一种全数字实时仿真机的制作方法

本发明一种全数字实时仿真机，涉及虚拟仿真实验领域。

背景技术：

随着信息技术、计算机技术、仿真技术的发展，虚拟仿真应用于高校的本科实验及教学成为可能。所谓虚拟仿真实验是指综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通讯等技术，在计算机上实现逼真的实验对象及其操作环境，为学生或老师提供高效、安全且经济的虚拟仿真实验，通常能够达到难以用真实实验实现的教学效果。电力系统被誉为人类历史上最庞大最复杂的机器，涉及高电压等极端环境、很难采用物理系统构建其实验环境。虚拟仿真在电力系统实验教学方面具有明显的优势。不仅可以很好地实现传统的物理的实验系统无法实现的实验项目，也可以实现缩小比例构建的物理实验系统的相关实验，实现与实际物理系统实验的相互补充。另外，电力系统虚拟仿真实验系统也将对传统的实验教学思想、体系、模式、内容、方法以及手段等都产生颠覆性影响。电力系统虚拟仿真实验适应了高等教育信息化建设的重要内容，体现出信息技术与教育教学融合发展和与学科专业深度融合带来的实验教学改革与创新。

行业内如：PSASP、PSCAD等仿真软件一般针对单一学科问题、而面向用户动手实验、实践问题的电力系统常涉及多学科问题。例如：电站，包括了电网、发电机组、原动机及其能量转化系统、辅机系统等。MATLAB等仿真软件虽然面向多学科问题，但和其他软件一样，一般不提供仿真模型的源代码生成功能，供用户进行产品开发。如：不可能用MATLAB等专业的仿真软件生成某个电站的仿真模型，并将之应用于电站仿真机的开发中。行业内仿真公司所开发的仿真机一般只适合初、中级的操作类的培训，由于很难实现严格、完整的反应系统动态过程的仿真模型，故其仿真机不太可能输出准确的仿真数据，供学生在实验中进行相关理论知识点检验和学习的需要。

一、现有技术中采用专业的电力系统仿真软件应用于虚拟仿真实验室的教学资源。例如PSASP、PSCAD、MATLAB等，这些软件的共同特点是处于商业应用阶段、定位于科学研究。电力系统仿真分析软件应用于本科教学实验有一定的局限性。首先，自主搭建一个用于研究的系统仿真模型并调试成功用于相关仿真实验一般是研究性质工作范畴，对本科生来说工作量和难度都太大。本科生或企业培训人员很难独立地从中获得实践能力和创新能力的锻炼。另外，基于电力系统分析软件二次开发的产品一般局限为已搭建并调试好的案例，本科生可以直接通过这些特定初始工况下的案例进行相应的实验，并可以对实验数据进行分析和研究。这类实验资源的优点是实验数据准确，输出的物理量数据在准确程度上可以逼近现实系统，具有研究和学习价值，但缺点是难以实现电力系统的相关综合实验，且由于不具备对电力系统的操作功能，因而无法实现本科生或企业培训人员动手实验操作能力的培养。

二、现有技术中采用传统的电力系统仿真机应用于本科教学实验或企业技术培训。传统的电力系统仿真机一般定位为电网运行人员的操作培训，其仿真系统通常以实际电力系统中某一特定的电站或变电站为对象。其特点是系统庞大，仿真系统中各设备或装置的监控画面与实际系统各设备或装置的监控面板相同，在计算机上通过设备或装置的监控画面对仿真系统进行操作的步骤、流程等也与实际物理系统完全一致，监控画面所显示的各物理量数据的变化也符合实际系统的大致趋势，这样就具备了对运行人员进行操作培训的基本条件。这类仿真实验教学资源的优点是仿真系统中的设备或装置外观上逼近现实系统、操作体验及操作的步骤和流程也逼近现实系统。缺点是传统的电力系统仿真机监控画面所显示的各物理量的仿真数据一般不具备研究和学习价值，从而也制约了电力企业员工通过这类仿真培训系统进一步学习和提高的可能。

