1. 系統(tǒng)概述

　　本水電站半實物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)利用計算機仿真技術(shù)，模擬真實水電站的生產(chǎn)過程，并提供真實的培訓(xùn)環(huán)境（水電站中央控制室）。其中水輪機及其輔助系統(tǒng)、電氣一次系統(tǒng)采用仿真模型軟件進行模擬，PLC控制系統(tǒng)及繼電保護系統(tǒng)采用與實際水電站相同的實物設(shè)備。仿真模型軟件與實物通過網(wǎng)絡(luò)接口及軟硬件接口進行通訊。

　　利用本系統(tǒng)，除了可對運行人員進行水電站正常工況操作、異常工況操作、事故處理等各種過程的培訓(xùn)外，還可以完成理論和實操考試，自動給出成績，作為運行人員合格上崗的主要依據(jù)。

2. 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示：

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　仿真服務(wù)器采用配置較高的工作站，運行大型科學(xué)計算與仿真支撐平臺SimuWorks、仿真模型軟件和教練員站軟件；監(jiān)控系統(tǒng)操作站和現(xiàn)地操作站采用普通的PC機，分別運行監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)地操作的仿真界面軟件。

　　PLC主機在現(xiàn)地控制單元柜中，以太網(wǎng)絡(luò)交換機及PLC通訊模塊位于通訊柜中，PLC系統(tǒng)的通訊模塊通過以太網(wǎng)與仿真服務(wù)器及監(jiān)控系統(tǒng)操作員站進行數(shù)據(jù)通訊。PLC系統(tǒng)的I/O模塊與繼電保護柜及同期操作柜中的設(shè)備采用硬接線連接。

　　一次系統(tǒng)軟件模型計算出的一次系統(tǒng)電流、電壓經(jīng)過電流電壓放電器輸出，通過硬接線連接到繼電保護柜的繼電保護裝置。

　　控制柜布置照片如下圖所示：

控制柜布置照片

3. 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)及主要功能

　　仿真培訓(xùn)系統(tǒng)運行于Windows操作系統(tǒng)，軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示：

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

　　以下對各組成軟件及其主要功能加以說明：

3.1 仿真支撐平臺SimuWorks

　　SimuWorks主要由大型科學(xué)計算與仿真引擎SimuEngine、通用圖形化自動建模系統(tǒng)SimuBuilder、模塊資源庫SimuLib、API接口等多個軟件組成，具體功能說明如下：

　　1）SimuEngine為仿真系統(tǒng)的開發(fā)和運行提供底層支撐。

　　2）SimuBuilder用于仿真模型的圖形化組態(tài)開發(fā)。

　　3）SimuLib提供各種設(shè)備模塊庫，以及流體網(wǎng)絡(luò)和電氣網(wǎng)絡(luò)的實時求解庫。

　　4）API接口提供與硬件I/O接口軟件的開發(fā)和通訊。

3.2 仿真模型軟件

　　仿真模型軟件采用SimuBuilder建立，其中所使用的仿真算法均以實際物理過程為基礎(chǔ)，符合質(zhì)量守恒、能量守恒及動量守恒三大定律，以及水力學(xué)、傳熱學(xué)、電工學(xué)原理，并結(jié)合了相應(yīng)的經(jīng)驗公式。

　　仿真模型由以下幾個部分組成：

3.2.1 水輪機及其輔助系統(tǒng)模型

　　包括引水系統(tǒng)的水力學(xué)模型及水輪機水力學(xué)模型，水輪機及軸承發(fā)熱模型、水系統(tǒng)模型（供水水泵、主閥、供水閥門、排水系統(tǒng)等）、油系統(tǒng)模型、壓縮空氣系統(tǒng)模型、機組制動系統(tǒng)模型，及機械保護系統(tǒng)模型。

　　仿真機能夠仿真各種工況及工況轉(zhuǎn)換，并能反映出在各工況及工況轉(zhuǎn)換過程中機組和輸水系統(tǒng)如下參數(shù)的變化：

　　●機組轉(zhuǎn)速

　　●機組流量

　　●機組所帶負(fù)荷

　　●機組主軸力矩

　　●蝸殼壓力

　　●尾水管進口壓力

　　●導(dǎo)葉開度

　　●輸水系統(tǒng)（引水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)）管道各點壓力

3.2.2 電氣系統(tǒng)模型

　　包括發(fā)電機模型、勵磁系統(tǒng)模型、變壓器模型、電氣主接線模型、廠用電系統(tǒng)模型、直流電系統(tǒng)模型，具體說明如下：

　　1）發(fā)電機模型包括發(fā)電機電氣模型、發(fā)熱及冷卻模型、同期裝置模型。

　　2）勵磁系統(tǒng)模型包括勵磁機本體模型、勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型。

　　3）電氣主接線模型包括電網(wǎng)模型、母線模型、線路模型等。

　　4）廠用電系統(tǒng)模型包括母線模型、開關(guān)及斷路器模型、電氣負(fù)載模型等。

3.2.3 控制系統(tǒng)模型

　　控制系統(tǒng)模型用來模擬水電站的PLC控制系統(tǒng)的控制邏輯以及相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，其中控制邏輯的建模過程與控制系統(tǒng)的邏輯組態(tài)過程類似。

　　在本半實物仿真系統(tǒng)方案中，PLC采用與實際電廠系統(tǒng)的真實PLC系統(tǒng)，PLC控制邏輯也與實際電廠相同。

3.3 教練員站軟件

　　教練員站軟件用于控制整個仿真系統(tǒng)的運行，進行理論和實操考試與自動評分，并提供如下教練員功能：

　　1）初始工況選擇

　　2）工況快速保存

　　3）凍結(jié)與解凍

　　4）重演

　　5）追憶

　　6）加速與減速

　　7）故障設(shè)置

　　8）參數(shù)修改

　　9）操作監(jiān)視和記錄

3.4 監(jiān)控系統(tǒng)操作站軟件

　　監(jiān)控系統(tǒng)操作站軟件提供與實際現(xiàn)場相同的監(jiān)控系統(tǒng)人機界面，畫面的組態(tài)及運行采用仿真實時圖形系統(tǒng)SimuMMI來實現(xiàn)，下圖為一個典型界面截圖。

操作站軟件典型界面截圖

3.5 現(xiàn)地操作站軟件

　　現(xiàn)地操作站軟件采用與監(jiān)控系統(tǒng)操作站軟件風(fēng)格相同的人機界面，用于模擬對控制室以外的現(xiàn)地設(shè)備的操作及狀態(tài)顯示。

3.6 I/O接口軟件

　　I/O接口軟件實現(xiàn)SimuWorks與實物硬件設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊，包括與PLC的MODBUS通訊軟件，以及與電流電壓放大器硬件之間的通訊軟件。