瀾滄江通用型水電站三維仿真系統開發與應用

王繼偉，李 俊，劉 偉

（華能瀾滄江水電股份有限公司檢修分公司，云南省昆明市 650214）

0 引言

華能瀾滄江水電股份有限公司是中國華能集團控股和管理的大型流域水力發電企業，水電裝機容量2250余萬kW，是云南省最大的發電企業和國內第二大流域水力發電公司，實施“西電東送”“云電外送”的核心企業和龍頭企業。隨著景洪、小灣、糯扎渡、黃登·大華橋、烏弄龍·里底等水電站陸續投產發電，需要大批生產運維人員和人才儲備，近年來從專業院校招聘大量應屆畢業生充實到生產一線，人員結構普遍年輕，存在實操技能、故障/事故應急處理能力不足等問題，傳統師帶徒“傳、幫、帶”的培訓方式周期長、培訓成本高，遠遠不能滿足對大批量高技能運維人員的迫切需求，亟需采用現代化、科學規范的培訓手段來開展員工技能培訓。另外，瀾滄江公司承建的華能第一水力發電國家職業技能鑒定站和員工技能競賽工作也需要一個高效、客觀、公平的實操考核平臺。為此，瀾滄江公司結合實際需求開發一套通用型水電站三維仿真系統。

隨著計算機仿真和三維虛擬現實技術日趨成熟應用，水電站運行仿真培訓系統開發出來并成功應用于運行人員技能培訓工作。經過實踐檢驗，可為受訓學員提供一個與真實水電站相近的實訓環境，能有效提升水電站運行人員實操技能和設備故障/事故應急處理能力[1]。

1 開發思路及實施流程

1.1 開發思路

（1）結合瀾滄江流域水電站設備差異性大、員工培訓亟需規范和統一、人才儲備需求緊迫等現狀，開發一套模型逼真、算法優異、技術先進、培訓實效強的通用型水電站三維仿真系統，既適用于流域性水力發電企業運行人員技能培訓，又避免了各個水電站自行開發仿真系統的大量重復投資。

（2）采取“總體規劃、分期分步” 方式開發，軟件平臺具備“一機多模，分組培訓”能力，所有功能模塊和接口均標準統一，支持第三方軟件系統接入和升級，滿足后續“一機多模”仿真系統開發需求。

（3）采用精準、先進的圖形化、模塊化建模方法，對水電站主要設備系統生產過程、運行特性進行全范圍、全工況1∶1仿真開發，同時采用虛擬現實技術與圖像、圖片、聲音、文字等相結合的多媒體方式，為學員提供一個與真實水電站生產現場高度一致的實訓環境，滿足水電站設備運行監視、漫游巡視、操作、控制、調節、故障及事故應急處理等培訓需求。

（4）配套開發技術先進、成熟應用的培訓考核評價管理軟件和遠程培訓管理軟件，具有學員管理、題庫管理及組卷、上機考試、手/自動評分、遠程異地登錄培訓等功能，既能科學、高效、公平、公正地開展技能培訓、競賽和技能認證，又能滿足各水電站現場運行人員異地遠程登錄上機實訓需求[2]。

1.2 實施流程

水電站運行仿真培訓系統實施流程見圖1。

圖1 通用型水電站三維仿真系統開發流程Figure 1 Development flow of three-dimensional simulation system for general hydropower stations

2 仿真系統架構

仿真軟件：主要由仿真支撐軟件、仿真模型軟件、教練員站軟件、操作員站軟件、三維圖形建模軟件、監控仿真軟件等組成。

硬件設備：主要由仿真服務器、教練員站、操作員站、現地操作站、網絡設備等組成（見圖2）。

圖2 通用型水電站三維仿真系統硬件結構Figure 2 Hardware structure of three-dimensional simulation system for general hydropower stations

