（水利水电工程专业论文）轴流转桨式机组主机部分计算机仿真研究.pdf

摘要 水电厂仿真是一门新型学科，它融水力、电力、机械、电工、控制、计算 机等学科为一体，具有广阔的应用前景。 目前，国内己运行的水电厂仿真机主要是针对混流式水轮发电机组研制开 发的，而轴流转桨式水轮发电机组仿真机尚未出现。本文结合富春江水电厂， 对轴流转桨式水轮发电机组主机部分仿真做了深入的研究。 论文重点研究了以下几个问题： 1 根据富春江水电厂特点选定了仿真系统的模式，并对仿真系统的构成及 仿真软件开发支撑系统做了介绍说明。 2 对富春江水电厂主机部分( 引水系统、水轮机、发电机、励磁系统及调 速器) 建立了数学仿真模型。论文针对轴流转桨式水轮发电机组具有双调节系 统的特点，对其协联关系进行了深入的研究，并建立了数字协联模型。 3 对富春江水电厂仿真系统的主要仿真模块进行了研究。以富春江水电厂 1 号机组为例，对其部分运行工况进行了仿真计算，并对结果做了详细分析。 关键词：水电厂、主机、数字协联、仿真系统、水轮发电机组 a b s t r a c t t h es i m u l a t i o no fh y d r o p o w e rp l a n ti san e w - s t y l e s u b j e c t ，w h i c hc o m b i n e s s e v e r a ls u b j e c t ss u c ha sw a t e r p o w e r , e l e c t r i cp o w e r , m e c h a n i s m ，e l e c t r i c i a n ，c o n t r o l a n d c o m p u t e r i n t oau n i t i th a sav e r yw i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c t s a t p r e s e n t ，t h es i m u l a t i o nm a c h i n eo f h y d r o p o w e rp l a n t s ，w h i c hh a sa l r e a d yr u n a th o m ea r ea l w a y sd e s i g n e df o rm i x e df l o wt y p et u r b i n e ，w h i l et h em a c h i n eo fa x i a l f l o wk a p l a nt y p et u r b i n eh a sn o tb e e na p p e a r e dy e t t h e p a p e rm a k e sad e e p e r r e s e a r c ho nt h es i m u l a t i o no fm a i nu n i t so fa x i a lf l o wk a p l a nt y p et u r b i n eo nt h e b a s i so f f u c h u n j i a n g h y d r o p o w e r s t a t i o n s e v e r a lf o l l o w i n g q u e s t i o n s a r er e s o l v e di nt h i sp a p e r ： 1 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro ff u c h u n j i a n gh y d r o p o w e rs t a t i o n ，n o to n l yt h e p a t t e r no f s i m u l a t i o ns y s t e mi sd e c i d e d ，b u ta l s ot h ec o n s t i t u t i o na n dt h e d e v e l o p m e n t s u p p o r ts o f t w a r es y s t e ma r ed e s c r i b e d 2 t h em a t h e m a t i cs i m u l a t i o nm o d e lo fm a