侯 玉, 吳旭升, 馮 源

(1. 海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院,湖北 武漢 430033;2. 海軍駐某廠軍事代表室,遼寧 大連 116005)

一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的適用于嵌入式艦船電力虛擬模擬訓(xùn)練的發(fā)電機組仿真方法

侯 玉1,2, 吳旭升1, 馮 源1

(1. 海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院,湖北 武漢 430033;2. 海軍駐某廠軍事代表室,遼寧 大連 116005)

針對嵌入式艦船電力虛擬模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的特點，提出一種適用于嵌入式艦船電力虛擬模擬訓(xùn)練的發(fā)電機仿真方法。設(shè)計構(gòu)建了基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的發(fā)電機組仿真模塊，提出了正常狀態(tài)和故障狀態(tài)兩種模式下的發(fā)電機組仿真狀態(tài)轉(zhuǎn)換方法，簡化了發(fā)電機組仿真模型，使發(fā)電機仿真既滿足了發(fā)電機在模擬訓(xùn)練中訓(xùn)練場景逼真性的要求，又解決了發(fā)電機在模擬訓(xùn)練中訓(xùn)練過程實時性差的問題。

嵌入式;艦船電力;虛擬模擬訓(xùn)練

0 引 言

為保證艦船電力虛擬模擬訓(xùn)練的逼真度問題，需要建立電力系統(tǒng)發(fā)電機組仿真模型，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)及發(fā)電機組仿真技術(shù)和仿真工具，依據(jù)發(fā)電機組的機械特性進行仿真，不僅能獲取發(fā)電機組實時電網(wǎng)參數(shù)，還能獲取發(fā)電機組的內(nèi)在特性，能夠滿足模擬訓(xùn)練逼真度的要求。但是這種仿真技術(shù)在滿足模擬訓(xùn)練實時性要求時，需要高性能計算機硬件和價格昂貴的專用仿真機進行支撐[1-2]。

嵌入式艦船電力虛擬模擬訓(xùn)練系統(tǒng)往往采用艦船實際裝備的硬件，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到陸用模擬訓(xùn)練系統(tǒng)高性能計算機和專用仿真機的性能指標(biāo)，因此用傳統(tǒng)的發(fā)電機組仿真方法難以滿足嵌入式艦船電力模擬訓(xùn)練實時性的要求，有必要研究新的發(fā)電機組仿真方法，使其在嵌入式艦船電力虛擬模擬訓(xùn)練系統(tǒng)硬件條件下，既能真實反映發(fā)電機組運行狀態(tài)，滿足訓(xùn)練場景的逼真度，又能滿足訓(xùn)練過程的實時性要求[3-6]。

1 仿真需求分析及仿真總體思路

傳統(tǒng)發(fā)電機組仿真通過仿真工具對發(fā)電機組進行仿真，主要用于在電力系統(tǒng)設(shè)計階段對設(shè)計正確性的驗證，因此需要通過仿真準(zhǔn)確掌握發(fā)電機組的各種特性，不僅包括發(fā)電機組運行的電氣參數(shù)，還要包括發(fā)電機組內(nèi)在的機械特性，如起動特性、負(fù)載突加突卸特性、負(fù)載三相短路和單相接地典型故障以及并車模型中功率分配特性等。

針對模擬訓(xùn)練的發(fā)電機組仿真主要用于提高艦員針對電力系統(tǒng)操作使用的訓(xùn)練水平，是在電力系統(tǒng)已研制完成并交付使用后進行的。此時電力系統(tǒng)已經(jīng)過設(shè)計、生產(chǎn)、試驗等各個階段，前期設(shè)計提出的技術(shù)要求已經(jīng)得到充分驗證，沒有必要再對發(fā)電機組內(nèi)在的機械特性進行仿真，只需仿真發(fā)電機組在實際運行過程中的各個狀態(tài)，準(zhǔn)確顯示發(fā)電機組在電網(wǎng)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的實際電氣參數(shù)即可。

針對艦船電力模擬訓(xùn)練實際需求分析，可對傳統(tǒng)發(fā)電機組仿真思路進行調(diào)整，提出一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的發(fā)電機組仿真方法，在模擬訓(xùn)練客戶端按照發(fā)電機組運行的各個狀態(tài)，根據(jù)相關(guān)指令進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，各個狀態(tài)的發(fā)電機組電氣參數(shù)通過后端服務(wù)器進行電網(wǎng)拓?fù)浞治龊统绷饔嬎銓崟r得出，并實時上傳至客戶端。該方法既滿足了訓(xùn)練場景逼真度，又滿足了訓(xùn)練過程實時性要求。本文重點論述基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的發(fā)電機組仿真方法。

