水電站數字-物理混合仿真系統的設計與實現

薛 飛，陳小松，李亦凡，李雪強

（北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

0 引言

隨著仿真建模技術、虛擬現實技術、網絡技術、仿真支撐平臺技術、硬件設備模擬器的發展，水電仿真技術也在不斷進步并廣泛應用到水電技術人員培訓考核鑒定與仿真研究中。水電仿真培訓技術的發展經歷了基于實物模型的仿真系統、仿真機+盤臺設備仿真系統、全數字仿真培訓系統3個不同階段，當前，隨著硬件設備模擬器越來越成熟，水電仿真培訓已進入到數字物理混合仿真培訓技術階段。將數字物理混合技術應用于水電仿真培訓，利用計算機模擬產生一個三維空間的虛擬水電廠，利用數字建模建立一個全站設備的機理模型，利用硬件設備模擬器提供設備的運行參數，提供受訓學員對設備操作、參數校準、設備實驗等的模擬，讓學員如同身臨其境一般，并提高仿真培訓系統的真實性、有效性、可實驗性。

文章研究內容是在OTS2000虛擬現實水電仿真培訓系統研究及成功應用的基礎上，將硬件設備模擬器技術應用到水電仿真培訓中，構建一套數字物理混合水電站仿真系統，即數字物理混合技術在OTS2000系統中的應用研究。通過硬件設備模擬器可調整設備參數創造更真實的培訓環境，不僅具備培訓、技能鑒定，可以實現設備參數校準與模擬實驗的培訓效果，參與者可更真實準確地了解設備的運行。

1 系統體系結構

數字物理混合仿真平臺功能實現基于OTS2000仿真系統，虛擬現實平臺負責三維場景管理與顯示、三維交互、硬件設備模擬器接口，并與OTS2000系統的一體化接口，實現互聯與互操作。數字物理混合仿真平臺體系結構圖如圖1所示。

圖1 數字物理混合仿真平臺體系結構圖

2 系統主要技術

2.1 數學建模

數學建模是使用一種可視化圖形建模軟件，采用面向對象技術進行系統分析及設計，保證系統的穩定性和可靠性，增強系統的可擴展和維護性，圖形分層次管理，可以添加任意圖層，在激活的圖層上繪制圖形，并分層顯示圖形。用計算機語言(C語言、Fortran等)建立水輪機、閘門、閥門、繼電器、電源等數學模型算法庫。繪制圖形包括水電站各系統的模型、各設備的機理模型、PLC程序控制模型。根據水電站各系統的CAD圖紙完成全部建模，比如GIS各母線出線、廠用電、直流、油水氣等系統；設備的機理模型根據相應設備的特性工作原理開發相應的模塊算法并提供參數可調、可連接輸入、可對應輸出的 接口；PLC程序控制模型根據水電站設備的PLC程序完成搭建。將3個部分的建模工作根據水電站實際情況結合形成一個純數字的水電站算法模型庫。數學建模及算法實現如圖2所示。

圖2 數字物理結合仿真平臺數學建模

2.2 虛擬場景展示

實現在三維場景中控制瀏覽硬件模擬器的運算結果。即硬件模擬器實現將運算結果及圖形曲線自動生成歷史文件的形式存儲在數據存儲器中，并提供相應的解析方式及讀取方式，通過三維虛擬場景中對相應設備比如保護裝置的液晶顯示的方式讀取硬件模擬器產生的實時結果及歷史結果，可查看到模擬量的實時變化及暫態，可通過回看歷史結果分析動作原因；同時可以在三維虛擬場景中控制瀏覽相關設備的運行情況，比如保護動作、滅磁開關跳閘、調速器事故停機、制動閘頂起等電站實際動作情況。

圖3 虛實結合仿真平臺虛擬場景展示

2.3 硬件模擬器

硬件模擬器采用便攜型的裝置，內部按照實際設備的結構、模塊、主板設計，并將可編程模塊嵌入其中，還原現場實際設備的端子接線，內部程序編寫等功能，在原有編程功能基礎上增加了單獨工況設置加載以及故障加載等功能，可以將某個特定時刻的數據狀態保持，也可以通過修改程序參數減慢數據變化的過程，便于學習和查看某一暫態的或動態的數據變化，通過生成曲線、圖表等方式更形象地展示出數據的變化，因為硬件模擬器相當于現場設備的縮小版，所以一些參數的校正、模擬試驗、編寫程序的驗證等均可在硬件模擬器上完成，比如保護裝置中不同保護動作的定值校準，調速器的PID中參數的校準試驗，PLC程序驗證等。通過硬件模擬器可以訓練學員認識不同參數的作用以及各參數間的關系，能更方便、更形象地展示出調整對應參數設備產生的不同信號變化，并將輸出的數據和信號發送至數字仿真系統中產生相應的動作后果通過虛擬三維場景產生相應的變化。

圖4 硬件模擬器

2.4 數據處理

數據處理包括硬件設備模擬器與仿真支持環境的特定數據接口程序開發，數學模型回調硬件模擬設備數據。通過仿真數學建模平臺將水電站各系統的機理模型搭建完善，并根據設備PLC程序完成各系統中各設備的控制流程，將對應的數據及狀態結果寫入仿真的實時庫中，硬件模擬器通過開發的特定數據接口讀取對應設備的數據，硬件模擬器精確地計算數據狀態產生結果，并形成自己的數據存儲，同時仿真數學建模平臺以特定的通信接口讀取硬件模擬器計算的結果反饋到數學模型中完成虛實結合的流程。數據處理實現如圖5所示。

圖5 數字物理混合仿真數據處理

3 結束語

數字物理混合水電仿真培訓系統是在OTS2000三維虛擬現實仿真培訓系統基礎上增加硬件模擬器裝置以及三維展示功能，使水電站仿真系統更完整、更真實，不僅可以起到培訓考核的效果，也可將相應的設備校準、實驗功能在此系統中完成，使水電仿真系統更貼近生產，更具真實感，實用性更大。

文中研究的數字物理混合水電仿真平臺已成功開發并應用于國家能源集團瀑布溝水電站3D數字化廠房中，其關鍵技術的研究成果和設備配置可推廣應用于水電仿真培訓建設項目中。