电力系统仿真及应用

电力系统仿真及应用（共12篇）

电力系统仿真及应用 篇1

0引言

采用仿真的手段来开展电子信息系统性能测试和流程验证是目前军事信息系统综合集成的重要研究课题之一[1]。该技术途径是通过连接仿真应用系统和实际的信息系统,一方面依靠仿真系统作为测试信源来驱动,产生大量仿真数据注入各功能域的实际装备系统,实现信息系统的有效运行,验证其技术及算法,测试其功能及性能指标;另一方面将各仿真系统和实装系统集成到一个交互式环境中,按照预先想定及规划预案进行各种规模的综合训练和演习,验证系统相关协同模型及工作流程[2]。

在仿真领域,各仿真成员在高层次仿真体系结构HLA技术体制下,通过统一的运行时间支撑框架RTI实现HLA接口规范中的所有服务功能,完成仿真过程中的各个交互。在指挥自动化领域,实际信息系统参照真实装备要求设计,应用任务各异,通信协议复杂,消息格式种类多样。如何将基于HLA的仿真系统接入实际装备信息系统,使两者互连互通,是一个普遍存在的问题,同时具有一定的复杂性。在这种需求牵引下,提出通过基于HLA/RTI的仿真代理系统作为系统集成接口连接仿真系统和实装系统,保证两者正确交互,实现两者协同工作,并应用于一个典型的弹道导弹攻防系统中。

1系统集成设计

1.1集成要求

无论是从系统结构上看还是就采用的数据模型而言,仿真应用系统和实际信息系统有本质区别:(1)两者信息交互机制不同。仿真系统使用对象模型,采用对象属性的更新与反射、交互参数的发送与接收;实装系统使用数据模型,采用结构固定的网络报文的收发方式。(2)两者时间管理策略不同。仿真系统时间采用RTI集中管理,RTI通过时间管理服务将各仿真成员协调起来,保证联邦范围内事件逻辑的正确性;实装系统是物理时钟推进,各功能域信息系统按照各自的物理时间推进[3]。

为实现系统集成,达到交互运行的目的,重点需要解决以下问题:(1)要进行数据协议格式转换处理,正确转发不同信息交互机制的数据;(2)要将协调推进的仿真系统时间与独立推进的实装系统时间统一起来。

1.2集成方案

仿真系统和实装系统集成方案如图1所示。方案以仿真代理系统作为系统集成接口,在网络层面上实现仿真系统和实装系统的物理连接,在服务和应用层面上提供两者的信息传递和交互,并利用这些所交换的信息使得各系统有效地一起工作。其中仿真联邦成员以HLA数据格式通过RTI平台与仿真代理进行通信,实装系统以协议消息格式通过实装接入网络与仿真代理进行通信,数据经过仿真代理协议格式转换以后流向对方,仿真代理主要完成仿真系统和实装系统间的数据过滤和中转以及时间空间和行为等方面的匹配。

2 仿真代理系统开发

2.1 系统组成

基于HLA/RTI的仿真代理系统在仿真系统和实装系统间起到桥接器作用。一方面仿真代理作为一个联邦成员加入到仿真系统中,订购仿真联邦成员的仿真数据,转换为实装系统特定数据格式,分发到各功能域信息系统。另一方面仿真代理接收实装系统的数据,转换为RTI规定格式,公布给各仿真联邦成员。同时协调系统同步也是仿真代理的重要功能。以下将仿真代理划分为4大功能模块:

(1) 联邦代理功能模块:在仿真运行时间支撑框架下,以联邦成员身份加入仿真系统,声明对象和交互,实现对其他联邦成员的仿真数据订购和公布处理;

(2) 通信代理功能模块:在实装接入通信网络中,与实装接入系统进行端口通信,实现对实装系统的信息数据收发控制处理;

(3) 数据转换功能模块:实现仿真对象属性数据和交互参数数据解析,分离出仿真信息数据,封装成实装系统要求的数据格式;实现对实装系统信息数据的解析,按照对象属性和交互参数的格式封装;

(4) 同步代理功能模块:基于RTI时间管理服务,获取并持续分发时间信息,同步校正实装系统和仿真系统的网络时钟,保证系统实时同步。

2.2 数据转换

仿真应用和信息系统交互运行需要交换的数据分为持久数据、非持久数据、运行控制交互三类。持久数据是初始化阶段设置、相对静止的一类数据,包括编制信息、装备信息、任务计划信息等;非持久数据是反映实体状态更新或行为状态变化、非常短暂的一类数据,包括态势信息、情报信息、命令信息等;运行控制交互是完成接口控制必需的包含一系列指令和交互操作的一类信息。分析仿真应用和信息系统在数据元素定义以及数据表示和执行方式上的差异,仿真代理对流动在两者之间的三类数据采取了不同的交互措施。

仿真代理本质上是HLA联邦中的一个成员,开发方式与其他联邦成员相同。在仿真联邦内部,数据依据规范化格式生成的联邦对象模型,以类和实例的形式分别进行定义和具体实现,包括对象类和交互类,其中对象类是描述固有属性或特征,交互类是描述瞬间工作或行为[4]。对象类和交互类的设计,实质上是确定联邦成员之间以及仿真和实装之间信息交互的数据流和控制流。

对非持久数据,仿真代理按照应用定义FOM表对其感兴趣的目标状态、探测情报等数据分别进行对象类/交互类订购声明,在联邦仿真运行过程中获取所需的对象属性、交互参数,解析仿真数据,分离出信息内容,通过专用格式转换动态库组件封装成符合实装要求的报文格式或军用文电传输格式。最终信息数据在仿真推进前通过实装接入网络通信信道发送出去。运行控制交互是控制或协调仿真运行与实装系统常驻活动执行的必要信息,实际上也是按照交互类来定义和实现的。仿真代理接收并响应联邦运行监控成员发出的加载脚本、初始属性更新、开始、暂停、继续及停止等命令,与其他联邦成员保持同步推进的同时,协调各实装系统进行必要的关键数据存储、核心进程控制等。而针对持久数据,XML配置文件里描述了系统配置及作战想定,在仿真加载脚本和初始属性更新阶段,仿真代理和其他成员一样从XML文件中获取配置信息和想定信息进行各自的状态初始化,同时仿真代理将配置及想定相关数据映射到实装数据库系统,触发实装系统的初始化工作,以保证两者初始状态的一致性,并驱动仿真运行就绪[5]。

对实装系统需要传递给仿真系统的控制信息、命令信息等,仿真代理按照实装接入通信网络建立通信链路,通过通信信道获取这类数据。仿真代理在声明管理里进行相关对象类/交互类公布声明,仿真运行中对获取到的数据展开识别分类,提取有用的信息进行HLA对象属性或交互参数赋值,反射或发送给感兴趣的其他联邦成员。

2.3 同步代理

仿真代理数据转换在提供仿真系统和实装系统底层双向通信的前提下,保证两者之间相互理解来自对方的信息并做出相应的反应,而同步代理则保证实装系统发生的事件和仿真联邦成员发生的事件在一个统一的时间轴上正确的发生。

HLA时间管理策略分为时间控制和时间受限两种,用以描述联邦成员之间逻辑时钟推进的关系。经过分析验证,仿真代理成员采用时间控制不受限、其他成员采用时间控制并受限的策略,且要求成员推进到仿真时间点才发出该时刻的数据,能够保证仿真联邦内的数据收发正确性和精度。在RTI时间管理服务下,仿真代理持续获取并分发时间信息,同步校正实装系统和仿真系统的网络时钟。同时仿真系统和实装系统交互的信息都加有时戳,仿真数据的时戳是仿真时间,经过仿真代理接收后加上想定中仿真开始时间转换为物理时间值,转发至实装系统。实装系统收到数据后比对信息中物理时间值与本地时间,考虑到通信网络延迟,这个时间差值要维持在一定范围内,时间差超过时限的数据要舍弃。反之,对来自实装系统的和仿真时间匹配不上的无效数据也进行过滤,不作仿真反射和仿真公布。

2.4 工作流程

仿真代理工作流程如图2所示。在系统运行工作状态下,仿真代理启动仿真线程。仿真开始前,仿真代理同联邦内其他成员按照XML配置和想定信息进行脚本加载,映射实装数据库数据并触发实装系统初始化。仿真开始后,仿真代理持续获取仿真作战时间并向全系统分发,以校准同步全系统,同时接收仿真数据和实装信息数据,进行相应的解析、封装、发送。针对系统成员多、数据传输量大的情况,为提高传输性能,仿真代理实现上采用分类双缓冲队列方式,接收并经过转换处理的仿真数据和实装接口标准数据按照顺序分别放入不同的缓冲队列中,在请求仿真推进前从相应的缓冲队列中获取数据,通过通信信道发送出去或通过HLA对象类/交互类发送出去。这样的处理方式保证数据收发时序性的同时可有效避免收发并行处理可能带来的数据丢失。

3 应用实例

本文将仿真代理系统应用于一个典型的弹道导弹攻防系统中,实现了传感器、拦截武器等仿真系统与预警信息处理、指挥控制等实际装备信息系统的集成和互连互通。仿真代理作为系统集成接口,一方面向实装系统输入传感器、拦截武器、作战仿真导调等仿真成员产生的探测信息、状态信息、导调信息、同步作战时间信息等数据,另一方面向仿真成员分发来自预警信息处理、指挥控制等实装系统的情报信息、命令信息、控制信息、指示信息等。

通过仿真代理GUI接收数据页面及发送数据页面查看数据收发列表,能够准确掌握转发数据的信息类型、信息内容及信息流向等,实现实时监测系统运行过程中仿真系统和实装系统之间的数据传递情况。在实际应用过程中,系统运行稳定,数据传输顺畅,应用效果良好。

4 系统的扩展性和通用性

随着建模仿真领域和指挥自动化领域的系统应用越来越普遍,仿真系统和实装系统的集成需求也随之增加。在区域防空、联合作战、空情预警、弹道导弹攻防等针对特定任务的综合电子信息系统中,由于系统应用领域不同、结构组成各异,必将涉及不同分工、不同体制系统之间的协同和综合集成。仿真代理系统可针对任务需求差异,在四大功能模块内部实现机制上灵活开发。同时,由于综合电子信息系统中涉及的仿真成员、功能域信息系统种类众多,相应的仿真代理系统规模不断扩大,从提高系统结构化程度和通用性程度的角度来说,将4大功能模块分解为相对单一和独立的单元组件,并开放设计接口,可减少系统开发工作量,方便系统重组、更新、移植及新建。

可区分具体运行仿真系统应用软件的异构仿真运行支撑平台,如pRTI、MAKRTI、KD-RTI等,设计开发不同的联邦代理功能模块组件。实现通信代理功能模块时,可针对作战指挥网、情报保障网、武器控制网等具体的通信网络和通信协议设计开发,来实现与实装系统的接入及通信。在数据转换功能模块设计实现中,对情报侦察信息、预警探测信息、电子对抗信息、指挥控制信息等特定的实装系统接口标准调用特定的格式转换模块来完成实装协议数据到RTI交互类数据的转换,或者针对特殊的接口定制实现相应的数据格式转换组件。

仿真代理系统主要功能模块扩展重用如图3所示。

5 结束语

本文对仿真系统和实装系统集成开展了分析研究,设计开发了仿真代理作为系统集成接口,支持仿真系统和实装系统的即插即用,解决异构系统的综合集成问题。应用于弹道导弹攻防这样高度依赖信息传递的复杂作战系统中,保证了系统间的通信互连和信息互通,具备良好的数据交互性和时间同步性。针对不同的应用需求,开发相对独立的联邦代理组件、通信代理组件、数据转换组件,以支撑各类仿真环境和各种应用实装系统的集成和互连互通,将是下阶段的主要研究方向。

摘要：为了满足仿真系统和实装系统的集成需求,提出以基于高级体系结构(High level architec-ture,HLA)的运行支撑环境(Release to the internet,RTI)仿真代理系统作桥接,实现系统间互连互通和协同工作的系统集成方案,针对不同系统间信息交互机制不同及时间管理策略不同的问题,仿真代理系统设计实现了联邦代理、通信代理、数据转换、同步代理四大功能模块,给出了应用实例,并对系统扩展性和通用性进行了初步探讨。

关键词：系统集成,仿真代理,高级体系结构,数据转换

参考文献

[1]江汉.C4ISR半实物仿真系统互联设计及其互操作[J].计算机仿真,2006,23(5):21-23.