i nu n i t s ( d i v e r s i o ns y s t e m ，t u r b i n e ， g e n e r a t o r , e x c i t a t i o ns y s t e m ，a n dg o v e r n o o a r e d e s i g n e d f o r f u c h u n j i a n g h y d r o p o w e rs t a t i o ni nt h i sp a p e r f o rt h ea x i a lf l o wk a p l a nt y p et u r b i n ei se q u i p p e d w i t hd u a lc o n t r o ls y s t e m ，t h i sp a p e rm a k eaf u r t h e rs t u d yo nt h eo i l c a mr e l a t i o n s h i p o f t h e g o v e r n o r u n i t sa n d p r o p o s e d am a t h e m a t i c a lc o m b i n a t i o nm o d e l 3 t h ep a p e rm a k e sar e s e a r c ho nt h em a i ns i m u l a t i o np a r t so f f u c h u n j i a n g h y d r o p o w e rs t a t i o n t a k i n g t h en o 1u n i ta sa n e x a m p l e ，as i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nh a s b e e nm a d ea b o u to n ep a r to ft h ew o r k i n gs t a t eo ft h eg e n e r a t i n gu n i ta n dad e t a i l e d a n a l y s i si sm a d e a b o u tt h es i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：h y d r o p o w e rp l a n t ；m a i nu n i t s ；m a t h e m a t i c a lc o m b i n a t i o n ；s i m u l a t i o n s y s t e m ；h y d r o p o w e r t u r b i n eg e n e r a t i n gu n i t s 学位论文独创性声明： 本人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。与我 一同工作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：堑鲎2 0 0 5 年4 月1 7 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件 或电子文档，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。论文全部或部分内容的公布( 包括刊 登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：堑鲨2 0 0 5 年4 月1 7 日 第一章绪论 1 1 计算机仿真概述 第一章绪论 仿真就是构造出一个模型来模仿实际系统内所发生的运动过程。仿真分为 实物仿真和非实物仿真。计算机仿真是一种非实物仿真方法，它是利用计算机 对一个宏观复杂系统的结构和行为迸行动态模仿，从而获得该系统及其变化过 程的特性指标。利用计算机进行系统仿真有不受被研究系统的规模和复杂性限 制以及提高系统试验经济性的优点，同时能保证被研究系统的安全性、预测未 来系统的发展。因此，计算机仿真已成为系统分析、研究、设计及人员训练不 可缺少的重要手段。计算机仿真研究的步骤包括以下四点“1 ： ( 1 ) 系统分析，明确目标。就是要明确问题和提出总体方案。