Энергия – это жизнь…

Наша форма жизни уже никак не сможет существовать без такого вида энергии, как «Электричество».  Ведь именно электрическую энергию мы давно используем во всех аспектах существования. Мы преобразуем электрическую энергию в механическую и тепловую, акустическую и химическую, магнитную и оптическую. На использовании электроэнергии основана наша система трудовой деятельности, система здравоохранения, оборонительная система, научная система, коммуникационная система, транспортная система, развлекательные сферы деятельности, и многое другое.

Но электрическая энергия не возникает просто так, сама по себе. Её необходимо вырабатывать, чему и служат генерирующие электростанции разного типа. Человечество изобрело много способов преобразования различных видов энергии в электрическую – Гидро Электро Станции (поток воды), Тепло Электро Станции (сжигание топлива) , Атомные Электро Станции (деление ядер/пар), Солнечные Электро Станции (оптический диапазон), Ветро Электро Станции (поток воздушных масс)…

Какой бы ни была электростанция – её нужно построить и управляющий персонал нужно обучить корректному управлению агрегатами.

Именно с персоналом электростанций в последние годы и наблюдаются потери в качественном и количественном вопросе. Персонал предыдущих поколений постепенно сокращается, выходит на пенсию, а новые кадры не спешат вовремя и соответствующе занимать их места. Наблюдается дефицит специалистов на многих ответственных уровнях персонала генерирующих электростанций.

При этом нет проблемы в образовательных учреждениях – к их наличию, качеству и множеству направлений для будущих специалистов нет вопросов, потому как всё это неоспоримо доступно здесь и сейчас.

Кроется ли проблема в методах восприятия нового поколения – возможно… Ведь в нынешний век высоких технологий и цифровизации, человек привык принимать опыт и знания в основном через компьютеры, 3D-графику, интерактивность в реальном времени, видеть/слышать всё и сразу.

Поскольку современные задачи требуют современных решений, Институтом КНЭП в конце 2024 года была создана компьютерная программа-симулятор электростанций “Power Plant Simulator”.

Данная программа решает следующие задачи:

- Популяризация энергетической отрасли новому поколению.

- Воссоздание любой электростанции в виде цифровой модели.

- Презентация энерго-объектов для рабочего и управляющего персонала.

- Обучение инженеров и операторов основам работы на станции.

- Отработка как нормальных, так и аварийных режимов оборудования.

- Промышленная визуализация и проектирование в реальном времени.

СОЗДАНИЕ ПРОГРАММЫ СИМУЛЯТОРА

Что будет если взять группу конструкторов, программистов, дизайнеров и инженеров, дав им задачу сформировать каждому то, что он может на данном этапе обучения ?... Вероятно программист напишет программный код, инженер создаст схему силовой установки и агрегатов, дизайнер спроектирует макет будущего комплекса, а конструктор создаст форму сборки для каждого аппарата… Вероятно так и будет… Затем каждый из них получит зачёт или иное вознаграждение, после чего все разойдутся до следующего повторения этого цикла.

Но что если объединить всех вышеописанных людей  и поставить задачу изобретения продукта, который необходим для решения современных вопросов ? Возможно они договорятся друг с другом и вместе создадут что-то новое.

Таким образом была сформирована команда, объединённая общей идеей - создать цифровой «блок симуляции электростанций».

Блок симуляции – это модуль программы, написанный на языке программирования C+, адаптированный в Visual Studio 2019 и в дальнейшем Visual Studio 2022.

Блок симуляции выполняет роль центрального вычислителя взаимодействий между силовыми узлами агрегатов и пользовательским управлением.

Если посмотреть на принципиальную упрощенную схему блока симуляции, то можно выделить три начальных линии ввода данных: I1, I2, I3, две линии управления: A1, A2, один ввод коэффициента времени: Т, и один общий выход Ores рассчитанных итоговых данных.

Ввод структурных данных I1 - это канал загрузки такой информации, как модели объектов, агрегатов, силовых установок, и прочих деталей. Форматом вводимых данных для загружаемых объектов является проприетарный недокументированный формат FBX.

Ввод данных кинематики I2 - это канал загрузки информации о механических соединениях, точках опоры, углов отклонения шарниров и лопастей, пределах движения тех или иных узлов различных систем.

Ввод данных рабочего тела I3 – это канал загрузки информации о рабочем теле агрегатов, например жидкости, газы, твёрдые частицы. По этой линии данных также загружается информация о температуре, давлении, вязкости, турбулентности, пределах расширения и фазовые переходы.