[2]侯锋.C4ISR系统与仿真应用互操作研究[J].情报指挥控制系统与仿真技术,2004,26(5):65-69.

[3]李露楠.基于HLA的半实物仿真时间管理策略的研究和实现[J].遥测遥控,2006,27(2):58-62.

[4]周彦.HLA仿真程序设计[M].北京:电子工业出版社,2002.

[5]胡智,殷人昆.基于最小割集的安全性测试技术研究[J].计算机测量与控制,2010,18(5):1017-1020.

电力系统仿真及应用 篇2

【关键词】数控技术;数控仿真;教学水平;优势与不足

随着现代科学技术的发展,数控技术在机械制造领域日益普及与提高，不同系统不同型号的数控机床在机械制造领域应用越来越广泛，因此，为企业培养数控技术高级应用型人才，是我们职业院校的首要任务。

怎样才能根据社会需求，培养出数控编程和数控机床操作的数控技术高级应用型人才是我们数控专业教师所面临的主要问题。

作为数控专业的教师，我们要探索出一条即符合学校的教学实情又能与企业很好接轨的一条教学特色之路。

科学技术的快速发展，对数控技术高级应用型人才形成了巨大的需求，职业院校如何利用数控加工仿真系统进行教学更是处在探索阶段,因此有必要对数控仿真软件进行科学的分析，明确其优势与不足，在数控教学中合理运用数控仿真软件，会收到事半功倍的教学效果。

1.数控仿真软件在数控教学中应用的优势

1.1减少学校数控教学设备的投入，解决了数控机床少，实习学生多等矛盾

数控机床是高精度和高生产率的自动化加工机床，目前，数控机床的品种很多，价格昂贵，一台普通数控铣床或数控车床价格一般在7—10万，一台小型加工中心价格一般在10—30万，进口的数控机床价格多达上百万甚至上千万。

学校从教学成本考虑，不会大批量购置数控机床，一般会选购几台数控机床，供学生实习，导致实习数控机床数量少，种类少，学生上机操作时间少，不能很好的完成实习任务。

使用数控仿真软件，实现了学校资金投入少，占地面积小，保证了一人一机，使每个学生有足够的时间熟悉仿真软件里的机床的操作，提高了教学质量，很好的解决了数控设备少，实习学生多的现状，缓解了教学压力。

1.2数控仿真软件能够引起学生的学习兴趣，激发学生的学习热情

职业院校的学生的知识水平较低，而数控专业教学理论知识比较抽象，学生易感到枯燥、乏味，应用数控仿真软件，使很多知识更生动和直观，例如对刀、程序的.输入与验证等。

应用仿真软件，可以直观的看到操作过程，学中做，做中学。

这样能够引起学生的学习兴趣，激发学生的学习热情。

教师还要积极引导学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。

1.3无安全隐患，全面提高学生编程能力

数控机床价格昂贵，学生在数控实际操作过程中特别是初学者，没有任何加工经验，如果直接到数控机床上进行实操学习，易出现由于考虑不周全，安全意识淡漠而出现打刀，撞机等现象，甚至对机床和操作者造成伤害。

数控加工仿真系统是基于虚拟现实的仿真软件，是利用计算机来虚拟动画技术来模拟实际的加工过程。

学生可以通过仿真软件熟悉数控机床操作面板，可以放心验证程序，通过反复练习，全面提高学生的编程能力，同时也减少了零件的废品率。

1.4数控仿真软件中的数控机床的系统多,型号多，便于学生开拓视野，全面学习

目前，数控机床的种类很多，呈现系统多样化，型号多样化，并随着科学技术的快速发展，不断更新，而一般学校的数控设备受教学成本的限制，机床系统和型号比较单一，而应用数控仿真软件就能可以弥补这方面缺陷。

例如上海宇龙仿真软件，它拥有多种系统多种厂家生产的多种型号的数控机床，让学生在操作真正的机床前先充分掌握安装了不同类型数控系统的机床的加工仿真操作，同时通过仿真演示积累一定的数控加工实际操作经验，能全面学习数控车、数控铣及加工中心等多种型号机床的操作知识，使学生开拓了视野，扩展了知识面。

通过严格的学习、指导与训练，学生理论知识与操作技能，通过反复练习均会得到全面的发展与提高，学生毕业时分配到不同的生产企业，能很快适应企业的不同数控系统的数控机床的编程及操作

1.5实训教学应用数控加工仿真软件可降低教学成本

实训教学应用数控仿真软件，可以减少上机床操作时间。

将编程及验证程序的操作由数控仿真仿真软件完成。

首先可以安排学生根据图纸的要求，编制零件加工程序，并使用数控仿真软件进行模拟加工，验证程序的正确性，并及时修改，然后将修改后的正确程序输入机床，进行零件加工，这样可以大大减少占用机床时间，降低实训的消耗，从而降低教学成本。

1.6数控仿真软件是数控大赛的一个考核模块

近几年数控大赛的比赛形式逐渐发生改变，比赛通常分为3个模块，第一模块理论考试，第二模块数控仿真，第三模块实际操作。

因此，学校为了适应社会的发展，应鼓励教师合理应用数控仿真软件教学。

1.7教师轻松教学,教学效果明显改善

数控教学中应用数控仿真软件，学生不仅在学校有了更多的练习时间，还可以自己下载数控仿真软件，放学后，随时练习。

学习过程中，遇到问题，可以先独立思考，也可以和同学探讨，还可以带入学校，向老师请教。

以往实操示范操作时，一名教师示范操作并讲解，20—40名学生听课，实操现场噪音比较大，听课人多，影响授课效果，如果分组演示教学，教师就得重复讲解几遍，工作劳动强度增大。

电力系统仿真及应用 篇3

关键词：仿真 培训 提高 技能

中图分类号：F279文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（b）-0229-01

随着电力工业的快速发展，火力发电已步入大容量、高参数、高自动化时期，如何让运行人员尽快熟悉大型火力发电机组的特性，真正实现精确控制、完全驾驭，让大型发电机组安全稳定运行，发挥其应有经济环保的优势，是当前各发电企业都在不断摸索的课题。

1 引入仿真机培训的初衷

鸿山热电公司2*600 MW超临界火力发电机组分别于2011年1月10、1月31日正式转入商业运转，目前电厂运行人员按定员编制，运行员工少且都是应届毕业生，实践操作经验不足。

自基建即将转入生产之时，鸿山热电就充分认识到想要快速提高运行人员的实际操作水平，仅仅依靠理论知识以及“等待机组投产后通过异常事件处理积累经验”是不现实的。要在最短的时间内提高运行人员的综合技能，仿真机培训无疑是最为有效的培训模式之一。

2 仿真机系统简介

鸿山热电公司600 MW机组仿真机系统在公司#1机组的模型上进行分模型详设，因此监控画面动态显示和操作界面与现场一致，就地操作站、NCS操作站、輔网操作站显示覆盖面广、画面齐全，动、静态特性符合参考机组的实际运行特性和趋势，其优点主要集中在几下几点。

2.1 仿真性

仿真机具有和实际机组完全一致的工程师界面，控制策略和人机界面的组态方式与实际机组基本相同。因此，新型仿真机不仅能够培训电厂运行人员，还能够培训电厂热工人员；同时还能用于控制策略的组态验证，辅助DCS系统的调试和维护。

2.2 开放性

仿真机演练打破了演练空间上的限制，如果将仿真机与网络联通，那么运行人员在任何地方，只要通过相关网络通信设备即可进入仿真机系统进行仿真实战演习操作。

2.3 针对性

与现场DCS实际操作相比，仿真机可以方便的模拟任何工况、任何事故，借助虚拟现实技术，运行人员可以将自身置于各种复杂工况、突发事故中去，从而进行针对性训练，提高自身的应变能力与事故处理技能。

2.4 自主性

借助仿真演练系统，可以根据自身实际需求组织相关人员进行演练，并快速取得演练结果，进行演练评估和改进。学习人员始终处于培训的主导地位，掌握受训主动权，增加演练时间和演练效果。

3 鸿山热电公司仿真机培训实践

3.1 落实专人管理

公司制定了《仿真机培训及其管理办法》，由公司行政管理部门教育培训主管全面负责管理仿真机培训规划，生产部门安全培训主管负责具体上机培训管理，同时抽取高岗位人员兼做仿真机教练员。

3.2 制定培训规划

公司每年均制定年度教育培训工作计划，将仿真机培训做为运行人员重点培训内容进行不间断的上机轮训。培训方式分为：全过程集中培训及阶段性培训两种。全过程集中培训重点在于进行理论授课、单元机组分步启动、试验，整机启动、停止，过程调整、事故处理及其考核。而阶段性培训则侧重于进行机组某一阶段的启动、停止或试验，针对性或适应性的运行调整和事故处理。

3.3 优化自主轮训

由于实际机组运行中，公司严格实行持证上岗制度，因此部分低岗位人员因未通过相关岗位考试，不具备盘操能力，基本上也就没有上盘实际操作的机会，而仿真机系统恰恰弥补了这个不足。公司根据仿真操作员站数量与各专业的实际进行分配。结合运行倒班实际，指定各值上机时段，由当日参加培训值的值长指定一名当日上机负责人，具体负责协调仿真机各专业间的工作。有效弥补了低岗位上盘操作机会少、异常处理经验欠缺的不足。

3.4 开展事故演练

随着社会对电力系统稳定性的要求越来越高，做为发电企业是不容许出现过多的异常事件。仿真机系统吸收借鉴了其他同类型电厂遇到的各种异常情况，具有1000个仿真故障与事故及启动前各种试验的仿真能力，其程度上在可在0%～100%范围内进行调整。公司针对生产类的许多事故在仿真机上开展演练，由教练员随时加入故障，并且对于大小程度的故障进行不同的设置，操作人员可以通过操作来缓和故障的影响或恢复机组的正常运行，如果处理不当则可能引起事故的进一步扩大，而故障产生的原因及故障发生后对机组的影响与现场实际完全吻合，这就为生产现场开展事故演练提供了参考依据。

3.5 组织仿真机竞赛

仿真机竞赛是员工展示自我、提升技能、比学赶帮超的重要竞技方式。公司在筹划仿真机技能竞赛之前，对运行人员平时上机效果进行了认真的调研，参赛的主要部门、班组也根据具体的竞赛细则，组织员工强化仿真机演练活动。最终，共有21支队伍约60人参加了角逐。各评委在每队比赛结束后对其进行了针对性点评，以赛促学。赛后，又及时对组织工作、竞赛方式、竞赛效果、仿真机系统事故程序等软、硬件方面做了总结。通过竞赛，使员工之间相互促进共同提高，也使班组及时掌握了现阶段各位运行人员基本技术动态情况，为下一阶段的安全培训工作明确了方向。

4 仿真机培训效果与评价

仿真机培训为运行人员提供了与DCS操作系统相近的运行环境和操纵手段，使运行人员如同身临其境，提高了运行人员的动手能力，使运行人员提高了事故判断和处理能力，培养了运行人员沉着、冷静的心理素质。

鸿山热电公司自正式投产以来，机组连续运行稳定，各项生产指标优越，对外供汽质量得到热用户的充分认可，而这些均与运行人员的精心操作息息相关，其中仿真机培训系统则起着不可替代的作用。

