呂毅松，白劍飛，李亦凡，陳偉光，李東璐，甄培江，丘恩華，劉德龍

（1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東 廣州 510630；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)已成為水電廠員工培訓(xùn)的重要手段之一，特別在事故及故障處理培訓(xùn)中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)[1]。仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和信號(hào)反饋的實(shí)時(shí)性對(duì)于培訓(xùn)效果十分重要。抽水蓄能水電站機(jī)組承擔(dān)著電網(wǎng)中調(diào)峰調(diào)頻的作用，一天之內(nèi)啟停頻繁，工況及發(fā)電出力需經(jīng)常性的調(diào)整，在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量控制和報(bào)警信息。因此為了培訓(xùn)員工查找出故障真實(shí)原因，采取相應(yīng)措施應(yīng)對(duì)機(jī)組故障，需要仿真系統(tǒng)盡可能真實(shí)地模擬并上報(bào)故障信息。而實(shí)際故障或事故事件發(fā)生時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生多達(dá)數(shù)十條報(bào)警信息，如若直接在仿真系統(tǒng)中人工強(qiáng)置這些狀態(tài)和報(bào)警信息，工作將十分繁瑣，并存在故障模擬不靈活，報(bào)警范圍不全等缺點(diǎn)。基于設(shè)備數(shù)學(xué)模型后臺(tái)的OTS2000仿真系統(tǒng)可以便捷地解決這一問題。該系統(tǒng)引入故障點(diǎn)設(shè)置，只需設(shè)置好故障源頭的數(shù)據(jù)狀態(tài)信息，后續(xù)故障和報(bào)警信息可由模型內(nèi)部自動(dòng)觸發(fā)產(chǎn)生并上送至仿真人機(jī)界面[2]。

1 事件順序記錄故障點(diǎn)設(shè)置

隨著水電廠故障診斷和處理培訓(xùn)需求的發(fā)展，用戶對(duì)仿真系統(tǒng)的真實(shí)性要求更高，希望系統(tǒng)能對(duì)故障事件全部狀態(tài)信號(hào)量進(jìn)行模擬、記錄并具有較高的事件分辨率。

傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)將全部應(yīng)報(bào)出的狀態(tài)信號(hào)都設(shè)置在故障案例中，采用事件記錄模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這種做法一方面成本較高，另一方面也僅滿足了某單一工況下的某一故障現(xiàn)象，對(duì)水電廠廠站層其他設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)量以及用戶程序產(chǎn)生的一些可用于診斷的中間變量信號(hào)的模擬有所缺失。

為解決這一問題，OTS2000系統(tǒng)在設(shè)備算法模塊中保留了模型故障點(diǎn)接口，可根據(jù)設(shè)備物理原理、控制及保護(hù)系統(tǒng)邏輯觸發(fā)產(chǎn)生一系列狀態(tài)變位信息及報(bào)警信息。在OTS2000系統(tǒng)中，故障點(diǎn)是從教員站平臺(tái)或?qū)W員站平臺(tái)以下令的方式強(qiáng)制后臺(tái)數(shù)學(xué)模型相關(guān)變量變位。根據(jù)故障的復(fù)雜程度，教員可在教員站中將故障設(shè)置為單點(diǎn)故障或多點(diǎn)復(fù)合故障。由于相同的故障點(diǎn)可根據(jù)不同工況，觸發(fā)相應(yīng)的中間變量和報(bào)警信息，產(chǎn)生不同的故障效果。下發(fā)故障點(diǎn)前，使用者應(yīng)首先明確故障發(fā)生時(shí)蓄能水電廠機(jī)組工況、線路狀態(tài)、油水氣等公用系統(tǒng)的工作狀態(tài)等。采用這一方法，可以讓故障現(xiàn)象的產(chǎn)生更加靈活，符合南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻公司集約化培訓(xùn)的需求，獲得更好的培訓(xùn)效果[3]。

