水电站数字-物理混合仿真系统的设计与实现

2023-01-04陈小松李亦凡李雪强

水电站机电技术 2022年12期

薛飞，陈小松，李亦凡，李雪强

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

0 引言

随着仿真建模技术、虚拟现实技术、网络技术、仿真支撑平台技术、硬件设备模拟器的发展，水电仿真技术也在不断进步并广泛应用到水电技术人员培训考核鉴定与仿真研究中。水电仿真培训技术的发展经历了基于实物模型的仿真系统、仿真机+盘台设备仿真系统、全数字仿真培训系统3个不同阶段，当前，随着硬件设备模拟器越来越成熟，水电仿真培训已进入到数字物理混合仿真培训技术阶段。将数字物理混合技术应用于水电仿真培训，利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟水电厂，利用数字建模建立一个全站设备的机理模型，利用硬件设备模拟器提供设备的运行参数，提供受训学员对设备操作、参数校准、设备实验等的模拟，让学员如同身临其境一般，并提高仿真培训系统的真实性、有效性、可实验性。

文章研究内容是在OTS2000虚拟现实水电仿真培训系统研究及成功应用的基础上，将硬件设备模拟器技术应用到水电仿真培训中，构建一套数字物理混合水电站仿真系统，即数字物理混合技术在OTS2000系统中的应用研究。通过硬件设备模拟器可调整设备参数创造更真实的培训环境，不仅具备培训、技能鉴定，可以实现设备参数校准与模拟实验的培训效果，参与者可更真实准确地了解设备的运行。

1 系统体系结构

数字物理混合仿真平台功能实现基于OTS2000仿真系统，虚拟现实平台负责三维场景管理与显示、三维交互、硬件设备模拟器接口，并与OTS2000系统的一体化接口，实现互联与互操作。数字物理混合仿真平台体系结构图如图1所示。

图1 数字物理混合仿真平台体系结构图

2 系统主要技术

2.1 数学建模

数学建模是使用一种可视化图形建模软件，采用面向对象技术进行系统分析及设计，保证系统的稳定性和可靠性，增强系统的可扩展和维护性，图形分层次管理，可以添加任意图层，在激活的图层上绘制图形，并分层显示图形。用计算机语言(C语言、Fortran等)建立水轮机、闸门、阀门、继电器、电源等数学模型算法库。绘制图形包括水电站各系统的模型、各设备的机理模型、PLC程序控制模型。根据水电站各系统的CAD图纸完成全部建模，比如GIS各母线出线、厂用电、直流、油水气等系统；设备的机理模型根据相应设备的特性工作原理开发相应的模块算法并提供参数可调、可连接输入、可对应输出的接口；PLC程序控制模型根据水电站设备的PLC程序完成搭建。将3个部分的建模工作根据水电站实际情况结合形成一个纯数字的水电站算法模型库。数学建模及算法实现如图2所示。

图2 数字物理结合仿真平台数学建模

2.2 虚拟场景展示

实现在三维场景中控制浏览硬件模拟器的运算结果。即硬件模拟器实现将运算结果及图形曲线自动生成历史文件的形式存储在数据存储器中，并提供相应的解析方式及读取方式，通过三维虚拟场景中对相应设备比如保护装置的液晶显示的方式读取硬件模拟器产生的实时结果及历史结果，可查看到模拟量的实时变化及暂态，可通过回看历史结果分析动作原因；同时可以在三维虚拟场景中控制浏览相关设备的运行情况，比如保护动作、灭磁开关跳闸、调速器事故停机、制动闸顶起等电站实际动作情况。

图3 虚实结合仿真平台虚拟场景展示

2.3 硬件模拟器

硬件模拟器采用便携型的装置，内部按照实际设备的结构、模块、主板设计，并将可编程模块嵌入其中，还原现场实际设备的端子接线，内部程序编写等功能，在原有编程功能基础上增加了单独工况设置加载以及故障加载等功能，可以将某个特定时刻的数据状态保持，也可以通过修改程序参数减慢数据变化的过程，便于学习和查看某一暂态的或动态的数据变化，通过生成曲线、图表等方式更形象地展示出数据的变化，因为硬件模拟器相当于现场设备的缩小版，所以一些参数的校正、模拟试验、编写程序的验证等均可在硬件模拟器上完成，比如保护装置中不同保护动作的定值校准，调速器的PID中参数的校准试验，PLC程序验证等。通过硬件模拟器可以训练学员认识不同参数的作用以及各参数间的关系，能更方便、更形象地展示出调整对应参数设备产生的不同信号变化，并将输出的数据和信号发送至数字仿真系统中产生相应的动作后果通过虚拟三维场景产生相应的变化。

图4 硬件模拟器

2.4 数据处理

数据处理包括硬件设备模拟器与仿真支持环境的特定数据接口程序开发，数学模型回调硬件模拟设备数据。通过仿真数学建模平台将水电站各系统的机理模型搭建完善，并根据设备PLC程序完成各系统中各设备的控制流程，将对应的数据及状态结果写入仿真的实时库中，硬件模拟器通过开发的特定数据接口读取对应设备的数据，硬件模拟器精确地计算数据状态产生结果，并形成自己的数据存储，同时仿真数学建模平台以特定的通信接口读取硬件模拟器计算的结果反馈到数学模型中完成虚实结合的流程。数据处理实现如图5所示。