5 结语

电力系统仿真及应用 篇4

关键词：道路,节点,交通网络,交通延误,交通仿真,Synchro仿真系统

引言

Synchro4仿真软件是进行交通信号配时与优化的理想工具,具备通行能力分析仿真,协调控制仿真,自适应信号控制仿真等功能,并且具备与传统交通仿真软件CORSIM,TRANSYT-7F,HCS等的接口,其简单易懂,具有很高的工程实用价值。该文借鉴文献[2]的思想,首先对Synchro系统的仿真建模思想进行深刻剖析,然后针对济南市经十路与舜耕路路口,进行了实例仿真,进一步阐明其应用方法。

1 交通网络的构建

1.1 元素及属性

Synchro系统交通网络的构成元素主要有两类:圆形节点和线段,其中节点代表路口,线段表示路段(街道)。

Sychro为每个路口定义有如下属性:标识号(ID),隶属区域(Zone),周期时常(Cycle Length),控制器类型(ControllerType),位置坐标(X,Y)。

每个路段具有如下属性:道路名称(StreetName),路段双向行驶速度(Link Speed), 路段双向长度(LinkDistance),及车道数。

为方便对多个路口实现相同的控制方案设计,Synchro规定可以将几个路口的组合定义为一个区域(Zone)。

Synchro提供有相应的对话框,可以方便的实现各个属性的设定。

1.2 普通交通网络的绘制

Synchro有简单的操作按钮和菜单,可以方便的绘制出所需的交通网络图形。

1.2.1 路口的绘制

Synchro并没有提供直接绘制路口的命令和按钮,借助于绘制路段时产生的交叉点自然产生路口。路口的编号是根据其产生的先后顺次排序。但需注意,两路段首尾相接,不能产生路口,只能形成转折路段,而且转折点路段的形成也应遵循一定的角度规则。

1.2.2 路段的绘制

Synchro中对普通路网路段的绘制相对简单,可通过按钮(Add Link)或快捷键(Ctrl+A)生成绘图命令,然后用鼠标拖动即可,路段的长度及坐标可通过路段属性对话框另外修改。根据路段在交通网络中连接的路口的性质,可以分作三类:内部路段,外部路段和转折路段。内部路段是连接两个信号控制交叉口的路段;外部路段指一端为交通断面的路段;转折点路段指的是具有一定曲率的路段,即现实中存在的具有一定弧度的路段,在Synchro中是通过转折点(Bend)的概念来实现的,转折点(Bend)是一类特殊的无信号控制交叉口,该交叉口无需设置交通量、车道及配时参数。

1.2.3 车道的绘制

针对路段的三种分类,其相应的道路绘制也遵循不同的原则:内部路段的道路数主要根据其两端路口的相位划分来决定,通过设置LaneWindow对话框中的Lanes and Sharings(#RL)便设定了内部路段的车道数;外部道路的车道数设定分上行车道数和下行车道数,上行车道数是由相连的信号控制交叉口的相位设计决定,下行车道数可由路段属性对话框中的Travel Lanes参数设置;具有转折点的路段,以转折点处截断作为划分,如果路段不与信号控制交叉口相连,则系统在路段属性对话框中提供双向Travel Lanes参数的设置,而与信号控制交叉口相连的路段,则以类似于外部路段方式设置车道数。

2 仿真车辆

2.1 车辆的种类

Synchro中的仿真车类型主要分作小汽车、卡车、公共汽车和合乘车四类。每一类型的车辆又分别设计有几种子类,具体不再赘述。

2.2 车辆的产生方式

Sychro中车辆的产生方式主要有两个特点:(1)按照设定的产生概率随机产生,即通过设置各类车型的产车概率,网络将按照该值产生相应的车辆实体;(2)一次产生,循环运行,即车辆产生后,若驶出交通网络,在之后的某个时刻将再次随机于路网某个断面处产生,其ID值不变。

2.3 车辆的属性

系统为每个车辆实体设定了如下属性:车辆ID、最大车速(mph)、最大加速度(ft/s^2)、车辆长度(ft)、车辆宽度(ft)、平均载客数。仿真过程中,通过点击相应车辆可察看具体车辆的ID、车辆类型、驾驶员类型、上下游路口节点编号、即时距停车线的距离、下一路口的转向、次下一路口的转向、即时车速、即时加速度、当前所在车道等相关参数。

2.4 驾驶员属性

根据驾驶员的驾驶特性,如保守型驾驶员,冒进型驾驶员等,Synchro共定义了10种类型的驾驶员,主要分类属性参考参数包括黄灯反应时间、速度系数、礼貌度系数、绿灯反应时间、车头时距、车头间距等。

另外,Synchro提供了相应的接口对话框,用户可以自行定制仿真车及驾驶员。

3 交通信号控制的设计思想

3.1 控制方式

Synchro系统提供了两种设定控制方式的接口,其一是通过TIMINGWindow;其二通过PHASINGWindow。Synchro系统感应控制方式主要有:

(1)半感应-不协调式:主干道相位绿灯时间总保持最大值,次干道相位感应控制且可以跳过。

(2)全感应-不协调式:所有的相位都是感应式,且可被跳过或早断。

(3)全感应-协调式:该种方式下,控制器以固定周期运作。次干道相位为感应式且可被跳过或早断,且任何空余时间均被赋予主干道相位使用。

3.2 信号定时配时算法

3.2.1 周期配时算法

Synchro系统采用韦伯斯特周期计算公式进行最优周期值的计算。即:

undefined

其中:C0=最优周期时长,单位:秒;L=周期损失时间,单位:秒;Xi=相位i的饱和度。

Synchro系统允许通过对话框接口自主输入相应的周期值。

3.2.2 绿信比确定算法

Synchro提供了相应的接口,允许自主设定各个相位的绿信比;在优化操作时,系统根据流量比进行绿信比的划分。

3.2.3 相位转换间隔时间的确定算法

即黄灯时间和红灯时间之和,计算公式如下:

undefined

其中:

Y+AR=黄灯时间与红灯时间和;

T=司机反应时间,单位为秒,一般取1.0秒;

V=进场速度,单位英尺/秒;

a=减速率,单位英尺/秒,一般取10英尺/秒;

W=路口宽度,单位英尺;

L=标准车辆长度,单位英尺,一般取20英尺;

gr=道路等级,以%表示(上坡为正号,下坡为减号)

3.2.4 相位相序的设计

Synchro中给出了两个概念:环(Ring)和栅栏(Barrier)。环是描述按照一定顺序出现的一系列冲突相位的,分作单环,双环和多环。Synchro提供的设置接口在PHASINGwindow 下的Ring and Barrier Designer对话框里,通过设置相应的相位编号便可实现不同的相位设置方案。栅栏又称作兼容相位队列,它是在一个所有环都互锁的多环控制器单元的首选顺序的参考点。

3.3 感应信号配时算法

3.3.1 检测器的设置及使用

Synchro中提供了四种基本的检测器设置方案,分别是SGTLDA(长检测区域短间隔设置方式),NDSB(停车线无检测器方式),CODSB(停车线检测器只响应式设置),T3DSB(停车线3型检测器设置)。另外,还有一种SED(系列扩展检测器设置方式)。

3.3.2 感应控制原理

见图1,其中各参数意义如下:

Gmin——初期绿灯时间,Gmax——绿灯极限延长时间

Ttest——绿灯延长步长;Gw——步行时间;

Gwc——行人清空时间;Ty——黄灯时间;

TR——红灯时间;●感应控制器即时作用时刻

感应信号调节的工作原理如图1所示,可描述为:感应控制器预设初期绿灯时间(Gmin)和绿灯极限延长时间(Gmax),控制器运行到初期绿灯时间结束时,根据检测器测到的交通流数据实时控制绿灯的变化。如果在一个预置的时间间隔内无后续车流到达,则变换相位,如检测到有车辆到达,根据检测得到的车辆数多少,改变绿灯延长时间,若总绿灯时间超过极限延长时间(Gmax)则强行转换相位。

3.4 信号优化方案

3.4.1 优化逻辑

Synchro 系统包含一系列的优化函数,以单路口为例,其优化逻辑步骤如下:

Step1:进行单个路口的信号配时,优化绿信比和周期时长;

Step2:交通网络子区划分,将整个交通网络划分为多个子系统(可选);

Step3:优化周期时长;

Step4:优化相位差和相位顺序;

3.4.2 路口周期时长优化思路

Synchro把交叉口可独立运行的最小可接受周期时长定义为自然周期长度,该值满足下列三个条件之一:

A、能够放行关键百分比车流的最短周期时长;

B、具有最小性能指标的周期时长,如果该最小性能指标周期小于A中的周期,该种选择主要用于路口车流过饱和的情况;

C、若无周期能满足放行关键百分比交通量,但是较短周期时长能够实现令人满意的v/c比率,则可以采用该较短的周期时长。

3.4.3 路口绿信比的优化思路

优化绿信比时,Synchro首先给出足够的绿信号时间以满足90th百分比的车道组流量,如果没有足够的周期时间满足要求,则尝试满足70th百分比的交通量需求,然后是50th百分比流量要求。

3.4.4 相位差优化思路

由于相位差牵涉到多个路口之间的协调,所以在Synchro中称为网络相位差(Network Offsets),且Synchro规定必须在周期时长确定之后,才能进行相位差的优化操作。

4 控制方案的性能评价指标

介绍Synchro中几个主要的性能指标的计算方法。

4.1 停车延误

Synchro提供了两种延误计算方法供选择,分别是韦伯斯特法和百分比法,其计算公式分别如下:

4.1.1 韦伯斯特延误计算公式

Synchro沿用的是美国公路局1997年的《公路通行能力手册》中的计算公式

D+D1*DF+D2+D3 (3)

其中:

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PF=协调延误/非协调延误,称作步进系数;

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D3=冗余需求延误,由仿真分析起始现存队列引起,该参数在Synchro中并不使用。

C=周期时长(单位:s)

T=分析间隔,单位:小时,Synchro中一般取0.25;

g=有效绿灯时间(单位:s)

X=交通量与通行能力之比,(v/c)

c=通行能力(vph)

k=增量延误系数,取决于控制器性质,对定时或近饱和控制器,一般取0.5;

I=上游交通量过滤系数,对孤立路口取1.0;

4.1.2 百分比延误计算公式

Synchro采用了五种百分比场景,即90th,70th,50th,30th和10th。以90th百分比场景为例,所谓90th百分比场景即如果观察100个周期,90th场景为第90个最繁忙的周期,余者依次类推。

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其中:(P=10,30,50,70,90)

D1=平均百分比延误;

VDP=Pth每小时百分比车辆延误;

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vP=Pth百分比流率(vph),其计算公式如下(见表1),

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4.2 停车次数计算思想

Synchro中停车次数的计算类似于停车延误的计算,其主要通过统计车辆延误来计算停车车辆数。Synchro规定小于10秒延误的车辆并不完全停车。具体参数参见下表2。

4.3 燃料消耗及废气排放

4.3.1 燃料消耗计算公式

Synchro采用的燃料消耗公式如下:

F=TotalTravel*K1+TotalDelay*k2+Stops*k3 (9)

其中:

k1=0.075283-0.0015892*Speed+0.000015066*Speed∧2 (10)

k2=0.7392

k3=0.0000061411*Speed∧2 (11)

F=燃料消耗,单位加仑;

Speed=巡行速度,单位mph;

TotalTravel=车辆行驶的距离,单位:英里;

TotalDelay=总信号延误,单位:秒;

Stops=总停车,单位辆/小时。

4.3.2 废气排放量计算公式

废气的排放与燃料的消耗紧密相关,具体计算公式如下:

一氧化碳:CO=F*69.9g/gal(g) (12)

氮氧化物:NOx=F*13.6g/gal(g) (13)

挥发性氧化物:VOC=F*16.2g/gal(g) (14)

其中:F=燃料消耗(gal)

5 报告生成

通过选择菜单File→Create-Report命令按钮,然后选择SELECT REPORTS命令窗口,在该窗口便可选择预打印的内容。

6 仿真实例应用

下面以济南市经十路与舜耕路路口为研究对象,以2006年6月21号7:27-7:37AM的交通流量数据,对现有方案与优化方案分别进行仿真对比。

6.1 仿真环境的建立

6.1.1 根据统计数据得到该路口的拓扑结构图

6.1.2 调用LANEWINDOEW对话框,输入道路参数

6.1.3 调用VOLUMEWINDOW,输入交通量参数

6.1.4调用Ring and Barrier Designer对话框,设置相位相序

6.2 仿真

根据上述参数设置,先进行优化前控制方案仿真,后进行配时优化后控制仿真,分别生成仿真报告,并对仿真结果进行对比,列表如表3。

6.3 仿真结论

通过仿真参数对比,可以看出,信号优化之后的控制效果得到明显的改善,所以应采取新的信号配时方案。

7 总结

通过对Synchro系统的仿真原理的剖析及仿真应用实例,可以看出,该软件能很好的满足信号配时评价任务,其仿真结果对交通管理者而言具有极高的参考价值。但限于篇幅,Synchro系统的分析不能面面俱到,其它相关内容如与数据库的连接实现,与其他仿真软件接口的实现,以及纠错功能等将在后续文章中介绍。

参考文献

[1]TrafficwareCorporation.ManualofSynchro4[Bild219].Email:synchro@trafficware.com.

