貫流式水電廠自動控制設備仿真實訓系統(tǒng)

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）

?

貫流式水電廠自動控制設備仿真實訓系統(tǒng)

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(shù)字相結合的混合仿真方式建設國內(nèi)首套大型貫流式水電機組實操仿真培訓系統(tǒng)的思路。通過對水電站電力生產(chǎn)過程和主要自動控制設備進行分析，闡述了仿真培訓系統(tǒng)的系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)能營造出與實際電廠相一致的培訓環(huán)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(tǒng)；員工培訓

0引言

隨著我國水電事業(yè)的高速發(fā)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(yè)素養(yǎng)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(yǎng)員工成為很多水電企業(yè)十分關注的問題。

目前大多電站采用“幫、教、傳”的傳統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定和電站經(jīng)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(fā)展，基于計算機模擬仿真培訓方法的出現(xiàn)引起了許多水電站的注意。水電站仿真培訓系統(tǒng)其突出優(yōu)點是可近似地仿真模擬出電站的電力生產(chǎn)全流程，可營造出與實際電站相一致的培訓環(huán)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(yōu)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(tǒng)，對仿真系統(tǒng)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(wǎng)絡系統(tǒng)，采用模塊化結構進行軟件設計開發(fā)了隔河巖水電廠多媒體仿真培訓系統(tǒng)，通過后臺程序和前臺多媒體界面有序結合實現(xiàn)了水電廠的運行操作培訓；方紅慶等[2]以面向?qū)ο蟮姆抡婕夹g為基礎，以高速計算機局域網(wǎng)為硬件載體，結合數(shù)據(jù)庫和多媒體技術實現(xiàn)了整個水電站生產(chǎn)過程的純軟件實時數(shù)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(jiān)控的培訓要求，對電廠的電氣系統(tǒng)、輔助油水風系統(tǒng)、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(fā)了軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機組三維檢修仿真與實訓系統(tǒng)，以三維動畫、視頻及圖片等形式展示了軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)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(huán)節(jié)，量化了培訓結果。

但這些仿真培訓系統(tǒng)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(diào)速系統(tǒng)為單調(diào)節(jié)調(diào)速系統(tǒng)，只有少部分是針對軸流式水電機組進行仿真的。而國內(nèi)還沒有出現(xiàn)針對配置貫流式水電機組的水電廠的培訓系統(tǒng)。除此以外，由于成本控制等原因，現(xiàn)有的仿真培訓系統(tǒng)大部分都以計算機為基礎，通過純數(shù)字仿真的方法對水電廠各系統(tǒng)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(shù)字仿真方法得到的仿真培訓系統(tǒng)，其很難保證能真實模擬各個系統(tǒng)，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(shù)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(tǒng)（簡稱“實訓系統(tǒng)”）的建立進行研究。

1實訓系統(tǒng)的建立與實現(xiàn)

1.1仿真方式的確定

仿真培訓系統(tǒng)的仿真方式主要分為3種：完全仿真方式、數(shù)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(yōu)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(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)等設備，加以配置油壓裝置系統(tǒng)及動模仿真機組等，再通過軟件的方法對水輪發(fā)電機組的特性及實際電廠的其他輔助設備進行數(shù)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(tǒng)。

采用部分仿真方法設計的實訓系統(tǒng)，其突出的優(yōu)點就是解決了真實電廠現(xiàn)場設備不可隨意操作而帶來的培訓難題，甚至現(xiàn)場某些可能發(fā)生而極少發(fā)生的事故現(xiàn)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(huán)境,使培訓人員感覺自己就在電廠現(xiàn)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(nèi)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(jié)省了實訓系統(tǒng)的建設成本。

1.2系統(tǒng)結構

實訓系統(tǒng)以洪江水電廠自身為原形，以真實模擬水電廠的電力生產(chǎn)過程為目的，通過對水輪機和發(fā)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(xiàn)水電廠整個生產(chǎn)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(tǒng)主要分為水輪發(fā)電機發(fā)電區(qū)域、自動化設備區(qū)域和客戶實訓端3大部分進行建立。

