CN107369347A - 一种通用型水电站三维仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用型水电站三维仿真系统，包括硬件系统和软件系统；所述硬件系统包括局域网连接的主服务器、远程服务器、教员站、工程师站、打印机、交换机以及若干学员站；交换机通过局域网连接远程学员站；所述软件系统包括仿真数学建模系统、仿真监控系统建模系统、三维虚拟现实建模系统和考核评价管理系统。本发明设计合理，既能科学、高效、公平公正地开展员工技能培训、鉴定和竞赛，又能满足各水电站生产现场运行人员远程上机实训的需求。

Description

一种通用型水电站三维仿真系统

技术领域

本发明属于三维仿真系统领域，更具体地说，涉及一种通用型水电站三维仿真系统。

背景技术

近年来，随着水电开发快速推进和水电站设备自动化程度不断提高，传统的师带徒“传、帮、带”培训方式已不能满足水电行业对大批高技能水平运行人员的需求，迫切需要采用现代化、科学规范的培训手段开展培训。

随着计算机仿真技术和三维虚拟现实技术日趋成熟和成功推广应用，国内多家流域性水力发电企业、水电院校积极与仿真企业合作，先后开发出水电站运行仿真系统，用于水电站运行人员技能培训和学生日常教学，从开发情况、技术水平、逼真程度以及实际培训效果来看，均以某一个已投产水电站为模型进行仿真开发，存在系统操作界面不友好、设备功能逻辑组态和数学模型精度不高、三维场景设备逼真程度、各设备系统间的联动以及动/暂态变化过程仿真与实际有一定差距等问题，导致培训功能不完善、培训针对性和通用性不强，不能有效满足培训需求。

结合流域性水力发电企业不同水电站设备差异性大、员工培训亟需科学规范和标准统一、人才储备需求巨大紧迫的现状，开发出一种通用型水电站三维仿真系统。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供了一种通用型水电站三维仿真系统，设计合理，既有效满足各水电站运行人员技能培训需求，又能避免各水电站自行开发仿真系统的重复投资，同时该系统具有学员培训管理、理论及实操题库管理和组卷、理论及实操上机考试、手/自动评分、远程培训等功能，既能科学、高效、公平公正地开展员工技能培训、鉴定和竞赛，又能满足各水电站生产现场运行人员远程上机实训的需求。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种通用型水电站三维仿真系统，其特征在于：包括硬件系统和软件系统；所述硬件系统包括局域网连接的主服务器、远程服务器、教员站、工程师站、打印机、交换机以及若干学员站；交换机通过局域网连接远程学员站；所述软件系统包括仿真数学建模系统、仿真监控系统建模系统、三维虚拟现实建模系统和考核评价管理系统；仿真数学模型系统提供整个仿真系统所需的各种仿真数据，在系统中的主服务器运行；仿真监控系统和三维虚拟现实模型系统则分别模拟水电站现场计算机监控系统和现地设备，教员站、工程师站和若干学员站以二维界面和三维动态场景的形式展现水电站生产运行特性，通过网络通讯从仿真数学模型获取所需的仿真数据；考核评价管理系统在教员站计算机运行，主要完成对用户和操作题库的管理、组织考试和成绩评判功能，以满足技能培训、鉴定和竞赛需求。

作为一种优化的技术方案，所述仿真数学建模系统用于支持仿真模型软件和其它仿真应用软件的设计、开发、调试、维护、修改、运行及数据管理；仿真数学建模系统包括参数设置模块、潮流计算模块、故障计算模块、逻辑计算模块、网络通讯模块；

参数设置模块设置系统的初始化工况，包括系统初始运行方式、初始潮流数据、保护定值和设备状态；

潮流计算、故障计算模块是根据电站主要设备的状态参数，以及初始运行方式，基于机电暂态理论模型，对电气一次系统设备，通过潮流计算得到正常运行和事故故障多种运行工况下的系统潮流数据，正确地描述水电站及相连电力系统的动、静态特性；系统故障数据均通过故障计算得到，可以仿真故障发生前后的潮流变化情况；

逻辑计算模块主要是通过内置计算公式和逻辑关系来表示电力系统二次设备的动作情况；此外，水力机械以及辅助系统的设备状态也采用逻辑计算得到；

网络通讯模块将仿真数学模型系统计算出的潮流数据和设备状态信息发送至仿真监控系统和三维虚拟现实系统，并接收来自仿真监控系统和三维虚拟现实系统的操作指令。

作为一种优化的技术方案，所述仿真监控系统和三维虚拟现实模型系统完成水电站各设备系统生产过程模拟的仿真软件，由设备模块、算法以及设计数据组成，并由模型计算引擎完成计算过程；教员站、工程师站和学员站使用的软件为教练员、工程师和学院提供全部的仿真控制、培训和监视功能、显示功能。

