摘要：水电机组监测与故障诊断是能源电力专业重要的基础课程。为了加强课程教学的效果，基于实时动态建模理论和计算机可视化技术建立了水电机组的计算机仿真系统，分析了系统的组成及所需的软硬件，实现了水电机组全工况、全范围的仿真，可模拟电站的各种正常操作和故障及异常，解决了课程教学中因缺乏实验场地而造成的教学效果不理想的现象，增强了学生的工程概念，培养了学生处理电站事故的操作能力。
关键词：计算机仿真；监测；故障诊断
作者简介：郑源（1964-），男，山东日照人，河海大学能源与电气学院副院长，教授；潘虹（1981-），女，江苏东台人，河海大学能源与电气学院，讲师。（江苏南京210098）
基金项目：本文系2010年河海大学研究生精品课程建设项目（项目编号：26）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）06-0110-01
随着水电机组设备的复杂化程度和监测水平的日益提高，机组的稳定性越来越受到重视。故障诊断是保障机组安全可靠运行的重要措施，它能够预防故障、避免事故，提高电站经济效益。近年来，水电机组故障诊断技术发展十分迅速，已形成了集计算机技术、信号处理技术、传感测量技术、模式识别技术和水力机械等多个学科为一体的、多学科交叉融合的综合性新理论与新技术体系。水电机组的监测与故障诊断也成为了能源动力专业重要的基础课程。
一、计算机仿真系统应用于水电机组监测与诊断教学的必要性
水电机组的监测与故障诊断课程是一门实践性极强的课程，要求学生具备清晰的工程概念。因此，要想达到理想的教学效果，仅凭课堂教学是不够的，还应为学生提供一个良好的实践教学环境。通常有两种方法帮助学生培养勘测、规划、设计、施工等方面的基本能力：一是在实习基地培训，但是电站出于安全生产的目的，往往不能满足学员的实习要求，即便在电站现场，也不能够参与现场运行管理，大多情况下以参观和听报告为主，教学的效果和质量不佳；二是建立教学实验室，通过模型试验进行实验教学，但是电站的模型试验台造价昂贵，而且由于水电机组监测与故障诊断课程的特殊性，许多故障试验不适合模拟。因此，如何改善和提高水电机组监测和故障诊断的实践教学环境，使学生能形成完整的工程概念，是该课程教学工作面临的一个重大的难题[1-2]。
综上所述，将计算机仿真技术引入到课程教学，创建水电机组的计算机仿真系统，打造机组运行、检修的全新仿真演练平台，不仅可以使学生对水电机组的结构和各组成部分有更直观和清晰的理解，而且通过对电站各种运行工况和故障异常的计算机模拟训练有效缩短了学生工作后的过渡周期，对提高工作适应能力具有重要作用。
二、水电机组计算机仿真系统
1.水电机组仿真系统的功能实现
计算机仿真技术是建立被仿真的系统的计算机模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统的重要工具。
水电机组仿真系统基于实时动态建模理论和计算机可视化技术对水轮发电机组系统、计算机监控系统、油水风辅助系统等进行动态模拟，实现全工况、全范围的仿真，可模拟水电厂的各种正常操作和故障及异常。
水电机组仿真系统可模仿自动开机过程中导叶摆动、调速器故障（机械）、机组振动、导叶剪断销剪断、机组运行中导叶开度与微机调节开度不匹配、主配压阀活塞（包括辅助接力器及引导阀）卡死、机械过速（调速器异常）、电气过速（调速器异常）、机组甩负荷等水机及调速器故障异常，同时可以模拟推力轴承温度高、上导轴承温度高、发电机冷风温度高、发电机热风温度高、推力轴承油槽油位低、上导油槽油位低、集油槽油位异常、压油槽油位异常、压油装置油压异常、压油槽自动补气装置故障、工作门全开后油泵未停、高油压保护动作、工作油泵不出油、漏油泵故障、工作阀门油系统油压低、水导润滑水中断、空气冷却水中断、上导冷却水中断、推力轴承冷却水中断、顶盖水位过高等辅机系统故障异常。
2.水电机组仿真系统的开发