Канал ввода информации о коэффициенте времени Т - это установка множителей времени и интервалов для различных циклов, задаваемых как в канале I2, так и в канале I3. Управляя числовыми значениями в канале Т, можно ускорять или замедлять общий процесс работы требуемых установок, ограничить диапазон цикловых операций и выбирать нужный пользователю скоростной режим вычислений.

Каналы управления вводом непрерывных и дискретных данных A1 и A2 – это методы взаимодействия пользователя (оператора) программы с режимами работы симуляции цифровой станции, силовых установок, агрегатов, панелей управления. Разделяются каналы управления на ввод непрерывных данных A1 (сигналом является непрерывная величина с плавающей запятой), что позволяет симулировать регуляторы и аналоговые устройства ввода, и ввод дискретных данных A2, (сигналом является целочисленная дискретная величина), что позволяет симулировать кнопки, тумблеры, переключатели, шаговые устройства ввода.

Конечный результат вычислений блока симуляций представляет из себя массив потоков координат (движения, повороты, изменения масштабов, деформации) для разных узлов симулируемых систем, а также результирующие числовые величины из закладываемых формул агрегатов.

Вывод результатов вычислений осуществляется через выходящий канал Ores, который коммутируется с выводным каскадом модуля компиляции (в нашем случае это Visual Studio), либо с узлом формирования изображения (Render).

СОЗДАНИЕ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Долгое время идея «блока симуляции» и его программный прототип работали на тестовом стенде (сервер), используя пробные варианты оцифрованных силовых установок.

В качестве первого проекта электростанции решено было воссоздать цифровую модель ГЭС с полной механизацией агрегата и силовой установки.

Выбор научного коллектива сразу пал на зарекомендовавшие себя полувековой стабильной работой  Гидравлические Турбины СССР серии ПЛ2. Необходимые схемы и информационные материалы были взяты из каталога "Гидравлические турбины" 1975 г. Ленинградского Металлического завода им. XXII съезда КПСС и Харьковского турбинного завода им. С. М. Кирова.

Дополнительная структурная информация была взята из каталога "Гидротурбостроение в СССР" 1970 г.

Гидравлическая турбина серии ПЛ2 – это поворотнолопастная двухперовая гидротурбина с бескрестовинным механизмом поворота лопастей. Данные агрегаты были установлены в Серебрянской ГЭС, Капчагайской ГЭС, Чебоксарской ГЭС, Уч-Курганской ГЭС…

Для цифрового моделирования была выбрана именно Капчагайская ГЭС, поскольку географическое местоположение расположено ближе всего для сравнительных анализов.

Графическое моделирование всех цифровых объектов выполняется инженерами в международной открытой программе Тона Розендаля – «Blender». Схемы конструкций турбины были точно воссозданы по справочникам Гидротурбостороения СССР 1970г.

Структурная и физическая модель спиральной камеры также создаётся в программе “Blender”. Конструкция спиральной камеры трапецеидального сечения с углом охвата в плане 300 градусов, с плоским усиленным потолком.

Модель двухкольцевого направляющего аппарата внутри спиральной камеры, направляющих лопаток с их механизмами приводов, а также модель генератора трёхфазного тока выполнены аналогично по чертежам и схемам вышеупомянутых справочников 1970г. в программе “Blender” и сопряжены приводом гидротурбины. Регулятор направляющего аппарата питается маслонапорной установкой МНУ-16-2/40, которая также смоделирована и симулирована в общей системе.

Цифровая физическая модель ГЭС была завершена в конце мая 2024г. и успешно коммутирована с блоком симуляции в то же время. Первые тесты прототипа показали достоверную работоспособность и минимальное расхождение в расчётных показателях. Единственной проблемой оставалась низкая производительность формирования изображения по итоговым данным блока симуляции.

Теперь, располагая рабочим прототипом блока симуляции, стоял вопрос в формировании итогового изображения на обычных бытовых персональных компьютерах. Иными словами – было необходимо сделать выбор в пользу готовых оптимизированных систем формирования компьютерной графики в реальном времени, опираясь на аппаратные способности современных видеокарт. Такие системы принято называть - графическими движками.