3 仿真原理

按照真實水電站設備系統的工作原理和運行特性，采用圖形化建模工具對相關聯的設備系統間物理聯系及其控制邏輯進行數學建模，即：對設備圖元進行連接和組態，生成系統模型網絡結構，再經過運算分析，產生所需要的仿真數據，用以驅動整個仿真系統運行（見圖3）。

圖3 通用型水電站三維仿真系統工作原理Figure 3 Working principle of three-dimensional simulation system for general hydropower station

仿真系統建模主要包括仿真數學建模、仿真監控系統建模和三維虛擬現實系統建模三部分。其中，仿真數學模型提供整個仿真系統所需的各種仿真數據，在系統后臺運行；仿真監控系統和三維虛擬現實系統模型則分別模擬水電站現場計算機監控系統和現地設備，以二維界面和三維動態場景的形式展現水電站生產運行特性，通過網絡通信從仿真數學模型獲取所需的仿真數據[3]。

3.1 仿真數學建模

仿真數學模型是水電仿真系統的核心，為整個仿真系統運行提供所需的各種仿真數據。通過靈活、通用、快捷的仿真建模平臺和可視化（基于現場設備圖元）的圖形建模工具對水電站主要設備系統進行數學建模，支持系統開發人員在工程師站上編輯圖符后能夠自動生成仿真模型，易于用戶對仿真系統進行功能擴展。

以水輪機調速器及其壓油裝置系統建模為例[4]（見圖4）：

圖4 調速器控制系統傳遞函數方框圖Figure 4 Transfer function block diagram of governor control system

各符號的物理意義及其典型值如下：

Twp：水流時間常數（典型值為0.5～4s）；

ω：水輪機組的轉速標幺值；

ωref：水輪機組的轉速標幺值參考值；

Ts：接力器時間常數（典型值為4～7s）；

β：軟反饋系數（典型值為β=2.5Tw/H/2）；

Kδ：測速部件的放大倍數（典型值為10～20）；

TI：軟反饋時間常數（典型值為2.5～15s）；

δI：靜調差系數（典型值為0.03～0.06）；

Pm：水輪機輸出功率。

水輪機及其調速器各狀態量的初值可以用式（1）的計算過程求得：

采用可視化（基于現場設備圖元）的圖形建模工具，按照調速器控制程序以及傳遞函數進行數學模型建模，通過網絡拓撲分析，生成系統計算所需的數據文件，進而準確仿真調速器的動/暫態運行特性，能實現手、自動方式下的開/停機操作、導葉開度/開限控制、負荷調整、事故緊急停機及甩不同負荷后的機組轉速控制等（見圖5）。

3.2 仿真監控系統建模

采用專用的二維圖像圖形編輯軟件（Graph）制作仿真系統監控界面和設備虛擬盤臺模型（控制屏、保護屏等），Graph軟件中監控界面元件與虛擬盤臺模型中的元件相對應，可實現仿真虛擬盤臺的設備與模型狀態一致，在模型狀態發生變化以后，虛擬盤臺相應的元件狀態就會改變。同時，虛擬盤臺的元件狀態發生改變后，也會把相應的變化傳給模型計算模塊，從而實現模型計算與虛擬設備的同步（見圖6）。

3.3 三維虛擬現實系統建模

圖5 調速器及其壓油裝置系統數學模型Figure 5 Mathematical model of governor and its hydraulic system

圖6 仿真系統監控界面和虛擬現實設備模型Figure 6 Monitoring interface of simulation system and virtual reality device model

采用三維建模軟件（3DMax）對水電站三維全景、廠房各層及主要設備（水輪機、發電機、變壓器、GIS、輔助設備等）進行1∶1建模。在此基礎上，通過基于virtools引擎的三維編輯運行平臺，采用三維視景、圖像、圖片、聲音、文字結合的多媒體方式對主要設備系統巡視、操作、故障/事故進行精確仿真。通過該平臺，可對三維設備模型進行參數定義，使其與后臺仿真模型進行數據關聯。系統運行時，接收來自后臺仿真模型的數據，驅動三維設備運行（見圖7）。