水电机组仿真系统的建模比较困难，由于转速、流量、导叶开度之间的关系为非线性关系，而且具体的实验数据也难以大量获取，为了取得好的模拟效果，可以采用实验曲线插值和公式计算相结合的方法，仿真各种启停操作、正常运行和故障运行工况，通过运行人员的操作结果（正确操作或误操作）与实际机组相一致，完全复现了实际机组的逻辑关系。辅机部分的仿真主要包括油、水、风三大系统的仿真。水系统包括供水系统和排水系统，供水系统分为技术供水系统、生活用水和消防供水系统，其中技术供水系统是重点，又分为冷却水系统和润滑水系统；排水系统主要包括机组检修排水系统和厂房渗漏排水系统。油系统分为透平油系统和绝缘油系统，透平油系统包括调速器系统的操作油和机组各轴承的润滑油；绝缘油系统主供主变压器和厂用变压器用油。风系统包括低压气系统和高压气系统。辅机部分的仿真在满足能量守衡和质量守衡定理的前提下，根据热力学的原理计算所需各点的温度，并通过管网计算理论得到各节点的压力和流量。
水电机组仿真系统除了实时监测机组运行参数外，还可以实现正常操作训练以及故障异常操作训练。通过给定操作任务，学生在计算机上进行参数设置，可以进行开、停机，并网，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。此外，仿真系统可以复现现场的事故和异常，尤其是对于那些在现场很少发生而又必须正确判断、迅速准确无误进行处理的故障，也可以模拟。可以通过教师在教员机上定义或学生自行设置来改变系统运行状态进行故障模拟，并在仿真系统中灵活地、反复的进行训练，使学生积累处理事故的经验和培养心理承受能力，帮助学生增强现场应变能力，从不同角度来分析事故，提高学生对事故的判断、处理事故的能力，积累处理各种类型异常和事故的经验。
三、水电机组仿真系统在课程教学中的应用
1.教学中应用水电机组仿真系统的优势
水电机组仿真系统被应用于水电机组监测与故障诊断课程教学中，在实践教学中的优势日益明显，对提高教学效率和教学效果起到了很大程度的促进作用。
首先，水电机组仿真系统利用文字、图片、动画、视频等多种表现形式，构建集可视化、临场感、交互性于一体的电站现场环境，有利于学生更快捷、更深刻地熟悉水电机组内部结构特征和空间位置关系，对设备有更加直接和全面的认识，为其日后工作打下良好的基础。其次，模拟水轮发电机组各个部分及整体的运行和故障运行，提供友好的人机交互平台，方便学生可以依个人实际情况任意选择所需要设备进行自主学习和相互交流，打破了实践时间、场地和设备的限制。第三，允许学生大胆的在虚拟环境中尝试各种故障方案，避免了今后在工作运行过程中遇到突发事件不能及时处理带来的恶劣影响，提高了学生的实际工作能力[3-4]。
2.水电机组仿真系统事故模拟实例
以模拟压油槽低油压事故为例，计算机仿真系统通过人为设定以下现象：（1）油泵控制器故障报警；（2）压油槽油面异常报警；（3）压油槽油压表指示异常；（4）事故低油压报警；（5）低油压保护动作；（6）机组负荷甩至“0”；（7）机组转速逐渐降低；（8）导水叶全关。
一旦发生上述现象学员应该可以初步判断事故原因可能是油泵故障或者油泵阀门位置不正确，并做如下处理措施：
（1）若是单机运行时，发生压油槽油压降低则迅速起动备用机组；（2）若是两台机以上并列运行时，如机旁盘动力电源消失，则应倒换机旁盘电源；（3）检查压油泵是否起动，若不起动，应手动起动压油泵，若油泵仍不起动，应检查空气开关是否已跳开，若已跳开，应重新投入，起动油泵运行；（4）若油压过低不能停机，立即起动事故油泵停机。
四、结论
计算机仿真系统在水电机组监测与故障诊断的教学中发挥出积极的作用，一方面有利于学生工程概念的形成，帮助学生在学习的过程中能够对机组结构、状态监测、事故发生等有一个感性的认识，同时也提高了学生对事故的判断处理能力，积累了处理各种类型异常和事故的经验。但是，目前研发的水电机组仿真系统为二维的系统仿真，随着计算机硬件技术的不断发展和三维建模技术的不断成熟，三维的水电机组仿真系统将是未来发展的必然趋势，届时基于三维建模和虚拟现实技术的水电机组仿真系统在帮助学生了解实际工程知识，提高动手操作能力，培养综合素质方面将起到更大的促进作用。
参考文献：
[1]王海根,马剑.仿真软件在数控技术课程教学中的应用[J].实验室研究与探索,2007,(11).
[2]王松廷,崔海文,杨光宇.变电仿真系统中的3D技术及其在教学中的应用[J].中国电力教育,2008,(S3).
[3]薛艳,丰丽,郑蒙.多媒体仿真教学的探讨与实践[J].山东煤炭科技,2010,(5).
[4]万宁,黄堂红.探析实验教学中虚拟仿真系统的设计与开发[J].成都大学学报(教育科学版),2007,(2).
（责任编辑：刘丽娜）