贯流式水电厂自动控制设备仿真实训系统

2016-04-25林国朋洪江水电厂湖南怀化4800河海大学水利水电学院江苏南京0098

水电站机电技术 2016年3期

钟　永，邓　亚，林国朋，郑　源（.洪江水电厂，湖南怀化4800；.河海大学水利水电学院，江苏南京0098）

贯流式水电厂自动控制设备仿真实训系统

钟永1，邓亚1，林国朋2，郑源2
（1.洪江水电厂，湖南怀化418200；2.河海大学水利水电学院，江苏南京210098）

摘要：为了适应水电厂对员工越来越高的要求，革新电厂原本的培训模式与方法，洪江水电厂提出了采用物理与数字相结合的混合仿真方式建设国内首套大型贯流式水电机组实操仿真培训系统的思路。通过对水电站电力生产过程和主要自动控制设备进行分析，阐述了仿真培训系统的系统结构和各部分硬件组成。通过洪江水电厂对灯泡贯流式机组实操仿真培训系统的初步建设及应用表明：大型贯流式水电机组实操仿真培训系统能营造出与实际电厂相一致的培训环境，给员工提供真实的操作技能培训，极大提高了培训的效果。

关键词：水电站仿真模拟；自动控制设备；实训系统；员工培训

0引言

随着我国水电事业的高速发展和技术的进步，水电站运行的自动化程度越来越高,且涉及的知识面广，因而电站对运行维护人员的技术知识、操作水平等专业素养提出了更高的要求。为满足电厂对员工技能水平要求，如何快速和高效地培养员工成为很多水电企业十分关注的问题。

目前大多电站采用“帮、教、传”的传统培训方式，但由于受水电站特殊性的影响，不可能因为员工的培训而进行启、停机等直接影响电力系统稳定和电站经济效益的操作，因而培训往往费时费力，培训效果也很难满足电厂的要求。

由于计算机技术的飞速发展，基于计算机模拟仿真培训方法的出现引起了许多水电站的注意。水电站仿真培训系统其突出优点是可近似地仿真模拟出电站的电力生产全流程，可营造出与实际电站相一致的培训环境，可复制实际电厂的操作过程等，大大提高了员工培训的效果。

基于以上优点，许多电厂开始以自身为原型设计和建设各自的仿真培训系统，对仿真系统的方法研究也越来越多。刘连光等[1]基于微机的Winschool多媒体教学网络系统，采用模块化结构进行软件设计开发了隔河岩水电厂多媒体仿真培训系统，通过后台程序和前台多媒体界面有序结合实现了水电厂的运行操作培训；方红庆等[2]以面向对象的仿真技术为基础，以高速计算机局域网为硬件载体，结合数据库和多媒体技术实现了整个水电站生产过程的纯软件实时数字仿真，达到了培训的目的；杨青[3]以西津水电厂为原型，结合水电厂运行及监控的培训要求，对电厂的电气系统、辅助油水风系统、保护部分等进行了全方位的模拟和仿真；魏佳芳等[4]运用多媒体仿真、图形学及三维交互技术开发了轴流转浆式水轮发电机组三维检修仿真与实训系统，以三维动画、视频及图片等形式展示了轴流转浆式水轮发电机组拆装和检修的整体流程及注意事项，并设置了考核环节，量化了培训结果。

但这些仿真培训系统及技术基本上都是针对混流式水电机组的大中型水电厂设计的，其调速系统为单调节调速系统，只有少部分是针对轴流式水电机组进行仿真的。而国内还没有出现针对配置贯流式水电机组的水电厂的培训系统。除此以外，由于成本控制等原因，现有的仿真培训系统大部分都以计算机为基础，通过纯数字仿真的方法对水电厂各系统原有的功能和作用进行模拟。但与部分仿真方式或完全仿真方式相比，采用纯数字仿真方法得到的仿真培训系统，其很难保证能真实模拟各个系统，给培训人员的临场感较低，特别对于检修人员的技能培训，其培训效果不高，物理与数字相结合的部分仿真的应用不多。

为了解决以上问题，给配置贯流式水电机组的水电厂提供培训场地，本文基于洪江水电厂的一个科研项目对大型贯流式水电机组实操仿真培训系统（简称“实训系统”）的建立进行研究。

