瀾滄江通用型水電站三維仿真系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)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(fā)電企業(yè)，水電裝機容量2250余萬kW，是云南省最大的發(fā)電企業(yè)和國內(nèi)第二大流域水力發(fā)電公司，實施“西電東送”“云電外送”的核心企業(yè)和龍頭企業(yè)。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(xù)投產(chǎn)發(fā)電，需要大批生產(chǎn)運維人員和人才儲備，近年來從專業(yè)院校招聘大量應(yīng)屆畢業(yè)生充實到生產(chǎn)一線，人員結(jié)構(gòu)普遍年輕，存在實操技能、故障/事故應(yīng)急處理能力不足等問題，傳統(tǒng)師帶徒“傳、幫、帶”的培訓(xùn)方式周期長、培訓(xùn)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(xiàn)代化、科學(xué)規(guī)范的培訓(xùn)手段來開展員工技能培訓(xùn)。另外，瀾滄江公司承建的華能第一水力發(fā)電國家職業(yè)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(jié)合實際需求開發(fā)一套通用型水電站三維仿真系統(tǒng)。

隨著計算機仿真和三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)日趨成熟應(yīng)用，水電站運行仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)出來并成功應(yīng)用于運行人員技能培訓(xùn)工作。經(jīng)過實踐檢驗，可為受訓(xùn)學(xué)員提供一個與真實水電站相近的實訓(xùn)環(huán)境，能有效提升水電站運行人員實操技能和設(shè)備故障/事故應(yīng)急處理能力[1]。

1 開發(fā)思路及實施流程

1.1 開發(fā)思路

（1）結(jié)合瀾滄江流域水電站設(shè)備差異性大、員工培訓(xùn)亟需規(guī)范和統(tǒng)一、人才儲備需求緊迫等現(xiàn)狀，開發(fā)一套模型逼真、算法優(yōu)異、技術(shù)先進、培訓(xùn)實效強的通用型水電站三維仿真系統(tǒng)，既適用于流域性水力發(fā)電企業(yè)運行人員技能培訓(xùn)，又避免了各個水電站自行開發(fā)仿真系統(tǒng)的大量重復(fù)投資。

（2）采取“總體規(guī)劃、分期分步” 方式開發(fā)，軟件平臺具備“一機多模，分組培訓(xùn)”能力，所有功能模塊和接口均標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，支持第三方軟件系統(tǒng)接入和升級，滿足后續(xù)“一機多?！狈抡嫦到y(tǒng)開發(fā)需求。

（3）采用精準(zhǔn)、先進的圖形化、模塊化建模方法，對水電站主要設(shè)備系統(tǒng)生產(chǎn)過程、運行特性進行全范圍、全工況1∶1仿真開發(fā)，同時采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)與圖像、圖片、聲音、文字等相結(jié)合的多媒體方式，為學(xué)員提供一個與真實水電站生產(chǎn)現(xiàn)場高度一致的實訓(xùn)環(huán)境，滿足水電站設(shè)備運行監(jiān)視、漫游巡視、操作、控制、調(diào)節(jié)、故障及事故應(yīng)急處理等培訓(xùn)需求。

（4）配套開發(fā)技術(shù)先進、成熟應(yīng)用的培訓(xùn)考核評價管理軟件和遠程培訓(xùn)管理軟件，具有學(xué)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(xùn)等功能，既能科學(xué)、高效、公平、公正地開展技能培訓(xùn)、競賽和技能認證，又能滿足各水電站現(xiàn)場運行人員異地遠程登錄上機實訓(xùn)需求[2]。

1.2 實施流程

水電站運行仿真培訓(xùn)系統(tǒng)實施流程見圖1。

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

2 仿真系統(tǒng)架構(gòu)

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(jiān)控仿真軟件等組成。

硬件設(shè)備：主要由仿真服務(wù)器、教練員站、操作員站、現(xiàn)地操作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成（見圖2）。

