水電站3D動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真系統(tǒng)的配置及應(yīng)用

楊惠華

(南平市建陽(yáng)區(qū)水利局，福建南平354200)

1 概 述

福建省南平市建陽(yáng)區(qū)發(fā)電有限責(zé)任公司所屬共有4座電站，電站總裝機(jī)容量為36.2 MW，其中：宸前電站裝機(jī)容量5×4 000 kW=20 MW,2016年已技改；西門(mén)電站2×1 200 kW+1×800 kW=3.2 MW，2016年已技改；黃墩電站4×250 kW=1 MW,目前技改基本完成；雷公口電站2×6 000 kW=12 MW,計(jì)劃于2019年5月前技改完成。4座電站增效擴(kuò)容技改完成后，所有機(jī)電設(shè)備全部更新，水電站機(jī)組運(yùn)行自動(dòng)化水平顯著提高；同時(shí)公司又在企業(yè)本部建立4座電站的運(yùn)行集控中心,實(shí)現(xiàn)對(duì)水電設(shè)備的遠(yuǎn)程和現(xiàn)地雙控，確保了水電站的安全可靠運(yùn)行。

隨著建陽(yáng)區(qū)發(fā)電公司4座電站技術(shù)改造和電站遠(yuǎn)程集控中心的建立，電站自動(dòng)化程度得到不斷提升，迫切要求對(duì)員工進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)新技術(shù)培訓(xùn)，提高各項(xiàng)技能，以適應(yīng)當(dāng)前4座電站在新運(yùn)行環(huán)境下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。公司根據(jù)水電站增效擴(kuò)容技改后生產(chǎn)和運(yùn)行的新要求，采用北京四方研發(fā)的水電站CSSP—2000仿真系統(tǒng)，在水電站全范圍建立完善精確的3D動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真系統(tǒng)，創(chuàng)建各電站仿真對(duì)象數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)電站生產(chǎn)過(guò)程的全仿真，形成了一套適應(yīng)新時(shí)代的“教、學(xué)、練、考、評(píng)”等完整培訓(xùn)考核評(píng)價(jià)體系。

該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)包含4座水電站的升壓站、水輪機(jī)、調(diào)速器、發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁、同期、廠用電、油氣水、繼電保護(hù)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控等系統(tǒng)的全范圍仿真功能。此系統(tǒng)不僅能真實(shí)地模擬水電站的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，包括正常操作、異常處理、故障設(shè)置等；同時(shí)也是當(dāng)前水電站技術(shù)人員進(jìn)行反事故演習(xí)、事故預(yù)想、事故分析、事故處理的重要平臺(tái)；可對(duì)水電站可能發(fā)生的各種事故、各類運(yùn)行工況進(jìn)行正常及異常模擬，使學(xué)員在模擬的環(huán)境中掌握更多水電站運(yùn)行機(jī)組的特點(diǎn)、特性，能有力地提高水電技術(shù)人員的培訓(xùn)質(zhì)量、效率和競(jìng)技能力。

2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

建陽(yáng)區(qū)發(fā)電公司建立的動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真系統(tǒng)由操作員站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、教練員站等組成，為受訓(xùn)人員提供仿真培訓(xùn)操作平臺(tái)；同時(shí)將平臺(tái)設(shè)立于電站運(yùn)行集控中心附近，便于教學(xué)(見(jiàn)圖1)。

公司建立教練員管理室及網(wǎng)絡(luò)教室，仿真系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)教室來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)學(xué)員的培訓(xùn)和考核，對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)PC機(jī)進(jìn)行分組培訓(xùn)、對(duì)各學(xué)員站分發(fā)相同或不同的試題信息、監(jiān)視各學(xué)員的狀態(tài)和記錄，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多模管理。教練平臺(tái)管理軟件單獨(dú)安裝在教練員站或安裝在數(shù)據(jù)服務(wù)器上，教練員負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)教室管理和工程師站的數(shù)據(jù)維護(hù)，仿真所需要的模型、試題、文檔等都通過(guò)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和備份。該系統(tǒng)通過(guò)CyberSim仿真平臺(tái)對(duì)各水電站的水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速器、電氣系統(tǒng)等建立模型，真實(shí)的LCU裝置通過(guò)接口箱與仿真平臺(tái)相連。邏輯組態(tài)軟件工具可以將各種控制邏輯裝到LCU，通過(guò)LCU將監(jiān)控所需的信號(hào)上傳給模擬監(jiān)控后臺(tái)，同時(shí)接收電站實(shí)地水電監(jiān)控后臺(tái)的回饋信息。仿真平臺(tái)通過(guò)通信設(shè)施與電站實(shí)地的水電監(jiān)控后臺(tái)網(wǎng)口相連,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真(見(jiàn)圖2、圖3)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖2 輔助系統(tǒng)巡視及操作(3D)

