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(jī)組仿真方法

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(chǎng)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(jī)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(chǎng)軍事代表室,遼寧 大連 116005)

針對(duì)嵌入式艦船電力虛擬模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的特點(diǎn)，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(jī)仿真方法。設(shè)計(jì)構(gòu)建了基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的發(fā)電機(jī)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(jī)組仿真狀態(tài)轉(zhuǎn)換方法，簡(jiǎn)化了發(fā)電機(jī)組仿真模型，使發(fā)電機(jī)仿真既滿(mǎn)足了發(fā)電機(jī)在模擬訓(xùn)練中訓(xùn)練場(chǎng)景逼真性的要求，又解決了發(fā)電機(jī)在模擬訓(xùn)練中訓(xùn)練過(guò)程實(shí)時(shí)性差的問(wèn)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(wèn)題，需要建立電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組仿真模型，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)組仿真技術(shù)和仿真工具，依據(jù)發(fā)電機(jī)組的機(jī)械特性進(jìn)行仿真，不僅能獲取發(fā)電機(jī)組實(shí)時(shí)電網(wǎng)參數(shù)，還能獲取發(fā)電機(jī)組的內(nèi)在特性，能夠滿(mǎn)足模擬訓(xùn)練逼真度的要求。但是這種仿真技術(shù)在滿(mǎn)足模擬訓(xùn)練實(shí)時(shí)性要求時(shí)，需要高性能計(jì)算機(jī)硬件和價(jià)格昂貴的專(zhuān)用仿真機(jī)進(jìn)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(shí)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(jì)算機(jī)和專(zhuān)用仿真機(jī)的性能指標(biāo)，因此用傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組仿真方法難以滿(mǎn)足嵌入式艦船電力模擬訓(xùn)練實(shí)時(shí)性的要求，有必要研究新的發(fā)電機(jī)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(shí)反映發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，滿(mǎn)足訓(xùn)練場(chǎng)景的逼真度，又能滿(mǎn)足訓(xùn)練過(guò)程的實(shí)時(shí)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(jī)組仿真通過(guò)仿真工具對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行仿真，主要用于在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段對(duì)設(shè)計(jì)正確性的驗(yàn)證，因此需要通過(guò)仿真準(zhǔn)確掌握發(fā)電機(jī)組的各種特性，不僅包括發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的電氣參數(shù)，還要包括發(fā)電機(jī)組內(nèi)在的機(jī)械特性，如起動(dòng)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(chē)模型中功率分配特性等。

針對(duì)模擬訓(xùn)練的發(fā)電機(jī)組仿真主要用于提高艦員針對(duì)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(jìn)行的。此時(shí)電力系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)等各個(gè)階段，前期設(shè)計(jì)提出的技術(shù)要求已經(jīng)得到充分驗(yàn)證，沒(méi)有必要再對(duì)發(fā)電機(jī)組內(nèi)在的機(jī)械特性進(jìn)行仿真，只需仿真發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的各個(gè)狀態(tài)，準(zhǔn)確顯示發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的實(shí)際電氣參數(shù)即可。

針對(duì)艦船電力模擬訓(xùn)練實(shí)際需求分析，可對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組仿真思路進(jìn)行調(diào)整，提出一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的發(fā)電機(jī)組仿真方法，在模擬訓(xùn)練客戶(hù)端按照發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的各個(gè)狀態(tài)，根據(jù)相關(guān)指令進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，各個(gè)狀態(tài)的發(fā)電機(jī)組電氣參數(shù)通過(guò)后端服務(wù)器進(jìn)行電網(wǎng)拓?fù)浞治龊统绷饔?jì)算實(shí)時(shí)得出，并實(shí)時(shí)上傳至客戶(hù)端。該方法既滿(mǎn)足了訓(xùn)練場(chǎng)景逼真度，又滿(mǎn)足了訓(xùn)練過(guò)程實(shí)時(shí)性要求。本文重點(diǎn)論述基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的發(fā)電機(jī)組仿真方法。

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

2.1上級(jí)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(shí)時(shí)仿真軟件。該軟件仿真模塊結(jié)構(gòu)由三大類(lèi)模塊組成：系統(tǒng)綜合及工具類(lèi)模塊，電力設(shè)備級(jí)實(shí)體仿真類(lèi)模塊，電力設(shè)備級(jí)虛擬仿真類(lèi)模塊。其中，與發(fā)電機(jī)組仿真相關(guān)的模塊通過(guò)系統(tǒng)綜合及工具類(lèi)模塊中的子模塊全局通用模塊實(shí)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(diǎn)為仿真軟件提供了兩個(gè)基礎(chǔ)類(lèi)SimRange和SimCtroller。SimRange為仿真狀態(tài)通用基類(lèi)，為模擬發(fā)電機(jī)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(lèi)，為模擬發(fā)電機(jī)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(gè)仿真模塊提供了所需的通用可更改配置項(xiàng)和工具類(lèi)方法。

圖1 全局通用模塊

2.2發(fā)電機(jī)組仿真狀態(tài)通用基類(lèi)SimRange設(shè)計(jì)方法

圖2和圖3表示了發(fā)電機(jī)組仿真狀態(tài)通用基類(lèi)SimRange的設(shè)計(jì)方法。SimRange主要用于模擬仿真狀態(tài)的生命周期。其內(nèi)部?jī)?nèi)置了一個(gè)定時(shí)器timer，用于在仿真步長(zhǎng)時(shí)鐘滴答發(fā)生時(shí)，對(duì)具體綁定對(duì)象的屬性進(jìn)行更新。tInterval參數(shù)用于控制仿真步長(zhǎng)的大小。tElapse參數(shù)用于控制仿真狀態(tài)運(yùn)行的總時(shí)間。具體的工作原理如下：

