水电站3D动态数字仿真系统的配置及应用

杨惠华

(南平市建阳区水利局，福建南平354200)

1 概 述

福建省南平市建阳区发电有限责任公司所属共有4座电站，电站总装机容量为36.2 MW，其中：宸前电站装机容量5×4 000 kW=20 MW,2016年已技改；西门电站2×1 200 kW+1×800 kW=3.2 MW，2016年已技改；黄墩电站4×250 kW=1 MW,目前技改基本完成；雷公口电站2×6 000 kW=12 MW,计划于2019年5月前技改完成。4座电站增效扩容技改完成后，所有机电设备全部更新，水电站机组运行自动化水平显著提高；同时公司又在企业本部建立4座电站的运行集控中心,实现对水电设备的远程和现地双控，确保了水电站的安全可靠运行。

随着建阳区发电公司4座电站技术改造和电站远程集控中心的建立，电站自动化程度得到不断提升，迫切要求对员工进行运行维护新技术培训，提高各项技能，以适应当前4座电站在新运行环境下的安全稳定运行。公司根据水电站增效扩容技改后生产和运行的新要求，采用北京四方研发的水电站CSSP—2000仿真系统，在水电站全范围建立完善精确的3D动态数字仿真系统，创建各电站仿真对象数学模型，实现对电站生产过程的全仿真，形成了一套适应新时代的“教、学、练、考、评”等完整培训考核评价体系。

该仿真培训系统包含4座水电站的升压站、水轮机、调速器、发电机、励磁、同期、厂用电、油气水、继电保护、计算机监控等系统的全范围仿真功能。此系统不仅能真实地模拟水电站的整个生产过程，包括正常操作、异常处理、故障设置等；同时也是当前水电站技术人员进行反事故演习、事故预想、事故分析、事故处理的重要平台；可对水电站可能发生的各种事故、各类运行工况进行正常及异常模拟，使学员在模拟的环境中掌握更多水电站运行机组的特点、特性，能有力地提高水电技术人员的培训质量、效率和竞技能力。

2 系统框架结构

建阳区发电公司建立的动态数字仿真系统由操作员站、数据服务器、教练员站等组成，为受训人员提供仿真培训操作平台；同时将平台设立于电站运行集控中心附近，便于教学(见图1)。

公司建立教练员管理室及网络教室，仿真系统通过网络教室来管理网络中各个学员的培训和考核，对网络内PC机进行分组培训、对各学员站分发相同或不同的试题信息、监视各学员的状态和记录，实现一机多模管理。教练平台管理软件单独安装在教练员站或安装在数据服务器上，教练员负责网络教室管理和工程师站的数据维护，仿真所需要的模型、试题、文档等都通过网络内数据服务器进行存储和备份。该系统通过CyberSim仿真平台对各水电站的水轮机、发电机、调速器、电气系统等建立模型，真实的LCU装置通过接口箱与仿真平台相连。逻辑组态软件工具可以将各种控制逻辑装到LCU，通过LCU将监控所需的信号上传给模拟监控后台，同时接收电站实地水电监控后台的回馈信息。仿真平台通过通信设施与电站实地的水电监控后台网口相连,实现实时仿真(见图2、图3)。

图1 系统结构示意

图2 辅助系统巡视及操作(3D)

图3 升压站巡视及操作3D)

该系统根据发电公司实际状况模拟了所属4座电站，其室外开关站、厂内水机、电气及辅机系统等均采用该工程组件技术，配合数字3D建模技术和虚拟现实技术来实现模拟组态。虚拟电站能以图像完整反映设备正常、异常、事故状态及其运行操作流程，具有极高的真实感(见图4)。

图4 厂区环境显示

3 系统功能

3.1 正常运行操作功能

电站正常运行操作的仿真功能与建阳宸前、西门、黄墩及雷公口4座电站的具体实际一致。仿真系统可根据不同培训要求设置不同的初始工况，教练员也可以根据培训需求进行修改或删除初始工况。初始工况包含以下典型工况：机组变压器全停工况，主阀(快速闸门)全关闭运行工况，机组空载、带50%负荷、满负荷运行工况，电气主接线不同方式的运行工况等。

正常运行和操作的仿真范围：进水主阀(快速闸门)、机组调速、油气水、机组制动、发电机励磁、保护装置等系统的正常运行和操作。机组的并网、解列操作，机组的负荷调整，厂用电系统、直流电系统的正常运行和操作，开关站的常规运行和倒闸操作，水力发电机组的正常开停机操作等。

3.2 故障、事故仿真功能

根据4座电站多年运行经验、近年来出现的故障、事故类型和设备特性，仿真系统的故障、事故可在教练员站进行预先设置，同时也可由非正常操作触发。仿真机能够实时、准确地反映真实的故障、事故现象。发生执行触发程序时，动、静态特性与仿真对象在实际的动、静态特性一致，并符合厂站的运行规程和现地分析结果。仿真对象若介入的故障、事故需消除，则在仿真系统中，学员可以通过仿真操作来消除相应的模拟故障、事故，也可恢复机组正常运行；如果操作人员处理不当，所引起事故、故障的结果也与仿真对象的真实状况一致。