圖7 開關站及水輪機室虛擬現實設備模型Figure 7 Virtual reality equipment model of switching station and turbine room

4 仿真實訓功能

4.1 具備完善的水電站運行仿真培訓功能

通過監控系統上位機運行監視、調節、控制以及水電站現場設備漫游巡視、檢查、操作及故障/事故模擬等功能，能有效滿足水電站設備運行監視、巡檢、操作及故障/事故應急處理等方面技能實訓需求。

（1）仿真系統監控與水電站現場監控的界面風格和操作使用方法高度一致，具備上位機監控全部功能，能連續、實時仿真水電站設備系統不同運行工況，數學模型根據不同運行工況和操作計算出相應設備主要運行參數（如：隨著機組出力調整，機組無功功率、流量、導葉開度、勵磁電壓/電流、定子電壓/電流、功率因數、發電機定/轉子溫度、調速器油壓/油位、機組振動/擺度等運行參數呈現出動態變化）。同時，在現地設備屏柜及監控畫面上，實時、動態顯示各系統主要運行參數、設備狀變、簡報信息等，從而實現對水電站全站水力機械設備、發/供/配電設備、廠用電以及油水氣等設備系統的運行監視。

同時，結合三維生產場景、現地設備以及全廠漫游功能實現對水電站設備巡視檢查，能自動記錄學員巡檢設備全過程及檢查確認步驟，具有設備巡檢內容及要求、正常運行參數提示等功能（見圖8）。

圖8 監控遠方分閘操作及廠用電運行監視仿真演示Figure 8 Simulated demonstration of remote switching operation and auxiliary power operation monitoring

（2）對水電站生產場景和主要設備（包括本體設備、管路、閥門以及動力柜、控制柜空開、按鈕、切換把手、壓板、信號燈、控制面板、子菜單等）進行全范圍、全工況的1∶1仿真，能實現主要設備運行操作，操作方法及控制邏輯、動作過程、操作反饋等與實際設備一致，各設備系統受控部分測值、狀變、位置指示、光字、簡報信息等實時響應，并在現地設備和監控上動態顯示。能為學員提供一個與水電站生產現場高度一致的逼真實訓環境，有效滿足學員開展仿真操作培訓需求（見圖9）。能實現的運行仿真操作主要包括：

1）手、自動方式機組啟/停及并網/解列操作；

2）有功功率、無功功率調節和AGC/AVC投、切操作；

3）水輪機調速、筒閥系統正常運行和操作；

4）發電機勵磁系統正常運行和操作；

5）發電機及其輔助設備的正常運行和操作；

6）水輪機及其輔助設備的正常運行與操作；

7）主變壓器及其輔助設備的正常運行和操作；

8）開關站系統正常運行和倒閘操作；

9）油、氣、水公用系統設備投、切操作；

10）保護裝置的正常運行和投、切操作；

11）廠用電系統正常運行和倒閘操作；

12）直流系統的正常運行和倒閘操作；

13）閘門系統的正常運行和啟、閉門操作；

14）全廠停電時的黑啟動操作。

（3）具有完善的設備故障/事故仿真功能，能實時精確地模擬水電站各種常見的設備故障及事故，可以是單一簡單的，也可通過合理組合模擬多重、較復雜的故障和事故。故障/事故模擬方式有兩種：一是由于誤操作引發；二是人為設置由于設備質量原因或外部因素引發的。故障/事故發生后，相應設備動/靜態運行特性（現象、動作過程、發展趨勢、造成的后果及影響等）與模型設備一致或相近。受訓人員能進行干預操作，如果處理不當，引起故障和事故擴大的后果與生產實際一致或相近。同時，仿真系統實時記錄學員干預處理故障和事故的全過程，方便學員培訓和考核。能實現的設備故障及事故仿真主要包括：