作为一种优化的技术方案，所述主服务器和远程服务器均采用的是计算机。

作为一种优化的技术方案，所述教员站、工程师站和学员站军包括显示器和操作设备。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明设计合理，结合流域性水力发电企业众多已投运水电站设备系统配置特点，选择有代表性、广泛应用的设备系统为模型对象，并对电气主接线、主/辅机设备系统、机组控制流程、保护配置及动作策略、设备控制逻辑等进行局部修改、完善或重新设计后完成开发，既有效满足各水电站运行人员技能培训需求，又能避免各水电站自行开发仿真系统的重复投资，另外，配套开发有先进实用的培训考核评价管理软件和远程培训管理软件，具有学员培训管理、理论及实操题库管理和组卷、理论及实操上机考试、手/自动评分、远程培训等功能，既能科学、高效、公平公正地开展员工技能培训、鉴定和竞赛，又能满足各水电站生产现场运行人员远程上机实训的需求。

参照附图和实施例对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明一种实施例的结构框图。

具体实施方式

实施例

如图1所示，一种通用型水电站三维仿真系统，其特征在于：包括硬件系统和软件系统；所述硬件系统包括局域网连接的主服务器、远程服务器、教员站、工程师站、打印机、交换机以及若干学员站；交换机通过局域网连接远程学员站；所述软件系统包括仿真数学建模系统、仿真监控系统建模系统、三维虚拟现实建模系统和考核评价管理系统；仿真数学模型系统提供整个仿真系统所需的各种仿真数据，在系统中的主服务器运行；仿真监控系统和三维虚拟现实模型系统则分别模拟水电站现场计算机监控系统和现地设备，教员站、工程师站和若干学员站以二维界面和三维动态场景的形式展现水电站生产运行特性，通过网络通讯从仿真数学模型获取所需的仿真数据；考核评价管理系统在教员站计算机运行，主要完成对用户和操作题库的管理、组织考试和成绩评判功能，以满足技能培训、鉴定和竞赛需求。

所述仿真数学建模系统用于支持仿真模型软件和其它仿真应用软件的设计、开发、调试、维护、修改、运行及数据管理；仿真数学建模系统包括参数设置模块、潮流计算模块、故障计算模块、逻辑计算模块、网络通讯模块。

参数设置模块设置系统的初始化工况，包括系统初始运行方式、初始潮流数据、保护定值和设备状态。

潮流计算、故障计算模块是根据电站主要设备的状态参数，以及初始运行方式，基于机电暂态理论模型，对电气一次系统设备，通过潮流计算得到正常运行和事故故障多种运行工况下的系统潮流数据，正确地描述水电站及相连电力系统的动、静态特性；系统故障数据均通过故障计算得到，可以仿真故障发生前后的潮流变化情况。

逻辑计算模块主要是通过内置计算公式和逻辑关系来表示电力系统二次设备的动作情况；此外，水力机械以及辅助系统的设备状态也采用逻辑计算得到。

网络通讯模块将仿真数学模型系统计算出的潮流数据和设备状态信息发送至仿真监控系统和三维虚拟现实系统，并接收来自仿真监控系统和三维虚拟现实系统的操作指令。

所述仿真监控系统和三维虚拟现实模型系统完成水电站各设备系统生产过程模拟的仿真软件，由设备模块、算法以及设计数据组成，并由模型计算引擎完成计算过程；教员站、工程师站和学员站使用的软件为教练员、工程师和学院提供全部的仿真控制、培训和监视功能、显示功能。

所述主服务器和远程服务器均采用的是计算机，用于存放、运行水电站各设备及其控制系统的数学模型和控制程序，进行仿真模型实时运算，从而实现仿真系统所有功能。教练员站包括显示和操作设备，是教练员与仿真系统之间的接口，教练员通过教练员站控制仿真系统的运行，执行和使用仿真系统所有功能，对学员进行培训、监视和考评。工程师站包括显示和操作设备，为学员提供仿真培训操作平台，包括操作、监视、信息记录等功能。学员站包括显示和操作设备，实现对水电站中控室外现地设备的仿真操作，为学员提供现地操作平台。

