一种水电仿真培训系统的智能模块及其建模方法
【专利摘要】一种水电仿真培训系统的智能模块及其建模方法，智能模块为能够对外界信息进行识别的智能模块，这些智能模块通过主动交互组合成电气系统、机械系统、水力系统的各子系统，自动识别当前的工作状态并对仿真对象进行计算，模拟出运行过程中的各关键环节，包括：各类操作，控制、保护原理和过程，机电设备在操作、控制和保护下的状变过程及各类设备之间的联动过程。本发明可以自动识别当前所处的仿真环境和其它模块的状态，具有高度的智能性。模块之间不存在直接的相互调用，通过环境进行交互，并自行判断是否应该启动进行仿真，不需要复杂的调度，具有高度的自主性。
【专利说明】
一种水电仿真培训系统的智能模块及其建模方法
技术领域
[0001]本发明一种水电仿真培训系统的智能模块及其建模方法，涉及水电仿真领域。
【背景技术】
[0002 ]现有水电站仿真培训系统的建模以模块化建模为基础，按照实际的物理部件和设 备建立"模块"，将模块进行联立组合成水电站各物理系统的模型。水电站仿真常规的建模 方法如下：1)将整个系统分为电气系统、机械系统、水力系统;2)各系统再分为若干实现某 一独立功能的子系统，如电气系统包括:主系统、二次系统、厂用电系统、保护等，机械系统 包括:主机和辅机，水力系统包括进水口、引水系统、尾水等，3)在子系统中按功能对模块进 行组合，4)仿真中依据仿真任务依次调用来实现对水电运行过程的模拟，如实现开停机过 程就要依次调用各系统的相关功能模型。
[0003] 该方法在水电站的仿真中存在如下问题：1)智能性不够，使用不同功能时，会对同 一模块进行重复的调用，导致同一模块的调用过多。2)自主性不够，模块的启动由外界进行 调用或由其它模块调用，当任务复杂需要使用更多功能时，模块的调度复杂且具有很大的 难度。3)灵活性不够，功能定制导致在实现复杂功能时，模块组合复杂且数量庞大。
【发明内容】
[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供一种水电仿真培训系统的智能模块及其建模方 法，所述智能模块为能够对外界信息进行识别的智能模块，这些智能模块通过主动交互组 合成电气系统、机械系统、水力系统的各子系统，自动识别当前的工作状态并对仿真对象进 行计算，模拟出运行过程中的各关键环节，包括:各类操作，控制、保护原理和过程，机电设 备在操作、控制和保护下的状变过程及各类设备之间的联动过程。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：
[0006] -种水电仿真培训系统的智能模块，包括识别元件、运算元件、输出元件、存储元 件。
[0007] 识别元件和输出元件与仿真环境进行信息交互；
[0008] 运算元件实施模块的计算；
[0009] 存储元件对模块信息进行存储，实现模块的内部状态量和环境信息之间的转化；
[0010] 识别元件对仿真环境中的各类信息进行识别，检测出启动本模块的信息后，将该 信息传至存储元件转化为本模块计算用的内部变量，并启动运算元件；
[0011]计算完成，将计算结果返回至存储元件进行保存并转化为环境信息，由输出元件 输出到仿真环境中。
[0012 ] -种水电仿真培训系统智能模块建模方法，包括以下步骤：
[0013] 步骤1:构造 I类和II类两种智能模块，I类是逻辑运算模块，对运行过程中的离散 动态过程建模;II类是连续动态运算模块，对运行过程中的连续动态过程建模；
[0014] 步骤2:每一个模块都有一个身份，模块采用统一的数据定义方式，对应每一种身 份，运算元件中设置与之对应的算法；
[0015] 数据信息包括:身份信息、计算信息和计算辅助信息；
[0016] 身份信息包括:模块类别、对应的设备类型、从属的子系统和对应的生产环节；
[0017] 计算信息包括:模型参数和状态量；
[0018] 计算辅助信息包括：启动信息和关联设备的状态信息，其中身份信息和计算辅助 信息和环境进行交互；
