核电站电气设备仿真计算模型研究

贾 杰 王静涛 张 轩

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042）

0 引言

目前，核电站电气部分仿真软件种类严重不足[1-2]，本文针对该问题，开发出一套核电站电气设备二次仿真运算系统。 此系统根据实际核电站电气参数，基于可视化技术[3]，分析计算核电站电气设备的相关数据，使运维人员能够清晰直观地了解变电站实际工况[4-5]。此外，该系统还可作为站内故障分析、仿真、培训平台。让核电站电气运维人员更清楚地观测站内保护装置以及其他二次电气设备的结构、程序、逻辑以及配合时序，进而提升相关人员的技术水平，保证核电站安全可靠地运行。

本文所构建的核电站电气设备二次仿真运算系统使用FORTRAN 语言进行编程， 使用3DMAX 软件和Unity 引擎构建可视化界面以及各种二次设备的虚拟模型。 采用模块化的方法搭建核电站电气部分的各种一次及二次设备，保证系统的可拓展性和高精度性。并采用实时数字仿真器 （Real Time Digital Simulation System，RTDS）进行核电站电气部分的电磁暂态计算、潮流计算以及故障电流计算， 保证仿真系统的准确性和通用性。

1 仿真系统架构设计

核电站电气设备仿真运算系统是面向核电站电气运维人员所设计的， 该系统的可视化图形系统由3DMAX 软件进行搭建，再由Unity 引擎进行渲染和优化，核电站的一次和二次电气设备虚拟图形模型均由上述过程进行构建。站内潮流分析和故障电流计算则采用RTDS 进行实时运算。 将可视化模型与RTDS 关联后，各个设备实时工况将以数据信息的形式出现在其对应的虚拟模型右侧，便于运维人员及时查看。

RTDS、 可视化图形界面以及实际核电站二次系统之间通过实时数据库进行交互， 同步时钟由RTDS进行确定， 保证若干个步长内进行一次数据通信，继电保护设备依据接收的数据， 向RTDS 发送动作信息。 整个系统中RTDS 的时钟即为各个设备的全局时标， 必须对RTDS 配置不间断电源（Uninterruptible Power Supply， UPS）以保证其可靠运行，不会发生时钟紊乱等严重错误。

2 运算系统的主要模块

2.1 可视化界面

可视化界面是核电站电气设备仿真运算系统与运维人员的交互界面，本系统中所用的可视化界面采用3DMAX 软件和Unity 引擎进行双重处理， 具有细腻度高，光渲染柔和，动画逼真等优势。 同时，采用该方法绘制的各种电气设备，在保证清晰直观、简洁大方的同时， 还可以进行复制、 粘贴、 拖拽等操作，与Windows 操作系统的指令集具有极高的相似度。 此外，该界面还有自检测程序，可以依据导入的电气图纸，判断出接线是否存在错误。

2.2 后台运算系统

核电站电气部分的潮流分析和故障电流计算均在RTDS 实时数字仿真器中进行，RTDS 是数字仿真技术、计算机技术和并行处理技术发展的产物，它不仅具有数字仿真的特点，而且更重要的是并行处理技术的采用和专门硬件的设计保证了RTDS 运行的实时性和具有闭环测试的能力， 可以在50μs 的步长上完成较大规模电力系统的实时仿真运行。依据实际核电站电气接线搭建模型后，RTDS 即可对一次设备的实时工况进行精确的计算， 输出各个设备的电压、电流、功率等参数。与可视化界面配合后，运维人员可以在虚拟电气模型的右侧观测到各个设备的实时动态数据信息。

2.3 模型库

可视化界面只是在图形的层面对各个虚拟设备进行了连接与展示，实际各个设备属性及算法需要通过FORTRAN 语言进行编程， 最后封装在设备模型中。 使用FORTRAN 编程时，需要对设备留有端口，保证各个设备之间可以顺利接线。所构建的设备模型亦可以进行复制、粘贴、拖拽等基本操作，便于再次建模。 各个模型的状态信息实时在可视化界面中展示，而底层FPRTRAN 程序则在RTDS 中实时运行。

2.4 同步时钟

核电站电气设备仿真运算系统的全局同步时钟由RTDS 确定， 保证各个功能模块的时间严格一致。实现方法为：RTDS 计算一个步长数据后，即等待控制保护系统等二次设备的运算结果， 接收到指令后，再进行下一周期的计算。由于控制保护装置的程序算法相对简答， 其控制芯片能够严格保证运算的实时性，该等待过程不会导致RTDS 丧失实时。

2.5 结果输出

在整个仿真过程中RTDS 的实时运算结果不仅要在可视化界面中显现，运维人员还可以通过其他方式观测数据，如信号灯、表盘、液晶荧幕、工作报告、警笛声等。 此外，若系统发生冒烟、着火、爆炸等严重性故障时， 可视化界面的相关设备亦会产生相关动画，提醒运维人员。

3 运算系统的主要功能

3.1 评估核电站内保护系统

核电站电气设备仿真运算系统可调用核电站电气设备的实时动态数据，并将该数据作为迭代运算值进行运算，校验仿真系统的最终结果和实际站内保护系统的运算结果是否一致，同时也可以校验各个保护装置之间的配合关系。

3.2 对站内故障的再现和分析

核电站电气设备故障具有突发性强、 复杂程度高、破坏力大等特点，故障后排查故障原因较为困难。本系统会实时监测核电站电气设备的各种工况信息及位置信息，并在服务器中进行储存，异常数据会用红色字体特殊标注。同时也可以将所存储的数据转换为可重新导入仿真运算系统的文件，重现故障，并在可视化界面中直观地观测故障起因。

3.3 运维人员技术培训

在可视化界面运维人员可以通过虚拟漫游技术在核电站电气部分场地中360°无死角地观察各个设备的运行工况，同时虚拟场地中的摄像机会上传其所在的位置信息， 该信息将在漫游界面的小地图中显示， 使运维人员更加清晰明了地了解自己所在的位置。常规的漫游操作仅需要通过键盘方向键以及鼠标控制，同时还可以在小地图中进行选址，瞬间移动至运维人员需要观察的电气设备，运维人员的巡视记录以及对电气设备的相关操作会被保存并审核。运维人员在漫游的同时，还可以进入飞行模式，即可以在不同的高度对核电站电气设备进行观测，将飞行模式与地面漫游相结合，使运维人员能够全方位地了解核电站电气设备的场景切换， 从而提高仿真培训的效果。此外，各种故障仿真案例亦能够充分提高运维人员的技术水平。

4 结论

本文提出了一种核电站电气设备二次仿真运算系统， 该系统包括使用3DMAX 和Unity 共同构建的可视化界面， 基于RTDS 的后台运算系统， 使用FORTRAN 语言编写的模型库以及同步时钟等模块，能够对核电站内保护系统进行评估，保证核电站保护系统的有效性，也能对以往的故障进行重现，帮助运维人员进行故障分析，此外亦能够培训新入职的核电站运维人员，使用清晰直观的可视化技术，使其快速充分地提高技术水平。