Познакомимся?
Уважаемые читатели, добрый день! Меня зовут Сергей Букреев, я — технический директор в компании атомной отрасли, в связи с чем, ежедневно занимаюсь вопросами тренажеростроения и математического моделирования технологических объектов. Я решил начать свою историю на Хабре по нескольким причинам. Во-первых, это одно из крупнейших сообществ IT-специалистов, а потому — максимально подходящая площадка для расширения собственного кругозора. Во-вторых, стать колумнистом — замечательный способ дополнительно реализовать себя как квалифицированный эксперт, плюс найти интересных единомышленников.
Зачем электростанциям тренажёры?
Многие представляют атомную и тепловую электростанции (АЭС и ТЭС, соответственно) как некие сложные установки и системы малопонятных процессов, но пользу от их работы понимают практически все. Чтобы повышать безопасность и эффективность работы на станции, оперативный персонал должен постоянно совершенствовать свою профессиональную подготовку. И если реальная станция здесь не помощник, то полномасштабные и аналитические тренажеры — как раз то, что надо, ведь все приборы, ключи управления в точности воспроизводят аппаратуру по составу, цвету, размерам и форме. Информацию, которая отображается на мониторах и индикаторах, не отличить по величине и внешнему виду от той, которая дается на энергоблоке. Ловкость рук, и никакого мошенничества!
В этой статье я постараюсь раскрыть все тонкости одного из многочисленных нетривиальных процессов, которые стоят за компьютерным моделированием работы АЭС и ТЭС.
В чём состоит сложность?
Вообще, весь проект по созданию тренажера включает в себя вагон и маленькую тележку процессов: здесь и модели теплогидравлического оборудования, и мнемосхемы человеко-машинного интерфейса для оператора и инструктора, и интеграция с аппаратным комплексом. Но сегодня предлагаю поговорить конкретно о разработке, тестировании и отладке симуляционных моделей систем электроснабжения, релейных защит и противоаварийной автоматики (РЗиА) АЭС, а также ТЭС для тренажеров. Как и многие другие, этот процесс требует значительных трудовых и временных затрат. Ведь системы электроснабжения содержат большое количество коммутационных аппаратов, устройств релейных защит и автоматики, устройств отображения и сигнализации. Задача усложняется некачественными исходными данными и отсутствием полной информации об объекте моделирования.
Свет в конце туннеля!
Для решения этих задач мы применяем метод структурного моделирования в программном комплексе (ПК) «САПФИР». Комплекс разработали сами инженеры АО «Инженерно-технический центр «ДЖЭТ» как кросс-платформенную среду для разработки симуляционных задач реального времени для полномасштабных и аналитических тренажеров.
Процесс разработки модели РЗиА основан на последовательном выполнении трех шагов.
ШАГ ПЕРВЫЙ
Во время него анализируются исходные данные, плюс заполняется база данных коммутационных аппаратов проектируемого тренажера (рис.1.) и релейных защит, воздействующих на них. Также определяются наименования, тэги, принадлежность к моделируемым системам, указываются паспортные данные и т.п.
![Рис.1 Вид окна базы данных проектируемого тренажера в программном комплексе «САПФИР» Рис.1 Вид окна базы данных проектируемого тренажера в программном комплексе «САПФИР»](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/002/5e0/b34/0025e0b347a9f18ac0f301a4285cb3a3.png)
ШАГ ВТОРОЙ
Разработка шаблонов типовых решений на основе общетехнической библиотеки блоков и библиотеки РЗиА. В их состав входят блок управления коммутационным аппаратом, входные и выходные сигналы и команды. Блок управления коммутационным аппаратом — это интерфейс между моделью РЗиА и моделями коммутационных аппаратов. На входы блока подаются команды на включение/отключение коммутационного аппарата, блокировку команд и их подтверждение. Выходы блока передают информацию о текущем состоянии коммутационного аппарата при наличии питания цепей концевых выключателей, сигналы с ламп сигнализации и сигналы о неисправности. Кроме того, в модели реализован вывод сигнализации и переменных в связанное с данным коммутационным аппаратом оборудование.
