水電廠仿真培訓(xùn)系統(tǒng)故障模擬與報警功能的實現(xiàn)

呂毅松，白劍飛，李亦凡，陳偉光，李東璐，甄培江，丘恩華，劉德龍

（1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東 廣州 510630；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

0 引言

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)已成為水電廠員工培訓(xùn)的重要手段之一，特別在事故及故障處理培訓(xùn)中獨具優(yōu)勢[1]。仿真系統(tǒng)的準確性和信號反饋的實時性對于培訓(xùn)效果十分重要。抽水蓄能水電站機組承擔(dān)著電網(wǎng)中調(diào)峰調(diào)頻的作用，一天之內(nèi)啟停頻繁，工況及發(fā)電出力需經(jīng)常性的調(diào)整，在運行過程中會產(chǎn)生大量控制和報警信息。因此為了培訓(xùn)員工查找出故障真實原因，采取相應(yīng)措施應(yīng)對機組故障，需要仿真系統(tǒng)盡可能真實地模擬并上報故障信息。而實際故障或事故事件發(fā)生時，往往會產(chǎn)生多達數(shù)十條報警信息，如若直接在仿真系統(tǒng)中人工強置這些狀態(tài)和報警信息，工作將十分繁瑣，并存在故障模擬不靈活，報警范圍不全等缺點。基于設(shè)備數(shù)學(xué)模型后臺的OTS2000仿真系統(tǒng)可以便捷地解決這一問題。該系統(tǒng)引入故障點設(shè)置，只需設(shè)置好故障源頭的數(shù)據(jù)狀態(tài)信息，后續(xù)故障和報警信息可由模型內(nèi)部自動觸發(fā)產(chǎn)生并上送至仿真人機界面[2]。

1 事件順序記錄故障點設(shè)置

隨著水電廠故障診斷和處理培訓(xùn)需求的發(fā)展，用戶對仿真系統(tǒng)的真實性要求更高，希望系統(tǒng)能對故障事件全部狀態(tài)信號量進行模擬、記錄并具有較高的事件分辨率。

傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)將全部應(yīng)報出的狀態(tài)信號都設(shè)置在故障案例中，采用事件記錄模塊進行數(shù)據(jù)采集。這種做法一方面成本較高，另一方面也僅滿足了某單一工況下的某一故障現(xiàn)象，對水電廠廠站層其他設(shè)備的狀態(tài)信號量以及用戶程序產(chǎn)生的一些可用于診斷的中間變量信號的模擬有所缺失。

為解決這一問題，OTS2000系統(tǒng)在設(shè)備算法模塊中保留了模型故障點接口，可根據(jù)設(shè)備物理原理、控制及保護系統(tǒng)邏輯觸發(fā)產(chǎn)生一系列狀態(tài)變位信息及報警信息。在OTS2000系統(tǒng)中，故障點是從教員站平臺或?qū)W員站平臺以下令的方式強制后臺數(shù)學(xué)模型相關(guān)變量變位。根據(jù)故障的復(fù)雜程度，教員可在教員站中將故障設(shè)置為單點故障或多點復(fù)合故障。由于相同的故障點可根據(jù)不同工況，觸發(fā)相應(yīng)的中間變量和報警信息，產(chǎn)生不同的故障效果。下發(fā)故障點前，使用者應(yīng)首先明確故障發(fā)生時蓄能水電廠機組工況、線路狀態(tài)、油水氣等公用系統(tǒng)的工作狀態(tài)等。采用這一方法，可以讓故障現(xiàn)象的產(chǎn)生更加靈活，符合南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻公司集約化培訓(xùn)的需求，獲得更好的培訓(xùn)效果[3]。

