水电厂仿真培训系统故障模拟与报警功能的实现
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[4] 姜珊，孙廷昌，郭海峰，等 . 集约化培训中的精益管理项目 研究 [J]. 中国电力教育，2018（3）：50-53.
[5] 刘文丰，傅强 . 几种分散控制系统的 SOE 性能测试比较 [J]. 华中电力，2005（6）.
（上接第 24 页）
流实测值与设计值不可避免的存在一些偏差，当偏 差较大或超过合同、标准规定的容差范围时，可实施 零功率因数过励试验，对励磁电流进行复核，以验证 其准确性和有效性。
图 7 励磁电流复核结果
4 总结
本文在水电机组上开展零功率因数过励试验， 测定保梯电抗，进而利用作图法计算机组在不同负 载下的励磁电流，对实测值进行了复核，结果表明： 励磁电流计算值与实测值偏差较小，零功率因数过 励试验是复核励磁电流实测值的可行方法；励磁电
参考文献：
[1] 何汉强，姚仲生，陈生 . 大中型水轮发电机额定励磁电流 容差的探讨 [J]. 大电机技术，1993（2）：1-4.
目前，该仿真系统已部署在南方电网调峰调频
有限公司培训中心。系统以广东清远抽水蓄能电站 为被仿对象，从投运情况来看，该功能运行正常，可 较为完整地记录故障发生和处理操作过程中的事件 顺序，与实际基本相符。下一步，我们将在此基础上 进一步研究该系统与检修培训系统的信息交互和功 能融合，设计并实现抽水蓄能水电站运维检修一体 化的培训模式。
3 结语
OTS2000 仿真系统实现的系统故障模拟与报警 功能，记录下故障的全部状态和变位信息等事件，可 以模拟实际水电站计算机监控系统以 SOE 模件对 重要事件点做事件顺序记录的方式，通过这种手段 为学员进行事件或故障原因分析提供更全面、可靠 的信息存储和故障分析依据。这一功能的实现也为 将仿真培训系统升级为仿真测试系统打下良好基 础，为 OTS2000 仿真系统的深度应用做准备。
29
2 故障信息的产生、上送及事件分辨率
2.1 故障信息的产生与上送 故障点数据下发到设备数学模型后，会根据设
备模型参数设置，触发一系列连锁的故障信息。根 据不同故障类型，故障点数据可分为模拟量或数字 量故障。例如机组转子一点接地故障，可将相关电 阻值的模拟量设为故障点，下发后会触发相关故障 报警和继电保护逻辑。而模拟水泵故障造成的集 水井水位过高现象，可将一个高出上限的集水井水 位（模拟量）数据以及水泵故障停机状态点（数字量） 均设置为故障点。需要故障场景时，只需将这些故 障数值及状态下发至系统数学模型，则会触发水位 高报警信息，并触发备用潜水泵启动等一系列中间 量的变化及状态信息。
实际工程中，在下位机 (PLC) 的主循环程序里， 每个循环周期沿触发器都会检测所有状态信号（包 括数字输入状态量、数字输出量、通信输入状态量、 虚拟状态量）是否发生上升沿跳变或下降沿跳变， 如果检测到状态信号有跳变，就即刻进行记录并生 成变位信息记录报文打包发送给上位机系统 [3]。
OTS2000 水电站仿真系统内的数学模型及模型 驱动可以模拟下位机变位的这一工作过程。模型驱
参考文献：
[1] 张卫君，张显兵，王翔，等 .OTS2000 培训仿真系统虚拟现 实平台研究 [J]. 水电站机电技术，2014，37（3）：75－76.
[2] 张卫君，李亦凡，张煦，等 . 智慧水利水电工程三维可视化 技术与应用研究 [J]. 水电与抽水蓄能，2018，4（6）：8-12.
[3] 白剑飞，赵勇飞 .H9000 计算机监控系统变位上送功能的 实现 [C]// 中国水力发电工程学会信息化专委会 . 水电 控制设备专委会 2015 年学术交流会论文集，2019：189193.