圖2 通用型水電站三維仿真系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(shè)備系統(tǒng)的工作原理和運行特性，采用圖形化建模工具對相關(guān)聯(lián)的設(shè)備系統(tǒng)間物理聯(lián)系及其控制邏輯進行數(shù)學(xué)建模，即：對設(shè)備圖元進行連接和組態(tài)，生成系統(tǒng)模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過運算分析，產(chǎn)生所需要的仿真數(shù)據(jù)，用以驅(qū)動整個仿真系統(tǒng)運行（見圖3）。

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

仿真系統(tǒng)建模主要包括仿真數(shù)學(xué)建模、仿真監(jiān)控系統(tǒng)建模和三維虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)建模三部分。其中，仿真數(shù)學(xué)模型提供整個仿真系統(tǒng)所需的各種仿真數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)后臺運行；仿真監(jiān)控系統(tǒng)和三維虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)模型則分別模擬水電站現(xiàn)場計算機監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)地設(shè)備，以二維界面和三維動態(tài)場景的形式展現(xiàn)水電站生產(chǎn)運行特性，通過網(wǎng)絡(luò)通信從仿真數(shù)學(xué)模型獲取所需的仿真數(shù)據(jù)[3]。

3.1 仿真數(shù)學(xué)建模

仿真數(shù)學(xué)模型是水電仿真系統(tǒng)的核心，為整個仿真系統(tǒng)運行提供所需的各種仿真數(shù)據(jù)。通過靈活、通用、快捷的仿真建模平臺和可視化（基于現(xiàn)場設(shè)備圖元）的圖形建模工具對水電站主要設(shè)備系統(tǒng)進行數(shù)學(xué)建模，支持系統(tǒng)開發(fā)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(tǒng)進行功能擴展。

以水輪機調(diào)速器及其壓油裝置系統(tǒng)建模為例[4]（見圖4）：

圖4 調(diào)速器控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)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(shù)（典型值為0.5～4s）；

ω：水輪機組的轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值；

ωref：水輪機組的轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值參考值；

Ts：接力器時間常數(shù)（典型值為4～7s）；

β：軟反饋系數(shù)（典型值為β=2.5Tw/H/2）；

Kδ：測速部件的放大倍數(shù)（典型值為10～20）；

TI：軟反饋時間常數(shù)（典型值為2.5～15s）；

δI：靜調(diào)差系數(shù)（典型值為0.03～0.06）；

Pm：水輪機輸出功率。

水輪機及其調(diào)速器各狀態(tài)量的初值可以用式（1）的計算過程求得：

采用可視化（基于現(xiàn)場設(shè)備圖元）的圖形建模工具，按照調(diào)速器控制程序以及傳遞函數(shù)進行數(shù)學(xué)模型建模，通過網(wǎng)絡(luò)拓撲分析，生成系統(tǒng)計算所需的數(shù)據(jù)文件，進而準(zhǔn)確仿真調(diào)速器的動/暫態(tài)運行特性，能實現(xiàn)手、自動方式下的開/停機操作、導(dǎo)葉開度/開限控制、負荷調(diào)整、事故緊急停機及甩不同負荷后的機組轉(zhuǎn)速控制等（見圖5）。

3.2 仿真監(jiān)控系統(tǒng)建模

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

3.3 三維虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)建模

圖5 調(diào)速器及其壓油裝置系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型Figure 5 Mathematical model of governor and its hydraulic system

圖6 仿真系統(tǒng)監(jiān)控界面和虛擬現(xiàn)實設(shè)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(shè)備（水輪機、發(fā)電機、變壓器、GIS、輔助設(shè)備等）進行1∶1建模。在此基礎(chǔ)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(jié)合的多媒體方式對主要設(shè)備系統(tǒng)巡視、操作、故障/事故進行精確仿真。通過該平臺，可對三維設(shè)備模型進行參數(shù)定義，使其與后臺仿真模型進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)運行時，接收來自后臺仿真模型的數(shù)據(jù)，驅(qū)動三維設(shè)備運行（見圖7）。

