jù)因果邏輯關(guān)系，將各個(gè)系統(tǒng)串聯(lián)，形成水電機(jī)組的整體模型。

在上述模型中，水輪機(jī)為發(fā)電機(jī)提供原動(dòng)力，勵(lì)磁系統(tǒng)采集發(fā)電機(jī)的電壓控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，調(diào)速系統(tǒng)采集發(fā)電機(jī)的有功或者頻率控制發(fā)電機(jī)組的進(jìn)水流量，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功功率，整個(gè)水電機(jī)組是一個(gè)整體，任何一個(gè)個(gè)體發(fā)生變化，水電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)將發(fā)生相應(yīng)的變化。

2.3 2D圖形化建模方法研究

二維監(jiān)控建模完全模擬水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面而設(shè)計(jì)的，2D建模主要指監(jiān)控系統(tǒng)建模，2D監(jiān)控平臺(tái)加載監(jiān)控畫面數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)至圖形界面，通過統(tǒng)一的組件鏈接實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)定的圖元?jiǎng)幼鱽碚{(diào)整相應(yīng)的圖元顯示；接收用戶操作指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，通過消息系統(tǒng)接口發(fā)送操作指令。提供圖形界面供用戶繪制監(jiān)控畫面，并保存配置。繪圖環(huán)境包含:常規(guī)幾何圖形如線、形狀等；圖表繪制；曲線繪制；組合功能；圖層功能；通過動(dòng)態(tài)鏈接組件鏈接實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；設(shè)定測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)于的圖元?jiǎng)幼魈匦浴?/p>

2.4 3D圖形化建模方法研究

2.4.1 3D控制界面建模

3D控制界面建模主要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)不可達(dá)的電力設(shè)備或自動(dòng)化元件的建模，受訓(xùn)者(或用戶)可在三維虛擬化控制界面上對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，觸發(fā)設(shè)備后臺(tái)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算，改變?cè)O(shè)備數(shù)學(xué)模型的邊界條件，最終改變水機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)。

該程序由用戶啟動(dòng)，程序不可重入。程序包含OSG圖形接口模塊、MFC視窗接口模塊、三維節(jié)點(diǎn)加載模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊模塊、場(chǎng)景漫游模塊、視窗控件模塊、事件觸發(fā)器模塊。

2.4.2 3D運(yùn)行場(chǎng)景建模

三維運(yùn)行場(chǎng)景建模主要是便于受訓(xùn)者盡快的熟悉水電站的結(jié)構(gòu)與布置，其繪圖采用靜態(tài)的三維建模方式，整體上勾勒出水電站的三維輪廓，確保受訓(xùn)者有種 “身臨其境”的感覺，使培訓(xùn)更具真實(shí)感。

2.4.3 3D工具庫建模

3D運(yùn)行工具庫建模主要是建立運(yùn)行人員在工作過程中所必須的工具，包括安全工具、測(cè)量工具等。在工作過程中，若沒有正確采用工具，則被視為不規(guī)范地培訓(xùn)，通過三維工具建模，確保受訓(xùn)人員更加規(guī)范地利用工具操作。

2.4.4 3D運(yùn)行索引

1)設(shè)備的查找、快速定位，開發(fā)研制3D運(yùn)行仿真系統(tǒng)的索引，構(gòu)建設(shè)備位置數(shù)據(jù)庫、設(shè)備場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫、快速索引數(shù)據(jù)庫，并能在現(xiàn)有3D場(chǎng)景中進(jìn)行自動(dòng)搜索和3D場(chǎng)景定位。學(xué)員通過關(guān)鍵字進(jìn)行設(shè)備搜索時(shí)，現(xiàn)有的仿真3D場(chǎng)景能自動(dòng)切換到所搜設(shè)備對(duì)應(yīng)的3D場(chǎng)景和相對(duì)應(yīng)的位置，以便于學(xué)員在3D虛擬場(chǎng)景中能快速找到所需的設(shè)備。

2)場(chǎng)景回切，學(xué)員在進(jìn)入下個(gè)場(chǎng)景后能快速切換回到上個(gè)場(chǎng)景所在的位置。

3)電廠整體3D場(chǎng)景與分3D場(chǎng)景的無縫自動(dòng)切換，建立水電廠整體運(yùn)行3D場(chǎng)景，該場(chǎng)景須囊括水電廠所有的設(shè)備間、控制間等，但不能實(shí)現(xiàn)操作，設(shè)備操作在分3D場(chǎng)景上進(jìn)行，當(dāng)操作人員在該場(chǎng)景上進(jìn)入任何分3D場(chǎng)景區(qū)域時(shí)，自動(dòng)切換到分3D場(chǎng)景，切換時(shí)間控制在4 s之內(nèi)。

2.5 自動(dòng)評(píng)分機(jī)制研究

自動(dòng)評(píng)分機(jī)制是基于題庫設(shè)計(jì)的，題庫有出題專家首先設(shè)計(jì)好，然后輸入到題庫中，學(xué)員操作系統(tǒng)答題，答題結(jié)束后，系統(tǒng)采用前向、后向匹配算法，自動(dòng)評(píng)出學(xué)員答題分?jǐn)?shù)。題庫配置系統(tǒng)使用B/S結(jié)構(gòu)，利用WEB發(fā)布的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真題庫的綜合管理。系統(tǒng)功能包括用戶管理、提干設(shè)置、初始設(shè)置、故障設(shè)置、試題答案參數(shù)配置等。用戶可以對(duì)學(xué)員信息進(jìn)行配置，如增加、刪除學(xué)員、修改登錄密碼；對(duì)試題的配置包括試題編號(hào)、試題名稱、分?jǐn)?shù)、試題類型、所屬系統(tǒng)、工況設(shè)置、故障設(shè)置、試題說明、及附件等設(shè)置。

自動(dòng)評(píng)分進(jìn)程作為系統(tǒng)啟動(dòng)項(xiàng)，不可重入，以文字的方式呈現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的各種通知，并根據(jù)考生在人機(jī)交互平臺(tái)的操作，結(jié)合題庫數(shù)據(jù)庫的步驟參數(shù)自動(dòng)算出成績(jī)結(jié)果。

3 結(jié)語

基于圖模一體化技術(shù)的水電站智能運(yùn)行仿真培訓(xùn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅通過一定的軟件包、簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及通用家庭電腦即可實(shí)現(xiàn)其功能。通過系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模技術(shù)、三維虛擬場(chǎng)景建模技術(shù)的引入，平臺(tái)基本覆蓋了運(yùn)行工種設(shè)備巡視、設(shè)備操作、事故處理等全部工作內(nèi)容，能實(shí)現(xiàn)水電站全方位、全過程的操作仿真，受訓(xùn)人員可在虛擬的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上熟練地掌握水電機(jī)組啟動(dòng)過程、停機(jī)過程、工況切換過程、及維持電站正常運(yùn)行的所有操作，掌握緊急情況下處理設(shè)備異常、電站事故的高層次技能，有效地提高了受訓(xùn)人員實(shí)際運(yùn)行操作技能、設(shè)備運(yùn)行工況分析判斷技能，鍛煉了應(yīng)急處置能力。該平臺(tái)已在五凌電力有限公司投入工程應(yīng)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

萬元(1981)，博士，高級(jí)工程師，從事水電廠生產(chǎn)過程自動(dòng)化研究工作。