为解决这一问题，OTS2000 系统在设备算法模 块中保留了模型故障点接口，可根据设备物理原理、 控制及保护系统逻辑触发产生一系列状态变位信息 及报警信息。在 OTS2000 系统中，故障点是从教员 站平台或学员站平台以下令的方式强制后台数学模 型相关变量变位。根据故障的复杂程度，教员可在 教员站中将故障设置为单点故障或多点复合故障。 由于相同的故障点可根据不同工况，触发相应的中 间变量和报警信息，产生不同的故障效果。下发故 障点前，使用者应首先明确故障发生时蓄能水电厂 机组工况、线路状态、油水气等公用系统的工作状态 等。采用这一方法，可以让故障现象的产生更加灵 活，符合南方电网调峰调频公司集约化培训的需求， 获得更好的培训效果 [3]。
第 44 卷 第 1 期
28
2021 年 1 月
水电站机电技术
Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station
Vol.44 No.1 Jan.2021
水电厂仿真培训系统故障模拟与报警功能的实现
吕毅松 1，白剑飞 2，李亦凡 2，陈伟光 1，李东璐 1，甄培江 1，丘恩华 1，刘德龙 2
当信号变位发生在上次扫描结束、下一次扫描 开始前，则 t2=t1+t3 ，状态点实际变位时刻 t1 与变位 上送功能记录的信号点变位时刻 t2 最为接近；当信 号变位发生在本次扫描刚结束时，则 t2=t1+t3+t4，状 态点实际变位时刻 t1 与变位上送功能记录的信号 点变位时刻 t2 相差最大。
1 事件顺序记录故障点设置
高的事件分辨率。 传统仿真系统将全部应报出的状态信号都设置
在故障案例中，采用事件记录模块进行数据采集。 这种做法一方面成本较高，另一方面也仅满足了某 单一工况下的某一故障现象，对水电厂厂站层其他 设备的状态信号量以及用户程序产生的一些可用于 诊断的中间变量信号的模拟有所缺失。
OTS2000 平台的建模算法模块，最小计算周期 为 1 ms, 远小于模型驱动采集程序的计算周期，可 以忽略不记。整体模型的状态采集程序的扫描周期 则取决于仿真数学模型的复杂程度，复杂精细的数 学模型，涉及到的状态信号点越多，扫描周期越长。 在实际工程执行中，开发工程师应注意模型精细度 和扫描周期时长的平衡，同时尽量精简不必要的中
[2] 龚伟革 . 水电机组额定励磁电流超定值的分析及对策 [J]. 浙江电力，2007（2）：34-37.
[3] 苟智德，孙力，富立新，等 . 迭代法求取保梯电抗 Xp[J]. 电 机与控制学报，2007，11（2）：153-157.
[4] 关建军，傅自清 . 同步发电机负载励磁电流的数值计算方 法 [J]. 中国电力，2003，38（8）：8-10.
在 OTS2000 系统中，变位上送功能检测的是数 学模型的信号状态，构成数学模型的算法模块的输 出结果每隔 1 ms 刷新一次，远小于模型状态采集周 期。如果状态信号点和报警点在模型状态采集程序 扫描周期内发生间隔很短的两次跳变，变位上送功 能是无法检测到这期间模型信号的变位情况的。例 如扫描开始时监测状态发生了一次跳变，在本次扫 描结束时该状态点再次变位，这两次跳变无法检测 到，期间间隔时间为扫描周期。基于以上分析，状态 点和报警点的变位上送的事件分辨率为模型状态采 集程序的扫描周期。
随着水电厂故障诊断和处理培训需求的发展， 用户对仿真系统的真实性要求更高，希望系统能对 故障事件全部状态信号量进行模拟、记录并具有较
收稿日期：2020-04-22 作者简介：吕毅松（1986-），男，工程师，从事水电运行及水电运检 培训评价管理工作。
第1期
吕毅松，等：水电厂仿真培训系统故障模拟与报警功能的实现
中图分类号：TP391.9 文献标识码：B 文章编号：1672-5387（2021）01-0028-03 DOI：10.13599/ki.11-5130.2021.01.009
0 引言
