（测试计量技术及仪器专业论文）大型火电机组仿真机学员评价系统的研究和应用.pdf

摘要 摘要 随着火电机组向大容量、高参数的方向发展，对机组的安全性和经济性提出了更高的要求，迫 切需要运行人员具有更高的操作水平。仿真培训是提高运行人员技能的重要手段，合理的评价系统 是保证培训质量的关键。目前，学员评价的标准和方法是电站仿真研究中的难点问题之一，主要是 学员评价的标准不统一，评价方法有待改进，现有的评价系统还不完善。因此。深入研究学员评价 系统具有重要的理论意义和实用价值。 论文分析了火电机组的启停特点，采用“分解一综合”的理论对机组启动过程进行分解，然后 对启动过程的各个局部进行评价，最终得出整个启动过程的综合评价。 论文在总结火电机组运行操作规程的基础上，结合电站各种设备的原理和运行机制，提出了学 员评价的方法，分别为专家系统评价方法、偏差面积评价方法和均方差评价方法。专家系统方法对 具有产生式规则的状态参数进行考核，通过实时检查学员操作的参数与专家知识库中的评分规则是 否匹配来进行评分。偏差面积方法和均方差方法对过程曲线的变化进行考核，通过实时采集过程参 数的数值与标准曲线进行比较来评分。偏差面积方法用于考核参数波动不大时的评分问题，均方差 方法对解决突变参数的扣分是比较合理的。利用论文提出的评价方法，用c + + 语言开发了机组冷态 启动评价系统和热态启动评价系统。论文开发的评价系统包括3 0 0 m w 、6 0 0 m w 机组的状态参数评 价和过程曲线评价等。 本文研发的学员评价系统在3 0 0 m w 、6 0 0 m w 机组的仿真机上进行了应用，经培训人员的操作 和电站工程技术专家的测试，该系统能够客观、正确地对学员操作进行评价，满足了仿真机的培训 要求，提高了培训效率，解决了仿真培训的考核问题，具有很好的应用价值。 关键诃：火电机组，仿真机，学员评价系统，状态参数考核，过程曲线考核，专家系统 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hp o w e rp l a n t st o w a r dh i g h - c a p a c i t yh i g h - p a r a m e t e rd i r e c t i o n , h i g h e rr e q u e s ti s p u tf o r w a r dt o s e c u r i t ya n de c o n o m yo ft h eu n i t s ，m o r e o v e ro p e r a t o r sa r cr e q u e s t e di m m i n e n t l yt oh a v eb e t t e rl e v e lo f o p e r a t i o n s i m u l a t i o nt r a i n i n gi st oi m p r o v et h eo p e r a t o r ss k i l lo f a l li m p o r t a n tf u n c t i o no f p o w e rp l a n t a r e a s o n a b l ee v a l u a t i o ns y s t e mi st h ek e yo f e n s u r i n gt m i n i n gq u a l i t y a tp r e s e n t ，t h es t a n d a r d sa n dm e t h o d s o ns t u d e n te v a l u a t i o ns y s t e ma r ed i 伍c u l tp r o b l e m so fr e s e a r c hs t a t i o ns i m u l a t o r t h em a i np r o b l e m sf o r s t u d e n te v a l u a t i o na r en o tu n i f i e d ，a n dm e t h o d sa r cn e e d e dt ob ei m p r o v o d , t h ee x i s t i n ge v a l u a t i o ns y s t e m i ss t i l ln o tp e r f e c t t h e r e f o r e ，i n - d e p t hr e s e a r c ho ns t u d e n ts y s t e mh a st h ei m p o r t a n tt h o o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e a n dp r a c t i c a lv a l u e 1 1 1 ec h a r a c t e r i s t i c so f p o w e r p l a n t ss t ：i r t - u pa n ds t o pa r ea n a l y z e d t h es t a r t - u pp r o c e s