700MW水電站仿真實操考試系統
1. 系統概述
本水電站半實物仿真培訓系統利用計算機仿真技術，模擬真實水電站的生產過程，并提供真實的培訓環境（水電站中央控制室）。其中水輪機及其輔助系統、電氣一次系統采用仿真模型軟件進行模擬，PLC控制系統及繼電保護系統采用與實際水電站相同的實物設備。仿真模型軟件與實物通過網絡接口及軟硬件接口進行通訊。
利用本系統，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。
2. 系統的硬件結構
系統的硬件結構如下圖所示：
系統硬件結構
仿真服務器采用配置較高的工作站，運行大型科學計算與仿真支撐平臺SimuWorks、仿真模型軟件和教練員站軟件；監控系統操作站和現地操作站采用普通的PC機，分別運行監控系統和現地操作的仿真界面軟件。
PLC主機在現地控制單元柜中，以太網絡交換機及PLC通訊模塊位于通訊柜中，PLC系統的通訊模塊通過以太網與仿真服務器及監控系統操作員站進行數據通訊。PLC系統的I/O模塊與繼電保護柜及同期操作柜中的設備采用硬接線連接。
一次系統軟件模型計算出的一次系統電流、電壓經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. 系統的軟件結構及主要功能
仿真培訓系統運行于Windows操作系統，軟件結構如下圖所示：
系統軟件結構
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主要由大型科學計算與仿真引擎SimuEngine、通用圖形化自動建模系統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為仿真系統的開發和運行提供底層支撐。
2）SimuBuilder用于仿真模型的圖形化組態開發。
3）SimuLib提供各種設備模塊庫，以及流體網絡和電氣網絡的實時求解庫。
4）API接口提供與硬件I/O接口軟件的開發和通訊。
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，符合質量守恒、能量守恒及動量守恒三大定律，以及水力學、傳熱學、電工學原理，并結合了相應的經驗公式。
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模型
包括引水系統的水力學模型及水輪機水力學模型，水輪機及軸承發熱模型、水系統模型（供水水泵、主閥、供水閥門、排水系統等）、油系統模型、壓縮空氣系統模型、機組制動系統模型，及機械保護系統模型。
仿真機能夠仿真各種工況及工況轉換，并能反映出在各工況及工況轉換過程中機組和輸水系統如下參數的變化：
●機組轉速
●機組流量
●機組所帶負荷
●機組主軸力矩
●蝸殼壓力
●尾水管進口壓力
●導葉開度
●輸水系統（引水系統和尾水系統）管道各點壓力
3.2.2 電氣系統模型
包括發電機模型、勵磁系統模型、變壓器模型、電氣主接線模型、廠用電系統模型、直流電系統模型，具體說明如下：
1）發電機模型包括發電機電氣模型、發熱及冷卻模型、同期裝置模型。
2）勵磁系統模型包括勵磁機本體模型、勵磁調節系統模型。
3）電氣主接線模型包括電網模型、母線模型、線路模型等。
4）廠用電系統模型包括母線模型、開關及斷路器模型、電氣負載模型等。
3.2.3 控制系統模型
控制系統模型用來模擬水電站的PLC控制系統的控制邏輯以及相應的執行機構，其中控制邏輯的建模過程與控制系統的邏輯組態過程類似。
在本半實物仿真系統方案中，PLC采用與實際電廠系統的真實PLC系統，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）凍結與解凍
4）重演
5）追憶
6）加速與減速
7）故障設置
8）參數修改
9）操作監視和記錄
3.4 監控系統操作站軟件
監控系統操作站軟件提供與實際現場相同的監控系統人機界面，畫面的組態及運行采用仿真實時圖形系統SimuMMI來實現，下圖為一個典型界面截圖。
操作站軟件典型界面截圖
3.5 現地操作站軟件
現地操作站軟件采用與監控系統操作站軟件風格相同的人機界面，用于模擬對控制室以外的現地設備的操作及狀態顯示。
3.6 I/O接口軟件
I/O接口軟件實現SimuWorks與實物硬件設備之間的數據通訊，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。