大型火电机组仿真支撑系统浅析

郭晓明张长志

（1国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心 江苏苏州 215163 2国网天津市电力公司电力科学研究院 天津 300384）

大型火电机组仿真支撑系统浅析

郭晓明1张长志2

（1国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心 江苏苏州 215163 2国网天津市电力公司电力科学研究院 天津 300384）

本文主要介绍国内大型火电机组仿真支撑系统，并以STAR-90仿真支撑系统为例，对我国大型火电机组仿真系统的特点和现状进行了简要的说明

火电机组；培训；仿真支撑系统

随着我国大型火电机组的不断建设，分散控制系统（DCS）已成为为电站建设的主力机组。然而伴随自动化控制程度的提高，运行人员对发电机机组的生产过程干预机会却大幅下降，从而造成运行人员的技术水平停滞不前，如此设备运行的安全性和经济性难以得到保证。在此基础上，如何提高运行人员在面对机组运行异常工作情况的判断处理能力变得尤为重要。

1 火力发电系统仿真

1.1 仿真培训系统的发展

随着数据库技术与计算机网络技术的发展，仿真技术的基础支撑系统和辅助建模技术已得到了长足进步，如此20世纪70年代开始在工业技术发达的美国、日本等国家逐步发展出仿真技术。应用计算机技术，对工业生产过程进行仿真科学研究，并对员工进行培训。

20世纪80年代中期，我国开始了对火力发电仿真技术的引进和研究，到90年代有了长足的进步，至此在2000年后相继推出了集机、电、炉于一体的仿真控制系统培训平台。

1.2 火电系统设备的仿真技术操作培训

仿真系统采用计算机技术可以实现对火力发电机组的全范围仿真，在仿真机平台上既可以完成火电机组正常工况的操作运行培训，如机组冷态启停仿真，机组运行中的手动、自动调整仿真等操作训练；亦可模拟运行故障，让学员完成各工况下碰到机组异常问题时的操作训练，根据现象判断和处理事故；同时学员也可通过仿真机直接获得各工况下机组运行的参数，通过与运行指标比较进行仿真实验。

2 火电系统设备的虚拟仿真

仿真机是以计算机为核心，其采用脱离现场的仿真技术，模拟生产过程。

2.1 仿真支撑系统的硬件

仿真培训系统的硬件是为了模拟控制室的环境，使学员能够真实的置身于其中。通常包括核心计算机，工程师站、教练员站、DCS操作员站，控制盘台投影，就地系统等。如图1所示。

图1 火电机组仿真机基本配置图

2.1.1 核心计算机/监控系统计算机/就地站计算机

计算机系统是仿真机的核心硬件，其承载着所有软件的运行。在仿真培训系统的演变历史中，仿真系统的硬件设施也经历了不断的更新换代，从早期专用的小型机过渡到小型计算机、工作站和服务器。

2.1.2 工程师站/教练员站

工程师可在工程师站构建操作员站软件，利用工程师软件进行建模、整定参数、设定控制系统和运行方式。因为在仿真支撑系统中工程师站和教练员站硬件相同，所以工程师站同时可用作教练员站使用，在实际仿真培训中具有极大的可操作性。

教练员站在仿真培训系统中供学员使用，提供培训的硬件支持。因此，在教练员站中学员可进行火电生产各种实际操作的模拟。

2.1.3 DCS操作员站

在STAR-90仿真支撑系统中,使用微机代替DCS系统的操作员站硬件。对实际的显示器和工业控制键盘，选用同实际设备有相同尺寸和分辨率的显示器、键盘设备代替或仿制,并保证从外形、颜色和功能上与真实电厂相一致。