首先要把被 仿真系统的内容表达清楚，弄清仿真的目的，然后选择描述这些目标的主要环 节和状态变量，明确定义所研究问题的范围、边界和初始条件，并充分估计初 始条件对系统主要性能的影响。 ( 2 ) 模型构造、采集数据。包括建立模型、收集数据、编写程序、程序验 证和模型确认等。建立模型就是选择合适的仿真方法，如时间步长法、事件表 法等，确定系统的初始状态，设计整个系统的仿真流程。最后选择合适的通用 语言或仿真语言编写、调试程序。 ( 3 ) 模型的运行与改进。首先确定一些具体的运行方案，如初始条件、参 数、步长、重复次数等，然后输入数据，运行程序。 ( 4 ) 模型输出、统计分析。包括提供文件的清单，记录重要的中间结果， 输出格式要有利于用户了解整个仿真过程，分析和使用仿真结果。 1 2 水电厂仿真概况 水电厂仿真实际上是对水电厂某单元发电机组系统的仿真。大型水电厂发 电机组是一个设备庞大、系统复杂的系统。包括水轮机、发电机、励磁系统、 主变、厂用电系统以及相应的油、气、水等公用辅助系统。根据发电机组的实 际设备、热力系统、电气系统以及电力生产过程等建立其数学模型，并在数字 河海大学硕士学位论文 计算机上运算称为水电厂仿真。运行发电机组模型软件的数字计算机称为发电 机组仿真机，简称为电厂仿真机”。 1 2 1 水电厂仿真技术的应用 国外水电厂仿真研究从二十世纪七十年代开始，初期仅停留在调速系统等 模型的理论探讨上。接着出现了水轮机的动态非实时计算机模拟，主要用于水 轮机特性试验和调速系统试验。八十年代中期，国外出现了许多水电厂实时仿 真系统，用于培训和试验研究。如日本的三菱、美国的s 3 等公司都相继开发了 数套水电厂实时仿真系统“1 。九十年代以来国外水电厂实时仿真应用已经非常普 遍了。 自八十年代以来，仿真技术在我国得到迅速的发展和运用，目前国内已有 火电，变配电仿真系统百套左右。但相对而言，水电厂仿真技术的发展和推广 应用显得相对滞后。国内最早从事水电厂仿真研究的是清华大学和南京自动化 研究院。但南京自动化研究院研究的目的是为其控制系统开发服务的，因此并 不是真正的全仿真系统。清华大学电机系于八十年代后期开始实用开发，现己 成功完成了三套水电厂仿真系统的研发。分别是丰满水电厂仿真系统、龙羊峡 水电厂仿真系统和广州市小水电仿真机。此外隔河岩水电厂、丹江口水电厂、 新安江水电厂也都开发出了自己的仿真系统。水电机组不象火电机组那样有系 列化，各厂的差别很大，这就决定了水电厂仿真机的通用性较差。随着计算机 硬件成本的下降，仿真机的成本也大幅下降。可以预见，今后几十年，我国水 电仿真将蓬勃兴起。”。 1 2 2 当前电厂仿真技术的研究热点及其影响 近年来，由于电力系统问题领域的扩展和计算机仿真支持技术的发展，仿 真方法学致力于更自然地抽取事物的属性特征，寻求使模型研究者更自然地参 与仿真活动的方法等等。在这些探索的推动下，生长了一批新的研究热点。 1 2 2 1 虚拟现实技术v r ( v i r t u a lr e a l i t y ) 虚拟现实技术是一项新兴的计算机技术，亦称虚拟环境技术、灵境技术， 是一种最有效地模仿人在自然环境中的视、听、动等行为的高级人机交互技术“， 第一章绪论 “。它是在综合计算机图形学、计算机仿真技术、传感技术等多门科学技术的 基础上发展起来的。这种技术的特点在于计算机产生一种人为虚拟的环境，这 种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到 计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于 虚拟环境的感觉。水电厂仿真培训是提高操作人员素质，保证电力系统安全、 有效运行的重要手段之一。将虚拟现实技术引入水电厂仿真培训系统中去，能 给培训系统增添真实感和沉浸感。水电厂运行的特点决定了不能通过实际设备 直接操作来进行人员培训，在水电厂仿真培训中引进虚拟现实技术，不仅可以 节约培训用的硬件投资，又可以让培训人员产生身临其境的感觉，更加增强培 训效果，保证电力系统安全、经济、优质地运行。 1 2 2 2 智能仿真i s ( i n t e l l i g e n c es i m u l a t i o n ) 近年来，计算机仿真技术在电力系统应用的另一个研究热点一智能仿真也 是引人注目的。智能仿真是以知识为核心和人类思维行为作背景的智能技术。 