2 故障信息的產(chǎn)生、上送及事件分辨率

2.1 故障信息的產(chǎn)生與上送

故障點數(shù)據(jù)下發(fā)到設(shè)備數(shù)學(xué)模型后，會根據(jù)設(shè)備模型參數(shù)設(shè)置，觸發(fā)一系列連鎖的故障信息。根據(jù)不同故障類型，故障點數(shù)據(jù)可分為模擬量或數(shù)字量故障。例如機組轉(zhuǎn)子一點接地故障，可將相關(guān)電阻值的模擬量設(shè)為故障點，下發(fā)后會觸發(fā)相關(guān)故障報警和繼電保護邏輯。而模擬水泵故障造成的集水井水位過高現(xiàn)象，可將一個高出上限的集水井水位（模擬量）數(shù)據(jù)以及水泵故障停機狀態(tài)點（數(shù)字量）均設(shè)置為故障點。需要故障場景時，只需將這些故障數(shù)值及狀態(tài)下發(fā)至系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，則會觸發(fā)水位高報警信息，并觸發(fā)備用潛水泵啟動等一系列中間量的變化及狀態(tài)信息。

通用故障信號的設(shè)置和產(chǎn)生：圖1為故障觸發(fā)器模型，可模擬通用故障信號的產(chǎn)生。其中輸入S1設(shè)為故障信號，當(dāng)其為高電平時，模塊輸出N產(chǎn)生故障報警信號，輸入S2設(shè)為故障復(fù)歸信號，當(dāng)其為高電平時且輸入S1恢復(fù)低電平后，輸出N故障報警復(fù)歸，故障信號消失。仿真系統(tǒng)恢復(fù)蓄能水電站正常工作狀態(tài)。

圖1 故障觸發(fā)器

如果能像水電站監(jiān)控系統(tǒng)那樣，將采集的狀態(tài)信號量和有用的中間變量信號進行全面模擬和事件順序記錄，就可以進一步提高仿真系統(tǒng)的仿真精度，為模擬故障、故障診斷訓(xùn)練、故障處理訓(xùn)練提供更真實的信息。因此，我們參考監(jiān)控系統(tǒng)上位機的事件記錄功能和下位機現(xiàn)地控制單元的信號傳輸機制，設(shè)計用程序?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)信號量事件順序記錄和上送，這一功能被稱為變位上送功能。

實際工程中，在下位機(PLC)的主循環(huán)程序里，每個循環(huán)周期沿觸發(fā)器都會檢測所有狀態(tài)信號（包括數(shù)字輸入狀態(tài)量、數(shù)字輸出量、通信輸入狀態(tài)量、虛擬狀態(tài)量）是否發(fā)生上升沿跳變或下降沿跳變，如果檢測到狀態(tài)信號有跳變，就即刻進行記錄并生成變位信息記錄報文打包發(fā)送給上位機系統(tǒng)[3]。

OTS2000水電站仿真系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)學(xué)模型及模型驅(qū)動可以模擬下位機變位的這一工作過程。模型驅(qū)動循環(huán)檢測模型的狀態(tài)信號輸出，如果檢測到跳變，則即刻將該信號點的邏輯點名，變位狀態(tài)，變位發(fā)生的時間等信息，發(fā)送到上一層仿真人機界面系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)程序設(shè)定判斷邏輯點類型，如果是故障點，則向培訓(xùn)人員發(fā)出告警信號，如果是事件點，則寫入事件列表，供培訓(xùn)人員分析判斷。

針對故障情況下模擬量的變化，仿真系統(tǒng)也會提供曲線分析等手段，展現(xiàn)這一時段內(nèi)模擬量的變化趨勢，方便培訓(xùn)人員進行故障分析和判斷。

2.2 變位上送時間精度和事件分辨率

變位上送功能的狀態(tài)信號變位時間的記錄精度和事件分辨率主要受模型模塊的計算周期和模型驅(qū)動的掃描周期影響。

將t1設(shè)為狀態(tài)信號點或報警點實際發(fā)生變位的時刻，t2為變位上送功能記錄的信號點變位時刻，設(shè)t3為該周期掃描開始后變位上送功能程序段的執(zhí)行時間,t4為模型狀態(tài)采集程序掃描周期?？紤]以下兩種極端情況：

