仿真技術在中國電力中的發(fā)展及應用

1　現(xiàn)代化大型火電機組仿真系統(tǒng)的硬件組成和軟件結構
1.1　仿真系統(tǒng)的硬件組成
　　中國新建的大型火電機組的控制室有三種方式：a.以常規(guī)型的控制盤、操作臺為主要控制和操作手段，以屏幕顯示操作為輔；b.以屏幕操作和顯示的操作員站（OIS）為主，備有小規(guī)模的控制盤，裝有一定量的模擬操作器和邏輯操作器作為備用操作設備；c.單純采用計算機屏幕操作和顯示，沒有儀表盤和操作臺。那么相應的仿真系統(tǒng)同樣具有三種硬件組成。本文提供的硬件組成是以b方式為主。
操作員站（OIS）采用了五臺同一規(guī)格的PC機，分別具有同一規(guī)格的專用鍵盤和20寸顯示屏幕。電液調節(jié)系統(tǒng)DEH采用一臺專用PC機及20寸顯示屏幕。指導教師工作站是一臺HP-715小型工作站。兩臺就地操作站采用X-終端。對監(jiān)視鍋爐燃燒火焰、煙囪排煙、鍋爐水位等的仿真，則采用了多媒體技術，使用三臺PC機。上述所有PC機和X-終端都作為下位機，通過開放式以太網(wǎng)和作為主機的HP-9000/800-K100服務器進行數(shù)據(jù)交換，其通信速率為10MB/s。該仿真機對輔助操作盤也進行了1∶1的仿真。應該說明的是，硬件系統(tǒng)中的各種計算機型號沒有嚴格的規(guī)定，一般是隨著計算機的發(fā)展，選用國際市場上最新型號和性能價格比比較高的原裝機。
1.2　計算機仿真系統(tǒng)的軟件結構
　　一般是以多用戶、多任務操作系統(tǒng)為基礎，如UNIX、VMS等。以數(shù)據(jù)庫管理、進程通訊、內(nèi)存共享和實時任務調度為手段，建立仿真支持環(huán)境。并在它的支持下實現(xiàn)多層次的建模工具，包括源代碼管理、工程管理、自動建模工具以及仿真培訓所必須的輔助軟件，如指導教師站軟件、就地操作站軟件等。
　　仿真環(huán)境軟件是現(xiàn)代化仿真機開發(fā)和運行維護必不可少的大型軟件。從某種意義上說是仿真機的操作系統(tǒng)。世界上各大仿真公司都有各自的支持環(huán)境軟件，如從事電站仿真開發(fā)的美國S3T公司的S3、ABB公司的CETRAN，加拿大CAE公司的ROSE等。這些軟件按當時或現(xiàn)在計算機軟件開發(fā)水平，對仿真機的開發(fā)全過程起到重要的支持作用。
　　從我國電站仿真機生產(chǎn)的幾大廠家來看，主要是以借用、租用或修改外國仿真公司80年代的同類仿真軟件為主。唯有清華大學獨立開發(fā)了具有自主版權的支持軟件“一體化仿真支持環(huán)境”，簡稱ISSE。
　　ISSE具有完整的支持環(huán)境功能，基于B-TREE算法（平衡樹算法）的數(shù)據(jù)庫管理內(nèi)核，提供了從變量、源代碼、工況文件、I/O接口等各種仿真機要素的管理。以對仿真機開發(fā)的各個階段，包括圖形化建模的支持?；诠蚕韮?nèi)存、信號燈和實時內(nèi)核的技術，ISSE提供了可靠而準確的任務調度功能以及各種在線調試功能。由于采用了面向大型的程序設計和數(shù)據(jù)驅動的思想，ISSE對項目子組形式的開發(fā)提供了各種手段，并可實現(xiàn)一機多模的功能。ISSE全部采用C++寫成，并形成了ISSE開發(fā)類庫。該系統(tǒng)已在HP-UX、DECOpenVMS、SGIIRIX等操作系統(tǒng)上完整實現(xiàn)，體現(xiàn)了支持環(huán)境作為仿真操作系統(tǒng)的思想。除此之外，ISSE提供了一個基于網(wǎng)絡通訊的開發(fā)接口，以便于第三方軟件和ISSE的通訊。
　　ISSE軟件結構有三個層面，分別為類庫、工具軟件和應用軟件。
1.3　對象模型
　　電廠機組的各種不同熱力系統(tǒng)都是由一些熱力設備，如換熱器、風機、水泵、閥門、容器等經(jīng)過管道連接而成，形成一個個流體網(wǎng)絡。熱力系統(tǒng)的動態(tài)過程不僅取決于各熱力設備本身的特性，即設備模塊；還取決于這些設備的連接方式，即拓撲結構。因此流體網(wǎng)絡建模技術成為電廠仿真中的一項重要技術。清華大學開發(fā)的流體網(wǎng)絡計算軟件FLOWNET，可建立單相不可壓縮、單相可壓縮流體網(wǎng)絡模型，采用半隱式歐拉積分算法和大型稀疏矩陣技術求解，很好的解決了網(wǎng)絡計算中的穩(wěn)定性和實時性等問題。
　　為了更快速和直觀地進行建模，在ISSE支持下，增加了圖形編輯器GNET，發(fā)展成為圖形化、模塊化的建模軟件，形成了一種新的流體網(wǎng)絡自動建模工具。
　　當確定了熱力系統(tǒng)拓撲結構之后，根據(jù)GNET的圖形編輯器功能，調用各種不同設備所對應的圖標，再根據(jù)模塊入/出口進行連接，組成被仿真的熱力系統(tǒng)。同時相應的FORTRAN源程序隨之生成。經(jīng)過實例化，即輸入被仿真設備和系統(tǒng)的參數(shù)和數(shù)據(jù)，該仿真系統(tǒng)即可進行調試。