so f p o w e rp l a n t i sd i s i n t e g r a t e db yd i s i n t e g r a t i o n i n t e g r a t i o nt h e o r y , t h e nr e s p e c t i v e l ye v a l u a t e st h ed i f f e r e n tl o c a t , u l t i m a t e l yg a i n st h ei n t e g r a t i o ne v a l u a t i o no f t h ew h o l es t a r t - u pp r o c e s s o nt h eb a s i so f r e s e a r c h i n ga n ds u m m a r i z i n gp o w e rp l a n t so p e r a t i o nr u l e s 、p r i n c i p l e so f p o w e r p l a n t s e q u i p m e n t sa n do p e r a t i o nm e c h a n i s ma sw e l la s ，t h em e t h o d so fs t u d e n te v a l u a t i o na i eg i v e n , w h i c ha r e e x p e r ts y s t e mm e t h o d 、w a r pa r e am e t h o da n dv a r i a n c em e t h o d e x p e r ts y s t e mm e t h o di sa p p l i e dt os t a t e p a r a m e t e r se v a l u a t i o nw i t hp r o d u c t i o nr u l e t h es t a t ep a r a m e t e r sa r ce x a m i n e db yr e a l - t i m ec h e c k s0 n w h e t h e ro p e r a t i o np a r a m e t e r sa n dg r a d i n gr u l ei nt h ek n o w l e d g eb a s em a t c h w a r pa r e am e t h o da n d v a r i a n c em e t h o da r eu s e dt oe v a l u a t et h ec h a n g e so fp r o c e s st r e n d t h r o u g hc o l l e c t i n gr e a l - t i m ed a t ao f p r o c e s sp a r a m e t e r sa n dc o m p a r i n gw i t ht h es t a n d a r dc a r v et os c o r e w a r pa r e am e t h o di sf o rt h es c o r eo f l e s sf l u c t u a t i o no fp a r a m e t e r s ，v a r i a n c em e t h o dt os o l v et h em u t a t i o np a r m n e t e r so ft h ep o i n t si sm o r e r e a s o n a b l e a c c o r d i n gt h em e t h o d sa r em e n f i o n e d t h es t u d e n te v a l u a t i o ns y s t e mo fc o l ds t s r t - u pa n dh o t s t a r t - u pa r ed e v i s e db yc + + l a n g u a g e t h ed e v e l o p m e n to ft h ee v a l u a t i o ns y s t e m si n c l u d e3 0 0 m w 、 6 0 0 m w u n i t so f s t a t ep a r a m e t e r sa n dp r o c e s sb e n de v a l u a t i o n t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no f t h es t u d e n te v a l u a t i o ns y s t e mo nt h e3 0 0 m w 、6 0 0 m wp o w e rp l a n t , w i t h s t u d e n t s o p e r a t i n ga n de x p e r t st e s t i n g , i tc a nb