貫流式水電廠自動控制設備仿真實訓系統

鐘　永，鄧　亞，林國朋，鄭　源（.洪江水電廠，湖南懷化4800；.河海大學水利水電學院，江蘇南京0098）

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貫流式水電廠自動控制設備仿真實訓系統

鐘永1，鄧亞1，林國朋2，鄭源2
（1.洪江水電廠，湖南懷化418200；2.河海大學水利水電學院，江蘇南京210098）

摘要：為了適應水電廠對員工越來越高的要求，革新電廠原本的培訓模式與方法，洪江水電廠提出了采用物理與數字相結合的混合仿真方式建設國內首套大型貫流式水電機組實操仿真培訓系統的思路。通過對水電站電力生產過程和主要自動控制設備進行分析，闡述了仿真培訓系統的系統結構和各部分硬件組成。通過洪江水電廠對燈泡貫流式機組實操仿真培訓系統的初步建設及應用表明：大型貫流式水電機組實操仿真培訓系統能營造出與實際電廠相一致的培訓環境，給員工提供真實的操作技能培訓，極大提高了培訓的效果。

關鍵詞：水電站仿真模擬；自動控制設備；實訓系統；員工培訓

0引言

隨著我國水電事業的高速發展和技術的進步，水電站運行的自動化程度越來越高,且涉及的知識面廣，因而電站對運行維護人員的技術知識、操作水平等專業素養提出了更高的要求。為滿足電廠對員工技能水平要求，如何快速和高效地培養員工成為很多水電企業十分關注的問題。

目前大多電站采用“幫、教、傳”的傳統培訓方式，但由于受水電站特殊性的影響，不可能因為員工的培訓而進行啟、停機等直接影響電力系統穩定和電站經濟效益的操作，因而培訓往往費時費力，培訓效果也很難滿足電廠的要求。

由于計算機技術的飛速發展，基于計算機模擬仿真培訓方法的出現引起了許多水電站的注意。水電站仿真培訓系統其突出優點是可近似地仿真模擬出電站的電力生產全流程，可營造出與實際電站相一致的培訓環境，可復制實際電廠的操作過程等，大大提高了員工培訓的效果。

基于以上優點，許多電廠開始以自身為原型設計和建設各自的仿真培訓系統，對仿真系統的方法研究也越來越多。劉連光等[1]基于微機的Winschool多媒體教學網絡系統，采用模塊化結構進行軟件設計開發了隔河巖水電廠多媒體仿真培訓系統，通過后臺程序和前臺多媒體界面有序結合實現了水電廠的運行操作培訓；方紅慶等[2]以面向對象的仿真技術為基礎，以高速計算機局域網為硬件載體，結合數據庫和多媒體技術實現了整個水電站生產過程的純軟件實時數字仿真，達到了培訓的目的；楊青[3]以西津水電廠為原型，結合水電廠運行及監控的培訓要求，對電廠的電氣系統、輔助油水風系統、保護部分等進行了全方位的模擬和仿真；魏佳芳等[4]運用多媒體仿真、圖形學及三維交互技術開發了軸流轉漿式水輪發電機組三維檢修仿真與實訓系統，以三維動畫、視頻及圖片等形式展示了軸流轉漿式水輪發電機組拆裝和檢修的整體流程及注意事項，并設置了考核環節，量化了培訓結果。

但這些仿真培訓系統及技術基本上都是針對混流式水電機組的大中型水電廠設計的，其調速系統為單調節調速系統，只有少部分是針對軸流式水電機組進行仿真的。而國內還沒有出現針對配置貫流式水電機組的水電廠的培訓系統。除此以外，由于成本控制等原因，現有的仿真培訓系統大部分都以計算機為基礎，通過純數字仿真的方法對水電廠各系統原有的功能和作用進行模擬。但與部分仿真方式或完全仿真方式相比，采用純數字仿真方法得到的仿真培訓系統，其很難保證能真實模擬各個系統，給培訓人員的臨場感較低，特別對于檢修人員的技能培訓，其培訓效果不高，物理與數字相結合的部分仿真的應用不多。