圖3 升壓站巡視及操作3D)

該系統(tǒng)根據(jù)發(fā)電公司實(shí)際狀況模擬了所屬4座電站，其室外開(kāi)關(guān)站、廠內(nèi)水機(jī)、電氣及輔機(jī)系統(tǒng)等均采用該工程組件技術(shù)，配合數(shù)字3D建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬組態(tài)。虛擬電站能以圖像完整反映設(shè)備正常、異常、事故狀態(tài)及其運(yùn)行操作流程，具有極高的真實(shí)感(見(jiàn)圖4)。

圖4 廠區(qū)環(huán)境顯示

3 系統(tǒng)功能

3.1 正常運(yùn)行操作功能

電站正常運(yùn)行操作的仿真功能與建陽(yáng)宸前、西門(mén)、黃墩及雷公口4座電站的具體實(shí)際一致。仿真系統(tǒng)可根據(jù)不同培訓(xùn)要求設(shè)置不同的初始工況，教練員也可以根據(jù)培訓(xùn)需求進(jìn)行修改或刪除初始工況。初始工況包含以下典型工況：機(jī)組變壓器全停工況，主閥(快速閘門(mén))全關(guān)閉運(yùn)行工況，機(jī)組空載、帶50%負(fù)荷、滿負(fù)荷運(yùn)行工況，電氣主接線不同方式的運(yùn)行工況等。

正常運(yùn)行和操作的仿真范圍：進(jìn)水主閥(快速閘門(mén))、機(jī)組調(diào)速、油氣水、機(jī)組制動(dòng)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、保護(hù)裝置等系統(tǒng)的正常運(yùn)行和操作。機(jī)組的并網(wǎng)、解列操作，機(jī)組的負(fù)荷調(diào)整，廠用電系統(tǒng)、直流電系統(tǒng)的正常運(yùn)行和操作，開(kāi)關(guān)站的常規(guī)運(yùn)行和倒閘操作，水力發(fā)電機(jī)組的正常開(kāi)停機(jī)操作等。

3.2 故障、事故仿真功能

根據(jù)4座電站多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、近年來(lái)出現(xiàn)的故障、事故類型和設(shè)備特性，仿真系統(tǒng)的故障、事故可在教練員站進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，同時(shí)也可由非正常操作觸發(fā)。仿真機(jī)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地反映真實(shí)的故障、事故現(xiàn)象。發(fā)生執(zhí)行觸發(fā)程序時(shí)，動(dòng)、靜態(tài)特性與仿真對(duì)象在實(shí)際的動(dòng)、靜態(tài)特性一致，并符合廠站的運(yùn)行規(guī)程和現(xiàn)地分析結(jié)果。仿真對(duì)象若介入的故障、事故需消除，則在仿真系統(tǒng)中，學(xué)員可以通過(guò)仿真操作來(lái)消除相應(yīng)的模擬故障、事故，也可恢復(fù)機(jī)組正常運(yùn)行；如果操作人員處理不當(dāng)，所引起事故、故障的結(jié)果也與仿真對(duì)象的真實(shí)狀況一致。

故障、事故的仿真范圍涵蓋水電站內(nèi)各系統(tǒng)較容易出現(xiàn)的故障、事故。

3.3 教練員管理站的功能

3.3.1 仿真培訓(xùn)進(jìn)程控制功能

(1)根據(jù)本公司培訓(xùn)計(jì)劃和內(nèi)容由既定的各水電站初始條件進(jìn)行“√”選來(lái)設(shè)置一個(gè)初始工況，進(jìn)入培訓(xùn)狀態(tài)。

(2)可在任一時(shí)刻凍結(jié)全部動(dòng)態(tài)過(guò)程，暫停仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的運(yùn)行。

(3)在培訓(xùn)過(guò)程中可自動(dòng)或手動(dòng)快速存儲(chǔ)任一時(shí)刻的工況，時(shí)段可選，以備隨時(shí)調(diào)閱。

(4)在培訓(xùn)過(guò)程中，可以回退到過(guò)去的某個(gè)狀態(tài)開(kāi)始練習(xí)。

(5)工作人員可以返回某一時(shí)刻狀態(tài)，自動(dòng)重演從那一時(shí)刻起的整個(gè)培訓(xùn)或事故處理過(guò)程，人工無(wú)法介入干預(yù)。