[2]张立东,贾磊等.城市交通仿真系统(UTSS)的实现[J].系统仿真学报,2006,18(7):1870-1874.

[3]朱文兴,贾磊.主干路交通信号控制仿真研究[J].系统仿真学报,2005,17(12):3060-3-64.

[4]裴玉龙,张亚平等.道路交通仿真系统[M].北京:人民交通出版社,2004.

电力系统仿真及应用 篇5

课程名称：MATLAB及系统仿真

学分：2学分

总 学 时：32学时其中授课学时：20学时上机学时：12学时

先修课程：C语言、线性代数、信号与系统、通信原理

开课部门：计算机与通信学院

课程内容：

本课程要求学生掌握：MATLAB基本语句结构，矩阵的基本运算，控制语句，M文件和M函数的编写与调用，绘图功能，数学函数库的调用，SIMULINK仿真。通过本课程的学习，学生应能够在MATLAB环境下解决常见的数学问题和工程问题，并且能利用MATLAB软件对通信系统里的各种调制和解调过程进行仿真分析。

电力系统仿真及应用 篇6

关键词：电力行业；仿真培训；信息管理

中图分类号：[C94] 文献标识码：A 文章编号：1671-864X（2015）09-0126-02

一、对工作流模型的设计

根据仿真培训协作网各种不同的工作职责，培训信息管理系统建立四级权限，即系统的管理员、协作网的管理员、基地用户和普通用户。系统管理员可以设定各个基地的负责人为对应管理模块的管理员，管理各类信息，发布各类信息公告。

二、工作流模型的对象

实现具体的业务过程就是各培训基地的工作流程，我们进行了一般业务的分析和详细的研究，得出它的业务对象后，抽象成一个工作流模型对象[1]。

1.从业务实例看业务需求。

年检申报是各培训基地都需要的一项基本业务。即对各培训基地申报的年度基本情况进行考核管理。而年检申报的具体步骤如下：

（1）培训基地用户都必须进行年检申报，因此必须对其开通年检申报的资格；（2）培训基地用户填写年检申报表格，说明本基地培训人数、发证人数、食宿接待能力等等和年检申报相关的情况；（3）培训基地用户需要其它说明的话，可以用文档的形式保存下更具体的说明；（4）培训基地用户对申请确认后提交申请，等待申请结果；（5）按规定，这种申请须先请基地用户的上级审批，则该申请将提交一个工作项给基地责任领导；（6）处理该申请的培训基地责任领导，他首先会看到所有的信息，包括年度报告申请表及其他文件，然后审批申请。如果同意，申请将被提交给上级的协作网处理；如果不同意，则打回该申请，并将未通过的结果通知给基地用户。当通过所有审批成员的批准后，系统会通知基地用户都批准了这一结果；（7）培训基地用户如果获得申请通过，则完成年检申报，如果申请未通过，则修改申请中审批未通过内容，再一次提交修改后申请； （8）完结所有申请事物。

在上面的举例中，我们可以得到业务对象：

培训基地用户、基地责任领导、年检申报表、年检申报的其它说明、培训基地用户已填好的年检申报表格、审批是否同意、申请、审批、其它应用程序。

我们根据工作流原理，使用业务对象，可以得出基本工作流模型对象，如下所示：

（1）角色：是具有特定的一组功能的人的权利。比如，有些是申请级，有些是审批级。

（2）用户：用户就是指前面实例中的培训基地用户、有审批权限的基地责任领导等，该系统的功能由用户使用，并可以直接参与业务活动，完成业务。

（3）应用资料：年度报告的申请表格，报检规定，他们通过这些相应的年度报告的相关信息进行管理及办理业务。

（4）流程：就是一个业务的全过程，从宏观上的描述。

（5）要激活的应用程序：在您需要其他外部应用程序的帮助时，该系统会启动这些应用程序。

（6）环节：多个环节组成了业务流程，因此，环节是业务流程的组成部分。

（7）环节实例：通过将流程中一个环节实例化，可以得出一个环节实例。

（8）流程实例：将年检申报这个业务流程实例化，就是流程实例。

（9）业务规则：该方法必须按照一定的规则处理业务，业务处理的开始和结束时必须有一定的条件，即业务规则。

2.对工作流对象的分析说明。

让我们分析其它的一些业务，将能够找到工作流与业务之间的共同点，并能总结它们的共同组合，然后得到该系统工作流程的模型，该模型可以对每一个业务进行描述，即工作流引擎最终的结果[2，3]。

（1）用户：对业务来说，用户是参与者和行动者，是能够独立完成具体任务的个体；

（2）角色：具有一定技术能力的人员统称；

（3）职位：表示管理上的等级关系，它以行政责任为前提；

（4）部门：和各培训基地的静态结构相对应，部门设置的实际情况，根據培训基地的具体情况来定，可以面向功能的、客户的，也可以面向过程；

（5）工作组：也叫组织结构，是一种可以跨部门的，为了执行某项任务而随机动态组建的；

（6）流程：即整个处理过程，与业务过程对应；

（7）流程实例：它是业务流程实例化的表现形式与应用；

（8）环节：即把流程细化，它是流程中的一个组成部分；

（9）环节实例：是环节的展现方法；

（10）工作流定义的主要信息：即对工作流的总体介绍；

（11）工作流的附件信息：该信息被使用在工作流模型中，被格式化后，这将绘制成一个模型对象的规定格式，以备工作流模型的具体应用时使用，可以分为两种类别如下：

①表格类型：附件以关系结构定义，被保存为表格形式，附件的实例就是指每个记录；②文档类型：附件信息被存储为一个文件，该文件可以是文本文件，或者是word文档，相应的业务应用的标志文件就是一个实例；

（12）工作流实例的信息：是工作流的启动信息、工作流模型的实例化信息，以及参与处理和不断变化的时间和人员的记录，直到结束整个业务；

（13）业务规则：就是系统运行时所有人都必须遵守的原则。它可以被分成四个规则如下：

与聚合：完成业务活动需要参与该活动的所有人员都进行处理，只有所有人员都处理完成，才能完成业务活动。

或聚合：只要一个人完成则默认全部完成。

投票聚合：根据统计和事先定好的规则来确定是否完成。

自动型：参与者只需查看业务信息的具体规则，如通知，公文流转等服务。参与者只需要能查看内容，不需要进行审批等其他操作，整个业务流程可以自动完成。

（14）工作项信息：当被分配一个参与业务中的任务时，对参与者与系统进行交互的关系，是典型特征的体现；

（15）转化条件：完全是对运行业务的过程约束，是处使活动、流程改变的条件。例如，活动需要根据业务规则执行，需要完成所有活动才能完成流程等；

（16）需激活的应用程序：所需要的其它应用程序的支持；

（17）日志信息：起到记录的作用，不仅记录事件、状态、资料，而且方便日常管理和进一步的维护。

三、总结

本文对电力行业仿真培训信息管理系统中工作流的设计进行了分析。电力行业仿真培训协作网在建设一流仿真培训协作网为前提的背景下，管理系统的先进性建设既符合了当今社会发展的需要，也展现了自身的特色，而且能够为其他管理网络提供有益的参考。

参考文献：

[1]张卫民.科学工作流技术研究综述[J].国防科技大学学报，2011（6）：P56-65.

电力系统仿真及应用 篇7

矿井通风仿真系统 (MVSS3.1) 利用现代化手段为矿井设计和通风构筑物合理设置提供科学、合理的依据, 能够实现通风安全的信息化、现代化管理, 进而保证矿井节能高效高产。

1 概述

2000年辽宁工程技术大学与甘肃金川公司合作成功研制了矿井通风仿真系统MVSS 1.0, 该系统解决了拓扑关系自动建立与管理、无初值迭的代计算、二次风机特性曲线导致的假收敛等问题, 达到国际领先水平。最新研发的MVSS 3.1是矿井“以风定产”最有效的决策支持系统。MVSS 3.1最大特点在于通风网络拓扑关系的自动建立和维护技术, MVSS 3.1适用于各类矿井的通风日常管理、系统整体或局部优化改造、通风系统设计等, 能够方便解决通风阻力大、局部或区域配风困难等通风难题, 能够模拟矿井反风、自然风压、通风系统可靠性等, 是现代矿井以风定产最科学的手段[1]。

2 木瓜矿主要通风问题

目前木瓜矿通风系统主要有以下几个方面的问题:

2.1 张家耳风井总回风量为120m3/s, 矿井阻力为1606Pa, 电机功率为305KW, 风机装置效率约63.17%, 效率偏低;

2.2 矿井回风线路相对较长, 回风区段阻力较大且部分巷道断面面积偏小;

2.3 矿井有效风量为92.22m3/s, 总风量为120.19 m3/s, 有效风量率偏小, 只有76.73%。

3 木瓜矿通风系统仿真

从2011年10月28日开始, 经过1个星期的努力, 完成了木瓜矿矿井通风系统的普查和阻力测试工作。通风系统普查和阻力测试共采集和计算数据1300多组, 测量出各井巷实际长度, 计算出各井巷的摩擦风阻、实际风速、断面、风量等基础数据。为下一步构建木瓜矿矿井通风仿真系统提供了最基础的数据。

3.1 通风仿真系统的创建

矿井通风仿真系统MVSS 3.1的图形有3种创建方式:利用鼠标在MVSS 3.1空白绘图区域直接绘制;将AUTO CAD的DXF文件导入系统生成;将巷道的三维节点坐标数据文件导入系统生成。木瓜煤矿通风仿真系统图的创建采用导入DXF文件的方法, 具体操作: (1) 在当前矿井通风系统CAD图上, 创建“风路”图层且置为当前层; (2) 用单线沿风流方向重新描绘全部巷道, 然后存为DXF文件; (3) 打开MVSS3.1导入上一步的DXF文件即可。生成的木瓜矿通风仿真系统图如图1所示。将DXF文件导入后生成的仿真系统图只有图形, 还需要手动输入一些数据:节点的编号和标高等;巷道的长度、百米摩擦风阻和测试风量等;构筑物的名称和测试压差等;还有风机的特性曲线等。

3.2 矿井通风网络风流分配仿真

网络解算是风流分配仿真最核心的问题[2], MVSS3.1的网络结算能力非常强大。虽然木瓜矿通风网络的分支达314条, 但是使用MVSS3.1只要1到2秒就可以完成网络结算。