由于人工智能的引入，使得计算机仿真程序在一定程度上也具有人类所具有的 智能，可代替人类从事一些智能活动。系统人员只要对被仿真系统的某一层次 的特性进行描述，然后依照规则的知识库，让系统自动或半自动地寻找满足试 验要求的模型，然后在此模型上进行工作和探索，就可求得最后结果。在智能 仿真中，各种应用方法被广泛地应用于水电厂仿真中。 ( 1 ) 专家系统e s ( e x p e r ts y s t e m ) 仿真系统在和专家系统结合以后，则可以把计算机的咨询、仿真、推理、 决策、判断等功能结合起来，环境的视觉、听觉、触觉的逼真感受容易实现。国 内外已发展了多种专家系统，应用于水电厂仿真的不同领域：监测与诊断、预想 事故筛选、系统恢复等。 ( 2 ) 人工神经网络a n n ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) “1 人工神经网络是模拟生物激励系统，将一系列输入通过神经网络产生输出。 由于神经网络的快速并行处理能力和良好的分类能力，被广泛地应用于电厂的 实时控制、监测与诊断、状态评估等诸多领域。 ( 3 ) 模糊集理论( f u z z ys e t st h e o r y ) 。1 河海大学硕士学位论文 人的认知世界包含大量的不确定性知识，这就需要对所获信息进行一定的 模糊化处理，以减少问题的复杂度。近年来，模糊集理论在电厂仿真中的应用 取得了飞速进展，如将模糊控制应用与水轮机调节系统控制规律仿真研究。 ( 4 ) 启发式搜索( h e u r i s t i cs e a r c h ) “ 通过随机产生新的解并保留其中较好的结果，并避免陷入局部最小，以求 得全局最优解或近似最优解。例如将遗传算法用于水轮机p i d 调节器参数寻优， 取得了较为满意的效果。 1 2 2 3 面向对象技术0 0 ( o b j e c t o r i e n t e d ) 【l l 】 面向对象仿真方法是当前仿真技术发展的一个重要方面。它是一种框架化、 层次化和模块化的建模方法，有利于提高模型的封装性、灵活性、重用性、可 扩展性和可维护性，在各个领域得到了广泛的应用。水电厂是庞大而复杂的系 统它由许多电力设备构成，如开关、刀闸、变压器及发电机等，每个设备有 其自身的状态和对事件的响应能力。采用传统程序设计方法开发出的水电厂仿 真软件，面临着日益突出的维护、扩充困难等问题。将面向对象技术中对象提 取、对象封装、多态性以及使用类的继承用于模型建立上，可以带来许多显著 的好处。 1 2 2 4 分布交互化仿真技术d i s ( d i s t r i c t e di n t e r a c t i v es i m u l a t i o n ) 当仿真对象分布于广阔时空领域时，仿真任务就将不同地理位置、不同类 型( 包括人在内) 的仿真对象构成一个统一整体进行仿真，它是以仿真技术、计 算机技术和网络技术为基础的“。d i s 实现用计算机网络将不同地点的仿真设备 连接起来，通过实体间的数据交换构成时空到合成仿真环境的一种先进仿真技 术。在这种复杂的分布综合的系统进行实时仿真时，必须提供快速、高效、大 量的信息通道和相应的处理。 1 3 水电厂仿真系统的目的和意义 随着计算机技术的高速发展，水电厂运行的自动化程度也越来越高，自动 化程度成了水电厂现代化水平高低的重要决定因素。而自动化程度越高，电厂 人员专业培训也就越难。以前的电厂人员培训多半采取“帮、教、传”的方式， 4 第一章绪论 费时费力，效果也不显著，而且很不利于电厂人员的自学。在重要而复杂的技 术上往往很长时间都没有机会实时演练，尤其在电网中承担重要负荷任务的大 型电厂，更不可能因为职工的技术培训而进行开、停机等直接影响电力系统稳 定和电厂经济效益的操作，因此高质量、便捷实用的计算机仿真培训系统也就 应运而生并成为水电厂现代化管理的一个必要内容。 仿真培训是当前各行各业广为采用的十分有效的手段。仿真培训系统能提 供一个与真实环境一致的仿真环境，在此仿真环境中运行人员不但能进行正常 操作培训，同时还能演习各种事故和故障处理的培训。因此，仿真培训系统对 提高运行人员素质，增强应变处理能力，保证运行安全可靠是十分有效的。 电厂仿真培训系统具有以下主要特性和优点：仿真模型的高精确度和动态 过程的高逼真度使提供给受训人员的环境与真实环境具有很高的一致性；仿真 培训系统形式多样的培训内容与功能使提供给受训人员的受训方式灵活多变； 面向对象技术的应用使得仿真系统具有很强的可移植性、可扩充性和可升级性。 