為了解決以上問題，給配置貫流式水電機組的水電廠提供培訓場地，本文基于洪江水電廠的一個科研項目對大型貫流式水電機組實操仿真培訓系統（簡稱“實訓系統”）的建立進行研究。

1實訓系統的建立與實現

1.1仿真方式的確定

仿真培訓系統的仿真方式主要分為3種：完全仿真方式、數字仿真方式和部分仿真方式。不同的仿真方式有其各自的優缺點，其建設成本及培訓效果也不盡相同。

洪江水電廠的實訓系統采用部分仿真方式進行建立。電廠采用近幾年自控設備改造項目更換下來的監控系統、調速器系統、勵磁系統等設備，加以配置油壓裝置系統及動模仿真機組等，再通過軟件的方法對水輪發電機組的特性及實際電廠的其他輔助設備進行數字仿真模擬，以硬件設備與軟件相結合搭建出大型貫流式水電機組實操仿真培訓系統。

采用部分仿真方法設計的實訓系統，其突出的優點就是解決了真實電廠現場設備不可隨意操作而帶來的培訓難題，甚至現場某些可能發生而極少發生的事故現象也能仿真，同時給培訓人員營造出與真實水電廠相似或相近的環境,使培訓人員感覺自己就在電廠現場進行實際操作，增強培訓人員對設備異常情況和事故的敏感性及應變能力。除此以外，洪江電廠充分利用了場內技術改造更換下來的設備，既達到了廢物回收利用的效果，又大大節省了實訓系統的建設成本。

1.2系統結構

實訓系統以洪江水電廠自身為原形，以真實模擬水電廠的電力生產過程為目的，通過對水輪機和發電機進行仿真與模擬，使用水電廠運行所需要的主要自動控制設備，實現水電廠整個生產過程中的設備運行、故障判斷及處理的仿真多媒體教學。

系統主要分為水輪發電機發電區域、自動化設備區域和客戶實訓端3大部分進行建立。

1.2.1水輪發電機發電區域

水輪發電機發電區域對水電廠水輪發電機的發電過程進行仿真和模擬。水輪機的仿真由仿真模擬屏和由變頻器帶動的電動機完成。在對水輪機、引水及泄水系統的特性進行建模后，仿真模擬屏接入機組各設備運行狀態信號，通過計算機軟件對水輪機、引水及泄水系統進行仿真，并輸出控制信號來改變變頻器的轉速和轉矩，以達到將電動機模擬為水輪機的目的。發電機的模擬使用三相同步電機來完成，轉動的轉矩由與其相連的電動機提供，勵磁電流由勵磁系統提供。三相同步電機可通過隔離變壓器及刀閘開關并入電網，用以消耗電機產生的電能并維持轉速的恒定。仿真模擬柜使用硬接線方式同機組LCU現地控制單元相連，通過計算機軟件還可對機組自動化與故障進行模擬，提供與真實機組一致的仿真運行過程。具體包括：機組同期仿真回路、機組事故仿真回路、機組油系統仿真回路、機組水系統仿真回路、機組氣系統仿真回路、機組溫度仿真回路。

水輪發電機發電區域由以下幾部分組成：

（1）采用一臺5 kW三相同步發電機并由YVF系統7.5 kW變頻調速器帶動，用于模擬50 MW水輪發電機；設立12.5 kVA變壓器，變比為1：1，用于模擬12.5 MVA變壓器；

（2）仿真模擬屏：采用計算機軟件對水輪機、引水及泄水系統進行仿真，并接入機組控制的主要信號（導/槳葉開度，發電機出口斷路器狀態，機組轉速等），通過變頻器控制發電機模擬真實的水輪機；

（3）發電機模擬系統屏：按主接線配置裝正泰電子JDZ系列電壓、電流互感器，并裝有若干電抗器和接觸器，可模擬各種短路故障，能通過互感器送到微機測控和保護屏；

（4）發電機非電量模擬系統屏：用電阻模擬油、氣、水系統及發電機各部分溫度，通過開關量或調節電阻傳輸到發電機現地控制單元。

1.2.2自動化設備區域

自動化設備區域包含水電站自動控制所需主要設備，能真實的模擬電力生產的全過程，達到或接近實際運行機組的運行、維護和操作水平。自動化設備區域的構建主要由以下幾部分組成：

