白山水力發電廠培訓仿真系統的研究與實現

楊葉平，王德寬，吳 迪，羅 斌

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

白山水力發電廠培訓仿真系統的研究與實現

楊葉平1，王德寬1，吳 迪2，羅 斌2

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

在不影響發電生產的前提下，水電站培訓仿真系統可以使新老員工能有更多的實際操作機會，提高培訓效率，降低培訓成本。白山水力發電廠培訓仿真系統基于仿真軟件平臺OTS2000，實現了水電站常見的正常操作和事故模擬仿真。自主研發的Simulog 語言是OTS2000的核心技術，它的成功研發和應用解決了阻礙培訓仿真系統發展和應用的關鍵技術瓶頸，具有一定的先進性。

OTS 2000；Simulog；白山水力發電廠；培訓仿真系統

白山發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電廠，總裝機容量為1700MW，在東北電網中擔任調峰、調頻和事故備用。白山發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。

研究開發水電站培訓仿真系統，可以在不影響發電生產的前提下，使新老員工能有更多的實際操作機會，提高培訓效率，降低培訓成本。

對于一個正常運行的電站來說，設備發生嚴重故障的概率比較小，但一旦發生，后果不堪設想。一方面，電站運行維護人員應該盡量避免此類事故的發生，另一方面，運行維護人員需要在日常工作中培養判斷、處理突發故障的能力。運行維護人員在實際工作中很少能有機會處理突發事故的機會，而通過培訓仿真系統來進行這方面的培訓，是一個經濟而高效的方式。

北京中水科水電科技開發有限公司（中國水利水電科學研究院自動化所）承擔了白山水力發電廠培訓仿真系統（后簡稱白山仿真系統）的建設。在白山電廠和中水科技技術人員通力合作下，克服困難，以成熟的水電站監控系統H9000V 4.0為基礎，完成了水電站培訓仿真系統平臺OTS2000的研制開發。目前白山仿真系統經過了電廠運行、維護人員的嚴格測試，已經正式投入了試運行。

1 仿真系統的主要用途

水電站培訓仿真系統既可以用于運行維護人員培訓，也可以用于實驗研究。

（1）培訓運行操作人員

培訓仿真系統對水力發電過程給予全面仿真。可用于水電機組正常工況的操作運行訓練，如機組啟停、正常運行、調整負荷等操作訓練。可進行各種異常工況下的操作訓練，如各種故障狀態下的現象判斷和事故處理的操作訓練。

（2）重要設備操作模擬、操作票驗證

運行人員在進行倒閘、并網解列等重要操作時，如果出現操作失誤可能帶來巨大的損失。在進行實際操作前，先通過仿真系統進行模擬操作，并檢查正確性，確保運行操作票的正確性，杜絕誤操作，大大提高操作的安全性、可靠性。

（3）控制系統研究和設計

依靠仿真系統建模工具、模型運行軟件和模型算法庫,用戶技術人員可以在仿真系統上進行控制系統的各種研究和設計工作。例如:控制系統的仿真研究、組態分析、控制系統的參數尋優等。

（4）最優化運行方式實驗研究

仿真系統作為一個實驗平臺，可用來進行不同方式的機組啟停等操作實驗，在仿真機上可以監視各種過程運行參數和運行指標,可以進行大型流域水庫群聯合優化調度控制仿真研究,尋求優化的運行方式，也可以進行廠站內AGC、AVC的仿真實驗。

2 仿真系統的典型配置

OTS2000仿真系統可以為純數字仿真，也可以為數字物理混合仿真，其硬件結構分別如圖1、圖2所示。

目前白山仿真系統采用純數字仿真。

3 白山培訓仿真系統的實現

白山仿真系統實現了白山一號機組開機流程，工況初始化，停機流程，有無功調節，異常操作設置，事故模擬的仿真功能。具體介紹如下：

（1）正常操作調節與仿真

圖1 純數字仿真模式硬件結構圖

圖2 數字物理混合仿真模型硬件結構圖

由于OTS2000系統以H9000系統為基礎，因此監控系統的正常操作均可在仿真系統實現，如開、停機操作，斷路器，隔離開關，有功、無功調節，各種設備的投、切等，并通過仿真系統進行信號反饋。該功能是正常的監控系統與仿真系統的組合。

白山培訓仿真系統已實現的正常操作調節功能包括：

1）機組開機流程仿真；

2）機組有功功率調節仿真；

3）機組無功功率調節仿真；

4）2201 開關分、合仿真；

5）2251 開關分、合仿真；

6）機組FMK開關分、合仿真；

7）機組停機流程仿真等。

（2）異常運行工況仿真與處理

為了培訓學員正確應對各種異常情況，仿真系統可生成各種異常情況，如水機或電氣的事故或故障、量測系統異常、閘門系統故障等。目前，白山仿真系統已經實現了主要事故模擬，如機械事故：事故低油壓、機組140%過速、調速器失靈、機組溫度過高等；電氣事故如：機組電氣事故、變壓器電氣事故、勵磁事故等。

（3）無操作閉鎖的操作模式

正常運行的監控系統具有完善的防誤操作功能，可對進入計算機系統的各項操作指令自動進行條件判斷，滿足條件則執行，不滿足條件則閉鎖，并向運行培訓人員提示閉鎖原因。因為監控系統的操作閉鎖功能，運行人員在操作時不再需要一一仔細檢查有關設備的運行工況，且很少誤操作，實現了所謂的“傻瓜機”功能。正是由于功能簡化，導致許多運行人員操作時“只知其然，而不知其所以然”，概念并不是十分清楚。為培訓學員，還可解除防誤操作閉鎖功能，由學員親自檢查該操作的條件，可更好地檢驗學員對該操作條件的理解，并進行考核。

