本文是一篇电气工程论文，本文主要以抽水蓄能电站试验中的机组开停机试验和机组甩负荷试验为研究对象，针对电站试验人员专业培训中存在的时间受限、培训成本高昂等问题，基于三维建模、碰撞检测、实时渲染以及虚拟现实人机交互等关键技术，利用甩负荷过渡过程仿真模型封装得到的动态链接库文件，设计开发了抽水蓄能电站试验仿真系统。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
纵观世界能源发展历史，能源问题是人类社会的根本问题[1]。近期的俄乌冲突，导致了国际能源市场的严重震荡，使得全球出现能源危机，暴露了以化石能源为基础的世界能源体系的诸多问题，加速了全球能源结构的转型[2]。能源安全得到了空前重视，欧美各国都加大了可再生能源领域内的投资，加快能源结构调整的步伐。中国为保障能源安全，在推进碳达峰、碳中和的过程中，深入推进能源结构变革，建立以绿色低碳能源为主体的能源供给体系，结合中国自身国情，构建具有强大新能源消纳能力的新型电力系统[3]。随着风电、光电等波动性、间歇性新能源的快速发展，高比例新能源并入电网将使得电力系统形态发生改变，给电力系统的安全稳定运行带来重大挑战[4]。因此需要一定规模的储能电源来保障电网安全，而抽水蓄能电站作为目前容量大、成本低、技术成熟的储能装置，由于其响应迅速、调节灵活的优点被广泛应用于新能源消纳，是新型电力系统构建过程中的关键支撑[5]。
大力发展抽水蓄能电站，是实现多能互补，促进新能源大规模高比例发展，构建清洁低碳、安全可靠电力系统的各国共识。我国也在加快推进抽水蓄能电站建设，国家能源局发布的《抽水蓄能中长期规划》任务目标中也明确提出，到2030年，我国已投产的抽水蓄能总装机容量要达到1.2亿千瓦左右，到2035年我国抽水蓄能装机总容量预计将达到3亿千瓦[6]。为保证抽水蓄能电站安全稳定运行，新建抽水蓄能电站在投产之前需要完成机组启动试运行试验项目，此外已投入运行抽水蓄能电站机组在进行A修或扩大性大修后，也要对机组进行一系列试验。其中机组甩负荷试验是电站试验中非常重要的试验内容，不仅是对机组的关键考核性试验，也是对电站整体调节能力和引水系统的巨大考验[7]。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 虚拟现实技术概述
虚拟现实技术（Virtual Reality），也被称作灵境技术或人工现实，是一种伴随计算机图文学技术、多媒体技术、人机交互技术和硬件技术迅速发展而出现的新兴技术[11-12]。虚拟现实技术是利用计算机进行三维建模，构建所想要的模拟真实环境及假想的工作环境，使用者可以对这个“虚拟世界”中事物进行自然地人机交互，以多感知信息为辅助并通过使用多种传感设备给人一种身临其境的感受。
虚拟现实技术具有三大特性[13]：沉浸性、交互性和构想性，简称“3I”，如图1-1所示：
沉浸性（Immersion）：当用户进入虚拟现实系统时，在计算机所构建的虚拟世界中体验到与真实世界一样的感觉，虚拟世界中的一切事物都彷佛是现实世界的镜像，用户可以全身心沉浸其中并从事与现实世界一致的各种活动。
交互性（Interaction）：用户可以通过计算机和外部设备在虚拟世界主动对物体进行交互操作，得到虚拟世界及时的反馈以及和在现实生活中进行同等操作后的相同体验。
构想性（Imagination）：用户可以灵活地应用虚拟现实技术，去构建真实世界中所不存在的事物或环境，完成在现实生活中不可能实现的操作，使用户更好地学习和理解新事物和新知识。
2 系统总体设计及基础理论
2.1 电站试验概述
抽水蓄能电站试验是在电站正式投入运行之前，为检验设备性能，确保机组和设备投产后能安全稳定地运行而进行的一系列试验。电站试验涵盖范围非常广，包含众多试验项目，主要由电站受电试验、机组启动试运行试验、涉网试验以及机组性能试验等试验项目组成，各试验项目又包含许多试验内容。例如机组启动试运行试验项目便由机组流道复充水及静水试验、水泵调相工况启动并网试验、水泵工况试验、水轮机工况启动及空载试验、水轮机工况并列及负荷试验、机组自动开、停机试验、机组工况转换试验等试验组成。
电站试验需要在试验方案的指导下有序进行，试验方案主要包括试验目的、试验范围、试验条件与要求、试验内容、试验步骤、试验数据记录和试验应急预案。电站工作人员在进行电站试验前，要进行试验方案的培训，熟悉试验的整个流程和全部内容，明确自己的工作区域。在电站试验前，需要对试验的条件进行检查，当试验条件和要求都满足后，按照试验步骤进行试验操作，在试验过程中要注意对危险源的辨识，当出现危险时按照应急预案及时采取相应的措施，避免造成重大事故，电站试验结束后查看记录的试验数据，通过对数据的分析判断其是否满足电站运行要求。
2.2 系统的架构设计
2.2.1 系统功能分析