1实训系统的建立与实现

1.1仿真方式的确定

仿真培训系统的仿真方式主要分为3种：完全仿真方式、数字仿真方式和部分仿真方式。不同的仿真方式有其各自的优缺点，其建设成本及培训效果也不尽相同。

洪江水电厂的实训系统采用部分仿真方式进行建立。电厂采用近几年自控设备改造项目更换下来的监控系统、调速器系统、励磁系统等设备，加以配置油压装置系统及动模仿真机组等，再通过软件的方法对水轮发电机组的特性及实际电厂的其他辅助设备进行数字仿真模拟，以硬件设备与软件相结合搭建出大型贯流式水电机组实操仿真培训系统。

采用部分仿真方法设计的实训系统，其突出的优点就是解决了真实电厂现场设备不可随意操作而带来的培训难题，甚至现场某些可能发生而极少发生的事故现象也能仿真，同时给培训人员营造出与真实水电厂相似或相近的环境,使培训人员感觉自己就在电厂现场进行实际操作，增强培训人员对设备异常情况和事故的敏感性及应变能力。除此以外，洪江电厂充分利用了场内技术改造更换下来的设备，既达到了废物回收利用的效果，又大大节省了实训系统的建设成本。

1.2系统结构

实训系统以洪江水电厂自身为原形，以真实模拟水电厂的电力生产过程为目的，通过对水轮机和发电机进行仿真与模拟，使用水电厂运行所需要的主要自动控制设备，实现水电厂整个生产过程中的设备运行、故障判断及处理的仿真多媒体教学。

系统主要分为水轮发电机发电区域、自动化设备区域和客户实训端3大部分进行建立。

1.2.1水轮发电机发电区域

水轮发电机发电区域对水电厂水轮发电机的发电过程进行仿真和模拟。水轮机的仿真由仿真模拟屏和由变频器带动的电动机完成。在对水轮机、引水及泄水系统的特性进行建模后，仿真模拟屏接入机组各设备运行状态信号，通过计算机软件对水轮机、引水及泄水系统进行仿真，并输出控制信号来改变变频器的转速和转矩，以达到将电动机模拟为水轮机的目的。发电机的模拟使用三相同步电机来完成，转动的转矩由与其相连的电动机提供，励磁电流由励磁系统提供。三相同步电机可通过隔离变压器及刀闸开关并入电网，用以消耗电机产生的电能并维持转速的恒定。仿真模拟柜使用硬接线方式同机组LCU现地控制单元相连，通过计算机软件还可对机组自动化与故障进行模拟，提供与真实机组一致的仿真运行过程。具体包括：机组同期仿真回路、机组事故仿真回路、机组油系统仿真回路、机组水系统仿真回路、机组气系统仿真回路、机组温度仿真回路。

水轮发电机发电区域由以下几部分组成：

（1）采用一台5 kW三相同步发电机并由YVF系统7.5 kW变频调速器带动，用于模拟50 MW水轮发电机；设立12.5 kVA变压器，变比为1：1，用于模拟12.5 MVA变压器；

（2）仿真模拟屏：采用计算机软件对水轮机、引水及泄水系统进行仿真，并接入机组控制的主要信号（导/桨叶开度，发电机出口断路器状态，机组转速等），通过变频器控制发电机模拟真实的水轮机；

（3）发电机模拟系统屏：按主接线配置装正泰电子JDZ系列电压、电流互感器，并装有若干电抗器和接触器，可模拟各种短路故障，能通过互感器送到微机测控和保护屏；

（4）发电机非电量模拟系统屏：用电阻模拟油、气、水系统及发电机各部分温度，通过开关量或调节电阻传输到发电机现地控制单元。

1.2.2自动化设备区域

自动化设备区域包含水电站自动控制所需主要设备，能真实的模拟电力生产的全过程，达到或接近实际运行机组的运行、维护和操作水平。自动化设备区域的构建主要由以下几部分组成：

（1）发电机现地控制单元H9000系列与发电机保护装置SAC系列组1块屏共计2套。

发电机现地控制单元H9000包含主控数据处理PLC、输入回路、输出回路、指示回路、交流电量采集回路、手/自动同期回路、功率调节回路、事故保护回路、现地指示、温度巡检回路、触摸屏及辅机通信回路等。机组各设备运行状态通过PLC开关量输入模块、AI输入模块或通信采集模块进入主控PLC内，主控PLC对所采集机组开关量、模拟量进行数据滤波处理，滤掉开关脉冲干扰、模拟量突变杂波后得到可用的机组运行工况。主控PLC根据编制的机组流程处理机组状态，并通过输出回路操作机组控制对象执行对应元件启动、停止动作。