故障、事故的仿真范围涵盖水电站内各系统较容易出现的故障、事故。

3.3 教练员管理站的功能

3.3.1 仿真培训进程控制功能

(1)根据本公司培训计划和内容由既定的各水电站初始条件进行“√”选来设置一个初始工况，进入培训状态。

(2)可在任一时刻冻结全部动态过程，暂停仿真培训系统的运行。

(3)在培训过程中可自动或手动快速存储任一时刻的工况，时段可选，以备随时调阅。

(4)在培训过程中，可以回退到过去的某个状态开始练习。

(5)工作人员可以返回某一时刻状态，自动重演从那一时刻起的整个培训或事故处理过程，人工无法介入干预。

3.3.2 故障及复合故障设置功能

教练员可以在公司所属的4座水电站的系统接线图上设置各种电网故障以及二次系统故障，也可以按照时序任意组成故障，启动后按时序激活，故障项目依据需要可增删、修改。教练员还可以设置各种异常状态。

3.3.3 操作记录、评价考核功能

该系统能自动记录教员、学员台上的所有操作过程、结果，寻找事故原因及进行事故分析；同时对培训记录情况进行客观评定。

本系统的监控后台计算机功能以及数据采集处理功能与真实的监控系统一致，具有现地水电站监控系统界面涵盖的操作、监视、显示等功能。仿真系统的二次设备和监控系统的连接情况也与现场实际一致。

4 性能指标

4.1 数字仿真的静态性能指标

对仿真机静态性能指标的考核是以仿真对象或相同类型仿真对象的设计参数、运行和试验数据为依据，在3个典型工况下进行：盘台设备上显示的参数值为叠加了仪表误差的计算值，仿真机的仪表误差不应大于仿真对象相应的仪表、变送器及有关仪表系统的误差；关键参数在稳定的状态下，与仿真对象相应参数值的偏差不超过±2%；非关键参数在稳定的状态下，与仿真对象相应参数值的偏差不超过±5%。

4.2 数字仿真的动态性能指标

仿真机动态性能指标应满足下列要求：正常、非正常运行过程中，仿真机参数的变化趋势应符合上述仿真机动态性能考核依据，不应违反各电站编制的运行规程；在仿真运行过程中，其相应报警输出、自动装置动作输出的仿真结果与仿真对象相一致；相同的运行工况和操作情况下，关键参数的动态特性与仿真对象对应参数的动态特性偏差小于±10%。

4.3 数字仿真的实时性指标

在保证仿真机稳态和动态运行指标的条件下做到：对盘台操作响应的滞后不大于0.5 s；快过程的模型运算步长不大于0.1 s；慢过程的模型运算步长不大于10 s；计算机界面的刷新时间不大于2 s；以此保证仿真机运行的实时逼真度。

4.4 该系统的可靠性指标

系统可靠性指标能满足计算机主机故障2次平均时间(MTBF)不小于4 320 h；输入输出接口系统故障2次平均时间(MTBF)大于2 160 h；仿真机系统可连续稳定运行时间大于168 h。

5 仿真系统的软件配置

5.1 CyberSim一体化通用仿真平台支撑软件

建阳发电公司仿真平台采用的CyberSim(图形模拟库)一体化通用仿真软件是四方公司结合本公司所属水电站实际情况定制的。该平台主要由模型侧建模系统、工业组态自动化软件等两部分构成，其中模型侧建模系统采用图模系统PGiss结合水电动态图形共同构建。电气一次系统建模是以各厂站电气一次系统接线图为基础由水电动态图形系统完成，水电站其他系统如调速器、测温预警、电气保护控制系统等模型则由图模系统PGiss完成。该平台与调控中心有专用通讯端口互联。

5.2 CyberControl平台软件

该系统采用的CyberControl (工业自动化)软件平台是以分布式数据库和分布式应用为核心，具有大数据处理能力及完备管控功能的自动化软件产品。CyberControl安全稳定，操作简易，是四方公司根据长期工程实践和系统运行经验自行研发的，具有效率高及低廉的运维成本，可应用于数十点独立设备监控规模及百万点数的大型综合监控系统。

5.3 教练平台、工程师站功能软件

教练平台功能软件主要担负着仿真系统运行控制及监测仿真过程等任务，具体内容为：工况选择/保存，冻结/解冻，回退，记录，重演，快存，机外参数设置，模型的加速与减速，学员成绩评定，成组故障设定，运行监测等。教员使用鼠标点击即可完成各种仿真系统的控制和监测。

工程师站功能软件不仅具备教练员站功能，还承担着仿真模型的开发、修改、调试及维护的任务，其具有多窗口画面运行状态、灵活的技术工程建模环境和友好的图形界面，模型容易操作维护。该软件能对实时数据库与控制系统进行及时建模，同时具有技术人员进行设置、扩充等功能。

6 系统特点

建阳区发电公司建立的水电站仿真系统具有以下主要特点：数字全范围仿真系统，是以纯软件的形式实现对运行人员、电气人员的机组正常运行、事故或故障处理的培训，包括电站设备、LCU、保护等仿真功能；实现3D巡视功能，使学员有身临其境的体验；具有与实际各水电站一致的开停机操作、倒闸操作、监视等仿真培训功能；具备成熟、完善、丰富的教练员功能，一机多模分组培训功能；配置有图模库一体化通用仿真支撑系统(CyberSim)，采用精确的电网动态分析计算程序(LAP)，同时对二次保护模型进行图形化建模。水电站仿真系统技术成熟、功能齐全，具有实用性和推广性。

7 结 语

人才培养储备是企业优先发展战略，知识和技术的更新迫切要求发电企业能与时俱进，进一步提升技术人员的工作能力和技术水平。该仿真系统建成和投入使用，给发电公司人员技术培训提供了良好平台，使水电站技术人员能更好地熟悉电站设备结构，全面掌握生产过程，丰富故障检修经验，极大地保障了发电设备的安全运行，完善和丰富了公司人才队伍的培养模式，是对公司技术的整体推进和与新知识的有效接轨，为确保企业安全生产和可持续发展提供了有力保障。