1）開關站設備事故、故障；

2）水輪發電機組事故、故障；

3）變壓器事故、故障；

4）保護系統事故、故障；

5）發電機及其勵磁系統事故、故障；

6）水輪機調速器系統事故、故障；

7）調速器及筒閥壓油裝置系統事故、故障；

8）自動控制系統事故、故障；

9）引水系統、技術供水系統及排水系統事故、故障；

10）主閥（機組進水口快速閘門、筒閥）系統事故、故障；

11）廠用電系統事故、故障；

12）直流電系統事故、故障；

13）火災、水淹廠房事故等。

圖9 接地線及400V抽屜式開關仿真操作演示Figure 9 Demonstration of simulation operation of grounding wire and 400V drawer switch

4.2 遠程培訓功能

考慮到瀾滄江流域水電站位置偏僻、交通不便、地域分散廣，生產現場任務重、運行人員緊張、開展集中培訓難度大等現狀，配套開發遠程培訓功能，實現在線培訓、討論、考試以及學員遠程管理。學員在水電站生產現場登錄仿真系統遠程服務器，啟動學員站便可根據需求自行開展實訓，其方式和效果與在昆明實訓基地集中培訓完全一致。同時，還可以提供Web服務，具備遠程培訓、討論和答疑功能，通過教師工作站對遠程學員進行培訓指導。

4.3 培訓考核評價管理功能

配套開發一套智能、先進、技術成熟的培訓考核評價管理軟件，科學、全面地記錄學員理論考試和實操技能考核過程，準確、科學、公正地進行評判，滿足技能培訓、認證和競賽需求。

（1）學員管理。方便添加、刪除、修改學員信息，并能設置學員權限。能建立完善的數據庫系統，包括學員的個人信息和培訓考核過程記錄等詳細信息，方便查詢和文檔輸出、打印，并與遠程培訓管理系統有機結合，構成科學、規范的學員管理系統。

（2）考試管理。具有完整的理論考試和實操考核試題庫，方便維護，允許教練員修改、完善和設置題目難度。試題類型全面、設置合理，且具有不同的難易等級區分，方便組成不同難度的試卷，以滿足各技能層次的培訓、考核和競賽需求。

（3）試卷管理。手動出題或自動生成試卷，方便教練員對試卷題型、題量、分值等進行設置和修改，靈活輸出和打印。提供試題答案管理工具，方便進行答案管理，如生成標準答案、修改答案要點及評分細則、答案加密/解密等。

（4）學員上機考試及監視。理論考試、實操技能考核以及考試巡視等均能在仿真系統上進行，方便教練員監控學員的培訓和考試過程。

（5）試卷評分。提供人工和自動兩種評分方式，根據需要自行選擇。學員答題內容、操作步驟、試題完成情況等自動記錄存檔，以文本、表格、視頻等形式輸出和打印，方便用戶隨時調閱、查詢。

5 成果應用情況

自2016年9月投入使用以來，成功推廣應用于中國華能第一水力發電國家職業技能鑒定站職業工種技能認證和華能瀾滄江電力運行檢修技能人才實訓基地技能培訓、競賽工作，舉辦25期水電廠運行技能培訓、10期水輪發電機組值班員技能認證和3期華能集團、區域公司技能競賽，參訓員工、競賽選手、技能認證學員近800人，按照每人次3000元的培訓費用來進行估算，節約費用近240萬元。后續，按照每年承辦360名員工的培訓和技能認證規模，每年將節省約108萬元培訓費用。

6 結束語

經檢驗，瀾滄江通用型水電站三維仿真系統達到預期開發目標和功能要求，具有仿真技術先進、三維場景逼真、切合生產實際、功能完善、培訓實效強等顯著優點，有效滿足水電站運行人員技能實訓、技能競賽和認證需求。下一步結合公司水電站運行人員培訓需求，視情況開發集軸流轉漿式、燈泡貫流式機型以及擴大單元式機組、三角形主接線類型等為一體的“一機多模”水電站仿真系統。