es e a nt h a tt h es y s t e mc o u l d 舀v ea no b j e c t i v e 、a c c u r a t e s c o r ef o rt h es t u d e n t s o p e r a t i n g , s a r i s f yt r a i n i n gr e q u e s to f s i m u l a t o ra n di m p r o v et r a i n i n ge f f i c i e n c y i tc a n s o l v et h ee x a m i n a t i o np r o b l e mo f s i m u l e t o r st r a i n i n ga n dh a v eav e r yg o o da p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：p o w e rp l a n t , s i m u l a t o r , s t u d e n te v a l u a t i o ns y s t e m ，e x a m i n a t i o no fs t a t ep a r a m e t e r , e x a m i n a t i o n o f p r o c e s st r e n d , e x p e r ts y s t e m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：坛鱼才 日期：灿肜 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：堕鱼五导师签名：日期：堡- 生! 丝 第一章绪论 第一章绪论 1 1 火电机组仿真机学员评价系统的研究背景和意义 仿真是一门利用模型进行实验、研究和培训的技术，具有可控、安全、经济、节约时间、允许 多次重复的特点，被广泛地应用于电力、航空航天、航海、国防、原子能、冶金、化工、医学、农 业等领域，进行系统研究、分析、设计和训练人员【l 】。从定义中可以看出，仿真与建模是不可分割 的整体，没有模型就不能进行仿真。计算机仿真一般就是利用计算机对系统的数学模型进行运算和 试验。 火电机组仿真主要是对火电机组某单元发电机组系统的仿真1 2 】。大型电站发电机组是一个设备 庞大、复杂的系统。如一台大型燃煤发电机组，包括锅炉、汽轮机、发电机三大主设备，还包括给 煤机、磨煤机、送风机、引风机、给水泵、凝结水泵、循环水泵、除氧器、低压加热器、高压加热 器、润滑油泵、励磁机等附属设备。根据发电机组的实际设备和系统及其运行过程建立其数学模型， 并在计算机上运算称为电站计算机仿真。火电机组计算机仿真是一门综合技术。它咀热能动力、电 气系统、控制系统、计算机技术、数学、电工电子及仪表等多学科、多专业的理论为基础，以计算 机和各种物理设备为工具对真实电站的发电机组进行仿真i j 一。 近2 0 年来，仿真技术在我国电力工业中得到了广泛的应用。随着我国电力工业的快速发展火 电机组的单机容量越来越大，为了确保机组能安全运行、减少事故、提高经济效益，对电站运行人 员操作水平的要求越来越高。加强对运行人员的培训，提高其业务技能和应对各种复杂工况的能力， 是电力工业安全生产、平稳运行的基础工作。电站仿真系统是提高运行人员业务能力的平台，研究 和开发高水平的电站仿真培训机，是提高运行人员操作水平、减少事故发生率以及提高机组运行效 率的一条重要途径。 文献显示p 1 火电厂发生事故的7 0 至8 0 与运行人员的操作有关，电站实时仿真系统的丰富培 训手段为提高运行人员的操作水平起到相当重要的作用。随着火电机组向大容量、高参数方向发展， 对运行人员提出了更高的要求。一方面，需要大型电站机组的投运来降低电力成本；另一方面，又 要求运行人员通过熟练操作减少电站中因意外事故造成的巨大经济损失。这样就迫切需要电站运行 人员在上岗之前，就获得一定的操作培训，要求他们有接近于现场的工作经验。很显然，制造真实 的电站现场事故以培训操作人员的应对事故经验是不可能也是不允许的。作为电站其安全性、经济 性始终是重中之重。通过仿真机反复训练和事故模拟，可大大提高运行人员处理问题的能力，从而 提高电力生产的安全性“。 仿真技术由于具有较强的有效性、可重复性、经济性和安全性，得到了迅速发展【7 】。火电站仿 真机是一个连续的、实时数字仿真系统，它提供一个连续的实时运行环境，仿真整个电站的运行工 况，包括机组启动、停机和异常状态下的监视及操作 g l 。此外，由于大型火电机组设备庞大、系统 复杂，对电站设备的分析，对运行安全和经济的研究，对值班人员的培训等，在实际发电机组上很 难直接进行或根本不可能。利用火电机组仿真机的特点，则上述问题可迎刃而解。火电站仿真机主 要用于操作人员的培训，在实际机组投运前，就应该让运行人员在仿真机上接受培训，使他们对该 机组的各个设备和系统的运行特性、逻辑、控制回路的功能，人机界面的监视内容和操作方式，以 及在机组的正常扰动、启停和各种事故工况下的正确操作和处理方式等有一个全面的了解和掌握， 从而在新机组投运时就能正确、熟练地控制机组的运行，减少操作失误。