仿真系统的具体工作流程如下：

1、教员从考核评价管理系统的题库中抽取培训任务。

2、系统根据培训任务，在服务器上加载仿真模型基础数据，并通过参数设置模块对系统的初始运行工况进行设置。

3、学员机启动仿真监控系统和三维虚拟现实系统，生成电厂环境及设备三维场景。

4、潮流计算模块计算出当前时刻的潮流数据，逻辑计算模块根据潮流数据和设备初始工况，计算出各设备的当前工况。

5、必要时，教员还可以对当前工况插入故障，并通过故障计算模块计算出当前的故障潮流数据。

6、潮流数据(包括故障潮流数据)和设备工况信息通过网络通讯模块传输至仿真监控系统和三维虚拟现实系统中。

7、仿真监控系统根据获取的数据进行潮流、设备状态、光字等信息的分类显示；同时，三维虚拟现实系统也根据获取的数据进行厂内各个设备状态的展现。

8、学员可以通过仿真监控系统和三维虚拟现实系统中的反映的设备状态，综合判断出当前的系统状态，并根据任务要求，做出相应决策，在仿真监控系统和三维虚拟现实系统中下达操作指令。

9、学员的操作指令通过网络通讯模块传输至仿真数学模型。

10、仿真数学模型根据输入的操作指令，以及上一时刻的设备工况，再次进行潮流计算和逻辑计算。在一次培训过程中，6、7、8、9、10可以多次循环进行。

11、当学员所有操作完成后，系统将自动记录的学员操作信息发送至考核评价管理系统。

12、评分模块将学员的操作信息与预置的标准答案逻辑进行比对，并参考最终潮流数据与设备状态，综合得出本次学员操作的考试成绩。

根据上述的仿真系统，可以实现的功能是：

1)运行监视及设备巡检培训。

连续、实时仿真水电站各设备系统不同运行工况，数学模型根据不同运行工况和操作计算出相应设备主要运行参数(如：随着机组出力调整，机组无功功率、流量、导叶开度、励磁电压/电流、定子电压/电流、功率因数、发电机定/转子温度、调速器油压/油位、机组振动/摆度等运行参数呈现出动态变化)。同时，在现地设备屏柜及监控画面上，实时、动态显示各系统主要运行参数、设备状变、简报信息等，从而实现对全厂水力机械设备、发/供/配电设备、厂用电以及油水气等设备系统的运行监视。

同时，结合三维生产场景、现地设备以及全厂漫游功能实现对水电站设备巡视检查，仿真系统自动记录学员巡检设备全过程及检查确认步骤，具有设备巡检内容及要求、正常运行参数提示等功能。

2)运行操作仿真培训。

对水电站主要设备系统(水轮机、发电机、变压器、开关站、辅助设备及公用设备等)断路器、隔离开关、接地刀闸、管路、阀门以及动力柜、控制屏柜上的空气开关、按钮、切换开关、压板、电流端子、熔断器、信号灯、控制面板等进行仿真，结合虚拟现实的水电站三维生产场景，实现对水电站现地设备系统的仿真操作，其方法、控制流程、动作过程、结果反馈等与实际仿真对象一致，操作过程中各设备受控部分以及测量、状态变化、位置信号指示、光字、简报信息等均实时响应，并能在现地设备和监控画面上进行动态显示。

3)故障及事故仿真培训

通过建立精准的故障/事故数学模型，实时、准确地模拟水电站运行过程中发生的各种故障/事故(可以单一、简单的，或通过组合模拟多重的、较复杂的)，其实现方式主要有两种：一是由于人为误操作而引发的；二是教练员或学员设置的，可以模拟设备原因或外部因素引发的故障/事故。

故障/事故发生时的动/静态运行特性(主要现象、动作过程、发展趋势、造成的后果影响等)与实际设备一致或相近，或者与运行经验、工程分析所计算的动/静态运行特性相符合。如果实际设备发生的事故/故障可以通过运行人员干预操作得以消除，在仿真系统上受训人员也能进行干预操作，如果处理不当，引起故障和事故扩大的后果与生产实际一致或相近。仿真系统能正确反映并实时记录学员干预和处理故障和事故的全过程。

4)远程培训功能

考虑到流域性水力发电企业所属水电站地域分布广，大多地理位置偏僻、交通不便，生产任务重、人员紧张，开展集中培训难度大的现状。配套开发了仿真系统远程培训功能，实现在线培训、讨论、考试以及学员远程培训管理，便于各水电站员工在生产现场随时开展仿真培训和交流学习。

5)培训考核评价管理功能

配套仿真系统开发一整套智能、先进、技术成熟的培训考核评价管理软件，科学、全面地记录学员理论考试和实操技能考核过程，准确、科学、公正地进行评判，满足技能培训、鉴定和竞赛需求。

学员管理。方便添加、删除、修改学员信息，并能设置学员权限。能建立完善的数据库系统，包括学员的个人信息和培训考核过程记录等详细信息，方便查询和文档输出、打印，并与远程培训管理系统有机结合，构成科学、规范的学员管理系统。