3.3.2 故障及復(fù)合故障設(shè)置功能

教練員可以在公司所屬的4座水電站的系統(tǒng)接線圖上設(shè)置各種電網(wǎng)故障以及二次系統(tǒng)故障，也可以按照時(shí)序任意組成故障，啟動(dòng)后按時(shí)序激活，故障項(xiàng)目依據(jù)需要可增刪、修改。教練員還可以設(shè)置各種異常狀態(tài)。

3.3.3 操作記錄、評(píng)價(jià)考核功能

該系統(tǒng)能自動(dòng)記錄教員、學(xué)員臺(tái)上的所有操作過(guò)程、結(jié)果，尋找事故原因及進(jìn)行事故分析；同時(shí)對(duì)培訓(xùn)記錄情況進(jìn)行客觀評(píng)定。

本系統(tǒng)的監(jiān)控后臺(tái)計(jì)算機(jī)功能以及數(shù)據(jù)采集處理功能與真實(shí)的監(jiān)控系統(tǒng)一致，具有現(xiàn)地水電站監(jiān)控系統(tǒng)界面涵蓋的操作、監(jiān)視、顯示等功能。仿真系統(tǒng)的二次設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)的連接情況也與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際一致。

4 性能指標(biāo)

4.1 數(shù)字仿真的靜態(tài)性能指標(biāo)

對(duì)仿真機(jī)靜態(tài)性能指標(biāo)的考核是以仿真對(duì)象或相同類型仿真對(duì)象的設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行和試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，在3個(gè)典型工況下進(jìn)行：盤(pán)臺(tái)設(shè)備上顯示的參數(shù)值為疊加了儀表誤差的計(jì)算值，仿真機(jī)的儀表誤差不應(yīng)大于仿真對(duì)象相應(yīng)的儀表、變送器及有關(guān)儀表系統(tǒng)的誤差；關(guān)鍵參數(shù)在穩(wěn)定的狀態(tài)下，與仿真對(duì)象相應(yīng)參數(shù)值的偏差不超過(guò)±2%；非關(guān)鍵參數(shù)在穩(wěn)定的狀態(tài)下，與仿真對(duì)象相應(yīng)參數(shù)值的偏差不超過(guò)±5%。

4.2 數(shù)字仿真的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)

仿真機(jī)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)應(yīng)滿足下列要求：正常、非正常運(yùn)行過(guò)程中，仿真機(jī)參數(shù)的變化趨勢(shì)應(yīng)符合上述仿真機(jī)動(dòng)態(tài)性能考核依據(jù)，不應(yīng)違反各電站編制的運(yùn)行規(guī)程；在仿真運(yùn)行過(guò)程中，其相應(yīng)報(bào)警輸出、自動(dòng)裝置動(dòng)作輸出的仿真結(jié)果與仿真對(duì)象相一致；相同的運(yùn)行工況和操作情況下，關(guān)鍵參數(shù)的動(dòng)態(tài)特性與仿真對(duì)象對(duì)應(yīng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)特性偏差小于±10%。

4.3 數(shù)字仿真的實(shí)時(shí)性指標(biāo)

在保證仿真機(jī)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)運(yùn)行指標(biāo)的條件下做到：對(duì)盤(pán)臺(tái)操作響應(yīng)的滯后不大于0.5 s；快過(guò)程的模型運(yùn)算步長(zhǎng)不大于0.1 s；慢過(guò)程的模型運(yùn)算步長(zhǎng)不大于10 s；計(jì)算機(jī)界面的刷新時(shí)間不大于2 s；以此保證仿真機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)逼真度。

4.4 該系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)

系統(tǒng)可靠性指標(biāo)能滿足計(jì)算機(jī)主機(jī)故障2次平均時(shí)間(MTBF)不小于4 320 h；輸入輸出接口系統(tǒng)故障2次平均時(shí)間(MTBF)大于2 160 h；仿真機(jī)系統(tǒng)可連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間大于168 h。

5 仿真系統(tǒng)的軟件配置

5.1 CyberSim一體化通用仿真平臺(tái)支撐軟件

建陽(yáng)發(fā)電公司仿真平臺(tái)采用的CyberSim(圖形模擬庫(kù))一體化通用仿真軟件是四方公司結(jié)合本公司所屬水電站實(shí)際情況定制的。該平臺(tái)主要由模型側(cè)建模系統(tǒng)、工業(yè)組態(tài)自動(dòng)化軟件等兩部分構(gòu)成，其中模型側(cè)建模系統(tǒng)采用圖模系統(tǒng)PGiss結(jié)合水電動(dòng)態(tài)圖形共同構(gòu)建。電氣一次系統(tǒng)建模是以各廠站電氣一次系統(tǒng)接線圖為基礎(chǔ)由水電動(dòng)態(tài)圖形系統(tǒng)完成，水電站其他系統(tǒng)如調(diào)速器、測(cè)溫預(yù)警、電氣保護(hù)控制系統(tǒng)等模型則由圖模系統(tǒng)PGiss完成。該平臺(tái)與調(diào)控中心有專用通訊端口互聯(lián)。