2.1.4 控制盘台投影系统

盘台设备是仿真系统的人机界面，在仿真培训中，可以根据需要选择1:1完全模拟实际电厂的盘台。经过适当的改造，使其满足仿真系统的使用。

随着计算机技术的进步，电厂的控制盘台向小型化发展，而使用屏幕投影已然成为未来发展的一个方向。因此，在STAR-90仿真支撑系统中同样采用大屏幕投影技术。

2.1.5 就地系统操作员站

电厂实际生产过程中，机组运行中的部分控制程序操作并不在主控制室内完成，如此为了真实模拟机组生产过程，在STAR-90仿真支撑系统中，将部分就地操作项目设置在就地系统操作员站上。

2.2 仿真支撑系统的软件

一次完整的仿真过程，就是将仿真资源进行关联调用的过程，其涉及到大量的配套仿真资源：组态、建模、算法、参数优化及运行结果等。该软件结构大体如图2所示。

图2 仿真系统软件结构图

2.2.1 模块化

2.2.1.1 模块组态

根据设备在电厂生产中存在的意义，利用相应的算法对其进行组态，形成模块组态。在此基础上，再按照各设备之间的相互关系，将对应的模块进行嵌入连接，从而得到模块组态图。在STAR-90仿真支撑系统的模块组态中，同种算法可以供不同模块使用，但其模块名不可以相同。

2.2.1.2 模块参数化

参数化是指根据模块所表达的具体设备特性，在仿真系统中对其参数进行计算、赋值，如此使该模块在模拟过程中可以获得更加贴近真实设备的执行速率。具体到模型调试时还需要进行进一步的调整。

2.2.1.3 模型调试

模型调试是为了提高仿真过程的精度，使其在不同工况下均能满足仿真模拟的要求，在此过程中需要完成大量的工作。

2.2.2 算法

仿真支撑系统通常提供两种算法：过程算法和通用算法，其中过程算法主要针对火电机组中的常用设备，如风机、泵等；而通用算法则是指完成模型运算的算术运算算法和逻辑运算算法。

3 仿真支撑系统的原理

火电机组仿真支撑系统是将一个完整的火电机组的特性用数学的方法描述出来，由模块组态而成。

根据电厂生产系统中各设备的相互关系对模块进行相应的连接，依据能量守恒原理，建立1:1全过程的模块化模型，对电厂生产过程出现的各种工况进行全方位的模拟。在此基础上，对机组的冷态启停、正常运行调整及各种工况下的常见的事故进行仿真。

4 仿真支撑系统的培训功能

STAR-90仿真支撑系统具有丰富的教练员功能，在学员培训时，教练员可以方便有效的操作，监视整个模拟系统的运行。安排对学员的培训过程是仿真器实现其培训功能的得力手段。因此在许多仿真支撑系统中都设置了丰富的教练员功能。例如，模型的冻结与恢复运行，初始工况的载入与随机存贮，模型的加/减速，加入故障，远方操作、重演实时多历史曲线显示，棒图显示，过程显示，事件记录等。

5 仿真支撑系统的现状

目前市场上的仿真支撑系统还存在一定的问题。

5.1 是全范围仿真支撑系统在同一套仿真支撑系统上集合了机、炉、电运行特性的仿真机控制系统的仿真。采用这种技术的仿真支撑系统需要兼顾机、炉模型，相关的控制模块往往比较的单一。

5.2 全范围仿真支撑系统十分的庞大，运行时可靠性相对而言较差，问题查找时不太方便。

5.3 在使用DCS虚拟软件时，我们往往会发现市场能够提供虚拟控制软件的DCS并不多，而且即使能够提供，也只能针对一种DCS，通用性较差，扩展性也不强。

[1]STAR-90仿真系统介绍.保定:保定华仿科技有限公司.

[2]吴科,吕剑虹.通用型热工控制仿真支撑系统的研究与应用[J].南京:江苏电机工程出版社,2008,7:66-69.

[3]李树鸿,张炳达,刘长胜.变电站培训仿真系统[J].天津:天津电力, 1995,2:15-16.

郭晓明（1986—），男，汉族，江苏连云港人。助理工程师，天津科技大学，双学士。现主要从事发电机组热工调试及专利审查工作。