考试管理。具有完整的理论考试和实操考核试题库，方便维护，允许教练员修改、完善和设置题目难度。试题类型全面、设置合理，且具有不同的难易等级区分，方便组成不同难度的试卷，以满足各技能层次的培训、考核和竞赛需求。

试卷管理。手动出题或自动生成试卷，方便教练员对试卷题型、题量、分值等进行设置和修改，灵活输出和打印。提供试题答案管理工具，方便进行答案管理，如生成标准答案、修改答案要点及评分细则、答案加密/解密等。

学员上机考试及监视。理论考试、实操技能考核以及考试巡视等均能在仿真系统上进行，方便教练员监控学员的培训和考试过程。

试卷评分。提供人工和自动两种评分方式，根据需要自行选择。学员答题内容、操作步骤、试题完成情况等自动记录存档，以文本、表格、视频等形式输出和打印，方便用户随时调阅、查询。

本发明设计合理，结合流域性水力发电企业众多已投运水电站设备系统配置特点，选择有代表性、广泛应用的设备系统为模型对象，并对电气主接线、主/辅机设备系统、机组控制流程、保护配置及动作策略、设备控制逻辑等进行局部修改、完善或重新设计后完成开发，既有效满足各水电站运行人员技能培训需求，又能避免各水电站自行开发仿真系统的重复投资，另外，配套开发有先进实用的培训考核评价管理软件和远程培训管理软件，具有学员培训管理、理论及实操题库管理和组卷、理论及实操上机考试、手/自动评分、远程培训等功能，既能科学、高效、公平公正地开展员工技能培训、鉴定和竞赛，又能满足各水电站生产现场运行人员远程上机实训的需求。

本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种通用型水电站三维仿真系统，其特征在于：包括硬件系统和软件系统；

所述硬件系统包括局域网连接的主服务器、远程服务器、教员站、工程师站、打印机、交换机以及若干学员站；交换机通过局域网连接远程学员站；

所述软件系统包括仿真数学建模系统、仿真监控系统建模系统、三维虚拟现实建模系统和考核评价管理系统；仿真数学模型系统提供整个仿真系统所需的各种仿真数据，在系统中的主服务器运行；仿真监控系统和三维虚拟现实模型系统则分别模拟水电站现场计算机监控系统和现地设备，教员站、工程师站和若干学员站以二维界面和三维动态场景的形式展现水电站生产运行特性，通过网络通讯从仿真数学模型获取所需的仿真数据；考核评价管理系统在教员站计算机运行，主要完成对用户和操作题库的管理、组织考试和成绩评判功能，以满足技能培训、鉴定和竞赛需求。

2.根据权利要求1所述的一种通用型水电站三维仿真系统，其特征在于：所述仿真数学建模系统用于支持仿真模型软件和其它仿真应用软件的设计、开发、调试、维护、修改、运行及数据管理；仿真数学建模系统包括参数设置模块、潮流计算模块、故障计算模块、逻辑计算模块、网络通讯模块；

参数设置模块设置系统的初始化工况，包括系统初始运行方式、初始潮流数据、保护定值和设备状态；

潮流计算、故障计算模块是根据电站主要设备的状态参数，以及初始运行方式，基于机电暂态理论模型，对电气一次系统设备，通过潮流计算得到正常运行和事故故障多种运行工况下的系统潮流数据，正确地描述水电站及相连电力系统的动、静态特性；系统故障数据均通过故障计算得到，可以仿真故障发生前后的潮流变化情况；

逻辑计算模块主要是通过内置计算公式和逻辑关系来表示电力系统二次设备的动作情况；此外，水力机械以及辅助系统的设备状态也采用逻辑计算得到；

网络通讯模块将仿真数学模型系统计算出的潮流数据和设备状态信息发送至仿真监控系统和三维虚拟现实系统，并接收来自仿真监控系统和三维虚拟现实系统的操作指令。

3.根据权利要求1所述的一种通用型水电站三维仿真系统，其特征在于：所述仿真监控系统和三维虚拟现实模型系统完成水电站各设备系统生产过程模拟的仿真软件，由设备模块、算法以及设计数据组成，并由模型计算引擎完成计算过程；教员站、工程师站和学员站使用的软件为教练员、工程师和学院提供全部的仿真控制、培训和监视功能、显示功能。

4.根据权利要求1所述的一种通用型水电站三维仿真系统，其特征在于：所述主服务器和远程服务器均采用的是计算机。

5.根据权利要求1所述的一种通用型水电站三维仿真系统，其特征在于：所述教员站、工程师站和学员站军包括显示器和操作设备。