随着计算机技术的发展，计算机三维仿真培训 系统已成为水电厂员工培训的重要手段之一，特别 在事故及故障处理培训中独具优势 [1]。仿真系统的 准确性和信号反馈的实时性对于培训效果十分重 要。抽水蓄能水电站机组承担着电网中调峰调频的 作用，一天之内启停频繁，工况及发电出力需经常 性的调整，在运行过程中会产生大量控制和报警信 息。因此为了培训员工查找出故障真实原因，采取 相应措施应对机组故障，需要仿真系统尽可能真实 地模拟并上报故障信息。而实际故障或事故事件发 生时，往往会产生多达数十条报警信息，如若直接在 仿真系统中人工强置这些状态和报警信息，工作将 十分繁琐，并存在故障模拟不灵活，报警范围不全等 缺点。基于设备数学模型后台的 OTS2000 仿真系 统可以便捷地解决这一问题。该系统引入故障点设 置，只需设置好故障源头的数据状态信息，后续故障 和报警信息可由模型内部自动触发产生并上送至仿 真人机界面 [2]。
通用故障信号的设置和产生：图 1 为故障触发 器模型，可模拟通用故障信号的产生。其中输入 S1 设为故障信号，当其为高电平时，模块输出 N 产生 故障报警信号，输入 S2 设为故障复归信号，当其为 高电平时且输入 S1 恢复低电平后，输出 N 故障报 警复归，故障信号消失。仿真系统恢复蓄能水电站 正常工作状态。
动循环检测模型的状态信号输出，如果检测到跳变， 则即刻将该信号点的逻辑点名，变位状态，变位发生 的时间等信息，发送到上一层仿真人机界面系统，系 统根据程序设定判断逻辑点类型，如果是故障点，则 向培训人员发出告警信号，如果是事件点，则写入事 件列表，供培训人员分析判断。
针对故障情况下模拟量的变化，仿真系统也会 提供曲线分析等手段，展现这一时段内模拟量的变 化趋势，方便培训人员进行故障分析和判断。 2.2 变位上送时间精度和事件分辨率
[6] 李建明 , 朱康 . 高压电气设备试验方法 [M]. 北京：中国电 力出版社，2001.
[7] GB/T 1029-2005 三相同步电机试验方法 [S]. [8] IEC 60034-1-2017 Rotating electrical machines - Part 1：
30
水电站机电技术
第 44 卷
间量和虚拟点。经实际仿真工程测试，OTS2000 平 台的操作周期在十几毫秒到几十毫秒之间。对比实 际水电厂监控下位机系统，如西门子 S7-400 系列 PLC 为主控制器的现地控制系统，正常运行时主循 环程序扫描周期≤30 ms[5]。因此，OTS2000 仿真系 统的模型驱动扫描周期和上送分辨率基本贴合实际 系统，可以满足故障事件顺序记录对事件分辨率的 仿真需求。
（1. 南方电网调峰调频发电有限公司，广东 广州 510630；2. 北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）
摘 要：以清远蓄能电站仿真培训系统为例，介绍了 OTS2000 仿真系统在故障应急培训功能中模拟故障信息产生 与上送功能的实现方法。该仿真系统可模拟水电厂实际计算机监控系统，对生产过程中变化的状态点和报警点进 行记录，模拟监控系统的故障信息变位上送功能，从而为水电站培训人员模拟故障分析提供更准确和全面的信息 记录。 关键词：OTS2000；故障诊断；变位上送；事件顺序记录；事件分辨率
[5] IEC 60034-4-1-2018 Rotating electrical machines Part 4-1：Methods for determining electrical excited synchronous machine quantities from tests [S].
S1 N S2
S/R
其他设备
图 1 故障触发器
如果能像水电站监控系统那样，将采集的状态 信号量和有用的中间变量信号进行全面模拟和事件 顺序记录，就可以进一步提高仿真系统的仿真精度， 为模拟故障、故障诊断训练、故障处理训练提供更真 实的信息。因此，我们参考监控系统上位机的事件 记录功能和下位机现地控制单元的信号传输机制， 设计用程序实现状态信号量事件顺序记录和上送， 这一功能被称为变位上送功能。
变位上送功能的状态信号变位时间的记录精度 和事件分辨率主பைடு நூலகம்受模型模块的计算周期和模型驱 动的扫描周期影响。
将 t1 设为状态信号点或报警点实际发生变位的 时刻，t2 为变位上送功能记录的信号点变位时刻，设 t3 为该周期扫描开始后变位上送功能程序段的执行 时间 ,t4 为模型状态采集程序扫描周期。考虑以下 两种极端情况：
[5] 刘文丰，傅强 . 几种分散控制系统的 SOE 性能测试比较 [J]. 华中电力，2005（6）.
