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700MW水电站仿真实操考试系统
700MW水电站仿真实操考试系统
1. 系统概述
本水电站半实物仿真培训系统利用计算机仿真技术，模拟真实水电站的生产过程，并提供真实的培训环境（水电站中央控制室）。其中水轮机及其辅助系统、电气一次系统采用仿真模型软件进行模拟，PLC控制系统及继电保护系统采用与实际水电站相同的实物设备。仿真模型软件与实物通过网络接口及软硬件接口进行通讯。
利用本系统，除了可对运行人员进行水电站正常工况操作、异常工况操作、事故处理等各种过程的培训外，还可以完成理论和实操考试，自动给出成绩，作为运行人员合格上岗的主要依据。
2. 系统的硬件结构
系统的硬件结构如下图所示：
系统硬件结构
仿真服务器采用配置较高的工作站，运行大型科学计算与仿真支撑平台SimuWorks、仿真模型软件和教练员站软件；监控系统操作站和现地操作站采用普通的PC机，分别运行监控系统和现地操作的仿真界面软件。
PLC主机在现地控制单元柜中，以太网络交换机及PLC通讯模块位于通讯柜中，PLC系统的通讯模块通过以太网与仿真服务器及监控系统操作员站进行数据通讯。PLC系统的I/O模块与继电保护柜及同期操作柜中的设备采用硬接线连接。
一次系统软件模型计算出的一次系统电流、电压经过电流电压放电器输出，通过硬接线连接到继电保护柜的继电保护装置。
控制柜布置照片如下图所示：
控制柜布置照片
3. 系统的软件结构及主要功能
仿真培训系统运行于Windows操作系统，软件结构如下图所示：
系统软件结构
以下对各组成软件及其主要功能加以说明：
3.1 仿真支撑平台SimuWorks
SimuWorks主要由大型科学计算与仿真引擎SimuEngine、通用图形化自动建模系统SimuBuilder、模块资源库SimuLib、API接口等多个软件组成，具体功能说明如下：
1）SimuEngine为仿真系统的开发和运行提供底层支撑。
2）SimuBuilder用于仿真模型的图形化组态开发。
3）SimuLib提供各种设备模块库，以及流体网络和电气网络的实时求解库。
4）API接口提供与硬件I/O接口软件的开发和通讯。
3.2 仿真模型软件
仿真模型软件采用SimuBuilder建立，其中所使用的仿真算法均以实际物理过程为基础，符合质量守恒、能量守恒及动量守恒三大定律，以及水力学、传热学、电工学原理，并结合了相应的经验公式。
仿真模型由以下几个部分组成：
3.2.1 水轮机及其辅助系统模型
包括引水系统的水力学模型及水轮机水力学模型，水轮机及轴承发热模型、水系统模型（供水水泵、主阀、供水阀门、排水系统等）、油系统模型、压缩空气系统模型、机组制动系统模型，及机械保护系统模型。
仿真机能够仿真各种工况及工况转换，并能反映出在各工况及工况转换过程中机组和输水系统如下参数的变化：
●机组转速
●机组流量
●机组所带负荷
●机组主轴力矩
●蜗壳压力
●尾水管进口压力
●导叶开度
●输水系统（引水系统和尾水系统）管道各点压力
3.2.2 电气系统模型
包括发电机模型、励磁系统模型、变压器模型、电气主接线模型、厂用电系统模型、直流电系统模型，具体说明如下：
1）发电机模型包括发电机电气模型、发热及冷却模型、同期装置模型。
2）励磁系统模型包括励磁机本体模型、励磁调节系统模型。
3）电气主接线模型包括电网模型、母线模型、线路模型等。
4）厂用电系统模型包括母线模型、开关及断路器模型、电气负载模型等。
3.2.3 控制系统模型
控制系统模型用来模拟水电站的PLC控制系统的控制逻辑以及相应的执行机构，其中控制逻辑的建模过程与控制系统的逻辑组态过程类似。
在本半实物仿真系统方案中，PLC采用与实际电厂系统的真实PLC系统，PLC控制逻辑也与实际电厂相同。
3.3 教练员站软件
教练员站软件用于控制整个仿真系统的运行，进行理论和实操考试与自动评分，并提供如下教练员功能：
1）初始工况选择
2）工况快速保存
3）冻结与解冻
4）重演
5）追忆
6）加速与减速
7）故障设置
8）参数修改
9）操作监视和记录
3.4 监控系统操作站软件
监控系统操作站软件提供与实际现场相同的监控系统人机界面，画面的组态及运行采用仿真实时图形系统SimuMMI来实现，下图为一个典型界面截图。
操作站软件典型界面截图
3.5 现地操作站软件
现地操作站软件采用与监控系统操作站软件风格相同的人机界面，用于模拟对控制室以外的现地设备的操作及状态显示。
3.6 I/O接口软件
I/O接口软件实现SimuWorks与实物硬件设备之间的数据通讯，包括与PLC的MODBUS通讯软件，以及与电流电压放大器硬件之间的通讯软件。