當(dāng)信號變位發(fā)生在上次掃描結(jié)束、下一次掃描開始前，則t2=t1+t3，狀態(tài)點實際變位時刻t1與變位上送功能記錄的信號點變位時刻t2最為接近；當(dāng)信號變位發(fā)生在本次掃描剛結(jié)束時，則t2=t1+t3+t4，狀態(tài)點實際變位時刻t1與變位上送功能記錄的信號點變位時刻t2相差最大。

在OTS2000系統(tǒng)中，變位上送功能檢測的是數(shù)學(xué)模型的信號狀態(tài)，構(gòu)成數(shù)學(xué)模型的算法模塊的輸出結(jié)果每隔1 ms刷新一次，遠小于模型狀態(tài)采集周期。如果狀態(tài)信號點和報警點在模型狀態(tài)采集程序掃描周期內(nèi)發(fā)生間隔很短的兩次跳變，變位上送功能是無法檢測到這期間模型信號的變位情況的。例如掃描開始時監(jiān)測狀態(tài)發(fā)生了一次跳變，在本次掃描結(jié)束時該狀態(tài)點再次變位，這兩次跳變無法檢測到，期間間隔時間為掃描周期?；谝陨戏治觯瑺顟B(tài)點和報警點的變位上送的事件分辨率為模型狀態(tài)采集程序的掃描周期。

OTS2000平臺的建模算法模塊，最小計算周期為1 ms,遠小于模型驅(qū)動采集程序的計算周期，可以忽略不記。整體模型的狀態(tài)采集程序的掃描周期則取決于仿真數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度，復(fù)雜精細的數(shù)學(xué)模型，涉及到的狀態(tài)信號點越多，掃描周期越長。在實際工程執(zhí)行中，開發(fā)工程師應(yīng)注意模型精細度和掃描周期時長的平衡，同時盡量精簡不必要的中間量和虛擬點。經(jīng)實際仿真工程測試，OTS2000平臺的操作周期在十幾毫秒到幾十毫秒之間。對比實際水電廠監(jiān)控下位機系統(tǒng)，如西門子S7-400系列PLC為主控制器的現(xiàn)地控制系統(tǒng)，正常運行時主循環(huán)程序掃描周期≤30 ms[5]。因此，OTS2000仿真系統(tǒng)的模型驅(qū)動掃描周期和上送分辨率基本貼合實際系統(tǒng)，可以滿足故障事件順序記錄對事件分辨率的仿真需求。

3 結(jié)語

OTS2000仿真系統(tǒng)實現(xiàn)的系統(tǒng)故障模擬與報警功能，記錄下故障的全部狀態(tài)和變位信息等事件，可以模擬實際水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)以SOE模件對重要事件點做事件順序記錄的方式，通過這種手段為學(xué)員進行事件或故障原因分析提供更全面、可靠的信息存儲和故障分析依據(jù)。這一功能的實現(xiàn)也為將仿真培訓(xùn)系統(tǒng)升級為仿真測試系統(tǒng)打下良好基礎(chǔ)，為OTS2000仿真系統(tǒng)的深度應(yīng)用做準備。

目前，該仿真系統(tǒng)已部署在南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻有限公司培訓(xùn)中心。系統(tǒng)以廣東清遠抽水蓄能電站為被仿對象，從投運情況來看，該功能運行正常，可較為完整地記錄故障發(fā)生和處理操作過程中的事件順序，與實際基本相符。下一步，我們將在此基礎(chǔ)上進一步研究該系統(tǒng)與檢修培訓(xùn)系統(tǒng)的信息交互和功能融合，設(shè)計并實現(xiàn)抽水蓄能水電站運維檢修一體化的培訓(xùn)模式。