3.3 矿井通风仿真系统按需调节

无论是简单的新建矿井还是复杂的老矿井的通风系统, 都需要根据工作面的需风量由里向外进行风量分配调节。按需调节的方法是将用风点的风量固定, 再进行风流分配仿真。本文提出了矿井通风系统仿真网络节点压能调节法, 大大提高了运算速度。MVSS 3.1以其强大的网络解算能力通过计算机高速迭代可以快速完成矿井通风系统的按需分风[3]。调试完毕的木瓜矿通风仿真系统图见图1。

3.4 矿井通风系统仿真结果

木瓜矿通风仿真系统调节完毕后得到仿真结果, 分析木瓜矿的仿真结果, 并进行了误差分析。通过数据比较得出:风量相对误差小于5%的巷道数目为34条, 占测试巷道数目的87%;风量相对误差大于5%小于15%的巷道数目为5条, 占测试巷道数目的13%;相对误差大于15%的巷道数目为0条。主要巷道计算风量与测试风量之间的相对误差都小于5%, 而对于其他相对误差较大的巷道而言, 其绝对误差都较小且多数为联络巷。木瓜矿通风仿真结果可以满足生产需要。

4 木瓜矿通风系统分析

根据MVSS3.1计算, 张家耳风井风量为120.2m3/s, 负压为1605.97Pa。矿井通风线路相对较长, 回风段巷道风量相对较大且断面相对较小。对于张家耳风井而言, 其进风区、用风区和回风区的阻力所占总阻力的比例分别为5.97%、6.3%和87.73%, 回风区比例过大, 比例不合理。降低回风区段阻力便可有效降低矿井总阻力。木瓜矿有效风量为92.22m3/s, 矿井总风量为120.19 m3/s, 有效风量率为76.73%。应加强风门管理, 较少漏风。

5 木瓜矿通风系统仿真模拟

木瓜矿10-103工作面即将贯通生产, 10-103工作面通风线路较长, 贯通时通风会相对比较困难。10-103工作面贯通前后如图2、图3所示。为了确保10-103工作面风量, 利用MVSS3.1对10-103贯通时的通风系统进行模拟, 仿真模拟风量为14.67m3/s。当10-103工作面贯通后实际风量为13.92m3/s, 绝对误差为0.75m3/s, 相对误差为5.39%, 完全能够满足生产需求。

6 结论

通过利用MVSS 3.1对木瓜矿通风系统进行模拟仿真, 发现其中存在的问题并进行了分析。利用MVSS 3.1对10-103工作面贯通后的通风系统进行了仿真模拟, 模拟结果与后期实际结果一致。矿井通风系统普查和阻力测试是MVSS模拟通风系统的前提。阻力测试的基础数据是构建仿真系统的基础。MVSS 3.1在木瓜矿得到了成功应用, MVSS3.1的科学性与合理性在此次应用中得到了验证。

参考文献

[1]苏清政, 刘剑.矿井通风仿真理论与实践[M].北京:煤炭工业出版社, 2006.

[2]刘剑, 贾进章.流体网络理论[M].北京:煤炭工业出版社, 2002.9.1.

电力系统仿真及应用 篇8

1 分解炉工况离散事件识别系统架构

分解炉工况离散事件识别系统框图如图1所示。

水泥DCS系统都支持OPC (OLE for Proces Control) 标准通讯协议, 而且工况识别软件可以通过OPC通讯方式与DCS系统站实现互联, 所以只需DCS系统提供OPC网关站的接口就可以。因此, 工况识别系统采用OPC通讯方式与DCS互联。

2 OPC接口技术

2.1 OPC接口技术简介

传统的控制系统中, 智能设备之间及智能设备与控制系统软件之间的信息共享是通过驱动程序来实现的。由于软件开发商对驱动程序的要求各不相同硬件供货商不可能为所有的软件开发商提供驱动程序, 所以这项工作只能由控制系统的软件开发商承担。每一个客户端都要为每一个数据源编写一个驱动程序。这会导致重复开发、不同开发商之间的驱动程序的不一致性、不支持硬件特征的变化和访问冲突。

OPC的出现, 建立了一套符合工业控制要求的通信接口规范, 使控制软件可以高效、稳定地对硬件设备进行数据存取操作, 系统应用软件之间也可以灵活地进行信息交互, 极大提高了控制系统的互操作性和适应性。

2.2 OPC接口技术原理

OPC以组件对象模型和分布式组件对象模型 (COM/DCOM) 技术为基础, 采用客户/服务器 (Client Server) 模式, 定义了一组COM对象及其接口规范。通过COM接口, OPC客户程序可以和一个或多个提供商的OPC服务器连接。同时一个OPC服务器也可以同多个客户程序相连, 形成多对多的关系。任何支持OPC的产品都可以无缝地实现系统集成。由于OPC技术基于DCOM, 所以客户程序和服务器可以分布在不同的主机上, 形成网络化的监控系统。图2为OPC客户与服务器的互联模型。

当客户访问数据时, 物理设备的原始数据或经物理接口直接递交给服务器, 或通过物理接口发送至SCADA/DCS系统, 再通过OPC接口递交服务器, 最后由服务器完成与客户的数据交换。在此过程中, 服务器统一并优化不同客户的数据访问, 以达到与物理设备的有效通信。输入 (读) 时, 由设备返回的数据存放在服务器的缓冲区中, 以满足不同OPC客户的异步数据分配或同步数据采集要求。输出 (写) 时, OPC服务器代替OPC客户刷新物理设备数据。

在此基础上, 先进控制软件的设计和应用, 可以完全脱离上层监控平台和过程控制系统。先进控制软件被设计成控制系统框架中的一个OPC客户端的方式运行, 如图3所示。先进控制软件包的数据来源将不再是通过专用接口传递的监控平台实时数据库数据或通过硬件驱动程序传递的过程数据, 而是OPC数据服务器。

从图3可以看出, 现场设备或DCS、PLC控制系统通过特定的设备驱动程序将数据传递给OPC数据服务器。OPC数据服务器以服务器应用程序的形式分布在以太网连接的各个计算机内。

2.3 OPC接口的实现

在将相对封闭的实时数据库与具有较高开放性的关系数据库连接过程中, 我们采用了在工控行业中广泛使用的具有C/S模式的OPC技术。OPC服务器端采用CBF系统自身提供的OPC Server软件, 而客户端 (Client) 则采用VC自主开发的应用程序。本系统所采用的CBF内部实时数据库通过系统自身提供的OPC Server软件以及第三方软件的程序开发, 实现实时数据库和关系数据库的数据共享, 信息集成。

2.4 OPC Server配置

CBF的OPC Server是ABB公司为了解决开放数据互连而开发的一套配套软件, 是上层管理监控及其他应用软件的基础, 也是底层设备驱动程序的延伸。它主要由Server (服务器) 对象、Group (组) 对象、Item (项) 对象组成。Server对象和Group对象支持的接口由OPC规范定义。Item对象描述了在服务器内到数据源的连接, 它包含有数据项的值、值的质量和读取数据的时间。服务器端通过I/O DLL采用多线程技术对现场设备进行读写操作, 并通过OPC接口为客户端提供数据。OPC服务器内部核心编程技术采用封装式设计, 它只提供客户端关于OPC Server的相关属性, 这样客户端便可以利用其属性并通过编程软件的编程, 以实现数据的交换。

首先在组态项目树中建立一个OPC网关, 设定所要连接的OPC客户端的IP地址, 并在存取权限中选择客户端是否具有可写功能。如图4所示。

在引入OPC技术后, 整个过程控制系统通过关系数据库变得更为开放, 在不影响实时生产的情况下, 完全可以与企业整个CIMS的其他功能分系统进行深入的数据交换。

3 工况识别算法软件开发

根据上述水泥分解炉工况识别系统现场应用系统架构, 将工业应用的分解炉工况离散事件识别系统软件分为三部分, 即OPC Client软件、操作员站组态界面软件和工况识别算法软件。本文主要完成第三部分, 即工况识别算法软件的开发。

水泥分解炉工况识别算法软件采用Visual C++6.0开发, 主要由以下几部分组成, 这些部分相互协调合作共同实现分解炉工况识别算法:

1) 系统登录程序;

2) 密码修改程序;

3) 分解炉参数设定程序;

4) 分解炉工况识别算法程序, 主要为基于模糊聚类算法的分解炉工况识别程序。

本例采用模糊聚类算法, 为使该算法的应用具有广泛性, 可以对分解炉参数任意时间段的数据进行聚类识别, 现对算法做如下统一:

因为λ的取值是0~1, 所以在最后聚类分析时, λ从1降到0的过程中, 规定λ依次取1, 0.95, 0.9, 0.85, 0.8, 0.75, 0.7, 0.65, 0.6, 0.55, 0.5, 0.45, 0.4, 0.35, 0.3, 0.25, 0.2, 0.15, 0.1, 0.05, 0。还可根据需要再进行细分。

以分解炉系统为例, 当所有变量的工况聚类结果均识别完成后, 根据分解炉工况离散事件识别规则, 分解炉系统的工况离散类别即可判断识别。见表1。

上层工况离散事件识别器根据采集的各参数变量的数值识别出分解炉系统的每一个参数变量的工况聚类结果, 从而识别出分解炉系统此时的工况离散事件类别。每一种工况离散事件类别对应下层相应的一个连续变量动态系统模型。基于该混杂递阶模型对分解炉进行控制能达到较好的控制效果, 因为在不同离散工况事件类别下建立了不同的连续变量动态系统模型, 采取针对该模型的有效控制策略, 使分解炉系统稳定运行, 这样就克服了分解炉系统由于多种工况存在而难以控制的这一缺点。

4 仿真应用效果

图5为系统利用现场采集的历史数据仿真的分解炉参数中期变化趋势的工况识别结果输出, 图6为分解炉系统工况离散事件类别输出。

利用历史数据的仿真效果充分说明了该算法的实用性和有效性。采用硬聚类和模糊聚类的方法对分解炉系统进行工况识别, 可以实现分解炉系统工况类别的准确判别, 每一种工况类别为一个工况离散事件, 准确识别出每一个工况离散事件, 在此基础上进行模型切换可实现分解炉系统的稳定运行。

5 结束语

本文针对分解炉系统混杂模型的上层DEDS层的工况离散事件识别系统研发出分解炉工况识别系统软件, 该软件由OPC Client软件、操作员站组态界面软件和水泥分解炉软件组成, 并详细介绍利用历史数据对分解炉系统的工况识别仿真。

电力系统仿真及应用 篇9

关键词：空间矢量脉宽调制,并联有源电力滤波器,跟踪控制,仿真

与传统的正弦脉冲宽度调制(SPWM)相比,电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)具有电流畸变率小、直流电压利用率高的优点,尤其适合数字化实现和实时控制,因此SVPWM在交流传动领域得到了广泛应用,并逐渐开始扩展到其他电力电子领域[1鄄2]。

1 SVPWM与无差拍控制技术在并联有源电力滤波器跟踪控制中应用简介

1.1 并联有源电力滤波器控制系统简介

并联有源电力滤波器(APF)的控制系统,可分为内外2层,内层直接面向电力电子主回路实现指令电流的跟踪,通常采用SPWM和滞环控制2种方法[3鄄4]。外层控制包含谐波检测、指令电压生成和直流电容电压控制,检测电路与串联型基本相同。由于它是并联在电网中,可以控制其直接从电网中吸收基波电流,因此直流电容电压控制不如串联型复杂,指令电流运算电路如图1所示。图中,虚线框内为直流侧电压控制部分。正、余弦信号sinωt、-cosωt由锁相环PLL和正、余弦发生电路得到,其中sinωt与A相电源电压ua同相;Ucr是Uc的给定值,Ucf是Uc的反馈值,二者之差经PI调节器后得调节信号Δip,它叠加到瞬时有功电流的直流分量上,经运算在指令信号ic*中包含一定的基波有功电流,使APF直流侧与交流侧交换能量,从而将Uc调整到给定值。调整过程的关键在于APF直流侧和交流侧如何进行能量交换[5鄄9]。