发电机保护装置SAC包含发电机纵差保护、发电机复合电压过流保护、发电机过电压保护、发电机失磁保护、发电机过负荷保护、定子接地保护、转子一点接地保护、PT断线闭锁保护、CT断线保护及非电量保护。

（2）公用/开关站现地控制单元H9000与主变微机保护屏SAC系列组1块屏共计1套

公用/开关站现地控制单元H9000包含主控数据处理PLC、输入回路、输出回路、指示回路、交流电量采集回路、触摸屏及现地指示等。公用/开关站现地控制单元设备运行状态通过PLC开关量输入模块、AI输入模块或通信采集模块进入主控PLC内，主控PLC对所采集机组开关量、模拟量进行数据滤波处理，滤掉开关脉冲干扰、模拟量突变杂波后得到可用的运行工况。主要对全厂公用的油、气、水辅助系统；主变及其辅助设备及直流电源等监控对象的数据采集及实时控制。

主变微机保护装置SAC包含变压器纵差保护、主变高压侧复合电压过流保护、主变高压侧零序过流保护、主变高压侧间隙零序电流电压保护、主变中压侧单相接地保护、主变低压侧单相接地保护、主变高压侧过负荷保护、PT断线闭锁保护、CT断线保护及非电量保护。

（3）发电机励磁系统屏2套

采用技术先进、工艺精良、运行安全可靠的DSP 型WE-II型全数字式静态励磁系统，其显著特点是：硬件简单可靠、软件模块功能化、调节测量数字化、操作界面的人性化，其综合性能指标达国际领先水平。DSP型微机励磁控制装置均已通过国家技术鉴定，并且在多个大中型水电站取得良好现场运行效果，根据电站的机组容量，对比同类型、同容量机组的经验，同时保证具有：良好的运行性能指标、可靠的运行记录、美观合理的结构工艺以及更先进、简单、快速的控制方式。

（4）发电机调速屏2套

调速器控制部分采用1套Alstom公司的电液调速器。电液转换采用无油环喷移转换器，无机械回复装置的布置形式。测频采用可编程本体高精度直接测频。

（5）直流系统屏2套

直流系统由1面WZGC-20/220高频开关电源充馈电屏、1面XDC-220/100蓄电池屏组成。

（6）主站服务器1套

主站服务器采用DELL PowerEdge 2900III系列服务器及19”AOC显示器1套，并配置1套防火墙用于与校园以太网的泛客户端联接。主要负责采集机组相关设备工作状态。上位机使用100 M以太网络与机组现地控制单元和公用/开关站现地控制单元相连接，通过法国施耐德公司专用工业控制传输协议MODBUS TCP/IP协议传输数据。上位机定时、循环采集现地控制单元运行状态，并将从现地控制单元采集的数据处理后显示在计算机上供用户监视。上位机也可通过100 M以太网络将其控制指令传送至机组LCU现地控制单元完成对机组的控制和操作，实现机组开机过程、停机过程、闭环功率调节过程、功率因数调节过程等。

1.2.3客户实训端

客户实训端是指运用计算机系统向用户提供的综合操作及实训环境，它的设计原理是能向受训者提供方便、友好的人机交互环境，其系统结构图如图1所示。

图1　客户实训端结构图

客户实训端的构建主要由以下几部分组成：

（1）教师主控工作站1套：采用DELL Vostro200超薄塔式电脑、1套22”AOC显示器及1套打印机，主要负责显示并控制机组及其相关设备。

（2）投影仪1套：投影仪主要用于教学中使用。

（3）学生客户端：监控操作平台采用DELLVostro 200超薄塔式电脑，并采用22”AOC显示器，用于职工进行微机监控操作实训。

除此以外，系统还可对外进行拓展，通过以太网等网络通信使个人计算机与实训系统相连，使学员可在课堂以外继续进行学习。

2实训系统的创新与应用

本文对洪江电厂的大型贯流式水电机组实操仿真培训系统的系统构架和各部分组成进行了分析、阐述，系统有以下特色和创新：

（1）开发出了国内首套以部分仿真方式仿真设计的大型贯流式水电机组实操仿真培训系统。

（2）开发的实训系统和电站环境高度一致性。仿真实训系统以真实电厂自动化设备为原型，完全模拟电厂实际运行电气设备，力求实训系统达到与实际控制同一高度，仿真水平达到或接近真实控制的效果。