[0019] 模块根据环境中的启动信息确定是否启动运算，根据其它模块的身份信息定位关 联的模块，通过关联设备的状态信息获取关联模块的实时状态进行计算。
[0020] 步骤3 :把仿真的功能分散到运行过程，采用智能模块对运行过程建模，将功能通 过运行过程分散到每个模块。
[0021] 步骤4:模型依次对模块按功能分类依次调用，模块在执行的时候，通过环境信息 来取得模型执行的依据及计算所需的其它部分的信息，判断当前所处的状态，并匹配响应 的算法实现仿真，计算的结果再返回到仿真环境中；模型在执行中自动实现功能组合完成 仿真任务;模块之间不存在直接的关联，且每个模块负责实现运行过程中一个环节的功能， 模块可以自动来环境进行功能组合实现仿真任务。
[0022] 所述步骤3中：第一个功能是产生操作，模拟由操作设备、自动装置和保护装置所 产生的操作过程，采用I类模块建模；
[0023] 第二个功能是控制系统响应操作产生后产生控制信号，采用II类模块建模；
[0024]第三个功能是主设备响应控制信号后的状态变化，开关电器等状态离散变化的采 用I类模块，阀门等状态连续变化的采用II类模块；
[0025] 第四个功能是由主设备状变引发的子系统的状态变化，如断路器分合导致的潮流 变化、阀门开关导致的流量、压力变化，采用II类模块建模；
[0026] 第五个功能是由子系统的状变引发的耦合动态，如温度变化等，采用II类模块建 模。
[0027] 本发明一种水电仿真培训系统的智能模块及其建模方法，优点在于：
[0028] 1:可以自动识别当前所处的仿真环境和其它模块的状态，具有高度的智能性。
[0029] 2:模块之间不存在直接的相互调用，通过环境进行交互，并自行判断是否应该启 动进行仿真，不需要复杂的调度，具有高度的自主性。
[0030] 3:功能分散到各个模块，由于模块具有高度的自主性和智能性，可以自动地组合 成实现仿真任务所需的所有功能。
[0031] 4:模块之间的交互方式是通过环境进行的，而不是模块之间的直接调用，在执行 复杂功能时，模块可以根据环境信息决定是否启动，自主组合相应的功能。
[0032] 5:模型按照功能分类调用模块，而不是按照子系统，对各子系统的相同功能模块 可以进行统一的调度和管理。
【附图说明】
[0033] 图1为本发明智能模块的结构示意图；
[0034]图2为本发明智能模块的流程图；
[0035]图3为本发明智能模块的建模过程图。
【具体实施方式】
[0036] -种水电仿真培训系统的智能模块及其建模方法，
[0037] 一:模块原理和结构：
[0038] 模块包括4类元件:识别元件、运算元件、存储元件和输出元件。
[0039] 模块结构见图1，识别元件和输出元件与环境进行信息交互，运算元件实施模块的 计算，存储元件对模块信息进行存储，实现模块的内部状态量和环境信息之间的转化。识别 元件对仿真环境中的各类信息进行识别，检测出启动本模块的信息后，将该信息传至存储 元件转化为本模块计算用的内部变量，并启动运算元件。计算完成，将计算结果返回至存储 元件进行保存并转化为环境信息，由输出元件输出到仿真环境中。
[0040] 仿真环境:即共享内存，用来保存模块在执行过程中所有需要交互的数据，数据全 部由模块产生，这些数据在共享内存中以环境变量的形式保存，根据仿真需求定义，其信息 〇n包括模块的输入信息Oo-in和输出信息Oo-cmt。
[0041] 识别元件：对环境变量On进行检测，检测On中满足模块启动条件的模块输入信息 0〇-ιη，当〇n数据值满足条件时，将环境变量传递至存储元件启动计算，计算模式按照（1)已提 前定制：
[0042] 判别模式如下：IF One〇。-in，〇n = True THEN 0。-0。-in (1)
[0043] 存储元件:存储模块的内部变量Iir^PIcmt，与0。七和0。-_进行转换，计算前将环境 变量(Vin转换为内部的计算变量I in，计算结束后将内部的计算变量1_转换为环境变量 0。-_，并对内部计算的中间结果Imid进行保存，计算模式按照(2)已提前定制。