（1）發電機現地控制單元H9000系列與發電機保護裝置SAC系列組1塊屏共計2套。

發電機現地控制單元H9000包含主控數據處理PLC、輸入回路、輸出回路、指示回路、交流電量采集回路、手/自動同期回路、功率調節回路、事故保護回路、現地指示、溫度巡檢回路、觸摸屏及輔機通信回路等。機組各設備運行狀態通過PLC開關量輸入模塊、AI輸入模塊或通信采集模塊進入主控PLC內，主控PLC對所采集機組開關量、模擬量進行數據濾波處理，濾掉開關脈沖干擾、模擬量突變雜波后得到可用的機組運行工況。主控PLC根據編制的機組流程處理機組狀態，并通過輸出回路操作機組控制對象執行對應元件啟動、停止動作。

發電機保護裝置SAC包含發電機縱差保護、發電機復合電壓過流保護、發電機過電壓保護、發電機失磁保護、發電機過負荷保護、定子接地保護、轉子一點接地保護、PT斷線閉鎖保護、CT斷線保護及非電量保護。

（2）公用/開關站現地控制單元H9000與主變微機保護屏SAC系列組1塊屏共計1套

公用/開關站現地控制單元H9000包含主控數據處理PLC、輸入回路、輸出回路、指示回路、交流電量采集回路、觸摸屏及現地指示等。公用/開關站現地控制單元設備運行狀態通過PLC開關量輸入模塊、AI輸入模塊或通信采集模塊進入主控PLC內，主控PLC對所采集機組開關量、模擬量進行數據濾波處理，濾掉開關脈沖干擾、模擬量突變雜波后得到可用的運行工況。主要對全廠公用的油、氣、水輔助系統；主變及其輔助設備及直流電源等監控對象的數據采集及實時控制。

主變微機保護裝置SAC包含變壓器縱差保護、主變高壓側復合電壓過流保護、主變高壓側零序過流保護、主變高壓側間隙零序電流電壓保護、主變中壓側單相接地保護、主變低壓側單相接地保護、主變高壓側過負荷保護、PT斷線閉鎖保護、CT斷線保護及非電量保護。

（3）發電機勵磁系統屏2套

采用技術先進、工藝精良、運行安全可靠的DSP 型WE-II型全數字式靜態勵磁系統，其顯著特點是：硬件簡單可靠、軟件模塊功能化、調節測量數字化、操作界面的人性化，其綜合性能指標達國際領先水平。DSP型微機勵磁控制裝置均已通過國家技術鑒定，并且在多個大中型水電站取得良好現場運行效果，根據電站的機組容量，對比同類型、同容量機組的經驗，同時保證具有：良好的運行性能指標、可靠的運行記錄、美觀合理的結構工藝以及更先進、簡單、快速的控制方式。

（4）發電機調速屏2套

調速器控制部分采用1套Alstom公司的電液調速器。電液轉換采用無油環噴移轉換器，無機械回復裝置的布置形式。測頻采用可編程本體高精度直接測頻。

（5）直流系統屏2套

直流系統由1面WZGC-20/220高頻開關電源充饋電屏、1面XDC-220/100蓄電池屏組成。

（6）主站服務器1套

主站服務器采用DELL PowerEdge 2900III系列服務器及19”AOC顯示器1套，并配置1套防火墻用于與校園以太網的泛客戶端聯接。主要負責采集機組相關設備工作狀態。上位機使用100 M以太網絡與機組現地控制單元和公用/開關站現地控制單元相連接，通過法國施耐德公司專用工業控制傳輸協議MODBUS TCP/IP協議傳輸數據。上位機定時、循環采集現地控制單元運行狀態，并將從現地控制單元采集的數據處理后顯示在計算機上供用戶監視。上位機也可通過100 M以太網絡將其控制指令傳送至機組LCU現地控制單元完成對機組的控制和操作，實現機組開機過程、停機過程、閉環功率調節過程、功率因數調節過程等。

