核電站電氣設(shè)備仿真計(jì)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(yán)重不足[1-2]，本文針對(duì)該問題，開發(fā)出一套核電站電氣設(shè)備二次仿真運(yùn)算系統(tǒng)。 此系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際核電站電氣參數(shù)，基于可視化技術(shù)[3]，分析計(jì)算核電站電氣設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，使運(yùn)維人員能夠清晰直觀地了解變電站實(shí)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(xùn)平臺(tái)。讓核電站電氣運(yùn)維人員更清楚地觀測(cè)站內(nèi)保護(hù)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(shí)序，進(jìn)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(yùn)行。

本文所構(gòu)建的核電站電氣設(shè)備二次仿真運(yùn)算系統(tǒng)使用FORTRAN 語(yǔ)言進(jìn)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(shí)時(shí)數(shù)字仿真器 （Real Time Digital Simulation System，RTDS）進(jìn)行核電站電氣部分的電磁暫態(tài)計(jì)算、潮流計(jì)算以及故障電流計(jì)算， 保證仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和通用性。

1 仿真系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

核電站電氣設(shè)備仿真運(yùn)算系統(tǒng)是面向核電站電氣運(yùn)維人員所設(shè)計(jì)的， 該系統(tǒng)的可視化圖形系統(tǒng)由3DMAX 軟件進(jìn)行搭建，再由Unity 引擎進(jìn)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(guò)程進(jìn)行構(gòu)建。站內(nèi)潮流分析和故障電流計(jì)算則采用RTDS 進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算。 將可視化模型與RTDS 關(guān)聯(lián)后，各個(gè)設(shè)備實(shí)時(shí)工況將以數(shù)據(jù)信息的形式出現(xiàn)在其對(duì)應(yīng)的虛擬模型右側(cè)，便于運(yùn)維人員及時(shí)查看。

RTDS、 可視化圖形界面以及實(shí)際核電站二次系統(tǒng)之間通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互， 同步時(shí)鐘由RTDS進(jìn)行確定， 保證若干個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)通信，繼電保護(hù)設(shè)備依據(jù)接收的數(shù)據(jù)， 向RTDS 發(fā)送動(dòng)作信息。 整個(gè)系統(tǒng)中RTDS 的時(shí)鐘即為各個(gè)設(shè)備的全局時(shí)標(biāo)， 必須對(duì)RTDS 配置不間斷電源（Uninterruptible Power Supply， UPS）以保證其可靠運(yùn)行，不會(huì)發(fā)生時(shí)鐘紊亂等嚴(yán)重錯(cuò)誤。

2 運(yùn)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(yùn)算系統(tǒng)與運(yùn)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(jìn)行雙重處理， 具有細(xì)膩度高，光渲染柔和，動(dòng)畫逼真等優(yōu)勢(shì)。 同時(shí)，采用該方法繪制的各種電氣設(shè)備，在保證清晰直觀、簡(jiǎn)潔大方的同時(shí)， 還可以進(jìn)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(cè)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(cuò)誤。

2.2 后臺(tái)運(yùn)算系統(tǒng)

核電站電氣部分的潮流分析和故障電流計(jì)算均在RTDS 實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器中進(jìn)行，RTDS 是數(shù)字仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(diǎn)，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(jì)保證了RTDS 運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和具有閉環(huán)測(cè)試的能力， 可以在50μs 的步長(zhǎng)上完成較大規(guī)模電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真運(yùn)行。依據(jù)實(shí)際核電站電氣接線搭建模型后，RTDS 即可對(duì)一次設(shè)備的實(shí)時(shí)工況進(jìn)行精確的計(jì)算， 輸出各個(gè)設(shè)備的電壓、電流、功率等參數(shù)。與可視化界面配合后，運(yùn)維人員可以在虛擬電氣模型的右側(cè)觀測(cè)到各個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息。

2.3 模型庫(kù)

可視化界面只是在圖形的層面對(duì)各個(gè)虛擬設(shè)備進(jìn)行了連接與展示，實(shí)際各個(gè)設(shè)備屬性及算法需要通過(guò)FORTRAN 語(yǔ)言進(jìn)行編程， 最后封裝在設(shè)備模型中。 使用FORTRAN 編程時(shí)，需要對(duì)設(shè)備留有端口，保證各個(gè)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(jìn)行復(fù)制、粘貼、拖拽等基本操作，便于再次建模。 各個(gè)模型的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)在可視化界面中展示，而底層FPRTRAN 程序則在RTDS 中實(shí)時(shí)運(yùn)行。