（上接第 24 页）
流实测值与设计值不可避免的存在一些偏差，当偏 差较大或超过合同、标准规定的容差范围时，可实施 零功率因数过励试验，对励磁电流进行复核，以验证 其准确性和有效性。
图 7 励磁电流复核结果
4 总结
本文在水电机组上开展零功率因数过励试验， 测定保梯电抗，进而利用作图法计算机组在不同负 载下的励磁电流，对实测值进行了复核，结果表明： 励磁电流计算值与实测值偏差较小，零功率因数过 励试验是复核励磁电流实测值的可行方法；励磁电
参考文献：
[1] 何汉强，姚仲生，陈生 . 大中型水轮发电机额定励磁电流 容差的探讨 [J]. 大电机技术，1993（2）：1-4.
目前，该仿真系统已部署在南方电网调峰调频
有限公司培训中心。系统以广东清远抽水蓄能电站 为被仿对象，从投运情况来看，该功能运行正常，可 较为完整地记录故障发生和处理操作过程中的事件 顺序，与实际基本相符。下一步，我们将在此基础上 进一步研究该系统与检修培训系统的信息交互和功 能融合，设计并实现抽水蓄能水电站运维检修一体 化的培训模式。
3 结语
OTS2000 仿真系统实现的系统故障模拟与报警 功能，记录下故障的全部状态和变位信息等事件，可 以模拟实际水电站计算机监控系统以 SOE 模件对 重要事件点做事件顺序记录的方式，通过这种手段 为学员进行事件或故障原因分析提供更全面、可靠 的信息存储和故障分析依据。这一功能的实现也为 将仿真培训系统升级为仿真测试系统打下良好基 础，为 OTS2000 仿真系统的深度应用做准备。
29
2 故障信息的产生、上送及事件分辨率
2.1 故障信息的产生与上送 故障点数据下发到设备数学模型后，会根据设
备模型参数设置，触发一系列连锁的故障信息。根 据不同故障类型，故障点数据可分为模拟量或数字 量故障。例如机组转子一点接地故障，可将相关电 阻值的模拟量设为故障点，下发后会触发相关故障 报警和继电保护逻辑。而模拟水泵故障造成的集 水井水位过高现象，可将一个高出上限的集水井水 位（模拟量）数据以及水泵故障停机状态点（数字量） 均设置为故障点。需要故障场景时，只需将这些故 障数值及状态下发至系统数学模型，则会触发水位 高报警信息，并触发备用潜水泵启动等一系列中间 量的变化及状态信息。
实际工程中，在下位机 (PLC) 的主循环程序里， 每个循环周期沿触发器都会检测所有状态信号（包 括数字输入状态量、数字输出量、通信输入状态量、 虚拟状态量）是否发生上升沿跳变或下降沿跳变， 如果检测到状态信号有跳变，就即刻进行记录并生 成变位信息记录报文打包发送给上位机系统 [3]。
OTS2000 水电站仿真系统内的数学模型及模型 驱动可以模拟下位机变位的这一工作过程。模型驱
参考文献：
[1] 张卫君，张显兵，王翔，等 .OTS2000 培训仿真系统虚拟现 实平台研究 [J]. 水电站机电技术，2014，37（3）：75－76.
[2] 张卫君，李亦凡，张煦，等 . 智慧水利水电工程三维可视化 技术与应用研究 [J]. 水电与抽水蓄能，2018，4（6）：8-12.
[3] 白剑飞，赵勇飞 .H9000 计算机监控系统变位上送功能的 实现 [C]// 中国水力发电工程学会信息化专委会 . 水电 控制设备专委会 2015 年学术交流会论文集，2019：189193.