Группа программистов научного отдела КНЭП проанализировала для отбора следующие варианты современных графических движков:

- Unigine Engine 2

- Unity Engine 6

- Unreal Engine 5

- Godot Engine

- Nau Engine

Unigine Engine 2 – данный графический движок, созданный Александром Запрягаевым в 2002г. (РФ, Томск),  планировалось использовать с самого начала, поскольку предполагалось, что отечественный создатель будет создавать независимый от других стран проект и продвигать его как полностью готовое национальное решение, но с началом санкционного давления на РФ, во время поиска и выбора своего отечественного графического движка в России – Unigine по неизвестным причинам не стал выдвигаться на эту роль, поскольку приоритетом разработок Unigine стал западный рынок, по информации их штаб-квартиры в Люксенбурге. Принимая в расчёт равные условия политики использования графического движка Unigine как и у Unity, а также ряд технических трудностей при работе с объектами в среде Unigine Engine 2 – было принято решение отказаться от этого варианта.

Unity Engine 6 – данный графический движок изначально считался самым удобным и «самым народным»  в общих кругах движком, поскольку обладал отличным быстродействием, хорошей оптимизацией, широким спектром дополнительных возможностей и удобным для разработчиков инструментарием. Но в последние несколько лет компания Unity Technologies полностью потеряла положительную репутацию: перемены в ценовой политике в крайне-невыгодное положение для любого разработчика, пренебрежительное отношение к своим клиентам и разработчикам (имеются факты унизительных поступков в адрес многих студий, использующих Unity и финансирующих Unity Technologies). Проанализировав факты нестабильного существования Unity и финансово-невыгодные условия – было принято очевидное решение - не использовать Unity Engine 6.

Godot Engine – графический движок Аргентинского происхождения, созданный Хуаном Линиетски и Ариелем Манзур. В настоящее время развивается и дополняется различными функциями. Требует довольно нетривиальных знаний в управлении этим движком, имеет ряд локальных затруднений и нестабильную работу с нашим блоком симуляции. Поскольку в нашем расположении нет программистов, способных быстро работать с программным инструментарием данного движка – выбрать его мы не можем.

Nau Engine – отечественный графический движок, который находится на ранних стадиях становления и разрабатывается целиком в РФ. Довольно перспективный вариант, особенно учитывая его происхождение от Dagor Engine – игровой графический движок студии Gaijin, отлично показавший себя в игровом проекте WarThunder и Enlisted. Но в настоящее время нет готовой к общему использованию версии этого движка, пробный вариант находится в глубокой разработке и возможность использовать его совместно с нашим блоком симуляции отсутствует.

Unreal Engine 5 – графический движок, созданный Тимом Суини в 1996 году, разрабатывается и поддерживается компанией Epic Games. В настоящее время является самым технологически-развитым графическим движком, сочетающим в себе все доступные новые технологии и партнёрство с компанией NVidia в области программного и аппаратного сотрудничества.

Инструментарий разработки и дополнительные программные системы делают этот графический движок рационально-верным выбором для нашей программы. С недавних пор, графический движок Unreal Engine 5-го поколения обладает сверхбыстрой технологией глобального освещения “Lumen” и технологией продвинутой геометрической тэсселяции “Nanite”, что, в итоге, снимает любые ограничения в сложности моделируемых сцен.

Первые опыты использования Unreal Engine 5 с нашим блоком симуляции показали впечатляющую скорость на видеокартах 2017 года выпуска, после чего вопрос о выборе графического движка был окончательно решен. Готовый симулятор ГЭС был успешно сопряжен с Unreal Engine 5 и скомпилирован  Visual Studio 2019 в конце лета 2024 года.

Завершенную форму программа симуляции электростанции обрела осенью 2024 года, когда сотрудники научного отдела КНЭП произвели корректировки в системе согласования углов лопастей рабочего колеса и углов лопаток направляющего аппарата по действующей таблице нагрузок.

ИТОГИ НАУЧНОГО ПРОЕКТА

По состоянию на начало 2025 года, программа симуляции электростанций (Power Plant Simulator ®) обладает следующими свойствами:

- возможность оцифровать и симулировать работу любой электростанции.

- дополняемость новыми модулями и функциями, по необходимости.

- обучение, тренировки и проверки знаний эксплуатационного персонала.

- отработка действий персонала на случай аварийных режимов и неполадок.

- презентационный режим для инструктажей, ознакомлений и медиа для СМИ.

- промышленная визуализация, проектирование и дизайн новых станций.

- фотореалистичное отображение любого требуемого объекта и системы.

- популяризация энергетической отрасли для нового поколения специалистов.

- цифровизация энергетической отрасли и инновационное развитие, согласно посланию президента страны.