核電站電氣設(shè)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(fā)出一套核電站電氣設(shè)備二次仿真運算系統(tǒng)。 此系統(tǒng)根據(jù)實際核電站電氣參數(shù)，基于可視化技術(shù)[3]，分析計算核電站電氣設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，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(tǒng)還可作為站內(nèi)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(nèi)保護裝置以及其他二次電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)、程序、邏輯以及配合時序，進而提升相關(guān)人員的技術(shù)水平，保證核電站安全可靠地運行。

本文所構(gòu)建的核電站電氣設(shè)備二次仿真運算系統(tǒng)使用FORTRAN 語言進行編程， 使用3DMAX 軟件和Unity 引擎構(gòu)建可視化界面以及各種二次設(shè)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(shè)備，保證系統(tǒng)的可拓展性和高精度性。并采用實時數(shù)字仿真器 （Real Time Digital Simulation System，RTDS）進行核電站電氣部分的電磁暫態(tài)計算、潮流計算以及故障電流計算， 保證仿真系統(tǒng)的準確性和通用性。

1 仿真系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

核電站電氣設(shè)備仿真運算系統(tǒng)是面向核電站電氣運維人員所設(shè)計的， 該系統(tǒng)的可視化圖形系統(tǒng)由3DMAX 軟件進行搭建，再由Unity 引擎進行渲染和優(yōu)化，核電站的一次和二次電氣設(shè)備虛擬圖形模型均由上述過程進行構(gòu)建。站內(nèi)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(guān)聯(lián)后，各個設(shè)備實時工況將以數(shù)據(jù)信息的形式出現(xiàn)在其對應(yīng)的虛擬模型右側(cè)，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(tǒng)之間通過實時數(shù)據(jù)庫進行交互， 同步時鐘由RTDS進行確定， 保證若干個步長內(nèi)進行一次數(shù)據(jù)通信，繼電保護設(shè)備依據(jù)接收的數(shù)據(jù)， 向RTDS 發(fā)送動作信息。 整個系統(tǒng)中RTDS 的時鐘即為各個設(shè)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(fā)生時鐘紊亂等嚴重錯誤。

2 運算系統(tǒng)的主要模塊

2.1 可視化界面

可視化界面是核電站電氣設(shè)備仿真運算系統(tǒng)與運維人員的交互界面，本系統(tǒng)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(yōu)勢。 同時，采用該方法繪制的各種電氣設(shè)備，在保證清晰直觀、簡潔大方的同時， 還可以進行復(fù)制、 粘貼、 拖拽等操作，與Windows 操作系統(tǒng)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(jù)導(dǎo)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(tǒng)

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(shù)字仿真器中進行，RTDS 是數(shù)字仿真技術(shù)、計算機技術(shù)和并行處理技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它不僅具有數(shù)字仿真的特點，而且更重要的是并行處理技術(shù)的采用和專門硬件的設(shè)計保證了RTDS 運行的實時性和具有閉環(huán)測試的能力， 可以在50μs 的步長上完成較大規(guī)模電力系統(tǒng)的實時仿真運行。依據(jù)實際核電站電氣接線搭建模型后，RTDS 即可對一次設(shè)備的實時工況進行精確的計算， 輸出各個設(shè)備的電壓、電流、功率等參數(shù)。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(cè)觀測到各個設(shè)備的實時動態(tài)數(shù)據(jù)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(shè)備進行了連接與展示，實際各個設(shè)備屬性及算法需要通過FORTRAN 語言進行編程， 最后封裝在設(shè)備模型中。 使用FORTRAN 編程時，需要對設(shè)備留有端口，保證各個設(shè)備之間可以順利接線。所構(gòu)建的設(shè)備模型亦可以進行復(fù)制、粘貼、拖拽等基本操作，便于再次建模。 各個模型的狀態(tài)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(shè)備仿真運算系統(tǒng)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(xiàn)方法為：RTDS 計算一個步長數(shù)據(jù)后，即等待控制保護系統(tǒng)等二次設(shè)備的運算結(jié)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(dǎo)致RTDS 喪失實時。

2.5 結(jié)果輸出

在整個仿真過程中RTDS 的實時運算結(jié)果不僅要在可視化界面中顯現(xiàn)，運維人員還可以通過其他方式觀測數(shù)據(jù)，如信號燈、表盤、液晶熒幕、工作報告、警笛聲等。 此外，若系統(tǒng)發(fā)生冒煙、著火、爆炸等嚴重性故障時， 可視化界面的相關(guān)設(shè)備亦會產(chǎn)生相關(guān)動畫，提醒運維人員。

3 運算系統(tǒng)的主要功能

3.1 評估核電站內(nèi)保護系統(tǒng)

核電站電氣設(shè)備仿真運算系統(tǒng)可調(diào)用核電站電氣設(shè)備的實時動態(tài)數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)作為迭代運算值進行運算，校驗仿真系統(tǒng)的最終結(jié)果和實際站內(nèi)保護系統(tǒng)的運算結(jié)果是否一致，同時也可以校驗各個保護裝置之間的配合關(guān)系。

3.2 對站內(nèi)故障的再現(xiàn)和分析

核電站電氣設(shè)備故障具有突發(fā)性強、 復(fù)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(tǒng)會實時監(jiān)測核電站電氣設(shè)備的各種工況信息及位置信息，并在服務(wù)器中進行儲存，異常數(shù)據(jù)會用紅色字體特殊標注。同時也可以將所存儲的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可重新導(dǎo)入仿真運算系統(tǒng)的文件，重現(xiàn)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(shù)培訓

在可視化界面運維人員可以通過虛擬漫游技術(shù)在核電站電氣部分場地中360°無死角地觀察各個設(shè)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(guī)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(shè)備，運維人員的巡視記錄以及對電氣設(shè)備的相關(guān)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(shè)備進行觀測，將飛行模式與地面漫游相結(jié)合，使運維人員能夠全方位地了解核電站電氣設(shè)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(shù)水平。

4 結(jié)論

本文提出了一種核電站電氣設(shè)備二次仿真運算系統(tǒng)， 該系統(tǒng)包括使用3DMAX 和Unity 共同構(gòu)建的可視化界面， 基于RTDS 的后臺運算系統(tǒng)， 使用FORTRAN 語言編寫的模型庫以及同步時鐘等模塊，能夠?qū)穗娬緝?nèi)保護系統(tǒng)進行評估，保證核電站保護系統(tǒng)的有效性，也能對以往的故障進行重現(xiàn)，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(shù)，使其快速充分地提高技術(shù)水平。