圖7 開關(guān)站及水輪機室虛擬現(xiàn)實設(shè)備模型Figure 7 Virtual reality equipment model of switching station and turbine room

4 仿真實訓(xùn)功能

4.1 具備完善的水電站運行仿真培訓(xùn)功能

通過監(jiān)控系統(tǒng)上位機運行監(jiān)視、調(diào)節(jié)、控制以及水電站現(xiàn)場設(shè)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(shè)備運行監(jiān)視、巡檢、操作及故障/事故應(yīng)急處理等方面技能實訓(xùn)需求。

（1）仿真系統(tǒng)監(jiān)控與水電站現(xiàn)場監(jiān)控的界面風(fēng)格和操作使用方法高度一致，具備上位機監(jiān)控全部功能，能連續(xù)、實時仿真水電站設(shè)備系統(tǒng)不同運行工況，數(shù)學(xué)模型根據(jù)不同運行工況和操作計算出相應(yīng)設(shè)備主要運行參數(shù)（如：隨著機組出力調(diào)整，機組無功功率、流量、導(dǎo)葉開度、勵磁電壓/電流、定子電壓/電流、功率因數(shù)、發(fā)電機定/轉(zhuǎn)子溫度、調(diào)速器油壓/油位、機組振動/擺度等運行參數(shù)呈現(xiàn)出動態(tài)變化）。同時，在現(xiàn)地設(shè)備屏柜及監(jiān)控畫面上，實時、動態(tài)顯示各系統(tǒng)主要運行參數(shù)、設(shè)備狀變、簡報信息等，從而實現(xiàn)對水電站全站水力機械設(shè)備、發(fā)/供/配電設(shè)備、廠用電以及油水氣等設(shè)備系統(tǒng)的運行監(jiān)視。

同時，結(jié)合三維生產(chǎn)場景、現(xiàn)地設(shè)備以及全廠漫游功能實現(xiàn)對水電站設(shè)備巡視檢查，能自動記錄學(xué)員巡檢設(shè)備全過程及檢查確認步驟，具有設(shè)備巡檢內(nèi)容及要求、正常運行參數(shù)提示等功能（見圖8）。

圖8 監(jiān)控遠方分閘操作及廠用電運行監(jiān)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(chǎn)場景和主要設(shè)備（包括本體設(shè)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(xiàn)主要設(shè)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(shè)備一致，各設(shè)備系統(tǒng)受控部分測值、狀變、位置指示、光字、簡報信息等實時響應(yīng)，并在現(xiàn)地設(shè)備和監(jiān)控上動態(tài)顯示。能為學(xué)員提供一個與水電站生產(chǎn)現(xiàn)場高度一致的逼真實訓(xùn)環(huán)境，有效滿足學(xué)員開展仿真操作培訓(xùn)需求（見圖9）。能實現(xiàn)的運行仿真操作主要包括：

1）手、自動方式機組啟/停及并網(wǎng)/解列操作；

2）有功功率、無功功率調(diào)節(jié)和AGC/AVC投、切操作；

3）水輪機調(diào)速、筒閥系統(tǒng)正常運行和操作；

4）發(fā)電機勵磁系統(tǒng)正常運行和操作；

5）發(fā)電機及其輔助設(shè)備的正常運行和操作；

6）水輪機及其輔助設(shè)備的正常運行與操作；

7）主變壓器及其輔助設(shè)備的正常運行和操作；

8）開關(guān)站系統(tǒng)正常運行和倒閘操作；

9）油、氣、水公用系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)正常運行和倒閘操作；

12）直流系統(tǒng)的正常運行和倒閘操作；

13）閘門系統(tǒng)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(shè)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(shè)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(fù)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(fā)；二是人為設(shè)置由于設(shè)備質(zhì)量原因或外部因素引發(fā)的。故障/事故發(fā)生后，相應(yīng)設(shè)備動/靜態(tài)運行特性（現(xiàn)象、動作過程、發(fā)展趨勢、造成的后果及影響等）與模型設(shè)備一致或相近。受訓(xùn)人員能進行干預(yù)操作，如果處理不當(dāng)，引起故障和事故擴大的后果與生產(chǎn)實際一致或相近。同時，仿真系統(tǒng)實時記錄學(xué)員干預(yù)處理故障和事故的全過程，方便學(xué)員培訓(xùn)和考核。能實現(xiàn)的設(shè)備故障及事故仿真主要包括：