三、现有技术中采用实时数字仿真系统应用于本科教学实验。例如RTDS、ADPSS等实时仿真系统，这些系统一般定位为科学研究和工程应用，例如RTDS、ADPSS等都能以闭环的方式接入现实的控制装置进行闭环测试等，从而实现其工程应用的价值，但是这类仿真系统一般基于专用的硬件平台，价格昂贵。例如中国电力科学院目前开发了基于ADPSS的成套实验教学系统。（1）该系统输出的仿真数据满足准确性的要求；（2）仿真案例实时运行，可以实现电力系统中的各种操作功能。仿真数据的准确性使得对相关知识点的理论验证和研究成为可能；对电力系统的各种操作功能使得对实践能力的锻炼成为可能。这类仿真系统一般基于专用的硬件平台，价格昂贵；监控画面以及操作的逼真程度等不如传统的仿真机。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种全数字实时仿真机，该仿真机模型采用自主开发的科学计算软件生成，不仅包括电气主系统、辅机系统、原动机及能量转化系统；也包括系统内的各种控制系统、保护系统等，实现了完整系统的仿真模型也实现了仿真数据的准确性、可靠性和实时性。基于这样的仿真模型所开发的电力系统仿真机，可应用于电力系统虚拟仿真实验、实践和培训项目等。

本发明采取的技术方案为：

一种全数字实时仿真机，包括计算软件生成的完整系统仿真模型和面向用户的仿真机监控画面；完整系统仿真模型实现全系统仿真的科学计算数据的生成，面向用户的仿真机监控画面，依据用户需求进行仿真机监控画面的设计，实现仿真系统的数据显示及控制量数据的输入及各种设备操作功能。

该仿真机还包括仿真系统管理部分，所述仿真系统管理部分包括数据初始化、计算管理、数据管理、考试管理；

数据初始化：用于对仿真系统模型及其初始工况的所有相关数据的值的导入或计算；

计算管理：用于对实时仿真计算、仿真分析计算中各计算模块及其调用以及计算过程的控制等进行管理；

数据管理：用于对导出工况、导入工况、导出参数、导入参数、仿真回放数据等进行管理；

考试管理：用于对登录该仿真系统的用户以及其所进行的仿真实验过程、仿真实验报告、仿真实验的智能评价等进行管理。

包括发电机组、输电线路、变压器、断路器、负荷元件、原动机及其能量转化系统、辅机系统；

所述发电机组的监控和保护包括励磁装置、并列装置、调速装置、保护装置、控制装置；

励磁装置：实现对发电机励磁系统的控制、保护、显示功能；

并列装置：实现发电机组开停机过程、并列过程及其他过程等的控制、保护、显示灯功能；

调速装置：用于实现发电机组的机械出力的控制和调节及其他流程等的控制、保护、显示灯功能；

保护装置：为该元件所配置的所有的继电保护装置；

监控装置：为元件或系统所配置的所有监控装置。

原动机及其能量转化系统包括水轮机或汽轮机、及水力系统或热力系统的仿真模型。

辅机系统：电站辅机系统包括风、水、油三大系统，是电站主系统得以正常运行的辅助支持系统。

一种全数字实时仿真机的构成方法，包括以下步骤：

步骤1：采用自主开发的科学计算软件生成完整系统仿真模型；

步骤2：采用VG等绘图软件完成面向用户的仿真机监控画面；

步骤3：采用C-SHARP等软件开发工具实现基于完整系统仿真模型和面向用户的仿真机监控画面的电力系统仿真机软件的开发。

本发明一种全数字实时仿真机，有益效果如下：

1、仿真模型采用自主开发的科学计算软件生成，所得到的仿真数据具有科学价值，因此使得用户可以通过仿真实验对理论知识进行验证，达到对理论知识的深化理解的目的。

2、仿真模型为完整系统仿真模型，该仿真模型不仅包括了主系统，也包括了主系统中所有的控制系统和保护系统，结合面向用户的仿真机监控画面，从而实现理论指导实践，在虚拟环境中对物理系统进行实验，极大地提高实践操作和生产技能。

3、不仅真正实现高校虚拟仿真实验室建设的需求，使得学生可以面向虚拟设备自主地开展相关科学实验，极大地解放他们的创造性；也真正达到了企业员工和高校学生对设备或系统认知等的培训需求。使得他们不仅能够通过这样地虚拟仿真平台实现对设备的熟练操作，也能通过该平台进一步学习、掌握设备或系统的原理、物理特性等，达到更深层次学习的目的。

附图说明

图1是本发明完整系统仿真模型示意图。

图2是本发明全数字实时仿真系统的构成。

具体实施方式

一种全数字实时仿真机，包括计算软件生成的完整系统仿真模型和面向用户的仿真机监控画面；完整系统仿真模型实现全系统仿真的科学计算数据的生成，面向用户的仿真机监控画面，依据用户需求进行仿真机监控画面的设计，实现仿真系统的数据显示及控制量数据的输入及各种设备操作功能。