由于电站试验项目众多，故选取电站试验中较为重要的机组开停机试验和机组甩负荷试验作为研究对象，针对抽水蓄能电站试验专业培训中存在的问题，提出以下系统功能需求：场景漫游、机组认知、机组开停机试验仿真以及机组甩负荷试验仿真。
（1）场景漫游。本系统属于桌面式虚拟现实系统，用户通过使用鼠标、键盘等外部设备与计算机屏幕中的电站虚拟场景进行自主交互，实现抽水蓄能电站仿真场景交互漫游功能，该功能是系统其他功能实现的基础。
（2）机组认知。用户通过鼠标对机组三维模型进行交互操作，可对机组进行1/2、1/4剖面查看和爆炸查看，了解机组的各组成部件和功能介绍，辅以拖拽、旋转缩放功能使其更好的呈现在用户面前，从而形成对机组的基础感性认知。
（3）机组开停机试验仿真。机组开停机试验是开始机组甩负荷试验前应提前完成的试验，基于机组开停机操作流程，用户在系统界面信息的提示及语音引导下，独立完成机组开停机试验仿真，通过该功能让用户对机组开停机过程有一个深入的了解，以便更好地掌握机组开停机试验操作。
（4）机组甩负荷试验仿真。基于机组甩负荷试验操作原理及流程，用户在系统界面信息的提示及语音引导下，独立完成机组甩负荷试验操作过程，试验结束后可进行试验数据的可视化查看，使用户能更好地掌握机组甩负荷试验操作流程，提高其甩负荷试验操作能力和理论水平。
3 甩负荷过渡过程的数学建模及仿真计算 ........................... 17
3.1 甩负荷过渡过程概述 ................................ 17
3.2 甩负荷过渡过程的数学建模 ..................... 18
4 三维模型的创建及虚拟场景的搭建 ..................... 39
4.1 三维模型的创建 ............... 39
4.1.1 三维模型创建流程及建模方法 ........................... 39
4.1.2 三维模型的后期处理 ........................ 40
5 抽水蓄能电站试验仿真系统的实现 ............................ 49
5.1 外部动态链接库的导入及调用 .......................... 49
5.2 交互功能的设计与开发................................ 50
5 抽水蓄能电站试验仿真系统的实现
5.1 外部动态链接库的导入及调用
Unity3D软件目前已能支持.NET 4.x版本，而MATLAB也支持将仿真程序封装为.NET 4.x版本以上的dll文件，故可在Unity3D调用由MATLAB程序封装成的dll文件，提升系统开发设计的功能性及整体性能水平。在3.4章节中，已经详细的阐述了如何将MATLAB程序编译封装为dll文件，下面需要在Unity3D中实现外部动态链接库的导入及调用。不过由于两个平台的数据类型不相同，在Unity3D调用MATLAB生成的外部动态链接库涉及到两者之间数据类型的转化，因此还需要在Unity3D导入MWArray.dll，它是MathWorks公司为其他语言调用MATLAB封装的dll而设计开发的数据交换接口组件，可以在MATLAB的安装路径下找到这个文件，Unity3D在调用MATLAB封装的dll时都需要使用MWArray.dll来实现数据类型的转化。并且MATLAB程序封装的dll文件想要在Unity3D中调用，需要在系统运行的计算机上安装MATLAB Runtime插件，该插件可在MathWorks官网上完成下载，这样便可在未安装MATLAB的软件上的计算机上也能运行抽水蓄能电站试验仿真系统。外部动态链接库的导入及调用如下所示：
在Unity3D中的Project面板下的Assets文件夹中新建一个Plugin文件夹，将mytest和MWArray两个dll文件拖入到刚创建好的Plugin文件夹中，如图5-1所示。
6 总结与展望
6.1 总结
本文主要以抽水蓄能电站试验中的机组开停机试验和机组甩负荷试验为研究对象，针对电站试验人员专业培训中存在的时间受限、培训成本高昂等问题，基于三维建模、碰撞检测、实时渲染以及虚拟现实人机交互等关键技术，利用甩负荷过渡过程仿真模型封装得到的动态链接库文件，设计开发了抽水蓄能电站试验仿真系统。该系统界面简洁直观，操作简单，并具备一定的机理仿真能力，包含场景漫游、机组认知、机组开停机试验仿真、机组甩负荷试验仿真等功能。通过该系统，电站工作人员可以直观地了解试验的操作过程、工作原理以及影响试验结果的重要因素，从而加深对电站试验的了解，保障电站试验的安全进行。本文的主要工作和成果有以下几点：
（1）建立了抽水蓄能电站机组甩负荷过渡过程数学模型，包含有压引水管道模型、水泵水轮机模型、发电机模型以及一些典型边界条件的方程，其中水泵水轮机模型采用对数
