核电站发变组二次回路可视化系统

张亚军，王静涛，黄昌军，苏小军

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042）

0 引 言

随着我国核电事业的不断发展，核电站发变组设备的复杂度不断提升，对核电站发变组运维人员的技术水平也有了更高的要求[1-2]。发变组运维人员在正式进入工作岗位前，必须要通过专业的技术水平培训。因此，需要针对核电站发变组设备开发三维可视化培训系统，实现直观调试与仿真，保证运维人员能够快速且扎实地提升技术水平。

目前，国内外已有高校和科研机构设计了新型站内电气设备的仿真方法。文献[3]提出了一种将站内电气设备和软件技术相结合的混合仿真方式，虽然能够较为直接地反映站内电气设备的工况，但投入成本巨大且拓展性较低。文献[4]依据可扩展对象库，提出了一种三维仿真平台的构建方法，虽然能够有效提升系统的扩展性，但无法有效反映站内的信息交互。目前，大部分方法面向智能化变电站[5]，而电气设备三维可视化技术在核电站中应用较少。

本文建立的核电站发变组二次回路可视化系统模型，集核电站发变组一次设备、二次设备以及相关二次回路于一体，可模拟核电站发变组一次设备、二次设备和二次回路各种工况，并能够充分描述各个设备间的交互影响，为核电站发变组运维人员提供一个逼真的虚拟发变组运维场景。该系统核电站发变组一次设备、二次设备的实际布局，使相关运维人员能够产生直观的视觉冲击，可作为相关运维人员专业学习、技能培训以及技能鉴定考核的重要平台。

1 可视化系统架构设计

核电站发变组二次回路可视化系统基于核电站电气部分的设计图纸，将核电站发变组的各个测量、操控以及信号等二次回路汇集到可视化三维仿真场景，为核电站发变组运维人员建立逼真直观的二次回路可视化培训系统，进而为相关人员在理论和技能等多层次提供全方位的演练培训。核电站发变组二次回路可视化系统包括3D模拟平台、教学视频系统、核电站电气设备3D仿真以及电气设备平面图2D仿真等部分。各个组成部分由同一台上位机服务器统一管理，记录运维人员的学习情况。核电站发变组二次回路可视化系统架构如图1所示。

图1 核电站发变组二次回路可视化系统架构

构建人机交互平台可将运维人员的记录信息传递给服务器。该平台遵循IEEE1516标准和IEC61970标准，适用性较广且拓展性较强，不局限于核电站发变组的可视化仿真，易与其他类型的仿真系统进行汇集，从而构建更加丰富完整的可视化仿真平台。离线所建立的各个电气设备的3D模型可在上位机服务器中备份，只要保证用户的下位机与服务器连接，即可调用已有的3D模型，并对其进行重新编辑定义，便于系统及相关虚拟电气设备的再次开发。

3D模拟平台按核电站电气设备的实际布局和形状进行建设，能够精确描述一次设备、二次设备及其二次回路的链接状态，实现对核电站发变组全场景的观测。

教学视频系统主要统计学员的个人信息，同时录制相关教学人员的指导视频。学员登录账户后，可以回顾相关的教学视频，而教学人员则可以向学员下发操作任务。

电气设备3D仿真是参照核电站发变组的实际参数进行的相关计算，学员可以在3D漫游中直接读取到各个设备实时的动态工况信息。

电气设备平面图2D仿真依据核电站发变组实际图纸进行构建，以通态平面图的形式表现发变组等设备及相关二次回路的工况，能够实时展现各个设备间的交互影响。2D仿真的优势在于学员可以从宏观角度观测核电站发变组乃至整个核电站电气部分的运行状态，实现对二次回路读图、识图、回路测量以及缺陷分析处理等操作。

2 可视化系统技术方案

核电站发变组二次回路可视化系统基于人机交互平台，重点在于对发变组二次回路图纸的2D实时仿真及核电站发变组一次设备、二次设备3D可视化模拟进行实时关联。

建立合理的核电站发变组可视化二次回路的2D及3D动态模型，研制一套从图纸到模型的实时动态仿真软件。在2D平面图及3D动画场景中，可直观了解各个电气设备的工作方式，全方位展示核电站发变组二次回路的实时工况。对相关设备和回路进行动态渲染，便于查看和学习相关二次回路及元件的动作过程。实时动态仿真软件需要兼备图像分析、数据处理以及通信等多方面能力，并且运算速率需满足实时要求。变压器3D虚拟模型如图2所示。

图2 变压器3D虚拟模型

将核电站发变组二次回路可视化仿真模块与电气部分的一次设备、二次设备可视化仿真模块相结合，将回路核电站电气部分图纸与虚拟3D可视化设备一一对应，可精准描述二次回路和设备的关联状态、动态过程以及实时数据，构建一个完整的核电站发变组二次回路可视化系统实训环境。

为确定学员在漫游过程中的位置，需具备漫游导航功能，生成小地图，标记学员所在位置。漫游操作仅需通过键盘方向键和鼠标进行控制。

为便于学员查找虚拟核电站发变组及其二次回路的缺陷，需在人机界面中提供经典类型的缺陷案例和缺陷查找工具，模拟必要的测量过程，并给出正确的测量结果。

建立友好的人机交互界面即教学视频系统，便于教学人员安排教学内容和下达教学任务，学员亦能按照实际核电站电气设备运维方法在学员下位机上操作。

3 可视化系统应用

核电站发变组二次回路可视化系统根据核电站继保运维人员的培训要求，基于实际核电站电气部分，将3D虚拟场景和主要运维工具（图纸、万用表等）相结合，使得学员可从识别2D图纸到学习各个设备的逻辑，再到缺陷查找和运维，由浅至深地掌握核电站发变组的运维技术。

仿真系统的主界面包括用户注册登录界面和仿真培训主菜单界面，如图3所示。

图3 仿真系统的主界面

通过在Canvas创建Button、InputFiled以及Text控件，可完成登录界面的制作。当学员单击注册按钮后，跳出注册界面，判别学员所输入的注册用户名是否已经被占用。已经注册过的学员在输入用户名和密码后，点击登录，即可进入自己的核电站电气设备仿真培训系统，开始发变组运维的培训与练习。

核电站电气设备可视化系统运行时，生成的报文可通过双击2D模型中对应的电气图标进行查看。相关报文的详细信息可以在右边栏查看。

学员在漫游的同时，还可以进入飞行模式。将飞行模式与地面漫游相结合，学员能够全方位了解核电站电气设备的场景切换，从而提高仿真培训的效果。厂房顶部观测虚拟核电站发电机组的3D效果，如图4所示。

图4 核电站发电机组

4 结 论

核电站发变组二次回路可视化系统是基于核电站工程实际的全方位仿真培训系统，为学员提供了图纸查阅、理论培训以及操作技能练习等多方面内容。核电站发变组的二次回路缺陷查找功能，能够为核电站电气部分运维人员提供一个逼真、直观、便于使用的技能培训系统和综合考核平台，对保证核电站电气部分安全运行、降低事故概率具有重要意义。