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        基于一體化平臺的蓄能電廠仿真技術(shù)研究

        2020-01-01 02:40:24李亦凡張衛(wèi)君孫廷昌孔吉宏肖楚偉
        水電站機電技術(shù) 2019年12期
        關(guān)鍵詞:電廠運維考試

        李亦凡,張衛(wèi)君,邱 洋,孫廷昌,孔吉宏,肖楚偉

        (1.中國水利水電科學研究院,北京100038;2.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司,廣東 廣州510630)

        0 引言

        三維可視化技術(shù)作為一種高效的展示與交互技術(shù),應(yīng)用領(lǐng)域由原來的航天、軍事、國土地質(zhì)等行業(yè),越來越多的應(yīng)用到“智慧城市”、“智慧工業(yè)”等各行各業(yè)智慧化管理運維中[1]。據(jù)AutoDesk公司統(tǒng)計,三維可視化可提高企業(yè)競爭力66%,減少50%~70%的信息需求,縮短5%~10%的建設(shè)周期[2]。因此研究應(yīng)用三維可視化技術(shù)手段,建立抽水蓄能運行維護培訓系統(tǒng),將大大提升運維人員的技術(shù)水平及安全意識。

        國內(nèi)常用的三維培訓平臺,多以固定動畫腳本寫成的三維動畫培訓課件為主,靈活性和擴展性不足,系統(tǒng)建設(shè)完成后很難補充或更新培訓內(nèi)容。中國水利水電科學研究院自動化所與中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻有限公司合作,將三維虛擬仿真技術(shù)與水電廠監(jiān)控技術(shù)結(jié)合,構(gòu)建出了一套基于一體化平臺的的抽水蓄能三維仿真培訓系統(tǒng)。本文將介紹該平臺的技術(shù)特點,并以南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻公司(以下簡稱南網(wǎng)雙調(diào)公司)三維仿真培訓系統(tǒng)項目為例,討論涉及到的設(shè)計思路以及實現(xiàn)方式。

        1 抽水蓄能水電站運維仿真系統(tǒng)需求分析

        隨著南網(wǎng)雙調(diào)公司自動化、智能化技術(shù)的應(yīng)用和人員結(jié)構(gòu)不斷的優(yōu)化調(diào)整,南網(wǎng)所屬蓄能電廠現(xiàn)場管理和運維隊伍均十分高效精簡。而抽水蓄能水電站工況和流程較常規(guī)水電站復雜,運維和檢修工作十分重要,這對人員培訓和崗評工作提出了更高的要求。仿真培訓系統(tǒng)要逐步替代傳統(tǒng)培訓考試模式,利用三維可視化技術(shù)直觀高效的特點,逐步實現(xiàn)運維和檢修協(xié)同的培訓考試平臺。

        當前理論考試部分采用網(wǎng)上學習和上機考試的方式。而涉及操作處理的項目崗位考評仍以人工閱卷為主,人工閱卷易出錯,易受閱卷人的主觀因素影響,不同閱卷人的考評尺度不一,較難做到公平公正。傳統(tǒng)的培訓和考評模式很難分析培訓人員的答題情況,給出有針對性的具體的學習建議。有關(guān)操作的培訓和考評以老師講解和文字描述為主,培訓過程不直觀,受實訓場地限制,學員很難第一時間掌握電廠實際情況。

        針對南網(wǎng)培訓中心對運維培訓和考評的要求與特點,我們建立的仿真系統(tǒng)應(yīng)具備如下特點:

        (1)仿真系統(tǒng)應(yīng)在一體化平臺基礎(chǔ)上開發(fā),實現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合。