（4）場景庫與案例庫

在仿真軟件運行時需要初始信息，即場景。場景的取得可以有多種方式。（a）可取自監控系統;（b）特別設置的典型場景。

仿真系統可將一些典型的運行方式場景或典型的歷史場景保存下來，作為場景歷史數據庫。場景庫可以是系統全局性的，也可以是僅涉及某一待操作設備有關的局部場景。教員或學員可根據培訓內容，選擇恰當的場景庫。培訓案例庫是培訓仿真系統的重要核心技術。豐富的案例，可以仿真各種運行工況，也是培訓仿真系統的價值所在。如某機組事故跳機、開機受阻、機組溫升異常、機組溜負荷，等等。

（5）仿真進度控制

仿真系統運行時，可對慢過程進行快進，對快速變化的過程可慢鏡頭播放，必要的時候可凍結（frozen），待有關現場分析后繼續前進。發生事故時，系統可記錄觸發事件發生前后全部時間斷面數據，形成事故追憶。拍照記錄時間長短可定義。用戶可定義不同的事故追憶內容。事故追憶記錄的數據包括預定義的模擬量、狀態量等數據。觸發方式包括擾動觸發、人工觸發等。事件過程記錄數據可分步瀏覽和回放，并可以單線圖、表格等方式重現，方便進行事故分析。

（6）工況再現

工況再現是學員可以通過仿真系統提供的人機接口（OIX），在某一場景畫面上（比如“開機流程畫面”），回放過去某一段時間內實時監控系統的運行變化過程。該功能類似于將運行人員監視的實時系統畫面完整地拍照錄像，然后在事后進行回放，只是更為靈活、豐富，數據量小得多。

學員可以對回放畫面、回放起止時間進行設置。因為所有需要的數據信息都進行了存儲，所以畫面的選擇是任意的，這大大加強了該功能的靈活性。在回放過程中，學員可以對回放過程進行停止、暫停、繼續、加速、減速操作。該功能也能進行對正常的運行過程進行回放。

（7）學員考核

系統可記錄受訓人員的各種操作和特定參數，客觀評價受訓人員的操作水平。

（8）語音報警

學員進行操作時，系統將自動通過語音提示學員當前進行的操作，并將報警信息通過語音播報。

4 白山培訓仿真系統關鍵技術

基于設備運行機理建立的水電站完整數字模型及其描述解析方法是建立培訓仿真系統的基礎和核心，也是一直阻礙培訓仿真系統發展和應用的關鍵技術瓶頸。

國內水電站培訓仿真系統的應用開發起步較晚，與電網、火電、核電仿真系統的技術水平差距較大。目前國內外有部分監控系統廠家和高等院校在進行水電站培訓仿真系統研究開發，但往往流于表面形式，僅僅是實現簡單的培訓功能，而對仿真所必須的核心技術則沒有進行更深入的研究。

在OTS2000的研制開發過程中，模型的建立以仿真對象的生產工藝流程、系統結構設計、設計計算和運行數據資料為依據，以實際物理運行機理為基礎，符合控制理論原理、電路電工原理、電力系統原理、水力學原理、電機學原理。同時要充分利用國內外本領域已有的研究成果，消化吸收水電領域豐富的數學方程、公式。模型的靜態特性和動態特性與仿真對象相同或相似。

Simulog是中水科技自主創新的面向水電站仿真的過程模型描述語言，經過多年的研發，該語言已經可以實現控制流程的計算機描述和解析運行及水電站數學模型的計算機描述和解析運行等功能。

Simulog語言定義了豐富的語法規則，可以對連續/離散系統、線性/非線性系統、簡單/復雜系統、進行建模，模型的解析運行具有較好的精度。Simlog語言可以實現IEC61131-3國際標準PLC編程語言（梯形圖、結構化文本ST）的主要功能，可以對復雜的控制流程進行建模。

5 結束語及建議

白山仿真系統基于仿真軟件平臺OTS2000，實現了水電站常見的正常操作（開機、停機、有功調節、無功調節等）的仿真，也實現了常見的機械事故、電氣事故的仿真。目前該系統經過了電廠運行、維護人員的嚴格測試，已經正式投入了試運行。自主研發的Simulog語言是OTS2000的核心技術，它的成功研發和應用解決了阻礙培訓仿真系統發展和應用的關鍵技術瓶頸，具有一定的先進性。

[1]王德寬，等.水電廠計算機培訓仿真技術的設想與初步研究[J].水電廠自動化，2000,（3）.

[2]王德寬.培訓仿真系統的SimuLog語言及模型[J].水電自動化與大壩監測，2003,（1）.

[3]王德寬.OTS2000系統的設計思想及功能實現[J].水電自動化與大壩監測，2003,（2）.

[4]王德寬，等.H9000V4.0計算機監控系統技術特點概要[J].水電自動化與大壩監測，2007,（3）.

[5]張毅,王德寬,等.面向巨型機組特大型水電站監控系統的研制與開發[J].水電自動化與大壩監測，2008,（1）.

[6]王德寬,楊葉平,等.H9000V4.0環境下的水電廠培訓仿真系統[J].水電站機電技術,2008,（3）.

TP391.9

B

1672-5387（2011）03-0035-03

2011-04-11

楊葉平，男，博士研究生，研究方向為水電站仿真。