摘要：
摘要：对抽水蓄能电站仿真系统的设计与开发进行了论述，介绍了仿真机的设计原则，从电气系统、机械系统和控制系统三方面介绍了仿真范围，通过硬件构造介绍了系统的结构。仿真系统功能齐全，结构清晰简单，可扩展性好，硬件软件通用性好，培训和维护费用较低且易实现一机多模，能够满足运行人员的各种培训需要。
引言
抽水蓄能机组从1882年在瑞士苏黎世问世以来，已有100多年的历史。截止1995年，全世界已建成抽水蓄能电站400多座。我国自20世纪60年代开始研究开发抽水蓄能机组。直到80年代，我国抽水蓄能电站的建设迎来了新的局面川。从2000年开始，我国陆续兴建了以泰安、张河湾、桐柏等一批具有世界先进水平的抽水蓄能电站，根据全国电网的负荷特性、电源规划，我国在2010年抽水蓄能装机规模将达到1800万kW，近期在建和拟建的抽水蓄能电站有十余座。抽水蓄能电站作为一种特殊形式的水电站，具有调峰填谷双重作用，是电力系统最理想的调峰电源。此外，它还可以调频、调相、调压和作为事故备用及“黑启动”等多种作用的特殊电力装置，具有运行灵活和反应快速的特点，是电力系统运行管理的重要工具，对确保电力系统安全、稳定和经济运行具有重要作用。
随着电力工业的发展和技术的进步，抽水蓄能机组不断向着大容量、高参数方向发展，自动化程度越来越高，技术日益复杂，对运行操作人员的技术知识、操作水平、应变能力等方面提出了更高要求。这就需要对运行人员进行有效的培训。而运行人员在实际抽水蓄能机组上进行训练的机会越来越少，不仅难度大、周期长、收效微，有时甚至不可能。为了有效地提高抽水蓄能电站运行人员的专业知识、操作技能、应变能力和熟练程度，脱离实际抽水蓄能机组的全范围实时仿真机对运行人员培训显得尤为重要。
一、仿真系统的设计原则
抽水蓄能机组的启停和运行过程非常复杂，而且系统是非线性的，各对象之间的藕合性较强，使得仿真过程比较复杂。为了达到逼真的仿真效果，整个仿真系统应遵循以下设计原则：
(l)仿真系统为全物理过程、机理性、逼真度高。
(2)仿真系统能够模拟抽水蓄能电站生产过程的性能与行为，实时再现所有在现场控制室中观察到的现象，使被培训人员犹如置身于实际过程之中。
(3)仿真系统在正常运行或事故状况下，不论运行人员的操作是正确还是错误的，调节过量或调节不足，所有参数的变化、事故音响、光字牌报警等的变化都与仿真对象的实际情况一致。
(4)仿真控制室中，操作员台面(包括显示器、键盘、面板等)将按实际的位置布置，显示器的显示界面和信息、键盘和面板的操作感觉都与现场一致。对于保护盘等采用软仿真方式，即用显示器和键盘、鼠标操作代替现场立盘上的显示和操作。
(5)基于仿真模型的数学处理的需要，对某些系统允许一定的合理简化和假设，但是不降低仿真的真实性。
(6)仿真模型以成熟、先进的数学模型为基础，以设备的设计数据为依据，并参考实际机组的运行数据来建立，确保仿真的逼真度。
(7)仿真系统在软件和硬件方面应具有足够的开放性和可扩展性，以适应被仿真机组未来可能进行的升级改造。
(8)对于集控室外的就地操作，在就地操作站上完成，以功能仿真为主。
二、仿真范围
抽水蓄能电站仿真系统的仿真范围包括电气系统、机械系统、控制系统3大方面。
2.1 电气系统仿真范围
(l)电动/发电机和主变压器系统：包括电动/发电机、主变压器及其冷却系统等辅助系统，以及换相隔离开关、接地开关、各断路器、隔离开关、互感器、避雷器等。
(2)励磁系统：包括励磁变压器及其断路器、互感器、整流装置、微机励磁调节器、启励装置、灭磁开关等。
(3)厂用电系统及保安电源系统：包括高压厂用变压器、各低压厂用变压器、柴油发电机、限流电抗器、各小车开关、互感器等，其数学模型应正确反映系统的潮流分布，各支路电流、电压动态变化与实际一致。
(4)继电保护及自动装置：包括蓄电池组、高频电源模块、直流母线、各熔断器、开关等。
(5)升压站系统：包括地面/地下GIS设备、线路以及所配置的各种保护等。
2.2 机械系统仿真范围
(l)水泵/水轮机系统：主要包括可逆式水泵/水轮机、上库进出水口闸门、引水管道、球阀、水机转轮、导叶、尾水管、尾水事故闸门等。
(2)调速系统：主要作用有机组启停控制、频率调整、负荷调整、甩负荷后的转速控制和抽水工况下的机组效率优化。包括调速器各主要特性，系统频率、上、下库水位、机组转速、负荷的调整，AGC调节，油压装置等。油压装置系统包括油压、油位的自动和手动控制，油压油位的各限值。
(3)辅助系统：主要包括技术供水系统、排水系统和压缩空气系统。技术供水系统包括机组技术供水系统和公用供水系统;排水系统包括渗漏排水系统和检修排水系统。压缩空气系统分为高压、中压和低压压缩空气系统。
2.3 控制系统仿真范围