2 故障信息的產(chǎn)生、上送及事件分辨率

2.1 故障信息的產(chǎn)生與上送

故障點(diǎn)數(shù)據(jù)下發(fā)到設(shè)備數(shù)學(xué)模型后，會(huì)根據(jù)設(shè)備模型參數(shù)設(shè)置，觸發(fā)一系列連鎖的故障信息。根據(jù)不同故障類型，故障點(diǎn)數(shù)據(jù)可分為模擬量或數(shù)字量故障。例如機(jī)組轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障，可將相關(guān)電阻值的模擬量設(shè)為故障點(diǎn)，下發(fā)后會(huì)觸發(fā)相關(guān)故障報(bào)警和繼電保護(hù)邏輯。而模擬水泵故障造成的集水井水位過高現(xiàn)象，可將一個(gè)高出上限的集水井水位（模擬量）數(shù)據(jù)以及水泵故障停機(jī)狀態(tài)點(diǎn)（數(shù)字量）均設(shè)置為故障點(diǎn)。需要故障場(chǎng)景時(shí)，只需將這些故障數(shù)值及狀態(tài)下發(fā)至系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，則會(huì)觸發(fā)水位高報(bào)警信息，并觸發(fā)備用潛水泵啟動(dòng)等一系列中間量的變化及狀態(tài)信息。

通用故障信號(hào)的設(shè)置和產(chǎn)生：圖1為故障觸發(fā)器模型，可模擬通用故障信號(hào)的產(chǎn)生。其中輸入S1設(shè)為故障信號(hào)，當(dāng)其為高電平時(shí)，模塊輸出N產(chǎn)生故障報(bào)警信號(hào)，輸入S2設(shè)為故障復(fù)歸信號(hào)，當(dāng)其為高電平時(shí)且輸入S1恢復(fù)低電平后，輸出N故障報(bào)警復(fù)歸，故障信號(hào)消失。仿真系統(tǒng)恢復(fù)蓄能水電站正常工作狀態(tài)。

圖1 故障觸發(fā)器

如果能像水電站監(jiān)控系統(tǒng)那樣，將采集的狀態(tài)信號(hào)量和有用的中間變量信號(hào)進(jìn)行全面模擬和事件順序記錄，就可以進(jìn)一步提高仿真系統(tǒng)的仿真精度，為模擬故障、故障診斷訓(xùn)練、故障處理訓(xùn)練提供更真實(shí)的信息。因此，我們參考監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)的事件記錄功能和下位機(jī)現(xiàn)地控制單元的信號(hào)傳輸機(jī)制，設(shè)計(jì)用程序?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)信號(hào)量事件順序記錄和上送，這一功能被稱為變位上送功能。

實(shí)際工程中，在下位機(jī)(PLC)的主循環(huán)程序里，每個(gè)循環(huán)周期沿觸發(fā)器都會(huì)檢測(cè)所有狀態(tài)信號(hào)（包括數(shù)字輸入狀態(tài)量、數(shù)字輸出量、通信輸入狀態(tài)量、虛擬狀態(tài)量）是否發(fā)生上升沿跳變或下降沿跳變，如果檢測(cè)到狀態(tài)信號(hào)有跳變，就即刻進(jìn)行記錄并生成變位信息記錄報(bào)文打包發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)[3]。

OTS2000水電站仿真系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)學(xué)模型及模型驅(qū)動(dòng)可以模擬下位機(jī)變位的這一工作過程。模型驅(qū)動(dòng)循環(huán)檢測(cè)模型的狀態(tài)信號(hào)輸出，如果檢測(cè)到跳變，則即刻將該信號(hào)點(diǎn)的邏輯點(diǎn)名，變位狀態(tài)，變位發(fā)生的時(shí)間等信息，發(fā)送到上一層仿真人機(jī)界面系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)程序設(shè)定判斷邏輯點(diǎn)類型，如果是故障點(diǎn)，則向培訓(xùn)人員發(fā)出告警信號(hào)，如果是事件點(diǎn)，則寫入事件列表，供培訓(xùn)人員分析判斷。

針對(duì)故障情況下模擬量的變化，仿真系統(tǒng)也會(huì)提供曲線分析等手段，展現(xiàn)這一時(shí)段內(nèi)模擬量的變化趨勢(shì)，方便培訓(xùn)人員進(jìn)行故障分析和判斷。

2.2 變位上送時(shí)間精度和事件分辨率

變位上送功能的狀態(tài)信號(hào)變位時(shí)間的記錄精度和事件分辨率主要受模型模塊的計(jì)算周期和模型驅(qū)動(dòng)的掃描周期影響。

將t1設(shè)為狀態(tài)信號(hào)點(diǎn)或報(bào)警點(diǎn)實(shí)際發(fā)生變位的時(shí)刻，t2為變位上送功能記錄的信號(hào)點(diǎn)變位時(shí)刻，設(shè)t3為該周期掃描開始后變位上送功能程序段的執(zhí)行時(shí)間,t4為模型狀態(tài)采集程序掃描周期。考慮以下兩種極端情況：