1）開關(guān)站設(shè)備事故、故障；

2）水輪發(fā)電機組事故、故障；

3）變壓器事故、故障；

4）保護系統(tǒng)事故、故障；

5）發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)事故、故障；

6）水輪機調(diào)速器系統(tǒng)事故、故障；

7）調(diào)速器及筒閥壓油裝置系統(tǒng)事故、故障；

8）自動控制系統(tǒng)事故、故障；

9）引水系統(tǒng)、技術(shù)供水系統(tǒng)及排水系統(tǒng)事故、故障；

10）主閥（機組進水口快速閘門、筒閥）系統(tǒng)事故、故障；

11）廠用電系統(tǒng)事故、故障；

12）直流電系統(tǒng)事故、故障；

13）火災(zāi)、水淹廠房事故等。

圖9 接地線及400V抽屜式開關(guān)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(xùn)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(chǎn)現(xiàn)場任務(wù)重、運行人員緊張、開展集中培訓(xùn)難度大等現(xiàn)狀，配套開發(fā)遠程培訓(xùn)功能，實現(xiàn)在線培訓(xùn)、討論、考試以及學(xué)員遠程管理。學(xué)員在水電站生產(chǎn)現(xiàn)場登錄仿真系統(tǒng)遠程服務(wù)器，啟動學(xué)員站便可根據(jù)需求自行開展實訓(xùn)，其方式和效果與在昆明實訓(xùn)基地集中培訓(xùn)完全一致。同時，還可以提供Web服務(wù)，具備遠程培訓(xùn)、討論和答疑功能，通過教師工作站對遠程學(xué)員進行培訓(xùn)指導(dǎo)。

4.3 培訓(xùn)考核評價管理功能

配套開發(fā)一套智能、先進、技術(shù)成熟的培訓(xùn)考核評價管理軟件，科學(xué)、全面地記錄學(xué)員理論考試和實操技能考核過程，準(zhǔn)確、科學(xué)、公正地進行評判，滿足技能培訓(xùn)、認證和競賽需求。

（1）學(xué)員管理。方便添加、刪除、修改學(xué)員信息，并能設(shè)置學(xué)員權(quán)限。能建立完善的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，包括學(xué)員的個人信息和培訓(xùn)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(xùn)管理系統(tǒng)有機結(jié)合，構(gòu)成科學(xué)、規(guī)范的學(xué)員管理系統(tǒng)。

（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(shè)置題目難度。試題類型全面、設(shè)置合理，且具有不同的難易等級區(qū)分，方便組成不同難度的試卷，以滿足各技能層次的培訓(xùn)、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(shè)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(biāo)準(zhǔn)答案、修改答案要點及評分細則、答案加密/解密等。

（4）學(xué)員上機考試及監(jiān)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(tǒng)上進行，方便教練員監(jiān)控學(xué)員的培訓(xùn)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(jù)需要自行選擇。學(xué)員答題內(nèi)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(diào)閱、查詢。

5 成果應(yīng)用情況

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

6 結(jié)束語

經(jīng)檢驗，瀾滄江通用型水電站三維仿真系統(tǒng)達到預(yù)期開發(fā)目標(biāo)和功能要求，具有仿真技術(shù)先進、三維場景逼真、切合生產(chǎn)實際、功能完善、培訓(xùn)實效強等顯著優(yōu)點，有效滿足水電站運行人員技能實訓(xùn)、技能競賽和認證需求。下一步結(jié)合公司水電站運行人員培訓(xùn)需求，視情況開發(fā)集軸流轉(zhuǎn)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?！彼娬痉抡嫦到y(tǒng)。