为解决这一问题，OTS2000 系统在设备算法模 块中保留了模型故障点接口，可根据设备物理原理、 控制及保护系统逻辑触发产生一系列状态变位信息 及报警信息。在 OTS2000 系统中，故障点是从教员 站平台或学员站平台以下令的方式强制后台数学模 型相关变量变位。根据故障的复杂程度，教员可在 教员站中将故障设置为单点故障或多点复合故障。 由于相同的故障点可根据不同工况，触发相应的中 间变量和报警信息，产生不同的故障效果。下发故 障点前，使用者应首先明确故障发生时蓄能水电厂 机组工况、线路状态、油水气等公用系统的工作状态 等。采用这一方法，可以让故障现象的产生更加灵 活，符合南方电网调峰调频公司集约化培训的需求， 获得更好的培训效果 [3]。
第 44 卷 第 1 期
28
2021 年 1 月
水电站机电技术
Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station
Vol.44 No.1 Jan.2021
水电厂仿真培训系统故障模拟与报警功能的实现
吕毅松 1，白剑飞 2，李亦凡 2，陈伟光 1，李东璐 1，甄培江 1，丘恩华 1，刘德龙 2
当信号变位发生在上次扫描结束、下一次扫描 开始前，则 t2=t1+t3 ，状态点实际变位时刻 t1 与变位 上送功能记录的信号点变位时刻 t2 最为接近；当信 号变位发生在本次扫描刚结束时，则 t2=t1+t3+t4，状 态点实际变位时刻 t1 与变位上送功能记录的信号 点变位时刻 t2 相差最大。
1 事件顺序记录故障点设置
高的事件分辨率。 传统仿真系统将全部应报出的状态信号都设置
在故障案例中，采用事件记录模块进行数据采集。 这种做法一方面成本较高，另一方面也仅满足了某 单一工况下的某一故障现象，对水电厂厂站层其他 设备的状态信号量以及用户程序产生的一些可用于 诊断的中间变量信号的模拟有所缺失。
OTS2000 平台的建模算法模块，最小计算周期 为 1 ms, 远小于模型驱动采集程序的计算周期，可 以忽略不记。整体模型的状态采集程序的扫描周期 则取决于仿真数学模型的复杂程度，复杂精细的数 学模型，涉及到的状态信号点越多，扫描周期越长。 在实际工程执行中，开发工程师应注意模型精细度 和扫描周期时长的平衡，同时尽量精简不必要的中
[2] 龚伟革 . 水电机组额定励磁电流超定值的分析及对策 [J]. 浙江电力，2007（2）：34-37.
[3] 苟智德，孙力，富立新，等 . 迭代法求取保梯电抗 Xp[J]. 电 机与控制学报，2007，11（2）：153-157.
[4] 关建军，傅自清 . 同步发电机负载励磁电流的数值计算方 法 [J]. 中国电力，2003，38（8）：8-10.
在 OTS2000 系统中，变位上送功能检测的是数 学模型的信号状态，构成数学模型的算法模块的输 出结果每隔 1 ms 刷新一次，远小于模型状态采集周 期。如果状态信号点和报警点在模型状态采集程序 扫描周期内发生间隔很短的两次跳变，变位上送功 能是无法检测到这期间模型信号的变位情况的。例 如扫描开始时监测状态发生了一次跳变，在本次扫 描结束时该状态点再次变位，这两次跳变无法检测 到，期间间隔时间为扫描周期。基于以上分析，状态 点和报警点的变位上送的事件分辨率为模型状态采 集程序的扫描周期。
随着水电厂故障诊断和处理培训需求的发展， 用户对仿真系统的真实性要求更高，希望系统能对 故障事件全部状态信号量进行模拟、记录并具有较
收稿日期：2020-04-22 作者简介：吕毅松（1986-），男，工程师，从事水电运行及水电运检 培训评价管理工作。
第1期
吕毅松，等：水电厂仿真培训系统故障模拟与报警功能的实现
中图分类号：TP391.9 文献标识码：B 文章编号：1672-5387（2021）01-0028-03 DOI：10.13599/ki.11-5130.2021.01.009
0 引言