1.2 无差拍控制简介

无差拍控制是数字系统特有的一种控制方式,它突出的优点是响应速度快,可大幅提高PWM逆变器的动态响应性能,对主要由非线性负载引起的逆变电源输出电压波形失真具有较强的抑制能力。

无差拍又称无过冲,即在每一个采样点上系统的输出都与其指令完全一致,没有任何相位滞后和幅值偏差。从其定义即可看出,无差拍控制是数字系统特有的控制方式。它与最少拍控制有相似之处,表现在二者都具有有限调节时间特性。

则下一拍的输出量可以表示为

如果将式(2)等号左侧替换为下一拍的指令r(k+1)即得:

如果按照使式(2)成立的要求来选择施加于控制对象的控制量u(k+1),则由式(2)(3)可知有

以上表明:系统的输出在每一拍都与指令相等,即达到无差拍控制效果。

2 并联APF跟踪控制算法分析

现在电力系统中运行的大部分APF都是并联型,并联APF参考指令是电流值,而不是电压值,因此如何用SVPWM跟踪补偿电流参考值是研究的重点所在。补偿参考值运算需要进行大量矩阵运算,不但占用大量DSP系统资源,而且会造成计算延时,因而导致谐波重新注入电网。如何补偿计算延时是本研究课题需要解决的一大问题。

在考虑到既要实现APF数字化的同时,又要保证控制的实时性,因此谐波电流的跟踪算法考虑使用无差拍控制实现,并使用SVPWM算法跟踪补偿电流参考值[9鄄16]。其补偿结构如图2所示。

此处参考电流运算,使用同步旋转dq坐标系进行分析,方法如图3所示。

首先,将采样所得的三相负载电流iLa、iLb、iLc经过dq变换为iLd、iLq,其中iLd与电源电压同相,为有功电流;iLq与电源电压垂直,为无功电流。补偿的目的是使电源电流is不含谐波分量,也不含无功分量。因此补偿电流的参考值应为

其中,i*cd为d轴补偿电流参考值,是电容电压补偿分量与谐波分量之和;i*cq为q轴补偿电流参考值,是无功电流值;i軇Ld为d轴负载电流交流分量,代表谐波部分;idc为d轴直流分量,代表有功基波部分;iLq代表无功部分。

三相等效电路如图4所示。

由图4可得:

将其变换到d-q坐标下,则有

将其写成状态空间形式为

将式(8)离散化得:

进一步得到:

从式(10)中可看出,本周期负载电流的预测可以通过自适应、神经元等一些方法来预测,但是采用这些方法难以保证系统实时性。考虑到电力系统谐波电流和无功电流具有周期性的特点,为简化控制方法,可采用前一周期记录的负载电流值来实现负载电流的预测,表达如下:

这样就可得到补偿电压参考值[ed(k),eq(k)]T,并可利用SVPWM进行跟踪。

3 并联型APF的仿真与分析

3.1 并联型APF仿真模型

使用Matlab Simulink中电力系统工具箱搭建电路仿真模型。对串联型、并联型APF电流、电压补偿前后的波形作了比较,进一步验证了混合型APF补偿谐波的互补性和有效性。并联APF在仿真结构上、谐波检测方法上与串联型相似,在此只对无差拍算法的实现模型图5进行仿真。

3.2 仿真结果与分析

补偿前后的电源电流仿真波形分别如图6、7所示。并联补偿后电源电流波形及频谱分析如图8所示(图中λ为各次谐波与基波含量的百分比)。

从频谱分析图中可看出,几乎所有的谐波均降到了1%以下,原来主要谐波中5次谐波降为0.56%,7次谐波降为0.39%,13次谐波降为0.19%,总谐波畸变率仅为1.96%,谐波得到了很好的抑制。在开关频率附近仍有一些高次谐波,但与滞环跟踪控制补偿后波形相比,其含量已大幅降低。并且由于采用了无差拍控制,计算延时得到一定的补偿,重新注入电网的谐波也大幅降低。

4 结论

电力系统仿真及应用 篇10

2010年我国钢产量达到6.26亿t,占全球的44.3%,其中转炉炼钢占90.2%[1]。转炉以其冶炼的钢种全、冶炼周期短等独特优势成为目前世界上最主要的炼钢方法,但转炉炼钢反应过程高温、复杂、不易控制。为了辅助转炉炼钢过程的顺利进行并提高冶炼命中率,目前主要是利用静态控制方法[2,3,4,5]和动态检测技术[6,7,8,9]相结合的思路来提高炼钢操作过程的稳定性和准确性,即利用外部设备(如副枪)检测到的相关数据对静态计算模型进行修正,得到满足冶炼目标的条件后,通过调整吹氧量和辅料添加量等,提高冶炼的准确性。

然而在实际生产中,副枪等检测设备昂贵,并且冶炼过程的可视化系统和参照信息系统还不够完善,操作人员对冶炼中间过程的判断没有可靠依据,对整个过程演变情况不能直观地把握,因此对冶炼过程操作也只能凭借经验。

为了更直观、更简单、更经济地表达炼钢过程的机理和主要参数的动态变化,并使其更好地为冶炼决策服务,笔者基于物料平衡和热量平衡确定炼钢静态模型,通过炉气分析技术与碳、温耦合公式确定动态模型,将静态模型和动态模型相结合,同时借助计算机仿真技术,建立转炉炼钢过程仿真系统,并使用数据接口连接本地数据库和钢厂实际生产的L2数据库,对转炉冶炼过程关键参数和冶炼状态进行跟踪与显示,完成转炉炼钢过程预测及仿真的研究。

1 系统组成

转炉炼钢过程仿真系统实施框架如图1所示。首先利用VC连接数据库的功能模块,从Oracle数据库(生产数据库)或SQL数据库(本地数据库)中读取钢铁厂生产信息,包括炉次信息、原料信息、目标信息;接着根据选择的静态模型完成辅料、废钢和理论供氧量的静态计算,得到初始参考数据;然后读取随时间变化的氧枪位置信息,供采用OpenGL开发的3D炼钢过程动态演示使用;最后读取炉气分析数据,包括氧气流量实时数据、炉气流量实时数据以及CO和CO2占炉气中的体积分数实时数据,结合炉气分析技术决定的动态模型完成炼钢过程参数的实时计算和碳、温等数据的跟踪和连续显示。

仿真系统中静态模型和动态模型是进行辅料、废钢和理论供氧量计算以及碳温预测的关键,是系统的核心组成部分。

1.1 静态模型

静态模型计算在已知入炉条件(如铁水温度、成分、吹炼状态)和冶炼目标等情况下,通过物料平衡计算,得到石灰加入量、渣中各成分含量、炉气各成分含量和耗氧量;再通过热量平衡计算,得到剩余热量,结合废钢单位质量熔化吸热量,计算出废钢加入量,并通过废钢的成分、温度,类似地进行物料平衡和热平衡计算,修正炉渣、炉气等各成分的含量;然后规划合适的合金化方案,依次进行修正后,最终完成静态模型的计算过程[11]。静态模型根据入炉信息和冶炼目标,可以对出钢相关信息(钢水、炉渣、炉气的详细信息,以及炉尘、铁珠、喷溅的概要信息)进行预测。

根据理论分析和实际炼钢工艺[10]的特点,选定用于静态模型计算的炼钢主要参数见表1。

静态模型的计算流程如图2所示。

1.2 动态模型

炉气分析技术是目前转炉冶炼状态的一种实时动态检测技术。该技术利用安装在转炉烟道上的气体分析仪,实时检测转炉冶炼过程中炉气的瞬时成分、各成分的体积分数和总的气体流量。在该技术基础上建立的理论脱碳模型和温度模型[12] 就是基于炉气分析的动态模型,用于计算转炉中钢水实时的碳质量分数和温度。

1.2.1 脱碳模型

脱碳模型即碳积分模型[13]是结合炉气分析结果,基于质量平衡原理建立的。根据炼钢原料成分和质量计算出熔池初始含碳量,减去不断从炉气中以CO和CO2方式溢出的碳量,剩下的部分就是熔池中剩余碳的质量分数ω[C]。该模型通过连续的积分运算可动态地计算出熔池瞬时碳的质量分数ωt[C],进而获得其在冶炼过程的实时变化趋势。

计算ωt[C]时,首先,根据烟气中的CO和CO2的体积分数以及流量计测得的烟气流量,利用转炉冶炼过程中的碳平衡关系,计算出熔池中钢水的脱碳速度

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式中,0.1为单位的修正量;Qgas为烟气流量,m3/s;φ(CO),φ(CO2)分别为炉气中的CO和CO2体积分数,%;Vm为修正后的标准摩尔体积,m3/mol;Wst为钢水质量,t。

然后,引入氧枪操作情况对C质量分数变化的影响,计算熔池瞬间钢液中C的瞬时质量分数

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式中,Wini[C]为钢液中C的初始质量,kg;h为氧枪实时高度,m;h0为氧枪初始高度,m;t为冶炼时间,s。

1.2.2 温度模型

温度模型从反应平衡理论出发,结合相关热力学和动力学知识,从钢液中C-O平衡反应着手,推导出碳温耦合关系。根据C氧化为CO的化学反应方程,有:

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式中,Kundefined为CO标准平衡常数;PCO为CO分压,Pa;Pθ为标准大气压,Pa;f[C]为C的相互作用系数;f[O]为O的相互作用系数;ω[O]为熔池中O的质量分数,%;T为熔池温度,K。

根据C氧化为CO2的化学反应方程,有:

undefined

式中,Kundefined为CO2标准平衡常数;PCO2为CO2分压,Pa。

联立式(3)和式(4),整理后得到:

undefined

联立式(5)和式(6),就可得钢液温度[10]方程(7),进一步求解即可得到钢液温度T。

AT2+BT=3 632 (7)

其中,

上述式中,CO和CO2的分压可以由炉气分析系统测得的CO和CO2体积分数计算得到,ω[C]可通过脱碳模型计算得到。

2 仿真实现及测试

2.1 仿真实现流程

开发任务主要包括两方面的内容,首先是静态模型实时计算结果和炉气分析结果的连续显示,然后是转炉操作状态和动态模型计算结果的连续显示。具体流程如图3所示。

仿真的具体步骤是:

(1)获取入炉条件和冶炼目标,根据静态模型计算废钢加入量和氧气消耗量。

(2)冶炼开始,设置仿真标志位为真,并将熔池当前碳温设置为初始碳温。

(3)若仿真标志为真,则根据前一仿真时刻至当前仿真时刻的CO和CO2等炉气数据,利用式(1)～(7),计算当前C质量分数和钢液温度,并绘制实时图形,转入(4) ;若仿真标志为假,则输出废钢加入量和耗氧量。

(4)若冶炼结束,则置标志位为假,转入(1);否则,仿真时间增加Δt,转入(3)。

2.2 系统测试

根据前文提到的仿真框架和仿真流程,运用面向对象开发技术和Visual Studio 2005 C++开发平台,开发转炉炼钢仿真显示界面。离线运行界面如图4所示。由图4可以看出仿真系统分为5个部分:入炉信息采集部分、转炉状态演示部分、炉气分析数据采集部分、氧枪操作以及氧气流量信息采集部分、碳温变化实时跟踪显示部分。5个部分相互联系:通过入炉信息采集部分进行冶炼基本信息的读入和输出,并利用静态模型进行计算;在转炉状态演示部分,根据氧枪操作以及氧气流量信息采集部分得到的数据、动态演示转炉的状态;碳温变化实时跟踪显示部分则通过炉气分析数据采集部分的数据利用动态模型进行计算,然后绘制碳温实时曲线。

