基于一體化平臺的蓄能電廠仿真技術(shù)研究

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(xué)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(xùn)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(xùn)平臺，多以固定動畫腳本寫成的三維動畫培訓(xùn)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(xùn)內(nèi)容。中國水利水電科學(xué)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(xùn)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(xùn)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(fù)雜，運維和檢修工作十分重要，這對人員培訓(xùn)和崗評工作提出了更高的要求。仿真培訓(xùn)系統(tǒng)要逐步替代傳統(tǒng)培訓(xùn)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(xùn)考試平臺。

當(dāng)前理論考試部分采用網(wǎng)上學(xué)習(xí)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(xùn)和考評模式很難分析培訓(xùn)人員的答題情況，給出有針對性的具體的學(xué)習(xí)建議。有關(guān)操作的培訓(xùn)和考評以老師講解和文字描述為主，培訓(xùn)過程不直觀，受實訓(xùn)場地限制，學(xué)員很難第一時間掌握電廠實際情況。

針對南網(wǎng)培訓(xùn)中心對運維培訓(xùn)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(xùn)系統(tǒng)應(yīng)圍繞“教-學(xué)-練-考-評”這一完整的培訓(xùn)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(xùn)提供操作場景和平臺。

（4）系統(tǒng)應(yīng)明確對學(xué)員操作培訓(xùn)和考評的評估標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)具備自動測評的能力。

（5）系統(tǒng)應(yīng)具備記錄學(xué)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(xùn)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(fù)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(xùn)系統(tǒng)按照崗位培訓(xùn)不同階段的需求，分為培訓(xùn)、考試、技能競賽3大功能，其中培訓(xùn)和考試又分為理論考試和操作考試。理論培訓(xùn)和考試方式與傳統(tǒng)方式基本一致，而操作培訓(xùn)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(xùn)考試評價體系，整個系統(tǒng)總體分為培訓(xùn)、考核、技能競賽等3大模塊。其中，按培訓(xùn)和考試場景需求，仿真培訓(xùn)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(xué)人員和培訓(xùn)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(xué)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(xùn)仿真需要。

圖2 平臺功能結(jié)構(gòu)

學(xué)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(xué)模型，數(shù)學(xué)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(zhǔn)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(xùn)者更加直觀優(yōu)化的體驗，有助于提高培訓(xùn)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(xùn)管理也是本系統(tǒng)的重點，培訓(xùn)管理應(yīng)分為兩部分，學(xué)員信息管理和培訓(xùn)資料庫管理。學(xué)員信息包括學(xué)員姓名、學(xué)習(xí)記錄、崗位級別、成績記錄等。培訓(xùn)資料庫則包括培訓(xùn)案例庫、仿真系統(tǒng)工況庫、故障庫、在線操作庫等。仿真培訓(xùn)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(xùn)案例庫

培訓(xùn)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(xùn)學(xué)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(xùn)案例庫進行增刪修改等操作。

（2）培訓(xùn)工況庫

培訓(xùn)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(yù)留的基礎(chǔ)工況，教員也可以將操作平臺的當(dāng)前工況保存，新增為工況庫中的新工況。

（3）培訓(xùn)故障庫

培訓(xùn)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(fù)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(xùn)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(xùn)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(xué)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(yù)判，輔助考評員進行打分。程序通過對比考生答案與標(biāo)準(zhǔn)答案，對考生答案的每一項操作步驟進行標(biāo)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(xué)員具體執(zhí)行操作的能力，系統(tǒng)在學(xué)員完成案例的過程中，記錄學(xué)員的每一步操作，用自動評分功能對比培訓(xùn)案例庫中保存的標(biāo)準(zhǔn)操作，對每一項操作進行標(biāo)記，案例操作結(jié)束后，對學(xué)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(xué)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(zhǔn)確的進行崗位定級工作，助力南網(wǎng)培訓(xùn)中心建立更加成熟的培訓(xùn)考評體制。

5 模型開發(fā)

抽水蓄能機組的數(shù)學(xué)模型、控制流程、運行工況較普通水電站機組更為復(fù)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(zhǔn)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(yuǎn)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(xùn)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(xué)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(xùn)內(nèi)容。通過這套仿真培訓(xùn)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(xùn)教案資源，為用戶未來發(fā)展提供更好的人才保障。