同时利用仿真机可对在岗 人员进行定期轮训，不断提高其操作水平。 东南大学硕士学位论文 学员评价软件系统是仿真机的一个重要部分，是学员操作考核评价的重要手段。仿真机中的学 员评价系统可以实现对学员的自动评价，避免人为因素对学员成绩评定的影响，有利于提高受训人 员操作水平评价的科学性和合理性。评价系统的研究和开发，最终可对电厂的实际操作进行指导p 1 0 l 。如何评价学员的操作水平，采用何种评价方法来开发学员评价系统，是仿真培训考核中的难点 问题之一。 1 2 火电机组仿真机学员评价系统的研究状况 本世纪6 0 年代初的仿真范围仅限于火电机组的某个局部系统。进入7 0 年代，随着计算机开发和 应用水平的提高，美国、日本等发达国家先后开发了用于培训的火电机组工况仿真系统。1 9 7 9 年美 国三里岛( t h r e em a i li s l a n d ) 核电站事故的发生，极大地提高了人们对核电站运行人员培训效果重要性 的认识，因而大大促进了核电、火电计算机仿真技术的发展j 。进入8 0 年代以来，运用各相关学科 的新理论、新技术、新成果使得火电机组仿真系统在硬件速度，数据处理量，运行可靠性，通讯能 力，兼容能力等方面有了很大提高，相应地仿真系统的软件功能及其开发、调试的环境和手段等也 有了很大的进步。 火电机组能否安全、经济运行在一定程度上取决于运行人员控制水平的高低，即对运行人员不 断掌握新的发电技术、熟练进行控制操作及事故处理的能力有了更高的要求。单元机组发电容量的 增大以及设备可靠性的提高，减少了设备的启、停和异常运行状态，使得运行人员在实际机组上接 受培训的机会越来越少，特别是原来新机试运前的培训方法，远远不能满足当前的要求i l “。电站仿 真机学员评价系统是用于评价受训人员的操作水平。学员评价系统的重要性主要表现在以下方面， 从“仿真培训中心”的模式来看，学员评价系统可以使运行人员在业余时间，甚至在没有教练员的 情况下进行学习，也就是使“自学习”1 1 3 j 成为可能，以减轻教练员的工作强度。 到目前为止，国内各地区电管局、各省电力局以及部分电站基本上建立了电站仿真培训中心， 每个培训中心一般配备3 - 6 名教练员，用于指导运行人员的操作培训，对运行人员的操作水平进行 考核评估以及对仿真培训系统进行日常维护等工作1 1 4 j 。火电机组仿真机中传统的仿真培训考核功能 是由教练员或教练员组来完成的，即由教练员( 组) 观察、记录学员的整个操作过程，教练员( 组) 凭经验等对学员的操作水平进行手工打分。这就对教练员( 组) 提出了相当高的知识要求，具体来 说，一个合格的教练员或教练员组应该具备以下知识和水平：( 1 ) 充分掌握电站锅炉、发电机、汽轮 机、热力系统、电气以及各种辅机等的有关运行和控制方面的系统专业知识；( 2 ) 较高的计算机硬件 和软件知识水平；( 3 ) 掌握电站系统领域的专业知识的程度，理论上讲，应高于电站所有运 f 人员的 知识总和，否则，在培训过程中对运行人员提出的一些疑难问题则无法作出正确的解答，尤其是在 考核评价的过程中对某些运行人员的运行操作水平无法作出合理正确的评价，从而影响仿真培训的 效果旧。 从国内各个电站仿真培训的实际情况来看，由于多种局限因素和客观情况的存在，要配备一个 完全适合仿真培训中心要求的教练员或教练员组是有一定困难的，尤其是全面掌握电站系统领域的 专业知识的教练员( 组) 【l 。对此，在实际仿真培训的过程中，一般由电站指派一些具有较高实际运 行操作经验的专家或技术人员与仿真中心的教练员一起参与指导运行人员的操作培训以及对运行人 员的操作水平进行考核评价，这样做能产生更好的仿真培训效果，但是在考核评价过程中，则不可 避免地经常带有主考者的主观意愿，使运行人员的考核成绩带有一定的主观性，甚至影响其以后的 工种以及上岗工资等。为此，国内不少使用培训仿真机的单位向其开发单位提出了在仿真机上配备 培训评分系统功能的要求”“”i 9 1 e 目前，很多仿真机培训系统，在很大程度上由教练员人工进行打分，这不仅要求教练员有很高 的知识水平，也增加了教练员的负担，学员不能自我培训，此外，一些评价系统只针对某种特定条 件而设，具有一定的局限性，评价不够全面 z o + 2 1 1 0 由于电站设备、系统及其运行与控制等方面的高 2 第一章绪论 度复杂性，开发一种合理的电站仿真机培训评分系统是相当困难的【2 2 】。 目前学员评价系统的研究主要在以下几个方面： ( 1 ) 学员评价系统的主要考核内容是学员的操作，而能反映学员操作水平的就是仿真机数学模 型中各种设各参数的运行情况以及各种热工电气状况仪表f 2 ”，因此，学员评价考核的目标是通过学 员的操作来满足机组运行参数及状态的要求。 ( 2 ) 火电机组的运行规程是指导学员操作的重要准则，同时又是学员评价时的主要依据| z 4 1 。 通过研究机组的运行规程，并将其转化为专家知识口“。每一条运行操作规程都可以表示成专家系统 的一条或多条专家知识。火电机组仿真机学员评价系统中的专家知识库即由一系列的运行规则组成， 这些规则称为考核评分规则。 ( 3 ) 当前的仿真机学员评价系统大多数都是面向特定系统或机组的，当机组的设备或运行工况 发生变化时，就要对学员评价系统进行大量的修改工作以适应设备或工况的变化。这样不仅增加了 系统的维护强度，而且对于不同的机组和工况，专家系统的知识也要随之变化。对于这一系统缺乏 认真系统的研究，系统的实际应用问题较多，更缺乏通用性 2 6 0 ”。 1 3 论文的研究内容 本文研究开发的学员评价系统是电站仿真机的重要组成部分，该系统可实现对学员操作的自动 评分，使评价体系具有更好的客观性和合理性，并对电厂的实际生产进行指导。 基于学员评价的研究现状，通过对启动过程曲线及典型状态参数的分析，建立了火电机组冷态 启动、热态启动学员评价的方案和算法，并开发了3 0 0 m w 、6 0 0 m w 机组仿真机学员评价系统。本 文的研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 电站的运行操作规程是指导学员运行操作的重要准则，同时也是学员评价时的主要依据。 论文在分析火电机组运行规程的基础上，结合电站各种设备的原理和运行机制，将其转化为专家知 识。 ( 2 ) 研究火电机组启、停的运行特点，归纳并合理地制定过程曲线考核的评价标准。 ( 3 ) 通过分析和研究，提出曲线考核的评价算法。并比较各种算法在学员评价中的特点和适用 范围。 ( 4 ) 开发以状态参数和过程曲线考核为评价方式的火电机组仿真机学员评价系统软件，并在电 站仿真机上进行应用。 1 4 本章小结 本章首先介绍了火电机组仿真机学员评价系统的研究背景和意义，学员评价系统在国内、外的 研究状况；分析了学员评价在火电机组仿真机考核中的重要性：介绍了本课题研究的学员评价系统 的思路和论文的主要研究内容。 3 第二章火电机组仿真机学员评价方法的研究和分析 第二章火电机组仿真机学员评价方法的研究和分析 由于火电机组设备、系统、运行与控制等方面的高度复杂性，因此仿真机学员评价系统需考虑 的因素很多。本文在总结火电机组运行规程的基础上，结合电站各种设备的原理和运行机制以及机 组的启停特点，开发了火电机组的学员评价系统。该评价系统的研究方法有系统和过程的分解方法、 专家系统方法、偏差面积方法和均方差方法。 2 1 系统和过程的分解方法 大型火电机组是一个设各庞大、复杂的系统。对于这样一个复杂系统或过程进行学员评价时， 可采用“分解一综合”的方法。该方法为：对系统或过程研究时，将其逐层分解为一系列相对简单、 独立的子系统或子程序。而求解的过程是从最底层的子系统或子过程分析，逐步求得整个系统或过 程。 评价体系中对电站设备按系统进行分解，具体如下： 将整个系统分解为锅炉、汽轮机、发电机等一级子系统，这些一级子系统又可进一步被分解为 二级子系统，例如可将锅炉子系统分解为给水、制粉、送风、引风、过热器喷水等二级子系统，这 些二级子系统又可进一步被分解为三级子系统，例如可将送风子系统分解为送风机和送风机出口挡 板等三级子系统，将该层次的子系统称为设备级子系统。如此，可将整个系统最终分解到一系列子 系统或设备级子系统。系统分解的原则为：直到不可再分或不需再分。因此，设备级子系统虽然是 最底层的子系统，但是，并不是所有的子系统都需要被分解到设各级。 图2 - 16 0 0 m w 火电机组冷态启动过程的“分解一综合” 评价体系中对火电机组启停按过程进行分解为： 将整个过程分解为机组的启动、停机以及其它一级子过程，这些一级子过程又可进一步被分解 为二级子过程，可将启动子过程分解为冷态启动、温态启动、热态启动、极熟态启动等二级子过程； 将停机子过程分解为紧急停机、滑参数停机等二级子过程。这些二级子过程又可进一步被分解为三 级子过程。例如，某6 0 0 m w 火电机组冷态启动过程，如图2 1 所示，可将其分解为锅炉点火前准 备子过程、锅炉点火至大机具备冲转条件子过程、机组带负荷至6 0 0 m w 子过程等。锅炉点火前准 备过程又可以分为厂用电系统投入正常运行子过程、辅汽系统投入子过程、锅炉上水子过程、启动 4 东南大学硕士学位论文 主机盘车运行子过程等；机组带负荷至6 0 0 m w 过程可以分解为启动磨煤机，带负荷子过程、两台 小机分别冲转至3 0 0 0 r p m 子过程、投入连排扩容器子过程等。 一般而言，国内各仿真培训中心学员最终的考核评估也是被分为若干次分类考核进行的，而每 个学员的总成绩则为其各次考试成绩之加权和。这些分类考核与上述二级子过程相对应，诸如冷态 启动考核、热态启动考核、滑参数停机考核等等。本文开发的学员评价系统，总成绩由状态参数考 核得分和过程曲线考核得分组成。前者包括各种评价参数的得分，后者由各种评价曲线的成绩构成。 2 2 专家系统方法 2 2 1 专家系统的概述 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。专家系统内部含 有大量的某个领域的专家知识与经验，能够运用专家的知识和解决问题的方法进行推理和判断，模 拟专家的决策过程，来解决领域内的复杂问题 2 a l 。 从结构上讲，还可以把专家系统定义为“由一个专门领域内的知识库，以及一个能获取和运用 知识的机构构成的一个解题程序系统”。这里从结构上强调了其中存放知识的知识库与运用知识的机 构之间的独立性。 