        (2)仿真培訓系統(tǒng)應(yīng)圍繞“教-學-練-考-評”這一完整的培訓考核評價體系。

        (3)三維場景和動態(tài)應(yīng)直觀生動的再現(xiàn)抽水蓄能電廠現(xiàn)場設(shè)備,為運維培訓提供操作場景和平臺。

        (4)系統(tǒng)應(yīng)明確對學員操作培訓和考評的評估標準,系統(tǒng)具備自動測評的能力。

        (5)系統(tǒng)應(yīng)具備記錄學員操作和成績并自動分析功能。

        2 整體設(shè)計

        抽水蓄能電站三維運維仿真培訓系統(tǒng)部署在南網(wǎng)雙調(diào)公司內(nèi)網(wǎng)上,采用C/S架構(gòu)設(shè)計以滿足安全性、響應(yīng)速度、操作復雜程度的需求。圖1為該系統(tǒng)的整體架構(gòu)。

        圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

        3 功能設(shè)計

        抽水蓄能電站三維運維仿真培訓系統(tǒng)按照崗位培訓不同階段的需求,分為培訓、考試、技能競賽3大功能,其中培訓和考試又分為理論考試和操作考試。理論培訓和考試方式與傳統(tǒng)方式基本一致,而操作培訓和考試則主要在三維可視化界面和仿真監(jiān)控界面進行,模擬中控室值班員操作步驟和現(xiàn)場運維人員操作步驟。

        根據(jù)南網(wǎng)雙調(diào)公司培訓考試評價體系,整個系統(tǒng)總體分為培訓、考核、技能競賽等3大模塊。其中,按培訓和考試場景需求,仿真培訓系統(tǒng)的操作界面分為模擬監(jiān)控系統(tǒng)界面和三維虛擬電廠界面,覆蓋運維人員大部分工作內(nèi)容,涵蓋中控室值班,現(xiàn)地處理操作,日常巡檢等工作場景。按用戶角色需要,教學人員和培訓人員的管理功能和瀏覽內(nèi)容應(yīng)予以區(qū)分。

        其平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示[3],融合了H9000數(shù)據(jù)庫與基礎(chǔ)應(yīng)用,是在一體化平臺的基礎(chǔ)上以設(shè)備仿真數(shù)學模型為驅(qū)動的三維虛擬仿真平臺。它以水電站監(jiān)控系統(tǒng)為前臺,仿真系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)相輔相成,并采用三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的Simu3D虛擬現(xiàn)實平臺構(gòu)建全三維虛擬現(xiàn)實水電站,增強了運行人員的臨場感,可很好地滿足各種水電用戶的培訓仿真需要。

        圖2 平臺功能結(jié)構(gòu)

        學員在模擬監(jiān)控界面和三維虛擬電廠界面的操作指令下發(fā)至后臺的數(shù)學模型,數(shù)學模型實時演算,并通過驅(qū)動將后臺演算的設(shè)備運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)反饋即時上傳至模擬監(jiān)控界面和三維虛擬電廠界面。通過這種數(shù)據(jù)交互機制,可以更為準確靈活的描述抽水蓄能機電設(shè)備的運行過程及物理上的相互影響,較通過動畫腳本驅(qū)動的方式更加真實,易擴展。結(jié)合模擬監(jiān)控界面和三維虛擬電廠場景,可以給培訓者更加直觀優(yōu)化的體驗,有助于提高培訓效果和效率。

        圖3 模擬監(jiān)控界面

        圖4 抽蓄虛擬電廠

        其中培訓管理也是本系統(tǒng)的重點,培訓管理應(yīng)分為兩部分,學員信息管理和培訓資料庫管理。學員信息包括學員姓名、學習記錄、崗位級別、成績記錄等。培訓資料庫則包括培訓案例庫、仿真系統(tǒng)工況庫、故障庫、在線操作庫等。仿真培訓案例庫包含正常操作案例、故障處理案例和設(shè)備巡檢案例等,是總結(jié)梳理運維人員常用的操作票、故障處理手冊、巡檢操作手冊的結(jié)果。

        (1)培訓案例庫

        培訓案例庫中保存正常操作案例和故障處理案例。案例中保存該案例的名稱,適用工況,案例類型,適用培訓學員等級,注意事項等基本信息,以及案例需執(zhí)行操作列表,包含每一步的操作描述,下令點名,下令類型,操作類型,與不同操作之間的邏輯關(guān)系等。教員可以在教員站對培訓案例庫進行增刪修改等操作。