![Рис.2 Пример типового решения управления коммутационным аппаратом 6 кВ Рис.2 Пример типового решения управления коммутационным аппаратом 6 кВ](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/b86/dcc/b6a/b86dccb6acaf5a54a9ac29f3625af640.png)
ШАГ ТРЕТИЙ
Далее есть 2 пути генерации моделей:
1.Для коммутационных аппаратов, совмещённых с защитами, выполняется генерация моделей на основе заполненной базы данных (рис. 3).
![Рис.3 Список моделей коммутационных аппаратов, совмещённых с релейными защитами и автоматикой, реализованной в ПК «САПФИР» Рис.3 Список моделей коммутационных аппаратов, совмещённых с релейными защитами и автоматикой, реализованной в ПК «САПФИР»](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/31f/f53/ea3/31ff53ea3929d98fc7fe4dc0da396c6c.png)
2.Для коммутационных аппаратов, на которые воздействуют внешние шкафы защит, помимо модели коммутационного аппаратов, дополнительно генерируются модели этих шкафов (рис. 4).
![Рис. 4 Список моделей коммутационных аппаратов, имеющих внешние шкафы релейных защит и автоматики, реализованной в ПК «САПФИР» Рис. 4 Список моделей коммутационных аппаратов, имеющих внешние шкафы релейных защит и автоматики, реализованной в ПК «САПФИР»](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/7ec/f51/921/7ecf51921adc481bf66f56c76c7e3c39.png)
На этом этапе разработка модели заканчивается. Вместо него начинается процесс отладки и тестирования. Последнее происходит совместно с моделями коммутационных аппаратов, шкафами РЗиА и основной моделью системы электроснабжения.
А напоследок я скажу...
Благодаря такому подходу к симуляционным моделям РЗиА для тренажеров были значительно сокращены сроки на разработку всего проекта в целом. А применение графических средств и инструментов моделирования в разы упростили процесс разработки, внесения изменений и модернизации тренажеров.
Данный подход также используется при разработке других тренажеров и систем, например, технологических защит, блокировки, контуров регулирования, теплогидравлических систем.
Если у вас появились вопросы или интересно разобрать другие процессы компьютерного моделирования АЭС и ТЭС, пишите в комментариях!
Комментарии (17)
avshkol
12.05.2022 21:02+1А что видит тренерирующийся? На сканах показаны внутренности большой базы данных. Не показано интерфейса - выключатели, сигнальные лампочки, ваттметры и т.д?
И еще вопрос: рассматривали ли ГОСТы серии 58651.x для представления структуры данных?
Volkodlak
13.05.2022 08:05По логике, тренирующийся видит мнемосхему ЭС с управляющими кнопками открыть/закрыть задвижку/регулятор включить/выключить что-то
Parramon
13.05.2022 10:35В случае полномасштабного тренажера обучаемый видит реплику своего рабочего места. Со всеми сигнализациями, приборами контроля, органами управления, причем именно в "железном" исполнении.
В случае с аналитическим тренажером все эти вещи он видит на экране компьютера. Плюс к этому в АТ, как правило, существует дополнительные средства визуализации для более полного понимания происходящих процессов.
lomik_id
13.05.2022 10:29Очень масштабный проект у Вас получается. Подскажите, пожалуйста, Вы моделируете внешнюю сеть (ЛЭП, соседние подстанции, электростанции) или ограничиваетесь моделью вашей электростанции? Может ли данный тренажёр использоваться для отработки действий персоналом при внешних возмущениях в энергосистеме (например: КЗ вблизи Вашего объекта или изменение частоты в энергосистеме)? Алгоритмы РЗиА Вы моделируете полностью или как сигнал УВ от терминала РЗиА на коммутационный аппарат ?