专家系统按应用领域的性质可以划分为：解释型专家系统、预测型专家系统、诊断型专家系统、 调试型专家系统、教学型专家系统等。专家系统的一般特点包括：具有专家水平的专业知识、能进 行有效的推理、具有灵活性、透明性和交互性。 2 2 2 专家系统的结构 专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式。选择什么结构最为合适，要 根据系统的应用环境和所执行的任务的特点来确定。系统结构选择恰当与否，直接关系到专家系统 的性能发挥、适用性和效率。 专家系统的基本结构框图如图2 - 2 所示，一般包括知识库、推理机、数据库、人机接口、解释 机构等。知识库以某种存储结构存储领域专家的知识，包括事实和可行的操作与规则等。推理机的 功能是模拟领域专家的思维过程，控制并执行对问题的求解。全局数据库是用于存储求解问题的初 始数据、问题描述和推理过程中得到的中间结果、最终结果等信息。解释机构是用来回答用户提出 的问题，解释系统的推理过程。人机接口是专家系统与领域专家、知识工程师、一般用户之间进行 交互的界面，由一组程序及相应的硬件组成，用于完成输入输出功能。 图2 - 2 专家系统结构框图 5 第二章火电机组仿真机学员评价方法的研究和分析 专家系统的核心是知识库和推理机，其工作过程是根据知识库中的知识和用户提供的事实进行 推理，不断地由己知事实推出未知的结论即中间结果，并将中间结果放到数据库中，作为已知的新 事实进行推理，从而把求解的问题由未知状态转换为已知状态。在专家系统的运行过程中，会不断 地通过人机接口与用户进行交互，向用户提问，并向用户作出解释。 2 2 3 知识库和推理机 产生式规则通常用于表示事实、规则以及具有因果关系的知识，适合于表示事实性知识和规则 性知识，其基本形式是： i fpt h e n q 其中，p 是产生式的前提条件，q 是产生式的结论或操作。整个产生式规则的含义是：如果前提条件 p 被满足，则可推出结论q 或执行o 所规定的操作。 用于描述相应领域内知识的产生式集合成为规则库。规则库是产生式系统进行问题求解的基础， 其中的知识是否完整、一致，表达是否准确，对知识的组织是否合理等，将直接影响到系统的性能。 推理机主要做以下工作：按某种策略从规则库中选择规则与综合数据库中的已知事实进行匹配。 所谓匹配是指把规则的前提条件与综合数据库中的已知事实进行比较，如果两者一致，则称匹配成 功：否则称为匹配不成功。随时检查结束推理机运行的条件，在满足条件时停止推理机的运行。产 生式系统有正向推理和反向推理两种基本推理方式。 2 2 4 知识获取 知识获取主要是把用于问题求解的专门知识从某些知识源中提炼出来，并转化为计算机识别的 形式存入知识库l j “。拥有知识是专家系统有别于其它计算机软件系统的重要标志，而知识的质量和 数量又是决定专家系统性能的关键因素。知识获取的基木任务是为专家系统获取知识，建立起健全、 完善、有效的知识库，以满足求解领域问题的需要。知识获取，首先由知识工程师从专家和运行规 程中抽取知识，然后把知识以产生式规则的形式通过知识编辑软件输入到计算机中，形成专家知识 库。知识获取的方式有非自动知识获取和自动知识获取两种形式。 专家系统的评价是对建造完成的专家系统原型或初步完成的专家系统的各个性能指标进行全面 测试，以检查系统是否达到原先制定的性能标准p 。”】。评价的目的在于检查专家系统的正确性和有 用性。 2 2 5 专家系统方法在状态参数学员评价中的实现 在火电机组正式投运之前或试运行期间，电站往往组织一批具有熟练操作运行经验的技术人员、 专职工程师或外单位的有关专家等，编写一套关于锅炉、汽轮机、发电机、电气、各种辅机以及自 动控制系统等方面的运行操作规程，它将运行人员的各项操作规范化，并要求全体运行人员严格遵 守畔o ”。火电机组的运行操作规程是指导学员运行操作的重要准则，同时又是考核评估时的主要依 据。每一条运行操作规程都可以表示成专家系统中的一条或多条专家知识1 3 6 j ，每条规则一般均具有 以下形式： r i ：i f a i t h e n b i ( i = 1 ，2 ，n ) 上式中，a i 表示工况条件，通常为一复合条件，一般由一组与时间、设备状态、工况参数范围等相 关的条件所组成。b 。表示在条件a i 下应该执行的操作或运行操作应该达到的要求等。在状态参数学 员评价系统的设计过程中，对上述规则的形式进行变换，变换后的规则具有以下形式： 6 东南大学硕士学位论文 r ：i f c ia n dd i t h e n e i ( i 2 1 ，2 ，n ) 上式中，c i 表示工况条件，d 表示状态参数达到规定的要求等，e ，表示判断得分还是扣分部分。火电 机组仿真机状态参数学员评价系统中的专家知识库由一系列如上述所示的规则组成，这些规则可称 之为评分规则。 专家系统在学员评价中的作用为：对学员在机组启动过程中的操作参数进行评分。其评分过程 是通过检查学员操作的参数状况与知识库中的评分规则是否一致，若学员操作满足评分规则就得分， 反之则扣分。 2 2 5 1 学员评价中规则库的实现方法 规则库中的专家知识，是以火电机组的运行规程为基础，结合现场技术人员的实际经验和电厂 的实际要求，总结出来的。 