1.2.3客戶實訓端

客戶實訓端是指運用計算機系統向用戶提供的綜合操作及實訓環境，它的設計原理是能向受訓者提供方便、友好的人機交互環境，其系統結構圖如圖1所示。

圖1　客戶實訓端結構圖

客戶實訓端的構建主要由以下幾部分組成：

（1）教師主控工作站1套：采用DELL Vostro200超薄塔式電腦、1套22”AOC顯示器及1套打印機，主要負責顯示并控制機組及其相關設備。

（2）投影儀1套：投影儀主要用于教學中使用。

（3）學生客戶端：監控操作平臺采用DELLVostro 200超薄塔式電腦，并采用22”AOC顯示器，用于職工進行微機監控操作實訓。

除此以外，系統還可對外進行拓展，通過以太網等網絡通信使個人計算機與實訓系統相連，使學員可在課堂以外繼續進行學習。

2實訓系統的創新與應用

本文對洪江電廠的大型貫流式水電機組實操仿真培訓系統的系統構架和各部分組成進行了分析、闡述，系統有以下特色和創新：

（1）開發出了國內首套以部分仿真方式仿真設計的大型貫流式水電機組實操仿真培訓系統。

（2）開發的實訓系統和電站環境高度一致性。仿真實訓系統以真實電廠自動化設備為原型，完全模擬電廠實際運行電氣設備，力求實訓系統達到與實際控制同一高度，仿真水平達到或接近真實控制的效果。

（3）實訓系統可以完全呈現水電廠的生產過程，在培訓系統上的操作如同在電廠設備上的實際操作，可使培訓人員快速掌握水電自動裝置運行、檢修技能。同時，可進行調速系統的電液轉換器、主配壓閥等關鍵部件解體檢修、繼電保護定值校驗、PLC編程等檢修調試技能培訓，提高培訓人員的實際動手能力和對自動化設備的故障分析、檢修維護等技能水平。

（4）泛客戶端的構建模式使仿真實訓中心更具開放性，泛客戶端可以根據需要隨時鏈接和脫離發電廠計算機監控中心，獨立仿真或與其他實訓平臺鏈接，如進行組態實訓、單片機實訓、EDA仿真等，與電氣自動化和機電一體化專業形成平臺共享。

（5）用戶可以根據自己的需要任意修改仿真過程，擴充仿真對象及功能。

實訓系統的基本應用包含：

（1）正常操作訓練

受訓人員根據指令可進行開/停機、并網、增/減負荷、切換開關和倒閘等各種日常操作，操作內容基本涵蓋水電站所有正常操作，操作過程與現場基本一致。

（2）異常及事故訓練

教練員可通過實訓系統人為地設置故障及事故，能讓受訓人員進行反復訓練，從不同角度來分析和研究同一故障現象，使受訓人員積累處理故障及事故的經驗和培養心理承受能力。

（3）利用該實訓系統開展了一些機組故障排查處理實驗研究，為快速查找事故發生原因、排除事故及進行設備修復等創造了條件，并取得了成效，避免了電廠的安全生產事故和效益的損失。

3結論

大型貫流式水電機組實操仿真培訓系統是國內首套以貫流式機組為原型的，采用部分仿真方式建立的培訓系統，它提供了一個與真實水電站一致的操作環境，包含水電站生產運行所需的主要自動控制設備。在仿真實訓系統中運行維護人員不但能進行機組在各種條件下的啟、停等運行操作培訓，同時還能通過對電站常見故障和事故進行模擬，使員工的應急能力和對機組運行的綜合分析能力得到提高。同時仿真實訓系統還能滿足工程技術人員對系統設備的研究分析等要求，能進行機組運行方式的優化和研究。總之，水電站自動控制設備仿真實訓系統對提高運行維護人員操作技能與水平，增強應變處理能力，避免由于操作失誤造成設備損壞、電網解列以及其他重大事故具有重大意義。通過在洪江水電廠對仿真實訓系統的初步建設表明：實訓系統能達到水電站真實生產環境，在員工培訓等方面具有廣泛前景。

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作者簡介：鐘永（1979-），男，工程師，從事水電廠生產管理工作。

收稿日期：2015-09-14

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.007

中圖分類號：TP391.9

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）03-0018-04