2 基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的發(fā)電機組仿真模塊構(gòu)建

2.1上級系統(tǒng)總體仿真模塊構(gòu)建

本文基于Qt/Cpp構(gòu)建電力系統(tǒng)實時仿真軟件。該軟件仿真模塊結(jié)構(gòu)由三大類模塊組成：系統(tǒng)綜合及工具類模塊，電力設(shè)備級實體仿真類模塊，電力設(shè)備級虛擬仿真類模塊。其中，與發(fā)電機組仿真相關(guān)的模塊通過系統(tǒng)綜合及工具類模塊中的子模塊全局通用模塊實現(xiàn)。

全局通用模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示。全局通用模塊重點為仿真軟件提供了兩個基礎(chǔ)類SimRange和SimCtroller。SimRange為仿真狀態(tài)通用基類，為模擬發(fā)電機組等模塊提供仿真狀態(tài)的公共接口。SimCtroller為仿真控制器通用基類，為模擬發(fā)電機組等模塊提供仿真控制器的公共接口。全局通用配置和全局通用函數(shù)包為整個仿真模塊提供了所需的通用可更改配置項和工具類方法。

圖1 全局通用模塊

2.2發(fā)電機組仿真狀態(tài)通用基類SimRange設(shè)計方法

圖2和圖3表示了發(fā)電機組仿真狀態(tài)通用基類SimRange的設(shè)計方法。SimRange主要用于模擬仿真狀態(tài)的生命周期。其內(nèi)部內(nèi)置了一個定時器timer，用于在仿真步長時鐘滴答發(fā)生時，對具體綁定對象的屬性進行更新。tInterval參數(shù)用于控制仿真步長的大小。tElapse參數(shù)用于控制仿真狀態(tài)運行的總時間。具體的工作原理如下：

圖2 SimRange類圖

圖3 SimRange狀態(tài)圖

當(dāng)SimRange初始化之后，發(fā)電機組首先進入仿真結(jié)束狀態(tài)，此時內(nèi)部定時器不工作，tInterval與tElapse值為初始化的默認(rèn)值。

當(dāng)操作startSim發(fā)生時，觸發(fā)SimRange動作，并轉(zhuǎn)入仿真運行狀態(tài)，此時發(fā)電機組內(nèi)部定時器按照指定或默認(rèn)的tInterval開始運行，并當(dāng)仿真步長時鐘滴答發(fā)生時，執(zhí)行周期性函數(shù)timer_onTimeout()，timer_onTimeout()對具體綁定對象的屬性進行更新，同時更新tElapse屬性的值。

當(dāng)操作stopSim發(fā)生時，觸發(fā)SimRange動作，發(fā)電機組轉(zhuǎn)入仿真暫停狀態(tài)，此時內(nèi)部定時器暫停運行，tElapse值保持不變。

當(dāng)操作endSim發(fā)生時，觸發(fā)SimRange動作，發(fā)電機組轉(zhuǎn)入仿真結(jié)束狀態(tài)，此時內(nèi)部定時器暫停運行，tElapse值清零。

由上可知，SimRange類為發(fā)電機組實時仿真提供了基本且必要的屬性和操作方法，發(fā)電機組仿真中所有需要對數(shù)據(jù)進行定期更新的對象均需要繼承SimRange并實現(xiàn)自身的狀態(tài)更新。

2.3發(fā)電機組仿真控制器通用基類SimController的設(shè)計方法

發(fā)電機組的狀態(tài)轉(zhuǎn)換主要通過發(fā)電機組仿真控制器通用基類SimController來完成。對于通過指令下達(dá)以進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移的狀態(tài)階段，上述發(fā)電機組控制器接收到合法指令之后，控制器調(diào)用內(nèi)置的兩個轉(zhuǎn)換的發(fā)電機組狀態(tài)階段屬性對象，首先調(diào)用當(dāng)前狀態(tài)階段屬性對象的stopSim()方法暫停當(dāng)前狀態(tài)階段的仿真，隨后立即調(diào)用待轉(zhuǎn)換的狀態(tài)階段屬性對象的startSim()方法開始下一狀態(tài)階段的仿真。