冶炼开始时,转炉中Si和Mn剧烈氧化,产生大量的热,炉内温度增加,C氧化得很少,CO、CO2和炉气量的产生速率增加;随着时间的进行,铁水中Si和Mn的含量减少,C的氧化反应逐渐增强,反应速度和产生的热量增加,温度快速升高,在该阶段,O的扩散成为反应的限制环节,反应速率稳定在一定值,C氧化产生的气体量增加,所以CO、CO2和炉气量的产生速率基本保持不变,C质量分数剧烈减少;随着反应的进行,C的进一步氧化促使温度继续升高,铁水中的C质量分数不断降低,以至于C的扩散成为了反应的限制环节,因为C的质量分数逐渐减小,反应速率逐渐降低,所以CO、CO2和炉气量的产生速率逐渐降低。由此可见,图4中各参数的实际变化与理论变化趋势吻合。

图4展示了数据的采集和状态量的过程显示画面,图5为系统连接某钢厂实际生产L2数据库在线运行的界面,图5主要是在离线运行的基础上突出了终点预测的显示。

以装备了炉气分析系统的某钢厂120 t新转炉为研究对象,针对钢种Q235(G),Stb32和IF3,利用本文中的静态、动态模型进行离线测试,对有效炉次即剔除存在异常情况(如入炉和出炉时的碳温异常等)的炉次进行数据实验,工艺要求的碳控制精度为Δω[C]≤0.020%,温度控制精度为△T≤15 ℃。仿真系统的运行结果见表2和表3。表2和表3中的Q235(G)钢种的总炉数为153炉,其中有效炉数为74炉;Stb32钢种的总炉数为212炉,其中有效炉数为83炉;IF3钢种的总炉数为43炉,其中有效炉数为13炉。

表2体现了静态模型的计算结果,表3体现了动态模型的预测结果,表中的数据说明两种结果都比较好,说明模型的准确性比较高。因为C反应产物主要为CO和CO2气体,炉气分析设备可以较准确地实时检测其变化量,所以表3中C的命中率较温度的命中率高;而温度T的影响因

素较多,物料及过程数据也存在一定的波动性,所以预测结果的准确率下降。产生波动的原因主要有以下几点:

(1)辅料一般是分批不定时加入的,而不同的加入量和加入时间,对熔池温度有不同程度的影响;

(2)氧枪的操作位置及其变化频率对温度检测存在较大影响;

(3)钢厂实际生产过程中,各炉次添加的废钢量存在随机性,一般是在废钢加入后再加入调温剂进行调整,对温度影响较大;

(4) 钢厂实际生产过程中,操作人员对冶炼信息的改动使部分数据失真。

3 结论

转炉生产过程的复杂性给其过程的机理研究、显示以及操作人员终点判断带来困难,而计算机仿真为此提供了一种解决思路。为此本文主要进行了如下工作:(1)建立了基于物料平衡和热平衡预测废钢加入量和耗氧量的静态模型;(2)建立了基于炉气分析技术的碳温动态预测模型;(3)利用VC和OpenGL实现了转炉冶炼过程的可视化表达和过程仿真。

本文建立的基于炉气分析的转炉冶炼过程仿真系统,其仿真结果中碳和温度的单命中率分别平均可达80.5%和68.1%,双命中率平均可达61.3%,辅料及供氧量静态预测,精度平均可达78.1%。同时,系统过程可视化表达较好,既可以作为单独的系统结合本地数据库使用,也可以嫁接实际生产系统,为转炉生产操作、人员培训和专业教学提供条件,因此本系统具有一定指导意义和参考价值。

摘要：为了实时掌握炼钢过程操作参数及熔池中碳、温的变化情况,有效实现转炉冶炼的精确控制,作者基于物料平衡和热量平衡确定炼钢静态模型,通过炉气分析技术与碳温耦合公式确定动态模型,然后利用VC和Open-GL实现转炉炼钢过程的仿真系统的开发,并使用数据接口连接本地数据库和钢厂实际生产的L2数据库,实现系统的仿真和实时运行。运行结果表明,仿真系统过程可视化表达效果较好,可以比较准确地模拟和预测冶炼中间过程,从而为及时调整冶炼参数提供参考,有一定适用性。

电力系统仿真及应用 篇11

【关键词】轮机智能仿真；三维虚拟现实；轮机模拟；岗位技能考核

引言

轮机智能仿真与考核系统，它是一款针对中等职业学校轮机管理方向的教学软件。下面从开发意义，设计依据，软件功能，教学效果，软件创新5个方面阐述此套仿真软件在教学中的应用。

一、开发意义

《船舶柴油机》，《船舶管理》，《船舶辅机》和《船舶电气》课程是轮机管理专业的核心课程，无论是理论知识还是实际操作，都是轮机管理专业中学生应知必会的。 然而由于学生上船实习周期长，海上环境相对恶劣，使得该课程教学非常困难。若采用轮机实训设备教学，需要设备数量多，以及大量资金投入。为此我们使用一款虚拟现实仿真软件，该软件能较为真实地展现机舱工作情况， 并可对设备进行操作和故障排除的训练。整个软件的特点是：教学直观、操作灵活，虚实一体，让学生在真实情境中体验工作场景。软件安装方便，复制到U盘，粘贴到硬盘就可以直接使用。

二、设计依据

该软件参照中国海事局《海船船员培训发证和值班标准国际公约》开发和设计，以《船舶柴油机》《船舶管理》《船舶辅机》和《船舶电气》教材为依据。根据课程标准结合学生实际情况，制定了以下课程三维目标：知识与技能目标：过程与方法目标：情感、态度与价值观目标目标。根据教学需要，本软件解决了轮机设备部件难以识别的教学重点。通过仿真实训，软件解决了轮机设备启动操作复杂的教学难点。

三、软件功能

软件设定了三维虚拟现实，轮机模拟操作和岗位技能考核3大模块，首先是三维虚拟现实模块，本软件是一款由计算机逼真地模拟实船机舱具有的功能并将其显示的装置 ， 学生可以在三维虚拟现实中漫游机舱，软件中的所有开关，按钮，阀门，甚至声响灯光与实船完全一致，并可进行操作和故障排除，为轮机管理专业学生提供了一个较为真实完整的实时操作平台。通过软件操作，学生了解机舱结构，培养对岗位的兴趣。

其次在轮机模拟操作模块，通过仿真技术，将实船操作面版真实展现在学生面前。软件操作界面包括了27个子模块，包含了船舶机舱所有的动力装置系统。分别是驾驶台，集控台，主机，主机机旁，主机工况，锅炉蒸汽，压缩空气，冷却系统，滑油系统，净油系统，延伸报警，电站系统，辅机控制，污水系统，压载系统，舵机系统，焚烧炉，生活污水，自动化，主机遥控，故障处理，燃油系统，空调系统，消防系统，二氧化碳，泡沫系统，KCHIEF500系统。以驾驶台和集控台这2个模块为例，可以进行船舶启动操作和航行中的变速操作，使学生在模拟情景中感受到真实的航行环境。

最后岗位技能考核模块是该软件的核心部分，也是检验学生操作成果的必要手段，本套软件集成了海船船员考核标准试题，包括分油机舱的灭火操作，船舶应急发电机启动，大风浪航行时的主机定速，锅炉点火的操作等等，操作结束后系统直接给出分数，并将错误指明，使学生在模拟考试中体验学习成功的喜悦，提高学习积极性。

该软件的特点是采用虚拟现实技术，虚拟现实环境的开发工具采用主流的底层渲染3D API技术，采用Direct3D（DirectX Graphics）开发组件。软件还运用了网络网络技术和多媒体技术图文音并茂。

四、教学效果

从教育水平来说，软件担当了职业教育中的“培养学校”的作用。根据我们的教学安排， 船用轮机教学仿真与考核系统软件作为一种现代化教学手段，对提高教学质量，提高学生的实际操作技能大有帮助，所取得的成效主要有以下几个方面 。

（一）熟练操作仪器设备

以往学生上船实习，都是比较陈旧的船舶，通过模拟器仿真软件的学习让学生了解现代化船舶的基本情况，通过模拟的方式让学生不断学习新的设备，达到熟练操作，安全操作的目的。

（二）增强排除故障能力

轮机管理是门实际操作很强的一门技术，以前学生上船工作实习，在机舱里只能做一些基本的工作，不能完全适应轮机管理工作，通过模拟器仿真实训，可以让学生在基本训练中得到锻炼，还通过各种故障排除的练习，提高了学生排除故障的能力，在船上得到了一致的好评。

（三）快速适应工作岗位

以前学生上船实习，对机舱管理适应比较慢，而通过仿真软件的练习使学生对机舱设备有了全面的认识，平时练习可以达到与实船相同的训练效果，上船后可以快速的适应工作岗位，融入到新的环境中。

（四）提高综合职业素养

通过仿真软件的练习，提高了学生综合操作能力和故障分析排除的能力，使学生热爱航海事业，为以后的工作打下了基础。

五、软件创新

基于虚拟现实，软件包括机舱所有动力设备，全功能训练实现环境真实感。贯彻做中学，做中教理念。

训练内容多样性，实现出题开放性，老师自己出题并可自动评估。

使用校园局域网，可实现网络化教学。

本软件对学生的职业技能和素质培养具有重要意义，有效实现了课程三维目标。

六、结语

电力系统仿真及应用 篇12

信息化与网络化是现代电网智能化的重要组成部分。伴随着电网拓扑结构的扩展,信息通信网络结构、资源配置、设备分布、链接关系等都日趋复杂和庞大。面对通信资源分布广、类型多、承载的业务多样(自动化、保护、视频监控、通信、综合信息业务等)、扩容变更资料维护难度大、无法直观展现现场物理场景的特点,如何有效的对通信资源进行直观、精细管理已成为电网信通公司管理人员和基层运维人员所面临的难题。

随着电网智能化的发展和智能变电站增多,对网络化、信息化的依赖程度越来越高,对电网信息网络通信传输资源的管理需要精细化、规范化,在资源利用有效性、现场维护的安全性、故障排查的快速性等方面要求越来越来高,同时给信通管理、维护人员带来很大管理难度。目前虽然配备了一些网管系统和资产管理系统,但是还不能整体体现系统的资源利用情况和现状,不能直观地展现物理场景。

地市级电网通信信息资源三维管理及仿真系统的意义就在于解决以上提出的问题。建立一套直观、高效、精细、完整的电网通信信息资源管理平台,提高智能电网的信息化、网络化管理水平以及安全水平,有效融合电网的信息通信专业技术。

1 系统设计遵循的原则

为了保证本系统的质量,在进行系统的设计、开发、部署和运行管理规划时将遵循如下原则。

1)标准化。系统严格按照规范及标准开展工作,保证开发流程规范化、数据标准化。

2)准确性。通过周密的系统调研和分析,确保对业务的正确理解;通过规范的项目管理和严密的系统测试,保证系统业务处理的准确性。

3)安全性。系统设计中采用严格的安全保密措施,保证系统及数据的安全性。

4)系统可靠性。本系统在设计时充分考虑了对可靠性的要求,采用多种高可靠、高可用性技术以使系统能够保证高可靠性,尤其是保证关键信息服务的连续不间断运作和对非正常情况的可靠处理。

5)可伸缩性。系统真正符合三层客户 / 服务器体系结构,随着应用水平的提高、规模的扩大和需求的增加,系统在满足用户新增需求的前提下,体系结构不需做较大的改变。

6)可扩展性。系统平台易扩展,能够支持有价值的新兴应用。同时,可配置多服务器集群协同工作,实时监测服务器状态,通过负载平衡保证实现大用户量并发处理和高效的网页浏览速度。