（3）实训系统可以完全呈现水电厂的生产过程，在培训系统上的操作如同在电厂设备上的实际操作，可使培训人员快速掌握水电自动装置运行、检修技能。同时，可进行调速系统的电液转换器、主配压阀等关键部件解体检修、继电保护定值校验、PLC编程等检修调试技能培训，提高培训人员的实际动手能力和对自动化设备的故障分析、检修维护等技能水平。

（4）泛客户端的构建模式使仿真实训中心更具开放性，泛客户端可以根据需要随时链接和脱离发电厂计算机监控中心，独立仿真或与其他实训平台链接，如进行组态实训、单片机实训、EDA仿真等，与电气自动化和机电一体化专业形成平台共享。

（5）用户可以根据自己的需要任意修改仿真过程，扩充仿真对象及功能。

实训系统的基本应用包含：

（1）正常操作训练

受训人员根据指令可进行开/停机、并网、增/减负荷、切换开关和倒闸等各种日常操作，操作内容基本涵盖水电站所有正常操作，操作过程与现场基本一致。

（2）异常及事故训练

教练员可通过实训系统人为地设置故障及事故，能让受训人员进行反复训练，从不同角度来分析和研究同一故障现象，使受训人员积累处理故障及事故的经验和培养心理承受能力。

（3）利用该实训系统开展了一些机组故障排查处理实验研究，为快速查找事故发生原因、排除事故及进行设备修复等创造了条件，并取得了成效，避免了电厂的安全生产事故和效益的损失。

3结论

大型贯流式水电机组实操仿真培训系统是国内首套以贯流式机组为原型的，采用部分仿真方式建立的培训系统，它提供了一个与真实水电站一致的操作环境，包含水电站生产运行所需的主要自动控制设备。在仿真实训系统中运行维护人员不但能进行机组在各种条件下的启、停等运行操作培训，同时还能通过对电站常见故障和事故进行模拟，使员工的应急能力和对机组运行的综合分析能力得到提高。同时仿真实训系统还能满足工程技术人员对系统设备的研究分析等要求，能进行机组运行方式的优化和研究。总之，水电站自动控制设备仿真实训系统对提高运行维护人员操作技能与水平，增强应变处理能力，避免由于操作失误造成设备损坏、电网解列以及其他重大事故具有重大意义。通过在洪江水电厂对仿真实训系统的初步建设表明：实训系统能达到水电站真实生产环境，在员工培训等方面具有广泛前景。

参考文献：

[1]刘连光，张建华，罗应立，等.隔河岩水电厂多媒体培训系统的设计与实现[J].电网技术，1999,23（2）：53-55.

[2]方红庆，陈龙，沈祖怡.基于面向对象技术的水电站仿真培训系统[J].南京师范大学学报：工程技术版，2003（02）：67-70.

[3]杨青.水电厂仿真培训系统研究[D].南宁：广西大学，2014.

[4]魏佳芳，郑源，李晓旭，等.轴流转桨式水轮发电机组检修仿真与实训系统[J].水电能源科学，2012，20（06）.

[5]马杰，俞宏群，朱辰，等.水电厂仿真培训系统开发及功能[J].水电自动化与大坝监测，2009,33（03）：25-28.

[6]刘丰莲.智能变电站数字物理混合仿真培训系统的研究与应用[D].北京：华北电力大学，2014.

[7]沈祖诒.水轮机调节系统计算机仿真[M].北京：水利电力出版社，1993.

[8]王越.中小水电站仿真培训系统数学模型研究[D].武汉：华中科技大学，2007.

[9]王德宽，杨叶平.H9000 V4.0环境下的水电厂培训仿真系统[J].水电站机电技术，2008，31（03）：32-35.

作者简介：钟永（1979-），男，工程师，从事水电厂生产管理工作。

收稿日期：2015-09-14