圖2 SimRange類(lèi)圖

圖3 SimRange狀態(tài)圖

當(dāng)SimRange初始化之后，發(fā)電機(jī)組首先進(jìn)入仿真結(jié)束狀態(tài)，此時(shí)內(nèi)部定時(shí)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(shí)，觸發(fā)SimRange動(dòng)作，并轉(zhuǎn)入仿真運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)組內(nèi)部定時(shí)器按照指定或默認(rèn)的tInterval開(kāi)始運(yùn)行，并當(dāng)仿真步長(zhǎng)時(shí)鐘滴答發(fā)生時(shí)，執(zhí)行周期性函數(shù)timer_onTimeout()，timer_onTimeout()對(duì)具體綁定對(duì)象的屬性進(jìn)行更新，同時(shí)更新tElapse屬性的值。

當(dāng)操作stopSim發(fā)生時(shí)，觸發(fā)SimRange動(dòng)作，發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)入仿真暫停狀態(tài)，此時(shí)內(nèi)部定時(shí)器暫停運(yùn)行，tElapse值保持不變。

當(dāng)操作endSim發(fā)生時(shí)，觸發(fā)SimRange動(dòng)作，發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)入仿真結(jié)束狀態(tài)，此時(shí)內(nèi)部定時(shí)器暫停運(yùn)行，tElapse值清零。

由上可知，SimRange類(lèi)為發(fā)電機(jī)組實(shí)時(shí)仿真提供了基本且必要的屬性和操作方法，發(fā)電機(jī)組仿真中所有需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定期更新的對(duì)象均需要繼承SimRange并實(shí)現(xiàn)自身的狀態(tài)更新。

2.3發(fā)電機(jī)組仿真控制器通用基類(lèi)SimController的設(shè)計(jì)方法

發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)轉(zhuǎn)換主要通過(guò)發(fā)電機(jī)組仿真控制器通用基類(lèi)SimController來(lái)完成。對(duì)于通過(guò)指令下達(dá)以進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移的狀態(tài)階段，上述發(fā)電機(jī)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(gè)轉(zhuǎn)換的發(fā)電機(jī)組狀態(tài)階段屬性對(duì)象，首先調(diào)用當(dāng)前狀態(tài)階段屬性對(duì)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(duì)象的startSim()方法開(kāi)始下一狀態(tài)階段的仿真。

對(duì)于通過(guò)狀態(tài)本身仿真完成后自動(dòng)轉(zhuǎn)移的狀態(tài)階段，上述發(fā)電機(jī)組控制器在接收到對(duì)應(yīng)的狀態(tài)階段類(lèi)仿真結(jié)束的信號(hào)后，首先調(diào)用當(dāng)前狀態(tài)階段屬性對(duì)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(duì)象的startSim()方法開(kāi)始下一狀態(tài)階段的仿真。

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

3.1發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)分析

根據(jù)艦船電力系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際情況對(duì)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的各個(gè)狀態(tài)進(jìn)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(jī)、備車(chē)、起動(dòng)、恒定運(yùn)行、并車(chē)、停機(jī)等狀態(tài)，其中備車(chē)、停機(jī)的狀態(tài)分為暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩個(gè)階段，穩(wěn)定運(yùn)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(jī)故障和緊急停機(jī)故障等狀態(tài)。

3.2正常模式下發(fā)電機(jī)組狀態(tài)轉(zhuǎn)換仿真方法

正常模式下發(fā)電機(jī)組狀態(tài)轉(zhuǎn)換仿真方法如圖4，圖中任意一個(gè)狀態(tài)均對(duì)應(yīng)一個(gè)SimRange的子類(lèi)，如并車(chē)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)SimRange的子類(lèi)JiZuChaiYouBingCheRange等。這些SimRange子類(lèi)對(duì)相應(yīng)的機(jī)組參數(shù)進(jìn)行重構(gòu)。根據(jù)發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行邏輯，有的狀態(tài)較為穩(wěn)定，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移需要通過(guò)接收到的指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，如停機(jī)、備車(chē)完畢、恒定運(yùn)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(dòng)轉(zhuǎn)移，如備車(chē)暫態(tài)、變速、變壓、變載、并車(chē)、起動(dòng)、停機(jī)暫態(tài)等。

圖4 正常模式下發(fā)電機(jī)組狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3.3故障模式下發(fā)電機(jī)組狀態(tài)轉(zhuǎn)換仿真方法

故障模式下發(fā)電機(jī)組狀態(tài)轉(zhuǎn)換仿真方法如圖5。當(dāng)機(jī)組處于正常模式，分別接收到來(lái)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(jìn)入相應(yīng)的故障模式。當(dāng)機(jī)組處于故障模式下，分別接收到來(lái)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(jī)組狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)嵌入式艦船電力虛擬模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)其發(fā)電機(jī)仿真的需求進(jìn)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(jī)仿真方法。設(shè)計(jì)構(gòu)建了基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的發(fā)電機(jī)組仿真模塊，對(duì)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)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(jī)組狀態(tài)轉(zhuǎn)換仿真方法。該仿真方法簡(jiǎn)化了發(fā)電機(jī)組仿真模型，提高了發(fā)電機(jī)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(guò)運(yùn)行表明，該仿真方法在保證訓(xùn)練場(chǎng)景逼真的前提下，解決了模擬訓(xùn)練中發(fā)電機(jī)組參數(shù)變化難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的問(wèn)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?yàn)殡姎夤こ獭?/p>

TM 31

A

1673-6540(2017)10- 0063- 04

2017 -09 -20