仿真技術(shù)在中國電力中的發(fā)展及應用

1　現代化大型火電機組仿真系統的硬件組成和軟件結構
1.1　仿真系統的硬件組成
　　中國新建的大型火電機組的控制室有三種方式：a.以常規型的控制盤(pán)、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，備有小規模的控制盤(pán)，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(méi)有儀表盤(pán)和操作臺。那么相應的仿真系統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）采用了五臺同一規格的PC機，分別具有同一規格的專(zhuān)用鍵盤(pán)和20寸顯示屏幕。電液調節系統DEH采用一臺專(zhuān)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(shù)，使用三臺PC機。上述所有PC機和X-終端都作為下位機，通過(guò)開(kāi)放式以太網(wǎng)和作為主機的HP-9000/800-K100服務(wù)器進(jìn)行數據交換，其通信速率為10MB/s。該仿真機對輔助操作盤(pán)也進(jìn)行了1∶1的仿真。應該說(shuō)明的是，硬件系統中的各種計算機型號沒(méi)有嚴格的規定，一般是隨著(zhù)計算機的發(fā)展，選用國際市場(chǎng)上最新型號和性能價(jià)格比比較高的原裝機。
1.2　計算機仿真系統的軟件結構
　　一般是以多用戶(hù)、多任務(wù)操作系統為基礎，如UNIX、VMS等。以數據庫管理、進(jìn)程通訊、內存共享和實(shí)時(shí)任務(wù)調度為手段，建立仿真支持環(huán)境。并在它的支持下實(shí)現多層次的建模工具，包括源代碼管理、工程管理、自動(dòng)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)境軟件是現代化仿真機開(kāi)發(fā)和運行維護必不可少的大型軟件。從某種意義上說(shuō)是仿真機的操作系統。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(kāi)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(shí)或現在計算機軟件開(kāi)發(fā)水平，對仿真機的開(kāi)發(fā)全過(guò)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(chǎng)家來(lái)看，主要是以借用、租用或修改外國仿真公司80年代的同類(lèi)仿真軟件為主。唯有清華大學(xué)獨立開(kāi)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(jiǎn)稱(chēng)ISSE。
　　ISSE具有完整的支持環(huán)境功能，基于B-TREE算法（平衡樹(shù)算法）的數據庫管理內核，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(kāi)發(fā)的各個(gè)階段，包括圖形化建模的支持?；诠蚕韮却?、信號燈和實(shí)時(shí)內核的技術(shù)，ISSE提供了可靠而準確的任務(wù)調度功能以及各種在線(xiàn)調試功能。由于采用了面向大型的程序設計和數據驅動(dòng)的思想，ISSE對項目子組形式的開(kāi)發(fā)提供了各種手段，并可實(shí)現一機多模的功能。ISSE全部采用C++寫(xiě)成，并形成了ISSE開(kāi)發(fā)類(lèi)庫。該系統已在HP-UX、DECOpenVMS、SGIIRIX等操作系統上完整實(shí)現，體現了支持環(huán)境作為仿真操作系統的思想。除此之外，ISSE提供了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò )通訊的開(kāi)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(gè)層面，分別為類(lèi)庫、工具軟件和應用軟件。
1.3　對象模型
　　電廠(chǎng)機組的各種不同熱力系統都是由一些熱力設備，如換熱器、風(fēng)機、水泵、閥門(mén)、容器等經(jīng)過(guò)管道連接而成，形成一個(gè)個(gè)流體網(wǎng)絡(luò )。熱力系統的動(dòng)態(tài)過(guò)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(luò )建模技術(shù)成為電廠(chǎng)仿真中的一項重要技術(shù)。清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的流體網(wǎng)絡(luò )計算軟件FLOWNET，可建立單相不可壓縮、單相可壓縮流體網(wǎng)絡(luò )模型，采用半隱式歐拉積分算法和大型稀疏矩陣技術(shù)求解，很好的解決了網(wǎng)絡(luò )計算中的穩定性和實(shí)時(shí)性等問(wèn)題。
　　為了更快速和直觀(guān)地進(jìn)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(luò )自動(dòng)建模工具。
　　當確定了熱力系統拓撲結構之后，根據GNET的圖形編輯器功能，調用各種不同設備所對應的圖標，再根據模塊入/出口進(jìn)行連接，組成被仿真的熱力系統。同時(shí)相應的FORTRAN源程序隨之生成。經(jīng)過(guò)實(shí)例化，即輸入被仿真設備和系統的參數和數據，該仿真系統即可進(jìn)行調試。