1 学员评价中专家知识的获取方式 知识的获取是通过对运行规程总结和归纳，形成一条条的专家知识。状态参数单条专家知识的 内容包括：状态参数的目标值，其中模拟量是一个范围，逻辑量是0 或l 。对有限制条件的状态参数， 只有当限制条件满足后才能对其进行操作。例如，高压加热器是否允许投入的条件是：汽机冲转暖 机、汽机转速达3 0 0 0 r p m ，当这两个条件满足后，才允许高压加热器投入的操作。 专家知识的输入方法是通过程序编辑软件，把由运行规则和现场操作经验总结的专家知识输入 到计算机中，形成计算机可以识别的内容。本论文开发的状态参数评价系统通过程序语言把专家知 识输入到软件中，形成专家知识库。 2 产生式规则 对于每个状态参数过程操作都有一条产生式的规则。规则的前件是各个状态参数的操作要求， 规则的后件是操作结果满足要求时的得分。例如，某3 0 0 m w 火电机组，给水箱水温参数，其产生式 规则的前件是给水箱水温( 1 2 0 4 - 1 0 。c ) ，后件是当锅炉点火时，给水箱水温没有满足要求时就扣分。 按照产生式规则的一般表示形式为： i f ( 给水箱水温 1 3 0 ) t h e n 操作错误则扣分 2 2 5 2 推理机的实现 在状态参数学员评价系统中，专家系统所采用的推理机制主要是通过评分规则来实现，由所有 的评分规则组成专家知识库。推理机采用的是正向推理机制，推理机完成的任务是对状态参数的操 作结果进行评分。推理机的实现过程为：实时检查待考核的状态参数与规则库中的专家知识匹配是 否一致，如果匹配一致，即状态参数的操作满足要求，学员评价得分：否则，匹配不一致学员评 价扣分。当学员评价结束时，推理机结束运行，对已列入考核的状态参数进行评分，根据评分规则 判断是得分还是扣分。 应该指出的是，该推理机制是一种确定型推理机制，即对运行人员的运行操作采取“非对即错” 的评判，不存在“有可能错也有可能对”这种情况，否则考核评估无法进行。 2 3 过程曲线的评价方法 本文论述的学员评价是机组启动过程中，以考核过程曲线和状态参数为方式的评价系统。火电 机组的启动过程中，常用参数曲线来表示机组的运行过程p “3 8 1 ，如机组冷态启动过程中的主蒸汽温 度、主蒸汽压力、再热蒸汽温度、再热蒸汽压力、转速、电负荷等曲线。过程曲线考核的主要方法 是实时采集过程参数的数值，并与标准设计曲线进行比较，计算学员操作过程的偏差。本文对火电 机组的过程曲线考核问题提出了不同的方法，并进行了详细分析，结合在仿真机上对电厂运行操作 人员培训考核的结果，得出不同评价方法的特点和适用范围。 7 第二章火电机组仿真机学员评价方法的研究和分析 2 3 1 偏差面积评价方法 过程曲线考核依据是过程量的设计曲线，其考核原理为：当模型运行时，实时比较过程参数与 过程设计曲线对应值的偏差程度，通过累积偏差计算学员的得分。原理如图2 - 3 所示。 在图2 3 中，横轴代表时间，纵轴表示过程量的数值；标准曲线和仿真培训中学员实际操作曲 线如图中所示；两条虚线表示允许的偏差限值。超出虚线所示范围则扣分；图中阴影部分的面积是 操作曲线超出偏差允许范围的面积。 过 程 参 数 图2 - 3 学员评价考核算法原理图 图2 - 3 中，实际操作曲线和标准曲线围成的面积为s ，通过数值计算求得。图2 - 3 中的操作曲 线超出偏差允许范围的面积分别为s 1 、s 2 、s 3 和s 4 ，偏差面积与面积s 的比值为扣分系数。对某参 数过程曲线，设其评价满分值为k ，则评价该参数时扣除的分值w 为： 矿：睾置；坠学芷 ( 2 1 ) ss 、 得分为k w 。 上述这种评价方法称为偏差面积法。该方法中的偏差面积是时间和数值偏差量的乘积，其值越 大，得分越低，反之得分高。 根据上述的扣分原理，在进行过程曲线考核中，需要实时计算实际曲线和标准曲线围成的面积s 和偏差面积s - 。在学员评价过程中采用数值积分的方法求得面积s 和偏差面积s * 。其中面积s 为： 姆窆旧一出= r i 一比i d t ( 2 - 2 ) 偏差面积s 自如下式所示： = t ( 1 瓦一y 。i - - e , ) 缸= f ( 1 毛一匕i - e , ) d t ( 2 3 ) 式中：y 1 t 为t 时刻标准曲线所表示的过程参数数值，y a 为t 时刻该过程参数的实际数值，c | 为t 时 刻标准曲线所允许的偏差，t 为考核时间，a t 为计算时间间隔。在式( 2 3 ) 中，只有l 当( i y l t y 2 d e i ) o 。 才进行偏差面积计算，否则是在允许偏差范围内，不计算偏差面积。 上述方法，在考核进行中，需要知以下参量： 描述过程设计标准曲线的特征参量，特征参量为标准曲线的各个拐点、时间段等。上述公式 中y 1 t 由标准曲线的特征参数求得。在图2 1 标准曲线段a b 中，y 。可表示为： 东南大学硕士学位论文 毛2 学h 匕 ( 2 川 式中y a 、y b 分别是a 、b 点的纵坐标，t 、龟分别是a 、b 点的时间坐标。 过程参量的实际数值。通过评价系统与数据库的接口采集仿真模型的运行数据，经计算可得 到曲线考核的偏差面积。 