當(dāng)信號(hào)變位發(fā)生在上次掃描結(jié)束、下一次掃描開始前，則t2=t1+t3，狀態(tài)點(diǎn)實(shí)際變位時(shí)刻t1與變位上送功能記錄的信號(hào)點(diǎn)變位時(shí)刻t2最為接近；當(dāng)信號(hào)變位發(fā)生在本次掃描剛結(jié)束時(shí)，則t2=t1+t3+t4，狀態(tài)點(diǎn)實(shí)際變位時(shí)刻t1與變位上送功能記錄的信號(hào)點(diǎn)變位時(shí)刻t2相差最大。

在OTS2000系統(tǒng)中，變位上送功能檢測(cè)的是數(shù)學(xué)模型的信號(hào)狀態(tài)，構(gòu)成數(shù)學(xué)模型的算法模塊的輸出結(jié)果每隔1 ms刷新一次，遠(yuǎn)小于模型狀態(tài)采集周期。如果狀態(tài)信號(hào)點(diǎn)和報(bào)警點(diǎn)在模型狀態(tài)采集程序掃描周期內(nèi)發(fā)生間隔很短的兩次跳變，變位上送功能是無法檢測(cè)到這期間模型信號(hào)的變位情況的。例如掃描開始時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)發(fā)生了一次跳變，在本次掃描結(jié)束時(shí)該狀態(tài)點(diǎn)再次變位，這兩次跳變無法檢測(cè)到，期間間隔時(shí)間為掃描周期。基于以上分析，狀態(tài)點(diǎn)和報(bào)警點(diǎn)的變位上送的事件分辨率為模型狀態(tài)采集程序的掃描周期。

OTS2000平臺(tái)的建模算法模塊，最小計(jì)算周期為1 ms,遠(yuǎn)小于模型驅(qū)動(dòng)采集程序的計(jì)算周期，可以忽略不記。整體模型的狀態(tài)采集程序的掃描周期則取決于仿真數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度，復(fù)雜精細(xì)的數(shù)學(xué)模型，涉及到的狀態(tài)信號(hào)點(diǎn)越多，掃描周期越長(zhǎng)。在實(shí)際工程執(zhí)行中，開發(fā)工程師應(yīng)注意模型精細(xì)度和掃描周期時(shí)長(zhǎng)的平衡，同時(shí)盡量精簡(jiǎn)不必要的中間量和虛擬點(diǎn)。經(jīng)實(shí)際仿真工程測(cè)試，OTS2000平臺(tái)的操作周期在十幾毫秒到幾十毫秒之間。對(duì)比實(shí)際水電廠監(jiān)控下位機(jī)系統(tǒng)，如西門子S7-400系列PLC為主控制器的現(xiàn)地控制系統(tǒng)，正常運(yùn)行時(shí)主循環(huán)程序掃描周期≤30 ms[5]。因此，OTS2000仿真系統(tǒng)的模型驅(qū)動(dòng)掃描周期和上送分辨率基本貼合實(shí)際系統(tǒng)，可以滿足故障事件順序記錄對(duì)事件分辨率的仿真需求。

3 結(jié)語

OTS2000仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)故障模擬與報(bào)警功能，記錄下故障的全部狀態(tài)和變位信息等事件，可以模擬實(shí)際水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以SOE模件對(duì)重要事件點(diǎn)做事件順序記錄的方式，通過這種手段為學(xué)員進(jìn)行事件或故障原因分析提供更全面、可靠的信息存儲(chǔ)和故障分析依據(jù)。這一功能的實(shí)現(xiàn)也為將仿真培訓(xùn)系統(tǒng)升級(jí)為仿真測(cè)試系統(tǒng)打下良好基礎(chǔ)，為OTS2000仿真系統(tǒng)的深度應(yīng)用做準(zhǔn)備。

目前，該仿真系統(tǒng)已部署在南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻有限公司培訓(xùn)中心。系統(tǒng)以廣東清遠(yuǎn)抽水蓄能電站為被仿對(duì)象，從投運(yùn)情況來看，該功能運(yùn)行正常，可較為完整地記錄故障發(fā)生和處理操作過程中的事件順序，與實(shí)際基本相符。下一步，我們將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究該系統(tǒng)與檢修培訓(xùn)系統(tǒng)的信息交互和功能融合，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)抽水蓄能水電站運(yùn)維檢修一體化的培訓(xùn)模式。