电力系统火电机组仿真现状及展望

赵殿瑞，裴振英，刘伟乾

（1.沈阳工程学院 仿真中心，辽宁沈阳 110136；2.保利铁新煤业有限公司，山西晋中 031302）

1 火电机组仿真系统的重要性

随着电力工业的发展，电力系统规模不断扩大，单机容量越来越大，自动化程度越来越高，系统规模和复杂程度逐渐增加，并且逐渐采用机、炉、电、热集中控制的DCS系统运行，计算机软操作越来越多，手动操作的过程越来越少。所以，为了使机组安全、可靠、经济地运行，电厂运行人员必须提前在仿真机上进行系统的仿真培训，熟练掌握各种常规的运行操作及事故处理方法，这样才能保证机组的安全经济运行。

火电机组仿真培训系统的作用：

1）提高运行人员操作水平，减少非正常停机次数；

2）提高运行人员处理事故的能力，减少事故带来的经济损失；

3）不影响正常生产，并且可以反复进行，也可从中间任意一个节点开始；

4）可评价操作，优化操作过程；

5）巩固操作技能，进行定期考核及反事故演习；

6）验证并优化运行规程。

鉴于仿真培训的重要性和必要性，原国家能源部早在1988年就发文明确规定：200 MW以上的大型火电机组运行人员必须经过仿真机的模拟培训，合格以后才能持证上岗；对于已投产的200 MW以上的发电机组主要岗位运行人员也要定期进行仿真机轮训和反事故演习，并以此作为对电厂及运行人员的重要考核内容。

2 火电机组仿真系统的发展历程

火电机组仿真系统是以现代的计算机及网络技术为基础，利用最先进的仿真建模技术，为发电机组的运行建立全范围、全物理过程、高精度的模块化数学模型和运行环境，用于发电厂运行人员的培训和考核，包括机组启停、运行监视及调整等正常工况下的操作培训，各种异常工况下的操作训练（如各种故障状态的现象判断和事故处理等），控制系统研究、修改及其参数整定及实际控制系统的验证等。

2.1 初期的物理仿真和现代的数字仿真

我国的仿真技术研究始于20世纪70年代，最初是采用模拟计算机仿真，后来逐步采用数字计算机，形成数字仿真技术。

随着电力工业的飞速发展，系统规模和复杂程度逐渐增加，采取物理模拟的方法对实际系统进行仿真受到限制。而数字仿真具有不受原有系统规模和结构复杂性的限制，保证被研究和试验系统的安全性，具有良好的经济性和便利性，对设计未来系统性能的预测等优点，现已成为分析、研究电力仿真系统必不可少的工具。同时，随着计算机技术和数值分析技术的飞速发展，为电力系统数字仿真的发展提供了坚实的基础。

2.2 我国电力仿真机的发展过程

1）第一阶段（70年代）：自主研发

我国火电机组仿真机的研制始于1976年，由原国家电力工业部委托清华大学热能工程系开发研制我国第一台200 MW原理型火电机组仿真机。该机模拟辽宁朝阳发电厂1#机组，仿真计算机采用国产DJS-140小型机，盘/台为物理模拟方式，支撑软件和建模方法由清华大学开发研制。此时，国内还没有成型、实用的仿真机，也没有开展仿真培训。

2）第二阶段（80年代）：初见成效

80年代初，200 MW火力发电机组原理型仿真机由清华大学研制成功，并接受现场运行人员上机试培训。

1984年，由清华大学热能工程系牵头，联合原航天工业部二院十七所、原沈阳电力高等专科学校3家单位开发研制国内第一台完全复制电厂控制室的全范围高逼真度仿真机。该系统完全按照哈尔滨第三发电厂1#单元机组，进行全系列、全范围、1:1、动态实时仿真，于1988年完成，安装在原东北电业管理局沈阳电力高等专科学校仿真中心，并正式开始接待培训，取得了良好的经济效益和社会效益。

与此同时，原南京工学院（现东南大学）与原华东电力仿真所（现华东电力培训中心）联合研制了125 MW火电机组仿真机；西安热工所与原山西省电力局、原华中电力管理局联合研制了500 MW和300 MW火电机组仿真机。

1983年，为了适应我国电力高速发展的需要，先后从美国、日本引进了300 MW、350 MW、550 MW火电机组仿真机，及一套核电仿真机。开发与引进并进，涌现出多家仿真开发单位和一大批电力仿真工程技术人员，相继有6台不同容量、不同机型的仿真机投入运行﹝1﹞。各个仿真中心先后成立，电力仿真培训陆续展开。

3）第三阶段（90年代开始）：日趋成熟

90年代开始，随着我国市场经济的深入发展及电力体制的改革，电力系统仿真得到了长足的发展，全国许多高等院校和各大发电公司都相继成立了各自的仿真中心或仿真培训基地。

此时，我国电力行业技术人员已经完全可以自主开发仿真机。在核心技术方面，如数字、图形建模、支撑软件平台、各种算法语言及系统组态工具软件等，已经完全具有自主研发能力。

