棉花滩水电机组运行仿真培训系统设计与实现

石才生

（福建棉花滩水电开发有限公司，福建 龙岩 364000）

0 引言

福建省棉花滩电厂总装机600 MW，由4台单机容量为150 MW的水轮发电机组与2台主变组成两组扩大单元接线。电站以220 kV电压等级接入福建省电网，220 kV母线为GIS双母线，采用专用母联，共4回出线，在福建电网中主要担负着调峰、调频作用，对保障电网系统的安全稳定发挥着重要作用。

随着电厂自动化系统的升级改造及远程集控中心的建立，全厂自动化程度越来越高，急需培养运行维护高技能人才，以适应当前电厂运行环境下的安全稳定运行。棉花滩公司通过采用北京中水科水电科技开发有限公司OTS2000水电运行仿真系统平台，开发监控系统仿真模块、培训考核管理及评价模块、三维虚拟现实水电厂模块和全厂仿真对象数学模型，实现了水电厂生产过程的全仿真，形成了一套“教-学-练-考-评”的完整培训考核评价体系[1]。

系统设计将多通道投影技术、基于MEMS传感器的人体动作捕捉及虚拟人驱动技术、虚拟现实引擎技术应用到本培训仿真系统中，构建一套沉浸式水电站虚拟环境，通过创造个性化的虚拟培训环境及VR的交互式学习培训方式，可以实现趣味性与挑战性并存的境界，参与者可完全投入其中[2]。

1 系统功能设计[3]

1.1 运行人员培训

可用于水电站运行正常操作培训、反事故培训等。

1.2 复杂操作模拟与操作票验证

在进行倒闸、并网等复杂操作前，可先通过仿真系统进行模拟操作，检查操作票的正确性。

1.3 技能考核鉴定

通过专业知识考试系统，操作考试系统及考核鉴定管理系统，实现水电专业人员的技能考核与鉴定。

1.4 模型算法分析研究

依靠OTS2000建模工具、模型运行软件和模型算法库，可进行控制系统的优化设计、模型算法研究。

1.5 最优化运行方式实验研究

作为一个实验平台，可用于测试、检验电站的AGC、AVC高级应用功能，检验不同运行方式下机组的运行方案比选等。

2 系统结构

系统采用基于以太网的网络系统结构，采用开放的系统硬件和软件架构。系统具有开放性的通讯接口，实现与外部系统的信息通讯，同时预留后期项目的扩展接口，包括外部接口多种协议、底层PLC接入、设备检修、外部硬接线等。为今后本项目工程的扩展和使用维护打下良好的基础。

系统硬件配置模型服务器、数据服务器、多台学员站、教员站、交换机及一套沉浸式虚拟现实设备。沉浸式虚拟现实设备由弧形幕、多通道立体投影、3D眼镜、穿戴式动捕设备及投影工作站组成。

图1 培训仿真系统硬件结构图

系统软件配置包括H9000 V4.0 Baseline监控软件、OTS2000仿真运行支撑平台软件、SimuToolkit仿真工具软件、SimuModelHP水电站模型软件以及计算机支撑软件，如操作系统、数据库、图形、开发语言等。软件系统总体结构如图2所示。

图2 软件系统总体结构

3 仿真数学建模

系统以棉花滩水电站的设备系统（水轮发电机组、开关站GIS、主变、厂用电、辅机设备、公用设备等）为模型进行仿真开发，对主要设备系统的功能、工作原理、运行特性以及彼此间的动/暂态过程进行仿真，既包括水电站水-机-电主设备系统，又包括油、水、气等辅助设备系统，及其相关联的控制、保护、测量、监视、信号等二次系统。

水电站设备系统结构复杂，系统耦合性强、变量多，对系统整体建模求解困难，所以通过模块化的分解方式，由“上”至“下”将其层层分解直到基本的设备、部件以及过程单元，将复杂系统数学模型的开发转变为对系统中各独立过程设备或环节的建模，降低建模难度。水电机组模块化分解如图3所示。

图3 水电机组模块化分解示意图

3.1 算法的设计开发

分析各基本设备、部件和过程单元的物理机理及工作原理，依照质量、能量、动量3大守恒定律和流体力学、控制学以及电网络分析等基本理论，在进行一定程度合理简化的基础上建立相应的数学模型，即建立标准化过程算法，形成算法模型库。

3.2 仿真模块的建立

以算法模型库为基础，按照模块化分解的结果，调用相应设备、部件及环节的过程算法，并赋予其相应的输入和特定系数，以此建立对应的仿真模块，从而完成模块与设备、部件及环节的一一对应。

3.3 系统模块化集成

根据系统的流程及各设备的连接关系，将各仿真模块以输入输出变量的形式连接，构成子系统仿真模型；依据子系统之间参数的传递关系将各个子系统模型之间对应的过程参数以变量名的方式将其连接成一体，组成一个更大的子系统，按照这种由“下”至“上”的原则完成整个水电机组的建模。

3.4 可视化建模

系统建模采用SimuStudio图形化建模软件，直接面向水电厂技术人员。以图形的方式描述仿真任务模块，包含图形模型的绘制与模块的属性设置。图形模块的绘制可采用位图的方式去表征一个仿真元件或控制逻辑，并且该位图的图片用户可以自由设置。模块的属性设置主要包括基础信息设置、输入输出参数设置、监视参数设置[4]。

按照实际系统的设备及其连接关系，选取算法模型库的设备算法，通过采用带箭头的线条去连接模块构成耦合关系，形成仿真系统模块图。

4 结束语

目前，棉花滩水电机组运行仿真培训系统已完成设计开发，正在进行系统联调。通过建立数学模型仿真各系统设备特性及控制逻辑过程，通过监控系统仿真中控室运行操作，全厂三维虚拟现实系统仿真现地巡视、检查及操作，结合培训考核管理系统，实现棉花滩水电机组运行仿真与培训。

[1]张卫君，张显兵，等.应用于职业教育培训的水电仿真系统平台[J].水电站机电技术，2015（7）.

[2]张卫君，张显兵，等.OTS2000培训仿真系统虚拟现实平台研究[J].水电站机电技术，2014，37（3）：75－76.

[3]杨叶平、王德宽，等.水电厂运行培训仿真技术新进展[J].水电站机电技术，2013，36（3）：88－90.

[4]张卫君，张显兵，等.仿真系统图形化建模技术研究与实现[J].中国水利水电科学研究院学报，2016，14（4）：316-319.

[5]张显兵，张卫君.溪洛渡电站运行仿真系统的实现[J].水电站机电技术，2014，37（3）：77－78.