该仿真机还包括仿真系统管理部分，所述仿真系统管理部分包括数据初始化、计算管理、数据管理、考试管理；

数据初始化：用于对仿真系统模型及其初始工况的所有相关数据的值的导入或计算。

计算管理：用于对实时仿真计算、仿真分析计算中各计算模块及其调用以及计算过程的控制等进行管理。

数据管理：用于对导出工况、导入工况、导出参数、导入参数、仿真回放数据等进行管理。

考试管理：用于对登录该仿真系统的用户以及其所进行的仿真实验过程、仿真实验报告、仿真实验的智能评价等进行管理。

一种全数字实时仿真机的构成方法，包括以下步骤：

步骤1：采用自主开发的科学计算软件生成完整系统仿真模型；

步骤2：采用VG等绘图软件完成面向用户的仿真机监控画面；

步骤3：采用C-SHARP等软件开发工具实现基于完整系统仿真模型和面向用户的仿真机监控画面的电力系统仿真机软件的开发。

如图1所述，一种全数字实时仿真机，包括发电机组、输电线路、变压器、断路器、负荷等元件构成。

所述发电机组的监控和保护包括励磁装置、并列装置、调速装置、保护装置、控制装置等。

励磁装置：实现对发电机励磁系统的控制、保护、显示等功能。

并列装置：实现发电机组开停机过程、并列过程及其他过程等的控制、保护、显示灯功能。

调速装置：用于实现发电机组的机械出力的控制和调节及其他流程等的控制、保护、显示灯功能。

保护装置：这里指为该元件所配置的所有的继电保护装置。

监控装置：这里指为元件或系统所配置的所有监控装置等。

所述发电机组模型包括原动机及其能量转化系统模型、辅机系统模型

原动机及其能量转化系统是指包括水轮机或汽轮机等及水力系统或热力系统等的仿真模型。

辅机系统：电站辅机系统包括风、水、油三大系统，是指电站主系统得以正常运行的辅助支持系统。

本发明一种全数字实时仿真机，整体上可以分为三大部分，如图2所示：

面向用户的监控画面：根据用户要求设计的监控画面。监控画面采用绘图软件完成，例如北京图王软件开发有限公司的Visual Graph等。仿真机监控画面可以与用户实时交互，同时仿真界面可设计得非常逼真，比如可以逼真地模拟实际设备控制面板及其灯光信号、仪表指针、开关按钮的操作等。用户在计算机上通过鼠标键盘操作与实物系统设备面板上的操作及现象相同。

完整系统仿真模型：如图1所示。该仿真模型不仅包括电气主系统、辅机系统、原动机及能量转化系统，也包括系统内的各种控制系统、保护系统等。采用科学计算软件实现该完整系统仿真模型的生成，保证了仿真数据的准确性、可靠性和实时性。该完整系统仿真模型可以实现主系统及其各类控制系统（装置）、保护系统（装置）的仿真。结合面向用户的监控画面，适合于电力系统虚拟仿真实验、实践和培训项目等。

仿真系统管理：实现对完整系统仿真模型的实时计算、数据初始化、计算管理、数据管理、考试管理等功能。

运行环境：普通PC机或服务器等。

软件开发：目前采用 C#语言编写，C#语言一个优势地方是直接与COM接口集成，与ActiveX插件链接是契合的。软件界面部分是最终以单个ActiveX插件整合进系统。计算模型采用FORTRAN语言编写，以动态链接库的形式整合进系统。C#是运行于.NET windows网络框架的推荐语言，Visual Graph的TBL格式的文件其实是一种XML格式的文件，这些使软件的后期在网络方面的拓展性很强。计算模型以动态链接库形式整合进系统有利软件设计时的分工，也有利于计算模型的修改完善。

软件最终是为了教学实验和研究使用，部分主要功能如下：

1．给学员提供逼真的虚拟仿真实验操作，在计算机上通过软件的设备画面进行操作，操作的步骤、方法及操作细节与在实物系统上的操作基本相同，可以做到操作实践上的逼真。

2．给学员提供逼真的仿真实验现象，设备画面上显示仪表的外观及准确的仿真数据的动态显示与实物系统相同，配合现场的音效文件可以做到实验现象上的逼真。

3．仿真工况可实时保存可为后期的数据分析提供条件，这些实验数据在计算机中储存下来，在学员做完实验后可以提供给学生，供学生学习和研究。

4．提供实时绘图功能，将需要的仿真数据实时输出为时域曲线、向量、坐标图等数据，用于学习和研究。