對于通過狀態(tài)本身仿真完成后自動轉(zhuǎn)移的狀態(tài)階段，上述發(fā)電機組控制器在接收到對應(yīng)的狀態(tài)階段類仿真結(jié)束的信號后，首先調(diào)用當(dāng)前狀態(tài)階段屬性對象的stopSim()方法暫停當(dāng)前狀態(tài)階段的仿真，隨后立即調(diào)用待轉(zhuǎn)換的狀態(tài)階段屬性對象的startSim()方法開始下一狀態(tài)階段的仿真。

3 發(fā)電機組運行狀態(tài)分析及狀態(tài)轉(zhuǎn)換仿真方法

3.1發(fā)電機組運行狀態(tài)分析

根據(jù)艦船電力系統(tǒng)運行實際情況對發(fā)電機組運行的各個狀態(tài)進行分析，包括正常模式和故障模式兩種，其中正常模式包括停機、備車、起動、恒定運行、并車、停機等狀態(tài)，其中備車、停機的狀態(tài)分為暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩個階段，穩(wěn)定運行的狀態(tài)存在變速、變載情況。故障模式包括一般故障、換機故障和緊急停機故障等狀態(tài)。

3.2正常模式下發(fā)電機組狀態(tài)轉(zhuǎn)換仿真方法

正常模式下發(fā)電機組狀態(tài)轉(zhuǎn)換仿真方法如圖4，圖中任意一個狀態(tài)均對應(yīng)一個SimRange的子類，如并車狀態(tài)，對應(yīng)SimRange的子類JiZuChaiYouBingCheRange等。這些SimRange子類對相應(yīng)的機組參數(shù)進行重構(gòu)。根據(jù)發(fā)電機組實際運行邏輯，有的狀態(tài)較為穩(wěn)定，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移需要通過接收到的指令來實現(xiàn)，如停機、備車完畢、恒定運行等，有的狀態(tài)則為暫態(tài)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移則在狀態(tài)本身仿真完成后自動轉(zhuǎn)移，如備車暫態(tài)、變速、變壓、變載、并車、起動、停機暫態(tài)等。

圖4 正常模式下發(fā)電機組狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3.3故障模式下發(fā)電機組狀態(tài)轉(zhuǎn)換仿真方法

故障模式下發(fā)電機組狀態(tài)轉(zhuǎn)換仿真方法如圖5。當(dāng)機組處于正常模式，分別接收到來自系統(tǒng)內(nèi)部合法的模擬故障指令，則經(jīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換進入相應(yīng)的故障模式。當(dāng)機組處于故障模式下，分別接收到來自系統(tǒng)內(nèi)部合法的模擬故障消除指令，則經(jīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換回到正常模式。

圖5 故障模式下發(fā)電機組狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

4 結(jié) 語

本文針對嵌入式艦船電力虛擬模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的特點，對其發(fā)電機仿真的需求進行分析，提出一種適用于嵌入式艦船電力虛擬模擬訓(xùn)練的發(fā)電機仿真方法。設(shè)計構(gòu)建了基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的發(fā)電機組仿真模塊，對發(fā)電機組運行狀態(tài)進行分析，提出了正常狀態(tài)和故障狀態(tài)兩種模式下的發(fā)電機組狀態(tài)轉(zhuǎn)換仿真方法。該仿真方法簡化了發(fā)電機組仿真模型，提高了發(fā)電機組仿真速度。用該仿真方法構(gòu)建的電力虛擬模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，通過運行表明，該仿真方法在保證訓(xùn)練場景逼真的前提下，解決了模擬訓(xùn)練中發(fā)電機組參數(shù)變化難以實現(xiàn)實時性的問題。

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AGeneratorSimulatedMethodforVirtualSimulatedTrainingofEmbeddedMarineElectricPowerBasedonStateTransition

HOUYu1,2,WUXusheng1,FENGYuan1

(1. College of Electric Engineering, Naval Engineering University, Wuhan 430033, China;2. Naval Representative Office, Dalian 116005, China)

Aiming at characteristics of the embedded virtual simulated training of marine power system, a generator simulated method for virtual simulated of embedded marine electric power was proposed in this paper. The simulated methods of generator normal state transition and fault state transition were both presented, which simplified the simulated state of generator. The simplified method not only made the training scene look realistic, but also made the training process meet the real-time requirement in simulated training.

embeddedsystem;marinepowersystem;virtualsimulatedtraining

侯 玉(1983—)，男，博士研究生，研究方向為電氣工程。

TM 31

A

1673-6540(2017)10- 0063- 04

2017 -09 -20