1.2.1水輪發(fā)電機發(fā)電區(qū)域

水輪發(fā)電機發(fā)電區(qū)域?qū)λ姀S水輪發(fā)電機的發(fā)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(tǒng)的特性進行建模后，仿真模擬屏接入機組各設備運行狀態(tài)信號，通過計算機軟件對水輪機、引水及泄水系統(tǒng)進行仿真，并輸出控制信號來改變變頻器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，以達到將電動機模擬為水輪機的目的。發(fā)電機的模擬使用三相同步電機來完成，轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩由與其相連的電動機提供，勵磁電流由勵磁系統(tǒng)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(wǎng)，用以消耗電機產(chǎn)生的電能并維持轉(zhuǎn)速的恒定。仿真模擬柜使用硬接線方式同機組LCU現(xiàn)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(tǒng)仿真回路、機組水系統(tǒng)仿真回路、機組氣系統(tǒng)仿真回路、機組溫度仿真回路。

水輪發(fā)電機發(fā)電區(qū)域由以下幾部分組成：

（1）采用一臺5 kW三相同步發(fā)電機并由YVF系統(tǒng)7.5 kW變頻調(diào)速器帶動，用于模擬50 MW水輪發(fā)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(tǒng)進行仿真，并接入機組控制的主要信號（導/槳葉開度，發(fā)電機出口斷路器狀態(tài)，機組轉(zhuǎn)速等），通過變頻器控制發(fā)電機模擬真實的水輪機；

（3）發(fā)電機模擬系統(tǒng)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(fā)電機非電量模擬系統(tǒng)屏：用電阻模擬油、氣、水系統(tǒng)及發(fā)電機各部分溫度，通過開關量或調(diào)節(jié)電阻傳輸?shù)桨l(fā)電機現(xiàn)地控制單元。

1.2.2自動化設備區(qū)域

自動化設備區(qū)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(chǎn)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(qū)域的構建主要由以下幾部分組成：

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

發(fā)電機現(xiàn)地控制單元H9000包含主控數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)回路、事故保護回路、現(xiàn)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(tài)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(nèi)，主控PLC對所采集機組開關量、模擬量進行數(shù)據(jù)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(jù)編制的機組流程處理機組狀態(tài)，并通過輸出回路操作機組控制對象執(zhí)行對應元件啟動、停止動作。

發(fā)電機保護裝置SAC包含發(fā)電機縱差保護、發(fā)電機復合電壓過流保護、發(fā)電機過電壓保護、發(fā)電機失磁保護、發(fā)電機過負荷保護、定子接地保護、轉(zhuǎn)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(xiàn)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(xiàn)地控制單元H9000包含主控數(shù)據(jù)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(xiàn)地指示等。公用/開關站現(xiàn)地控制單元設備運行狀態(tài)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(nèi)，主控PLC對所采集機組開關量、模擬量進行數(shù)據(jù)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(tǒng)；主變及其輔助設備及直流電源等監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)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(fā)電機勵磁系統(tǒng)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(shù)字式靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，其顯著特點是：硬件簡單可靠、軟件模塊功能化、調(diào)節(jié)測量數(shù)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(xiàn)場運行效果，根據(jù)電站的機組容量，對比同類型、同容量機組的經(jīng)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(fā)電機調(diào)速屏2套

調(diào)速器控制部分采用1套Alstom公司的電液調(diào)速器。電液轉(zhuǎn)換采用無油環(huán)噴移轉(zhuǎn)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(tǒng)屏2套