5.2 CyberControl平臺(tái)軟件

該系統(tǒng)采用的CyberControl (工業(yè)自動(dòng)化)軟件平臺(tái)是以分布式數(shù)據(jù)庫(kù)和分布式應(yīng)用為核心，具有大數(shù)據(jù)處理能力及完備管控功能的自動(dòng)化軟件產(chǎn)品。CyberControl安全穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)易，是四方公司根據(jù)長(zhǎng)期工程實(shí)踐和系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)自行研發(fā)的，具有效率高及低廉的運(yùn)維成本，可應(yīng)用于數(shù)十點(diǎn)獨(dú)立設(shè)備監(jiān)控規(guī)模及百萬(wàn)點(diǎn)數(shù)的大型綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

5.3 教練平臺(tái)、工程師站功能軟件

教練平臺(tái)功能軟件主要擔(dān)負(fù)著仿真系統(tǒng)運(yùn)行控制及監(jiān)測(cè)仿真過(guò)程等任務(wù)，具體內(nèi)容為：工況選擇/保存，凍結(jié)/解凍，回退，記錄，重演，快存，機(jī)外參數(shù)設(shè)置，模型的加速與減速，學(xué)員成績(jī)?cè)u(píng)定，成組故障設(shè)定，運(yùn)行監(jiān)測(cè)等。教員使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊即可完成各種仿真系統(tǒng)的控制和監(jiān)測(cè)。

工程師站功能軟件不僅具備教練員站功能，還承擔(dān)著仿真模型的開(kāi)發(fā)、修改、調(diào)試及維護(hù)的任務(wù)，其具有多窗口畫(huà)面運(yùn)行狀態(tài)、靈活的技術(shù)工程建模環(huán)境和友好的圖形界面，模型容易操作維護(hù)。該軟件能對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與控制系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)建模，同時(shí)具有技術(shù)人員進(jìn)行設(shè)置、擴(kuò)充等功能。

6 系統(tǒng)特點(diǎn)

建陽(yáng)區(qū)發(fā)電公司建立的水電站仿真系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：數(shù)字全范圍仿真系統(tǒng)，是以純軟件的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行人員、電氣人員的機(jī)組正常運(yùn)行、事故或故障處理的培訓(xùn)，包括電站設(shè)備、LCU、保護(hù)等仿真功能；實(shí)現(xiàn)3D巡視功能，使學(xué)員有身臨其境的體驗(yàn)；具有與實(shí)際各水電站一致的開(kāi)停機(jī)操作、倒閘操作、監(jiān)視等仿真培訓(xùn)功能；具備成熟、完善、豐富的教練員功能，一機(jī)多模分組培訓(xùn)功能；配置有圖模庫(kù)一體化通用仿真支撐系統(tǒng)(CyberSim)，采用精確的電網(wǎng)動(dòng)態(tài)分析計(jì)算程序(LAP)，同時(shí)對(duì)二次保護(hù)模型進(jìn)行圖形化建模。水電站仿真系統(tǒng)技術(shù)成熟、功能齊全，具有實(shí)用性和推廣性。

7 結(jié) 語(yǔ)

人才培養(yǎng)儲(chǔ)備是企業(yè)優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略，知識(shí)和技術(shù)的更新迫切要求發(fā)電企業(yè)能與時(shí)俱進(jìn)，進(jìn)一步提升技術(shù)人員的工作能力和技術(shù)水平。該仿真系統(tǒng)建成和投入使用，給發(fā)電公司人員技術(shù)培訓(xùn)提供了良好平臺(tái)，使水電站技術(shù)人員能更好地熟悉電站設(shè)備結(jié)構(gòu)，全面掌握生產(chǎn)過(guò)程，豐富故障檢修經(jīng)驗(yàn)，極大地保障了發(fā)電設(shè)備的安全運(yùn)行，完善和豐富了公司人才隊(duì)伍的培養(yǎng)模式，是對(duì)公司技術(shù)的整體推進(jìn)和與新知識(shí)的有效接軌，為確保企業(yè)安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展提供了有力保障。