2 3 2 均方差评价方法 在图2 - 3 中，标准曲线坟x ) 是分段函数，均方差评价方法为： 计算分段曲线的平均值 已知x 1 ，x 2 ，x n 为标准曲线上的n 个数据的值，其算术平均值为： j 卫生：k 翌 计算数据的标准差 n 个数据的标准差为： n 为采集数据次数，v i 为残余误差，其表达式为：v j = t j 。 由残余误差得到的标准差称为贝塞尔公式，其表达式如下： 盯= ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 确定参数的不确定度 标准不确定度用u 表示，标准不确定度有a 类评定和b 类评定两种。a 类评定是用统计分析法 评定，其标准不确定度u 等同于由系列观测值得到的标准差o 。b 类评定是基于其它方法估计概率 分布或分布假设来评定标准差并得到标准不确定度。 当采集数据的结果受多种因素影响形成了若干个不确定度时，数据结果的标准不确定度用各标 准不确定度分量合成后所得到的合成不确定度来表示。为了求得l l c ，首先需分析各种影响因素与 采集数据结果的关系，以便准确评定各不确定度分量，然后才能进行合成标准不确定度计算。下面 给出求合成不确定度的方法。 对被采集数据y 的估计值y 是由n 个其它量的数据值x l ，x 2 ，x 3 ，k 的函数求得，即 y = ，( 而，x 2 ，矗) 且各个数据值x i 的标准测量不确定度为，它对被采集数据估计值影响的传递系数为彭觑则由 旨引起被采集数据y 的标准不确定度分量为 9 屡 辱 第二章火电机组仿真机学员评价方法的研究和分析 l 矽i 驴尉 ( 2 一s ) 而采集数据结果y 的不确定度l l y 应是所有不确定度分量的合成，用合成标准不确定度u c 来表征，计 算公式为 虬。 ( 2 - 9 ) 式中，岛为任意两个直接数据值薯与一不确定度的相关系数若而、的不确定度相互独立，即 岛2 0 ，则合成不确定度计算公式可表示为 虬2 ( 2 1 0 ) 当岛爿，且善、苦同号，或岛一l 且善、考异号，则合成不确定度的计算从式 可以表示为 ”鬃b 若合成不确定度分量的各种因素与测量结果没有确定的函数关系，则应根据具体情况按a 类评 定或b 类评定方法来确定各不确定度分量玑的值，然后按上述不确定度合成方法求得合成标准不确 “c = r 2 - 1 2 ) 用合成不确定度作为评价参数y 估计值y 的不确定度，标准曲线结果可以表示为 y ：2 + u () 采用以上算法，o 当实际操作曲线在标准曲线允许的范围内时，不扣分；当实际操作曲线偏2 - 离1 3 了 标准曲线允许的范围时，则扣分。不同超限点的扣分系数由考核参数标准差的倍数决定，超限点在 0 o 范围内的扣分系数小于在仃2 0 范围内的扣分系数。对超出允许偏差范围的点采用偏差面积的 计算方法，求出评价参数的得分。 2 3 3 偏差面积方法和均方差方法的比较 针对以上提出的两种过程曲线评价方法进行分析。偏差面积是过程参数偏差量绝对值对时间的 积分。偏差面积评价方法的优点是考虑了偏离程度和偏离时间对偏差面积的影响。过程参数偏离允 许偏差越大，偏差面积越大；超出允许偏差范围的时间越长，偏差面积越大。偏差面积评价方法的 缺点是该方法对不同偏离程度的扣分系数一样。当考核参数突变时，采用偏差面积方法对考核参数 的扣分存在问题。均方差评价方法的优点为：通过计算考核参数的均方差、不确定度，确定了不同 1 0 东南大学硕士学位论文 偏离程度的扣分系数，再结合偏差面积计算考核参数的扣分。当考核参数突变时，其扣分系数较大， 对参数的扣分也多。例如，对再热蒸汽温度超出允许偏差1 0 ( 2 和3 0 c 两种情况，后者扣除的分值太 于前者。综上所述t 偏差面积评价方法适用于考核参数波动不大时的评分问题，均方差评价方法对 解决诸如机组跳闸这类突变参数的扣分是比较合理的。同时，均方差评价方法既包括偏差面积评价 方法，又是对偏差面积评价方法的改进和完善。论文将结合两种评价方法的优点应用于开发的学员 评价系统。 2 4 本章小结 本章根据电站设备及仿真机运行的特点，运用“分解一综合”的理论对火电机组运行这一复杂 过程进行分析，把整个启动过程分解为冷态启动、温态启动、热态启动和极熟态启动等子过程，将 冷态启动子过程分解为锅炉点火前准备、锅炉点火至大机具备冲转条件、大机冲转至发电机并网带 初负荷、机组带负荷至6 0 0 m w 等二级子过程。论文介绍了专家系统的概念、类型和结构。专家系 统的结构包括知识库、推理机、数据库、人机接口和解释机构，其中知识库和推理机是专家系统中 必不可少的两部分。知识库一般采用产生式的规则库：推理机是按照某种策略从规则库选择规则与 数据库中的已知事实进行匹配，一般采用正向推理方式。分析了专家系统方法在状态参数学员评价 中的实现，包括规则库的实现和推理机的实现。本文提出了过程曲线的评价方法，包括偏差面积评 价方法和均方差评价方法，并比较了两种评价方法在学员评价中的特点和适用范围。 第三章火电机组仿真机冷态启动学员评价方法的应用 第三章火电机组仿真机冷态启动学员评价方法的应用 本章论述的大型火电机组仿真机冷态启动学员评价系统，其内容包括两部分：状态参数学员评 价和过程曲线学员评价。 3 1 冷态启动状态参数评价方法在3 0 0 m w 机组上的应用