2.4 同步時(shí)鐘

核電站電氣設(shè)備仿真運(yùn)算系統(tǒng)的全局同步時(shí)鐘由RTDS 確定， 保證各個(gè)功能模塊的時(shí)間嚴(yán)格一致。實(shí)現(xiàn)方法為：RTDS 計(jì)算一個(gè)步長(zhǎng)數(shù)據(jù)后，即等待控制保護(hù)系統(tǒng)等二次設(shè)備的運(yùn)算結(jié)果， 接收到指令后，再進(jìn)行下一周期的計(jì)算。由于控制保護(hù)裝置的程序算法相對(duì)簡(jiǎn)答， 其控制芯片能夠嚴(yán)格保證運(yùn)算的實(shí)時(shí)性，該等待過(guò)程不會(huì)導(dǎo)致RTDS 喪失實(shí)時(shí)。

2.5 結(jié)果輸出

在整個(gè)仿真過(guò)程中RTDS 的實(shí)時(shí)運(yùn)算結(jié)果不僅要在可視化界面中顯現(xiàn)，運(yùn)維人員還可以通過(guò)其他方式觀測(cè)數(shù)據(jù)，如信號(hào)燈、表盤、液晶熒幕、工作報(bào)告、警笛聲等。 此外，若系統(tǒng)發(fā)生冒煙、著火、爆炸等嚴(yán)重性故障時(shí)， 可視化界面的相關(guān)設(shè)備亦會(huì)產(chǎn)生相關(guān)動(dòng)畫，提醒運(yùn)維人員。

3 運(yùn)算系統(tǒng)的主要功能

3.1 評(píng)估核電站內(nèi)保護(hù)系統(tǒng)

核電站電氣設(shè)備仿真運(yùn)算系統(tǒng)可調(diào)用核電站電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)作為迭代運(yùn)算值進(jìn)行運(yùn)算，校驗(yàn)仿真系統(tǒng)的最終結(jié)果和實(shí)際站內(nèi)保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)算結(jié)果是否一致，同時(shí)也可以校驗(yàn)各個(gè)保護(hù)裝置之間的配合關(guān)系。

3.2 對(duì)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(qiáng)、 復(fù)雜程度高、破壞力大等特點(diǎn)，故障后排查故障原因較為困難。本系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jìn)行儲(chǔ)存，異常數(shù)據(jù)會(huì)用紅色字體特殊標(biāo)注。同時(shí)也可以將所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可重新導(dǎo)入仿真運(yùn)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(cè)故障起因。

3.3 運(yùn)維人員技術(shù)培訓(xùn)

在可視化界面運(yùn)維人員可以通過(guò)虛擬漫游技術(shù)在核電站電氣部分場(chǎng)地中360°無(wú)死角地觀察各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行工況，同時(shí)虛擬場(chǎng)地中的攝像機(jī)會(huì)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(yùn)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(guò)鍵盤方向鍵以及鼠標(biāo)控制，同時(shí)還可以在小地圖中進(jìn)行選址，瞬間移動(dòng)至運(yùn)維人員需要觀察的電氣設(shè)備，運(yùn)維人員的巡視記錄以及對(duì)電氣設(shè)備的相關(guān)操作會(huì)被保存并審核。運(yùn)維人員在漫游的同時(shí)，還可以進(jìn)入飛行模式，即可以在不同的高度對(duì)核電站電氣設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)，將飛行模式與地面漫游相結(jié)合，使運(yùn)維人員能夠全方位地了解核電站電氣設(shè)備的場(chǎng)景切換， 從而提高仿真培訓(xùn)的效果。此外，各種故障仿真案例亦能夠充分提高運(yùn)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(yùn)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(tái)運(yùn)算系統(tǒng)， 使用FORTRAN 語(yǔ)言編寫的模型庫(kù)以及同步時(shí)鐘等模塊，能夠?qū)穗娬緝?nèi)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，保證核電站保護(hù)系統(tǒng)的有效性，也能對(duì)以往的故障進(jìn)行重現(xiàn)，幫助運(yùn)維人員進(jìn)行故障分析，此外亦能夠培訓(xùn)新入職的核電站運(yùn)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。