薛 飛，陳小松，李亦凡，李雪強

（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

0 引言

隨著仿真建模技術、虛擬現(xiàn)實技術、網(wǎng)絡技術、仿真支撐平臺技術、硬件設備模擬器的發(fā)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(fā)展經(jīng)歷了基于實物模型的仿真系統(tǒng)、仿真機+盤臺設備仿真系統(tǒng)、全數(shù)字仿真培訓系統(tǒng)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(shù)字物理混合仿真培訓技術階段。將數(shù)字物理混合技術應用于水電仿真培訓，利用計算機模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬水電廠，利用數(shù)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(shù)，提供受訓學員對設備操作、參數(shù)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(tǒng)的真實性、有效性、可實驗性。

文章研究內容是在OTS2000虛擬現(xiàn)實水電仿真培訓系統(tǒng)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(shù)字物理混合水電站仿真系統(tǒng)，即數(shù)字物理混合技術在OTS2000系統(tǒng)中的應用研究。通過硬件設備模擬器可調整設備參數(shù)創(chuàng)造更真實的培訓環(huán)境，不僅具備培訓、技能鑒定，可以實現(xiàn)設備參數(shù)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(tǒng)體系結構

數(shù)字物理混合仿真平臺功能實現(xiàn)基于OTS2000仿真系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)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(tǒng)的一體化接口，實現(xiàn)互聯(lián)與互操作。數(shù)字物理混合仿真平臺體系結構圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字物理混合仿真平臺體系結構圖

2 系統(tǒng)主要技術

2.1 數(shù)學建模

數(shù)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(tǒng)分析及設計，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，增強系統(tǒng)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(shù)學模型算法庫。繪制圖形包括水電站各系統(tǒng)的模型、各設備的機理模型、PLC程序控制模型。根據(jù)水電站各系統(tǒng)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(tǒng)；設備的機理模型根據(jù)相應設備的特性工作原理開發(fā)相應的模塊算法并提供參數(shù)可調、可連接輸入、可對應輸出的 接口；PLC程序控制模型根據(jù)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(jù)水電站實際情況結合形成一個純數(shù)字的水電站算法模型庫。數(shù)學建模及算法實現(xiàn)如圖2所示。

圖2 數(shù)字物理結合仿真平臺數(shù)學建模

2.2 虛擬場景展示

實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(chǎn)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(tài)，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(xiàn)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(shù)據(jù)狀態(tài)保持，也可以通過修改程序參數(shù)減慢數(shù)據(jù)變化的過程，便于學習和查看某一暫態(tài)的或動態(tài)的數(shù)據(jù)變化，通過生成曲線、圖表等方式更形象地展示出數(shù)據(jù)的變化，因為硬件模擬器相當于現(xiàn)場設備的縮小版，所以一些參數(shù)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(shù)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(shù)的作用以及各參數(shù)間的關系，能更方便、更形象地展示出調整對應參數(shù)設備產(chǎn)生的不同信號變化，并將輸出的數(shù)據(jù)和信號發(fā)送至數(shù)字仿真系統(tǒng)中產(chǎn)生相應的動作后果通過虛擬三維場景產(chǎn)生相應的變化。

圖4 硬件模擬器

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括硬件設備模擬器與仿真支持環(huán)境的特定數(shù)據(jù)接口程序開發(fā)，數(shù)學模型回調硬件模擬設備數(shù)據(jù)。通過仿真數(shù)學建模平臺將水電站各系統(tǒng)的機理模型搭建完善，并根據(jù)設備PLC程序完成各系統(tǒng)中各設備的控制流程，將對應的數(shù)據(jù)及狀態(tài)結果寫入仿真的實時庫中，硬件模擬器通過開發(fā)的特定數(shù)據(jù)接口讀取對應設備的數(shù)據(jù)，硬件模擬器精確地計算數(shù)據(jù)狀態(tài)產(chǎn)生結果，并形成自己的數(shù)據(jù)存儲，同時仿真數(shù)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(shù)學模型中完成虛實結合的流程。數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)如圖5所示。

圖5 數(shù)字物理混合仿真數(shù)據(jù)處理

3 結束語

數(shù)字物理混合水電仿真培訓系統(tǒng)是在OTS2000三維虛擬現(xiàn)實仿真培訓系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中完成，使水電仿真系統(tǒng)更貼近生產(chǎn)，更具真實感，實用性更大。

文中研究的數(shù)字物理混合水電仿真平臺已成功開發(fā)并應用于國家能源集團瀑布溝水電站3D數(shù)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。