到95年底，我国已投入运行和正在开发研制的200 MW以上的火电、核电、水电等仿真机共计78台，其中火电机组仿真机68台，数量居世界第一位。此外，我国还出口了仿真机和仿真软件。1995年清华大学向巴基斯坦出口了210 MW燃油机组仿真机，1996年向韩国出口了仿真支撑软件平台及建模技术﹝2﹞。

3 火电机组仿真系统的发展现状

改革开放四十年，电力工业得到快速发展，新建机组越来越多，大批量的新员工需要仿真培训。因此，电力系统仿真行业面临着难得的发展机遇。与此同时，计算机技术的迅速发展也为电力系统仿真奠定了坚实的基础。仿真技术日新月异，研发队伍不断发展壮大，国内的仿真技术日趋成熟。

目前，我国从事电力系统仿真技术开发的单位有20多家，火电机组仿真机开发单位也有10家以上。其中实力最强的有3家，分别是保定华仿科技有限公司（原华北电力大学仿真与控制技术工程公司）、清华能源仿真公司（现并入清华同方电子科技有限公司）和广东亚仿科技股份有限公司。这3家公司均在20世纪80年代起步，拥有深厚的技术积累和丰富的开发经验，在技术方面具有各自的优势和特点，代表了国内电力系统仿真领域的技术水平﹝3﹞。

火电机组仿真对象涵盖50 MW、100 MW、125 MW、200 MW、300 MW、500 MW、600 MW、660 MW、1 000 MW等不同容量的发电机组和供热机组，包括超临界、亚临界锅炉、液态排渣炉、循环流化床锅炉，整体煤气化（联合循环）炉及垃圾焚烧炉等等。仿真对象主机厂家覆盖国内三大动力厂及部分国外公司的产品。许多仿真系统已实现“一机双模”甚至是“一机多模”，仿真计算速度也有了极大的提高。

通过测试发现，用户操作软件能够完成自动检测、水下运动和实时监控等功能，软件的操作效率和人机交互水平也得到提高。

据统计，我国电力系统已经使用和正在研发的培训仿真机约400台（套）。另外，还有不少发电厂单独拥有自己的仿真机。规模和数量上都远远超过世界上任何国家，显示了我国强大的仿真技术水平和仿真机开发实力。

目前，除西藏、海南外，国内几大发电公司、各省市电力主管单位及相关的高等院校都成立了各自的电厂仿真培训中心（仿真培训基地），各个仿真中心（基地）分别拥有不同规格型号的火电机组仿真机。多数仿真中心兼顾仿真开发与仿真培训，开发人员同时又是培训指导教师，身兼双职，优势互补。

2003年，全国仿真协作网成立，归属于中国电力企业联合会技能鉴定与教培中心，负责电力仿真培训和仿真技术的协作、交流、研究，组织仿真竞赛，指导培训教师，评估基地建设。截止2017年底，经专家评估合格的火电仿真培训基地共37家〔4〕。

4 火电机组仿真系统展望

现代的火电机组仿真技术比早期有了非常大的发展，具有不可比拟的优势。但随着技术的不断进步和实践，随着计算机技术、互联网技术的飞速发展，仿真机的性能会不断趋于完善，速度会越来越快，精度会越来越高，功能会越来越多，涉及的领域和服务功能将更为广泛。

1）速度与精度方面

火电机组仿真目前最小仿真步长达可到10 ms，实现精度更高的仿真周期，将是以后研究发展的方向。

由于火电机组仿真的实用性，仿真机已经纳入电力系统岗前培训的必备内容。随着科学技术的发展，火电机组仿真系统在电力系统的安全生产、事故分析、经济运行、调节优化等方面，将得到更为广泛的应用。

3）新技术与新方法

开发新的仿真支撑软件，探索新的建模理论和建模技术，以及新的仿真技术的应用，是火电机组仿真可持续发展的基础。

融合日新月异的现代高新技术，火电机组仿真将具备如下几个显著特点：

①优化技术和优化仿真

将优化技术嵌入仿真过程，使得仿真过程避免盲目性，得到最优仿真结果。

②虚拟现实和虚拟仿真

虚拟现实（Virtual reality，简称VR）技术可以为仿真给出视觉、听觉和触觉的逼真环境，使交互式可视化仿真成为可能。

③人工智能和智能仿真

智能仿真将人工智能技术（如专家系统、模式识别、神经网络、模糊推理等）应用到仿真技术中。

④网络技术和分布交互式仿真

分布交互式仿真（DIS）是通过将分散在各地不同类型、不同容量或不同设备的仿真系统通过网络技术有机地联结为一个整体，形成资源共享、相互利用的仿真环境，便于进行仿真培训及各种系统事故的演练﹝5﹞。

5 结 语

电力系统的重要性和特殊性催生了电力系统仿真与仿真培训，并一直伴随着电力系统的发展进步而不断地发展。而计算机技术和互联网技术的飞速发展，又为仿真技术提供了新的发展机遇和应用前景。与此同时，火电机组容量的不断增大，自动化程度的提高对火电机组的设计、运行、制造和维护提出了更高的要求，因而在实际工作中对火电机组的仿真系统的期望和依赖性更高。可以相信，随着现代科技的不断进步，电力系统火电机组仿真系统也会逐步完善、快速发展。