7)实用易用性。系统具有一致、友好的客户化界面,易于使用和推广,并具有实际可操作性,使用户能够快速地掌握系统的使用。

2 系统架构

系统采用B/S架构,B/S是当今世界范围内技术最先进的系统结构方案之一,也是配合Internet/ Intranet建设的最佳方案。由于所有使用了这种技术结构的系统,其客户端内容都是从后台传送过来的,而全部的业务处理都是在服务器端完成的,所以最大限度地方便了用户部署和维护大型软件系统, 从而大大降低了用户目标系统的总体拥有成本。

在这种结构下,客户端主要负责人机交互,包括一些涉及数据和应用关系的图形和界面运算;Web服务器主要负责对客户端应用程序的集中管理;应用服务器主要负责应用系统的逻辑结构和数据关系,即事务处理,应用服务器又可以根据其处理的具体业务不同而分为多个;数据服务器则主要负责数据的存储和组织、分布式管理、备份和同步等。

通过上述的应用开发和部署,保证了界面展现、业务模型事务处理,以及数据库操作的相互隔离,提高了安全性和稳定性。

使用模型、视图、控制器(Model View Controller, MVC)设计模式,MVC由Smalltalk的发明者提出, 是用来设计应用系统的一种模式。MVC模式定义了一个应用要包含的数据、表现和控制3部分信息, 并且要求这3部分信息被分离在不同的对象中。其中,模型是代表纯的应用数据的对象,不包含数据应当如何展现给用户的知识;视图是将模型的状态可视化的形式,是负责将模型数据展现给用户的部分; 控制器提供改变模型状态的灵活方式。

通过采用MVC逻辑架构,可以使软件设计的层次更清楚,可复用性更强,从而提高系统的可靠性与可用性。

3 系统涉及的技术

地市级电网通信信息资源三维管理及仿真系统主要研究和建立一个能直观有效地管理地市级电网通信信息机房及所属变电站各类网络设备、传输资源和链接关系的三维管理仿真系统。在整个项 目设计上,涵盖地市级电力公司传输网、数据交换网;包含信通分公司所管理的核心机房、分布在全市的相关主要变电站、光缆资源、机柜资源、主要光传输设备、脉冲编码调制(Pulse Code Modulation, PCM)设备资源、服务器资源、网络设备和相关设备的端口资源、各类配线模块及配线模块包含的配线端子的管理。通过三维仿真技术(仿真粒度要求做到板卡级),将这些分布于机房和变电站中的相关通信信息传输资源及链接关系直观整合于一个立体化管理平台中,打造一个直观(与现场物理一致的)、立体、统一、易于维护的电网通信信息资源管理平台。

基于该平台,用户可以实现对所管机房和变电站的相关通信信息资源的查询、定位、属性编辑、状态查看以及连接查看等操作。该平台严格按照国家电网公司《智能电网通信管理系统技术基础第1部分:资源命名和定义》的规范要求,方便用户在管理好自身资源的情况下,满足上级部门的要求。为通信信息维护人员日常对资产的查询、修改工作提供一个极其方便的平台。

3.1 传输资源的三维建模、展示和管理技术

3.1.1 数据结构

一般3D仿真技术 的规则由Server端计算, Client本质上是一个状态“播放器”,为了更有效地实时显示出最新的状态,本地要保存一个operator和环境的数据结构(如果所有数据实时的从Server端取回,则render只能在消息回调中执行,这样会卡帧),为了体现最新的状态Client,要不停的显示需要的数据结构,这样只要刷新的足够快,用户就会觉得是实时同步更新的。核心的数据结构是operator,这个结构Server端和Client端基本是一致的(Client端的ID用来标记Server端的一个对象)。

对于3D模拟环境而言,一个屏幕上显示的内容只是虚拟电网的一小部分,整个电网一般用场景图、结构微缩图来表示。

3.1.2 基本逻辑

1)事件处理。即从上一帧到这一帧之间缓存的事件需要一一进行处理。这些事件包括本地的键盘鼠标操作、Server传过来的信息等。这些事件的处理逻辑主要包括以下方面。1画面移动、转向等(内部是更改mesh的matrix4等属性、以及摄像机的操作等)走动:切换场景数据,即3D行走;2切换视角: 改变摄像机的target;3拉近视角、拉远视角:摄像机操作;4自动寻路:寻找关键点、播放行走动画;5特殊效果触发器:播放特定粒子效果、动画等;6触发某个界面元素:进行相应逻辑处理、向Server发相应请求等。

2)物理模拟。1碰撞检测(求交点等),视角不可穿越墙壁、不会超出地图边界、不会悬空等效果。2反向动力学模拟,可以实现ragdoll效果。3流体力学等复杂的物理模拟,基本上牛顿经典力学所涉及的速度、加速度、质量,运动学等都可以做到(如人物走时会受摩擦力影响、人物跳下时会有重力加速度效果),可以模拟出流体力学(这样就会体现出空气阻力、游泳时的浮力、阻力,水流动时的表面张力等)等更逼真的效果。

3)preframe。1计算骨骼动画的当前transform矩阵 ( 之前在物理引擎中计算 )、顶点动画的当前数据,摄像机移动的当前位置等动画相关数据。2计算粒子系统当前的状态。3计算音效、背景等当前的数据。

4)update场景。1计算视角新的变换矩阵。2根据视角matrix4更新model View matrix、projection matrix等(之所以使 用matrix4×4是因为显 卡支持4阶矩阵并行计算,注意不是并发是真正的并行, 这是GPU的特点)。3根据新的视锥体进行场景剔除(cull),一般室外场景是八叉树裁剪,室内场景是二叉 树裁剪。4更新每个node的orientation、position、scale等属性(主要是要将父节点的数据传递给子节点)。

3.1.3 功能实现

1)对机房和智能变电站中各类传输资源进行三维建模和管理,粒度可以做到板卡级,即用户可以在系统中灵活的进行板卡的管理(包括增加、删除等), 使系统始终保持与用户实际现场基本统一的运行状态[1]。某中心机柜的矩阵如1所示。

2)支持针对某个设备(主要指光传输设备或者PCM)的相关端口,系统可以进行三维建模,允许用户在三维场景中进行选择和编辑,如点击查询该端口的属性(包括编号、端口类型等,端口状态、创建连接关系)[2]。

3.2 数字配线架和光纤配线架的分组管理技术

采用分布式架构,将数据输入本地数据缓存后, 通过数据压缩将数据批量传回总部,大大降低了网络访问量。对于结构庞大的企业,在像年末统一进行盘点时,大量数据进出服务器的情况下,可以有效地防止服务器数据堵塞。

1)选择一个或多个数字配线架和光纤配线架模块进行配线模块的创建。

2)针对配线模块的配线端子管理,用户可以在三维场景中直观查看当前配线模块中所包含的配线端子的状态(已使用、未使用和损坏),同时可以编辑各个配置端子的属性和创建一个与该配线端子相关的连接管理。某中心选择一组数配创建一个配线模块示意如图所示。

图 2 某中心选择一组数配模块创建一个配线模块示意 Fig.2 Diagram of creating a distribution module

4 系统功能

4.1 光缆资源的管理

1)系统允许用户导入目前已经存在的所有光缆资源,同时在以后发生光缆资源变化时,系统可以允许用户进行增加和删除。

2)系统能够显示出一根光缆所连接的2个变电站信息,同时可以展示当前该光缆的使用情况(如一根72芯的光缆已经使用了48根芯,还有24根芯处于未使用状态)。

4.2 光传输设备和 PCM 设备的管理

1)直观展示相关设备在机房场景中的位置,用户可以查看和修改相关设备的属性。

2)针对光传输设备、PCM设备可能存在的板卡设备,系统支持对板卡设备的独立查询和编辑,并支持用户自行增加相关板卡资源。

3)针对相关设备中的所有端口资源,系统支持用户自定义各个端口的属性,并为该端口创建连接关系。

4)对于存在连接管理的端口对象,系统可以用三维的方式直接展示相关的连线走向和对端设备及端口。

5)用户可以通过指定一个端口,让系统在三维系统中完整展示出当前该端口的单跳或者端到端的链路走向,并且可以实时查询端到端路径中每个连接节点的信息。

6)如果某个PCM设备的端口或光传输设备的端口直接连接到某个具体业务,系统允许用户增加业务与端口的关联属性[3,4]。某配线模块中数字配线架端口的上下游连接示意如3所示。

图 3 某配线模块中数字配线架端口的上下游连接示意 Fig.3 Upstream and downstream connection sketch of a wiring module

4.3 链路管理

链路作为依托于端口直接的对象,系统在对其管理时,主要从链路展示上做了考量,从而方便用户在复杂的端口和链路中,快速直观地找到某条链路的实际走向和途经节点[5]。

选中核心设备后的展示如图4所示。图中示意了某个PCM端口连接终端业务后,当查看其到核心机房的端到端路径的效果时,系统在实现上,允许用户直观简约展示完整链路图,同时允许用户点击每一个节点,系统会直观展示出当前该节点的三维效果图和相关口信息。

图 4 选中核心设备后的展示 Fig.4 Visual display after the core equipment selected

4.4 数据交换网的管理

直观展现机柜内配线架中各端口的使用状态和位置信息,并能快速直观查询其连接的对端设备。

选择某个交换机端口,选中其已占用端口(黄色表示)(见图3),系统可以直观展现指定端口链路的走向分布,同时支持展示交换机多接口的链路走向信息。

5 系统应用效果

为落实国家电网公司提出的信息通信专业技术相融合的思路,单纯的针对资源进行展示和管理已经不能满足融合管理需求,必须在管理对象全面化、数据深加工和资源数据整合方面深化设计和开发, 充分揭示各设备、各网络应用之间的关系、状况,使系统的价值发挥的更大。

1)机房和变电站的三维场景直观展示。某市中心宏观管理视图如图5所示。在此场景中可以点击查询当前存在的光缆资源的属性查看编辑。

2)管理对象全面化。前期初步探索的成果,主要集中于核心机房和某几个主要变电站之间的展示和管理,后续研究将涵盖整个地区所有变电站之间的展示和管理,使系统在管理对象规模上真正达到与现场物理1:1仿真的目标要求;仿真颗粒度进一步细化,进一步涵盖现有设备经常变更的板卡、端接口。

3)数据深加工。在有了资源的属性数据后,如何利用这些数据有效的为日常通信资源管理工作提供更好的支撑和帮助,则需要系统对当前的数据进行深加工,才能体现出这些属性数据的真正价值,这将是本次的工作重点。通过对数据的深加工,可以为运维及人员和管理者提供如下的有用信息:光缆的总体使用率,与各个节点的使用率;各个节点配线模块的在用、未用、损坏情况;业务的总体连接分布图;配线模块的使用分布图;各类资源的维护历史信息。

4)资源数据整合。进一步研究融合通信与信息资源,研究接入诸如机房动环管理系统、网络管理系统、端口运行状态管理等第三方系统。

5)高级智能化。设备管理与配置,同步保存设备配置档案,系统故障处理演练及系统培训。

6 结语

通过地市级电网通信信息资源三维管理及仿真系统的有效实施,可以在降低管理难度,提高管理效率,减少管理人员工作时间成本、培训成本,降低通信信息资源的管理难度,提升运维人员的工作满意度和工作热情等多方面取得可观的经济和社会效益。

摘要：为提高智能电网的信息化、网络化管理水平以及安全水平,有效融合信息通信专业技术,弥补3D仿真技术在我国智能电网应用的空缺,文章采用搭建通信信息资源三维管理平台和仿真系统相结合的方法,从底层数据的采集、工作流程整理、整体和细节的仿真展示等方面入手,着重论述如何将一套结合了3D仿真技术并针对我国智能电网开发的可视化信息管理平台应用于电网的日常工作。通过建立一套直观、高效、精细、完整的电网通信信息资源管理平台,提高了智能电网的信息化、网络化的管理水平与安全水平,从而有效提升现有电网管理水平和力度。