        (2)培訓工況庫

        培訓工況庫中保存著不同工況條件下抽水蓄能電廠模型設(shè)備的狀態(tài)值及模擬量值,以滿足不同操作案例對初始工況的要求。除了系統(tǒng)交付時工況庫預留的基礎(chǔ)工況,教員也可以將操作平臺的當前工況保存,新增為工況庫中的新工況。

        (3)培訓故障庫

        培訓故障庫中保存著引發(fā)設(shè)備故障或事故的故障點及其故障狀態(tài)的狀態(tài)值。一個故障處理案例根據(jù)復雜程度可能由單一故障點或多個故障點構(gòu)成。在系統(tǒng)加載正常工況后,再從故障庫中調(diào)取故障點,將其值強置為故障狀態(tài)值,即可在模型中觸發(fā)故障流程,生成故障工況。

        4 崗位定級應(yīng)用

        培訓人員的崗位定級是該仿真系統(tǒng)的重要應(yīng)用之一。崗位定級的考評主要是測試培訓人員在現(xiàn)場實際處理問題的能力和水平。過去通常采用問答題的形式,由考官評判操作人員執(zhí)行的正確性和合理性,受人為因素影響較大,而且答題記錄也不便于后期分析整理[4]。

        操作票考評功能。該應(yīng)用主要考驗學員獨立寫票能力,可以在運行專業(yè)崗評實施過程中,對考生操作票試卷進行預判,輔助考評員進行打分。程序通過對比考生答案與標準答案,對考生答案的每一項操作步驟進行標記,作為考評員評分依據(jù),以及考生要求查閱試卷的依據(jù),這樣一方面可以提升評卷效率,另一方面可以提高客觀性。

        案例操作考評功能。該應(yīng)用主要考察學員具體執(zhí)行操作的能力,系統(tǒng)在學員完成案例的過程中,記錄學員的每一步操作,用自動評分功能對比培訓案例庫中保存的標準操作,對每一項操作進行標記,案例操作結(jié)束后,對學員整體操作進行自動評分,并給出缺失項目。教員可在系統(tǒng)自動評分的基礎(chǔ)上,調(diào)閱學員操作記錄,對系統(tǒng)評分進行更正。

        通過上述考核工作,可以更加客觀、公平、準確的進行崗位定級工作,助力南網(wǎng)培訓中心建立更加成熟的培訓考評體制。

        5 模型開發(fā)

        抽水蓄能機組的數(shù)學模型、控制流程、運行工況較普通水電站機組更為復雜,模型需要考慮各種工況下的正常操作響應(yīng)以及事故故障響應(yīng)。水泵水輪機模型包含抽水工況和發(fā)電工況等,各工況的轉(zhuǎn)換及相關(guān)條件需要在建模過程中充分考慮。為此本項目開發(fā)了抽水蓄能水泵水輪機模型算法,搭建了SFC啟動和BTB啟動控制流程,結(jié)合一體化監(jiān)控平臺中的工況轉(zhuǎn)換閉鎖邏輯,精準地再現(xiàn)了抽水蓄能電廠的生產(chǎn)運行情況。

        6 結(jié)語

        本文以南方電網(wǎng)清遠蓄能電廠為仿真對象,展現(xiàn)了三維可視化與仿真技術(shù)在抽水蓄能電站管理與培訓業(yè)務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用思路及使用效果。三維可視化技術(shù)可以直觀表達海量數(shù)據(jù),實時動態(tài)模擬各種信息的融合和綜合展示,結(jié)合科學合理的案例庫和故障庫設(shè)置,可以靈活的設(shè)置修改培訓內(nèi)容。通過這套仿真培訓系統(tǒng),技術(shù)人員可以迅速熟悉抽水蓄能電廠,更好的利用培訓教案資源,為用戶未來發(fā)展提供更好的人才保障。

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