随着计算机技术的发展，计算机三维仿真培训 系统已成为水电厂员工培训的重要手段之一，特别 在事故及故障处理培训中独具优势 [1]。仿真系统的 准确性和信号反馈的实时性对于培训效果十分重 要。抽水蓄能水电站机组承担着电网中调峰调频的 作用，一天之内启停频繁，工况及发电出力需经常 性的调整，在运行过程中会产生大量控制和报警信 息。因此为了培训员工查找出故障真实原因，采取 相应措施应对机组故障，需要仿真系统尽可能真实 地模拟并上报故障信息。而实际故障或事故事件发 生时，往往会产生多达数十条报警信息，如若直接在 仿真系统中人工强置这些状态和报警信息，工作将 十分繁琐，并存在故障模拟不灵活，报警范围不全等 缺点。基于设备数学模型后台的 OTS2000 仿真系 统可以便捷地解决这一问题。该系统引入故障点设 置，只需设置好故障源头的数据状态信息，后续故障 和报警信息可由模型内部自动触发产生并上送至仿 真人机界面 [2]。
通用故障信号的设置和产生：图 1 为故障触发 器模型，可模拟通用故障信号的产生。其中输入 S1 设为故障信号，当其为高电平时，模块输出 N 产生 故障报警信号，输入 S2 设为故障复归信号，当其为 高电平时且输入 S1 恢复低电平后，输出 N 故障报 警复归，故障信号消失。仿真系统恢复蓄能水电站 正常工作状态。
动循环检测模型的状态信号输出，如果检测到跳变， 则即刻将该信号点的逻辑点名，变位状态，变位发生 的时间等信息，发送到上一层仿真人机界面系统，系 统根据程序设定判断逻辑点类型，如果是故障点，则 向培训人员发出告警信号，如果是事件点，则写入事 件列表，供培训人员分析判断。
针对故障情况下模拟量的变化，仿真系统也会 提供曲线分析等手段，展现这一时段内模拟量的变 化趋势，方便培训人员进行故障分析和判断。 2.2 变位上送时间精度和事件分辨率
[6] 李建明 , 朱康 . 高压电气设备试验方法 [M]. 北京：中国电 力出版社，2001.
[7] GB/T 1029-2005 三相同步电机试验方法 [S]. [8] IEC 60034-1-2017 Rotating electrical machines - Part 1：
30
水电站机电技术
第 44 卷
间量和虚拟点。经实际仿真工程测试，OTS2000 平 台的操作周期在十几毫秒到几十毫秒之间。对比实 际水电厂监控下位机系统，如西门子 S7-400 系列 PLC 为主控制器的现地控制系统，正常运行时主循 环程序扫描周期≤30 ms[5]。因此，OTS2000 仿真系 统的模型驱动扫描周期和上送分辨率基本贴合实际 系统，可以满足故障事件顺序记录对事件分辨率的 仿真需求。
（1. 南方电网调峰调频发电有限公司，广东 广州 510630；2. 北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）
摘 要：以清远蓄能电站仿真培训系统为例，介绍了 OTS2000 仿真系统在故障应急培训功能中模拟故障信息产生 与上送功能的实现方法。该仿真系统可模拟水电厂实际计算机监控系统，对生产过程中变化的状态点和报警点进 行记录，模拟监控系统的故障信息变位上送功能，从而为水电站培训人员模拟故障分析提供更准确和全面的信息 记录。 关键词：OTS2000；故障诊断；变位上送；事件顺序记录；事件分辨率
[5] IEC 60034-4-1-2018 Rotating electrical machines Part 4-1：Methods for determining electrical excited synchronous machine quantities from tests [S].
S1 N S2
S/R
其他设备
图 1 故障触发器
如果能像水电站监控系统那样，将采集的状态 信号量和有用的中间变量信号进行全面模拟和事件 顺序记录，就可以进一步提高仿真系统的仿真精度， 为模拟故障、故障诊断训练、故障处理训练提供更真 实的信息。因此，我们参考监控系统上位机的事件 记录功能和下位机现地控制单元的信号传输机制， 设计用程序实现状态信号量事件顺序记录和上送， 这一功能被称为变位上送功能。
变位上送功能的状态信号变位时间的记录精度 和事件分辨率主பைடு நூலகம்受模型模块的计算周期和模型驱 动的扫描周期影响。
将 t1 设为状态信号点或报警点实际发生变位的 时刻，t2 为变位上送功能记录的信号点变位时刻，设 t3 为该周期扫描开始后变位上送功能程序段的执行 时间 ,t4 为模型状态采集程序扫描周期。考虑以下 两种极端情况：