(l)监控系统具有对监控对象进行监控、数据采集与处理、实时控制和调节、参数设定、监视、运行参数计算、通信控制、系统诊断、软件开发和画面生成、系统扩充、运行管理、操作培训等与实际机组相一致的多方面功能。
(2)系统工况显示包括所有模拟量、开关量及二次参数的单点、成组、棒图、报警、工艺流程、趋势、操作指导及机组启停画面、控制回路状态显示等。记录报告包括操作事件记录、报警事件记录、趋势分析打印、设备运行记录等。连续监视有关参数，一旦异常，立即报警，具有多级和可变报警限值，单点和成组报警闭锁一览表等。性能计算可在线提供机组的各种性能指标。
三、仿真系统结构
仿真系统是由多台计算机及其外设有机连接的整体。抽水蓄能电站仿真系统应采用当前的最新技术，例如面向对象技术、网络通信技术、图形化建模技术、人机交互技术等，并采用当前主流开发平台。仿真系统结构如图1所示，其主干网架是以太网，主要包括模型服务器、教练员台、工程师站、操作员站、就地操作站、大屏幕投影系统等。除主机选用服务器外，其它均为微机，它们通过交换机连接在一起，组成一个局域网，相互交换信息。
模型服务器是仿真系统的核心，其中存放中心数据库，负责整个仿真系统的控制和调度，运行有仿真支撑系统和水机、电气、控制等各系统的模型软件。模型软件按相应设备的数学模型进行仿真计算，模拟设备的运行状态，各模块在实时运行的同时将实时计算信息写入数据库，从而保证数据的可靠性、一致性、实时性。
工程师站是工程师建立、调试、维护模型的操作台，也是工程师控制仿真系统运行的操作界面。
教练员台是教练员控制仿真系统运行的操作台，运行有教练员软件。教练员台作为计算机网络系统的一个节点，通过网络与模型服务器相连。
操作员站按1:1仿真抽水蓄能电站控制系统的界面和各种控制过程，其功能与实际控制系统完全一样，只不过处理的是仿真模型计算出的数据，从而给受训学员创造一个身临其境的操作环境。仿真系统的操作员站由多台微机构成，各操作员站通过网络与模型服务器相连。
就地操作站以图形的方式在微机的显示屏幕上完整地显示电站的水机、电气、控制等各个系统构成，通过交互界面完成电站中需要到现场进行的就地操作。它通过通信程序与模型服务器进行通信，将模型运算的实时数据传送到就地站，同时将就地站操作信息送往模型，由模型实现现场的就地操作功能。
大屏幕投影系统通过矩阵分配器的切换，可以用来显示任一操作员站或就地站的画面，以方便监视控制，达到直观、便捷的效果。便携机主要用来进行教学管理工作。
四、仿真系统的基本功能和应用
本仿真培训系统可以在教练员台进行运行、冻结、单步、停止、清库、调入工况、状态快照、工况转换、速度控制、过程重放、时间倒回、故障设置、故障删除、曲线显示、操作记录、自动评分及保护配置等操作。培训时，教练员在教练员工作站上设置各种工况，受训人员在操作员站和就地操作站对仿真机进行各种操作和监视。
4.1 正常操作训练
培训员在教练员台设置好工况，然后给定操作任务，受训人员根据任务的要求开出相应的操作票，并在仿真机进行操作。
本仿真机可以进行停机转发电、停机转抽水 (SFC)、停机转正向调相、停机转反向调相、发电转停机、抽水转停机、正向调相转停机、反向调相转停机、发电转正向调相、抽水转反向调相、正向调相转发电、反向调相转抽水、发电增、减负荷、切换开关和倒闸等各种日常操作，操作过程与现场基本一致。
4.2 处理故障及事故的训练
培训员可以在教练员台设置现场常见或是很少发生但是又必须掌握和了解原因和处理方法的故障和事故，培养运行人员正确判断、迅速准确无误地进行处理的能力。
仿真机可以设置母线、主变、发电机、厂用电、直流系统、励磁系统、调速器、辅助系统等各种设备的故障，并能真实演示出事故现象，受训人员可以从中判断事故性质、类型、地点等并在仿真机上进行处理，并通过同一事故的多次重演，使受训人员有机会从不同角度进行事故分析和对策研究，从而提高判断、处理事故的能力，积累处理各种故障或事故的经验。
五、结语
抽水蓄能电站仿真机根据物理学原理建立对水机、电气、控制系统设备与过程的全范围仿真，准确模拟发电、抽水、发电调相、抽水调相、静止等工况以及各工况之间的转换。仿真系统除完成抽水蓄能电站运行培训与故障培训仿真外，可以进行参数整定、控制系统优化、智能控制研究等。仿真系统采用全软件模式，硬件设备主要由普通服务器和微机组成局域网，在Windows，系统下进行图形建模和运行培训;建造成本低，使用维护简单，便于管理。
目前国内抽水蓄能电站仿真系统设计与开发相对火电和常规水电机组落后，设计开发一套全范围抽水蓄能电站仿真系统，对抽水蓄电能站运行人员进行有效的培训，以提高其专业知识、操作技能、应变能力和熟练程度，前景广阔，有着巨大的经济效益与社会效益。