[0044] 0〇-in^ I in j I out^Oo-out (2)
[0045] 输出元件:对模块输出信息0。-_进行检测，检测0。-?冲满足输出条件时将变量输 出，计算模式按照(3)已提前定制。
[0046] 判别模式如下：IF 0。-cmte〇。THEN 0。-cmt-0。（3)
[0047] 运算元件:根据内部输入变量值计算在当前输入条件下模块的状态。构造 I类和II 类两种智能模块，两类模块的结构完全相同，仅运算元件不同。
[0048] I类模块中，运算元件采用逻辑函数。
[0049]
(4)
[0050] II类模块中，运算元件采用代数方程进行迭代计算，方程如下：
[0051] I〇ut(k)=f(Iin(k) ,Imid(k-l) ,I〇ut(k-l)) (5)
[0052] 反映机电暂态过程的动态方程需要先转化为代数方程再写入运算元件进行求解。 [0053]二:模块的数据定义
[0054] 每一个模块都有一个身份，模块的身份通过变量进行标识。对应每一种身份，在运 算元件中采用与之对应的算法。标识模块身份的变量包括如下信息:身份信息ID、计算信息 和计算辅助信息。
[0055] 身份信息ID用来进行模块识别，通过3层结构的结构变量来进行定义。通过设置这 个变量，可以定义该模块模拟的是哪一种实际设备。结构如下：
[0056] ID = structl(功能号）.struct2(系统号）.struct3(设备号）（6)
[0057] 生产过程被分割为5个功能，structl表示该模块属于第几个功能；struct2表示该 模块属于哪个电气、辅机或保护哪个子系统;struct3表示该模块代表的实际设备。
[0058]计算信息包括:模型参数CS和模型的状态量I。模型参数CS代表该模块进行计算所 需要的参数，当ID确定后，参数就可以事先设置在存储元件中。状态量I是模块进行计算时 的内部状态量。
[0059] I = {I〇ut,Iin,Imid} (7)
[0060] 计算辅助信息就是环境信息0n，包括模块输入信息0〇-ιη和模块的输出信息0。-_， 输入信息〇。1存放在识别元件中，输出信息〇。-_存放在输出元件中。
[0061] 身份信息ID+计算辅助信息0"形成了环境变量ID.0n，每一个环境变量和模块一一 对应，通过环境变量可以直接定位到模块。模块之间通过环境变量进行交互，通过自身的状 态量进行计算I，模块的计算和外部环境之间没有直接的关联。模块的执行过程见图2,对应 的数据流向如下：
[0062] 环境 4〇。4〇。-in-Iin^Iout-O。-out-Ο。-环境（7)
[0063] 三:对运行过程建模：
[0064] 把仿真的功能分散到运行过程，采用智能模块对运行过程建模，将功能通过运行 过程分散到每个模块。如图3。第一个功能是产生操作，模拟由操作设备、自动装置和保护装 置所产生的操作过程，采用I类模块建模。第二个功能是控制系统响应操作产生后产生控制 信号，采用I类模块建模。第三个功能是主设备响应控制信号后的状态变化，开关电器等状 态离散变化的采用I类模块，阀门等状态连续变化的采用II类模块。第四个功能是由主设备 状变引发的子系统的状态变化，如断路器分合导致的潮流变化、阀门开关导致的流量、压力 变化，采用II类模块建模。第五个功能是由子系统的状变引发的耦合动态，如温度变化等， 采用II类模块建模。具体方法如下：
[0065] 首先按照模块从属的功能按照(6)定义设备的ID，并写入模型参数CS;
[0066]按照(7)确定内部的状态量I;
[0067]按照(4)或(5)确定算法，I类模块按照(4)确定算法，II类模块按照(5)确定算法； 由于识别元件、存储元件和输出元件的功能已经按照（1)、（2)、（3)提前定制，最后只需确定 输入信息Oo-in和输出信息Oo-out，生成环境变量ID . On，即可完成建模。