直流系統(tǒng)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(wǎng)的泛客戶端聯(lián)接。主要負責采集機組相關設備工作狀態(tài)。上位機使用100 M以太網(wǎng)絡與機組現(xiàn)地控制單元和公用/開關站現(xiàn)地控制單元相連接，通過法國施耐德公司專用工業(yè)控制傳輸協(xié)議MODBUS TCP/IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。上位機定時、循環(huán)采集現(xiàn)地控制單元運行狀態(tài)，并將從現(xiàn)地控制單元采集的數(shù)據(jù)處理后顯示在計算機上供用戶監(jiān)視。上位機也可通過100 M以太網(wǎng)絡將其控制指令傳送至機組LCU現(xiàn)地控制單元完成對機組的控制和操作，實現(xiàn)機組開機過程、停機過程、閉環(huán)功率調(diào)節(jié)過程、功率因數(shù)調(diào)節(jié)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(tǒng)向用戶提供的綜合操作及實訓環(huán)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(huán)境，其系統(tǒng)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(jiān)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(jiān)控操作實訓。

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

2實訓系統(tǒng)的創(chuàng)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(tǒng)的系統(tǒng)構架和各部分組成進行了分析、闡述，系統(tǒng)有以下特色和創(chuàng)新：

（1）開發(fā)出了國內(nèi)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(tǒng)。

（2）開發(fā)的實訓系統(tǒng)和電站環(huán)境高度一致性。仿真實訓系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)可以完全呈現(xiàn)水電廠的生產(chǎn)過程，在培訓系統(tǒng)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(diào)速系統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)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(diào)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(jù)需要隨時鏈接和脫離發(fā)電廠計算機監(jiān)控中心，獨立仿真或與其他實訓平臺鏈接，如進行組態(tài)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(yè)形成平臺共享。

（5）用戶可以根據(jù)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(tǒng)的基本應用包含：

（1）正常操作訓練

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

（2）異常及事故訓練

教練員可通過實訓系統(tǒng)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(xiàn)象，使受訓人員積累處理故障及事故的經(jīng)驗和培養(yǎng)心理承受能力。

（3）利用該實訓系統(tǒng)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(fā)生原因、排除事故及進行設備修復等創(chuàng)造了條件，并取得了成效，避免了電廠的安全生產(chǎn)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(tǒng)是國內(nèi)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(tǒng)，它提供了一個與真實水電站一致的操作環(huán)境，包含水電站生產(chǎn)運行所需的主要自動控制設備。在仿真實訓系統(tǒng)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(tǒng)還能滿足工程技術人員對系統(tǒng)設備的研究分析等要求，能進行機組運行方式的優(yōu)化和研究?？傊?，水電站自動控制設備仿真實訓系統(tǒng)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(wǎng)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(tǒng)的初步建設表明：實訓系統(tǒng)能達到水電站真實生產(chǎn)環(huán)境，在員工培訓等方面具有廣泛前景。

參考文獻：

[1]劉連光，張建華，羅應立，等.隔河巖水電廠多媒體培訓系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術，1999,23（2）：53-55.

[2]方紅慶，陳龍，沈祖怡.基于面向?qū)ο蠹夹g的水電站仿真培訓系統(tǒng)[J].南京師范大學學報：工程技術版，2003（02）：67-70.

[3]楊青.水電廠仿真培訓系統(tǒng)研究[D].南寧：廣西大學，2014.

[4]魏佳芳，鄭源，李曉旭，等.軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組檢修仿真與實訓系統(tǒng)[J].水電能源科學，2012，20（06）.

[5]馬杰，俞宏群，朱辰，等.水電廠仿真培訓系統(tǒng)開發(fā)及功能[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2009,33（03）：25-28.

[6]劉豐蓮.智能變電站數(shù)字物理混合仿真培訓系統(tǒng)的研究與應用[D].北京：華北電力大學，2014.

[7]沈祖詒.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)計算機仿真[M].北京：水利電力出版社，1993.

[8]王越.中小水電站仿真培訓系統(tǒng)數(shù)學模型研究[D].武漢：華中科技大學，2007.

[9]王德寬，楊葉平.H9000 V4.0環(huán)境下的水電廠培訓仿真系統(tǒng)[J].水電站機電技術，2008，31（03）：32-35.

作者簡介：鐘永（1979-），男，工程師，從事水電廠生產(chǎn)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