Ni_Bar Автор
13.05.2022 10:42+1Объем моделирования зависит от проекта. Обычно сеть моделируем эквивалентным источником, но было несколько проектов по более детальному моделированию энергосистемы и объекта прототипа. Тренажеры могут использоваться для отработки действий при внешних возмущениях. Алгоритмы РЗиА в основном моделируются полностью, как сигнал тоже моделируем, но редко.
lomik_id
13.05.2022 11:45Спасибо за Ваш ответ! Ещё вопрос: я правильно понимаю, что весь процесс моделирования происходит в режиме жёсткого реального времени ?
Ni_Bar Автор
13.05.2022 12:58Спасибо что такой интерес проявили! Все верно, но есть возможность управления режимом моделирования, и замедления, и ускорения.
Bedal
13.05.2022 14:28Мы тоже так делали. Пока не обнаружили, что замедление никому не нужно, а ускорение используют грубо, то есть сразу выкручивают на максимум. Потому перешли к понятию «тренажерного темпа», поддерживаем время в масштабе, удобном для тренировки. То есть настройки есть, но они спрятаны от непосредственного управления, разные для разных типов устройств и разных расчётных ситуаций (высокая/низкая нагрузка).
Мы ещё с 90-х годов тренажеры делаем, в первую очередь для диспетчеров энергосистем.
Bedal
13.05.2022 14:25А кому оно нужно, реальное время? Моделировать медленнее реальности нельзя, хотя на самом деле можно. Вот идёт бурный переходной процесс, десятую долю секунды которого можно замоделировать только за целую секунду — и что? Корректный результат важнее, можно считать и секунду. Которую потом, при падении темпа процесса, втихаря компенсировать. Для человеков за пультами это будет совершенно незаметно.
При этом вести всё точно с темпом реальности — не нужно, потому что тогда большую часть тренировки персонал будет сидеть и посвистывать. Темп времени в тренировке затейлив и не постоянен (при хорошей реализации). С одной стороны, нельзя совсем уж отрываться от ощущений, даваемых реальным опытом, с другой — нужно по возможности исключить бесполезные для занятия простои.
Bedal
13.05.2022 14:19Для общего вида внешняя сеть может быть и полезна — но именно для тренировок персонала такого уровня не очень. Тренировка занимает максимум два часа, кому какое дело до процессов в энергосистеме, длящихся дольше? Да и вообще, какая разница, что там происходит, если значения до уставок РЗиА не добираются?
andrey_ssh
13.05.2022 13:59+2Не могу в статье найти ничего про моделирование релейной защиты и противоаварийной автоматики.
timofeevka
13.05.2022 18:21Серёга привет !
Ni_Bar Автор
13.05.2022 21:01Привет!)
timofeevka
13.05.2022 21:46Ты тоже решил писателем стать? ) Я тут одну статью написал, даже было много отзывов положительных.
Siemargl
13.05.2022 18:39Моделирование "закрытой коробки" имеет факториальную сложность от кол-ва сигналов (даже дискретных, аналоговые можно обсчитать только шаговые). Потому либо получается очень ограниченным, либо рекламой сильвербуллета.
brotchen
Интересная штука. Правильно я понял, что модель чисто цифровая, без подключения физического оборудования? И ещё интересно, в какой системе моделируются защищаемые объекты: станция и энергосистема.
Bedal
главная проблема — не моделирование защищаемых объектов, а моделирование именно РЗиА. Если они «старые», аналоговые — модель построить можно (иногда сложно, но всё равно можно). Для цифровых же устройств адекватное моделирование возможно только при полном воспроизведении алгоритма. И вот с этим бывают, мягко говоря, проблемы. Реверс-инжиниринг по документации оказывается частенько неадекватным. Доступ к алгоритмам защищён патентами и т.п.
Мы тоже делаем тренажеры, только на более высоком уровне, для диспетчеров. И с устройствами с цифровым управлением (это не только РЗиА, но и разные регулирующие устройства вроде УШРов) огребаем проблем полный кузов.