[0068]建模完成后，按照ID的结构从最外层到最里层依次调用所有模块。
[0069] 最外层是功能次序，从第1功能到第5功能;在某一功能下，依次按照系统调用；在 每一系统下，再按照设备调用。模块自动检测环境变量，若满足启动条件响应的模块执行， 并将执行结果输出值仿真环境。
[0070] 第1功能的模块检测操作产生，自动执行形成操作的信息，第2功能的模块检测到 对应的操作信息，自动形成控制信号，第3功能的模块检测到对应的控制信号，自动计算自 身的状态，第4功能的模块检测到响应的设备状态发生改变，自动计算改变子系统的状态； 第5功能的模块检测到相应子系统的状态变化，自动计算改变子系统的状态；当3、4、5的功 能模块启动后引起设备、系统的状态变化，被第1模块检测到，第1模块可以再次被启动。
[0071] 生产过程的所有功能已经分割至每个模块，模块之间也不存在直接的关联，且每 个模块只负责实现生产过程中一个环节的功能，因此模块可以自动检测环境进行功能组 合。
【主权项】
1. 一种水电仿真培训系统的智能模块，包括识别元件、运算元件、输出元件、存储元件， 其特征在于， 识别元件和输出元件与仿真环境进行信息交互； 运算元件实施模块的计算； 存储元件对模块信息进行存储，实现模块的内部状态量和环境信息之间的转化； 识别元件对仿真环境中的各类信息进行识别，检测出启动本模块的信息后，将该信息 传至存储元件转化为本模块计算用的内部变量，并启动运算元件； 计算完成，将计算结果返回至存储元件进行保存并转化为环境信息，由输出元件输出 到仿真环境中。2. -种水电仿真培训系统智能模块建模方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤1:构造 I类和II类两种智能模块，I类是逻辑运算模块，对运行过程中的离散动态 过程建模;II类是连续动态运算模块，对运行过程中的连续动态过程建模； 步骤2:每一个模块都有一个身份，模块采用统一的数据定义方式，对应每一种身份，运 算元件中设置与之对应的算法； 数据信息包括:身份信息、计算信息和计算辅助信息； 身份信息包括:模块类别、从属的子系统、对应的设备类型； 计算信息包括:模型参数和状态量； 计算辅助信息包括:模块的输入信息和输出信息，其中身份信息和计算辅助信息构成 环境信息和环境进行交互； 模块根据环境中的启动信息确定是否启动运算，根据其它模块的身份信息定位关联的 模块，通过关联设备的状态信息获取关联模块的实时状态进行计算。 步骤3:把仿真的功能分散到运行过程，采用智能模块对运行过程建模，将功能通过运 行过程分散到每个模块。 步骤4:依次对模块按功能分类依次调用，模块在执行的时候，通过环境信息来取得模 型执行的依据及计算所需的其它部分的信息，判断当前所处的状态，并匹配响应的算法实 现仿真，计算的结果再返回到仿真环境中；模型在执行中自动实现功能组合完成仿真任务； 模块之间不存在直接的关联，且每个模块负责实现运行过程中一个环节的功能，模块可以 自动组合实现仿真任务。3. 根据权利要求2所述一种水电仿真培训系统智能模块建模方法，其特征在于， 所述步骤3中：第一个功能是产生操作，模拟由操作设备、自动装置和保护装置所产生 的操作过程，采用I类模块建模； 第二个功能是控制系统响应操作产生后产生控制信号，采用II类模块建模； 第三个功能是主设备响应控制信号后的状态变化，开关电器等状态离散变化的采用I 类模块，阀门等状态连续变化的采用II类模块； 第四个功能是由主设备状变引发的子系统的状态变化，如断路器分合导致的潮流变 化、阀门开关导致的流量、压力变化，采用II类模块建模； 第五个功能是由子系统的状变引发的耦合动态，如温度变化等，采用II类模块建模。
【文档编号】G06Q50/20GK105975719SQ201610361886
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】陈铁, 汪长林, 张彬桥, 李咸善, 甘辉霞
【申请人】三峡大学