核電站電氣設備仿真計算模型研究

賈 杰 王靜濤 張 軒

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

0 引言

目前，核電站電氣部分仿真軟件種類嚴重不足[1-2]，本文針對該問題，開發出一套核電站電氣設備二次仿真運算系統。 此系統根據實際核電站電氣參數，基于可視化技術[3]，分析計算核電站電氣設備的相關數據，使運維人員能夠清晰直觀地了解變電站實際工況[4-5]。此外，該系統還可作為站內故障分析、仿真、培訓平臺。讓核電站電氣運維人員更清楚地觀測站內保護裝置以及其他二次電氣設備的結構、程序、邏輯以及配合時序，進而提升相關人員的技術水平，保證核電站安全可靠地運行。

本文所構建的核電站電氣設備二次仿真運算系統使用FORTRAN 語言進行編程， 使用3DMAX 軟件和Unity 引擎構建可視化界面以及各種二次設備的虛擬模型。 采用模塊化的方法搭建核電站電氣部分的各種一次及二次設備，保證系統的可拓展性和高精度性。并采用實時數字仿真器 （Real Time Digital Simulation System，RTDS）進行核電站電氣部分的電磁暫態計算、潮流計算以及故障電流計算， 保證仿真系統的準確性和通用性。

1 仿真系統架構設計

核電站電氣設備仿真運算系統是面向核電站電氣運維人員所設計的， 該系統的可視化圖形系統由3DMAX 軟件進行搭建，再由Unity 引擎進行渲染和優化，核電站的一次和二次電氣設備虛擬圖形模型均由上述過程進行構建。站內潮流分析和故障電流計算則采用RTDS 進行實時運算。 將可視化模型與RTDS 關聯后，各個設備實時工況將以數據信息的形式出現在其對應的虛擬模型右側，便于運維人員及時查看。

RTDS、 可視化圖形界面以及實際核電站二次系統之間通過實時數據庫進行交互， 同步時鐘由RTDS進行確定， 保證若干個步長內進行一次數據通信，繼電保護設備依據接收的數據， 向RTDS 發送動作信息。 整個系統中RTDS 的時鐘即為各個設備的全局時標， 必須對RTDS 配置不間斷電源（Uninterruptible Power Supply， UPS）以保證其可靠運行，不會發生時鐘紊亂等嚴重錯誤。

2 運算系統的主要模塊

2.1 可視化界面

可視化界面是核電站電氣設備仿真運算系統與運維人員的交互界面，本系統中所用的可視化界面采用3DMAX 軟件和Unity 引擎進行雙重處理， 具有細膩度高，光渲染柔和，動畫逼真等優勢。 同時，采用該方法繪制的各種電氣設備，在保證清晰直觀、簡潔大方的同時， 還可以進行復制、 粘貼、 拖拽等操作，與Windows 操作系統的指令集具有極高的相似度。 此外，該界面還有自檢測程序，可以依據導入的電氣圖紙，判斷出接線是否存在錯誤。

2.2 后臺運算系統

核電站電氣部分的潮流分析和故障電流計算均在RTDS 實時數字仿真器中進行，RTDS 是數字仿真技術、計算機技術和并行處理技術發展的產物，它不僅具有數字仿真的特點，而且更重要的是并行處理技術的采用和專門硬件的設計保證了RTDS 運行的實時性和具有閉環測試的能力， 可以在50μs 的步長上完成較大規模電力系統的實時仿真運行。依據實際核電站電氣接線搭建模型后，RTDS 即可對一次設備的實時工況進行精確的計算， 輸出各個設備的電壓、電流、功率等參數。與可視化界面配合后，運維人員可以在虛擬電氣模型的右側觀測到各個設備的實時動態數據信息。

2.3 模型庫

可視化界面只是在圖形的層面對各個虛擬設備進行了連接與展示，實際各個設備屬性及算法需要通過FORTRAN 語言進行編程， 最后封裝在設備模型中。 使用FORTRAN 編程時，需要對設備留有端口，保證各個設備之間可以順利接線。所構建的設備模型亦可以進行復制、粘貼、拖拽等基本操作，便于再次建模。 各個模型的狀態信息實時在可視化界面中展示，而底層FPRTRAN 程序則在RTDS 中實時運行。

2.4 同步時鐘

核電站電氣設備仿真運算系統的全局同步時鐘由RTDS 確定， 保證各個功能模塊的時間嚴格一致。實現方法為：RTDS 計算一個步長數據后，即等待控制保護系統等二次設備的運算結果， 接收到指令后，再進行下一周期的計算。由于控制保護裝置的程序算法相對簡答， 其控制芯片能夠嚴格保證運算的實時性，該等待過程不會導致RTDS 喪失實時。

2.5 結果輸出

在整個仿真過程中RTDS 的實時運算結果不僅要在可視化界面中顯現，運維人員還可以通過其他方式觀測數據，如信號燈、表盤、液晶熒幕、工作報告、警笛聲等。 此外，若系統發生冒煙、著火、爆炸等嚴重性故障時， 可視化界面的相關設備亦會產生相關動畫，提醒運維人員。

3 運算系統的主要功能

3.1 評估核電站內保護系統

核電站電氣設備仿真運算系統可調用核電站電氣設備的實時動態數據，并將該數據作為迭代運算值進行運算，校驗仿真系統的最終結果和實際站內保護系統的運算結果是否一致，同時也可以校驗各個保護裝置之間的配合關系。

3.2 對站內故障的再現和分析

核電站電氣設備故障具有突發性強、 復雜程度高、破壞力大等特點，故障后排查故障原因較為困難。本系統會實時監測核電站電氣設備的各種工況信息及位置信息，并在服務器中進行儲存，異常數據會用紅色字體特殊標注。同時也可以將所存儲的數據轉換為可重新導入仿真運算系統的文件，重現故障，并在可視化界面中直觀地觀測故障起因。

3.3 運維人員技術培訓

在可視化界面運維人員可以通過虛擬漫游技術在核電站電氣部分場地中360°無死角地觀察各個設備的運行工況，同時虛擬場地中的攝像機會上傳其所在的位置信息， 該信息將在漫游界面的小地圖中顯示， 使運維人員更加清晰明了地了解自己所在的位置。常規的漫游操作僅需要通過鍵盤方向鍵以及鼠標控制，同時還可以在小地圖中進行選址，瞬間移動至運維人員需要觀察的電氣設備，運維人員的巡視記錄以及對電氣設備的相關操作會被保存并審核。運維人員在漫游的同時，還可以進入飛行模式，即可以在不同的高度對核電站電氣設備進行觀測，將飛行模式與地面漫游相結合，使運維人員能夠全方位地了解核電站電氣設備的場景切換， 從而提高仿真培訓的效果。此外，各種故障仿真案例亦能夠充分提高運維人員的技術水平。

4 結論

本文提出了一種核電站電氣設備二次仿真運算系統， 該系統包括使用3DMAX 和Unity 共同構建的可視化界面， 基于RTDS 的后臺運算系統， 使用FORTRAN 語言編寫的模型庫以及同步時鐘等模塊，能夠對核電站內保護系統進行評估，保證核電站保護系統的有效性，也能對以往的故障進行重現，幫助運維人員進行故障分析，此外亦能夠培訓新入職的核電站運維人員，使用清晰直觀的可視化技術，使其快速充分地提高技術水平。