因此仿真培训系统能用于对电厂运行人员的培训和考核，使受培训人员能熟练 掌握机组在各种条件下的启、停过程和正常运行中的监视操作技术；能通过对 电厂常见故障的模拟，使受培训人员的应急能力和对机组运行的综合分析能力 得以提高；能满足工程技术人员对该种类型的设备及其系统的研究分析等要求； 能进行机组运行方式的优化和研究；总之，对提高电厂运行人员操作技能与水 平、避免由于操作失误造成设备损坏、电网解列以及其它重大事故具有重要意 义。 1 4 本文的研究内容 本文研究内容为富春江水电厂仿真培训系统的主机仿真部分。富春江水电 厂为一座低水头电厂，水轮机组为轴流转桨式机组。轴流转桨式水轮机为双调 节系统，要求机组并网发电后随负荷变化要不断调节导水叶的开度和桨叶的转 角，以保证机组的稳定运行和高效率发电。由于轴流转桨式机组其运行调节比 混流式机组复杂得多，因此其仿真的难度也较混流式机组大。 目前国内已运行的水电厂仿真机都是混流式机组，而轴流转桨式机组仿真 机还没出现。本文结合华东电力公司富春江水电厂，以其l 、2 、3 、4 号机组为 河海大学硕士学位论文 研究对象对轴流转桨式机组仿真进行了研究。 ( 1 ) 对富春江水电厂仿真系统的模式进行分析，选择出一个较优的仿真模 式：系统地介绍了富春江水电厂仿真系统的构成、仿真范围及功能：并对水电 厂仿真系统的仿真软件开发支持系统做详细说明。 ( 2 ) 对富春江水电厂仿真系统主机部分仿真模型的建立进行了研究。主机 部分主要包括引水系统、水轮机、发电机、调速器和励磁系统等，因此在具体 仿真过程中将分别对各部分建立数学模型，并最终建立仿真模型。 ( 3 ) 轴流转桨式水轮机调速器具有两个控制系统；一是导叶控制系统，二 是桨叶随动系统。考虑到导叶与桨叶之间存在的协联关系，文中将对轴流转桨 式水轮发电机组仿真中的数字协联方法进行研究。 6 第二章富春江水电厂仿真培训系统的总体结构 第二章富春江水电厂仿真培训系统的总体结构 富春江水电厂是一座低水头电厂，现有5 台轴流式水轮发电机组，各机组 之间形式各异，调速器各个不相同。本仿真机是以富春江水电厂1 ，2 ，3 ，4 号 四台水轮发电机组为仿真对象，按1 ：l 的比例对水轮发电机组进行全过程、全 范围仿真。经改造后，1 ，2 号机组为一个扩大单元，3 ，4 号机组为另一个扩大 单元。 2 1 仿真系统仿真模式 在仿真系统中实现以计算机为基础的系统和子系统的设备和功能复制称仿 真模式。仿真模式。”“”共有三种，分别是激励方式、仿真方式以及部分仿真方 式。 激励方式是指仿真系统在复制实际电厂中以计算机为基础的监视和控制系 统时，直接接入与实际电厂中相应系统完全相同的实物，因而也称这种方式为 实际接入方式。也就是说，仿真系统中的这些系统和实际电厂中相应的系统是 由同一个厂家制造的，其硬件和软件是一模一样的。仿真系统中这些系统的硬 件和功能无需进行仿真，而只需由仿真计算机向这些系统提供激励信号。 仿真方式与激励方式相反，仿真系统在复制电厂中以计算机为基础的系统 时，其计算机由仿真计算机主机、另选微机或工作站等计算机代替，不购置任 何操作盘硬件，也不购置主监控与操作的上位机部分，而是用计算机局域网为 载体，以纯软件的方式模拟整个电厂的操作、控制与监视系统。 部分仿真方式在复制实际电厂中以计算机为基础的系统时，一部分采用激 励方式，一部分采用仿真方式。一般是一个监控系统，它的计算机、人机界面 硬件和软件采用与实际系统完全相同的硬件和软件实现，即采用激励方式实现。 而在系统功能，如系统控制、数据处理、性能计算等功能则由开发其功能仿真 软件来实现，即采用仿真方式实现。 2 1 1 仿真系统模式及特点 对于采用激励方式的仿真系统，由于其主控操作与监视系统及各种控制检 河海大学硕士学位论文 测盘均采用与真实电厂相同的硬件来实现，因此其硬件规模庞大，软件规模相 应较小。激励方式的优点是： ( 1 ) 仿真系统与现场具有完全相同的硬件和软件，对运行人员来说，与现 场的实际操作、控制和界面完全一致，从而提高了仿真系统的培训效果，加大 了仿真系统的物理逼真度和功能逼真度。 ( 2 ) 激励系统的软件和组态易于与当今电厂的发展水平保持一致。 激励方式的缺点是： ( 1 ) 系统的投资额太大，这种仿真系统一般需要1 0 0 0 - - 3 0 0 0 万元甚至更多 的投资，很多中小电厂在经济上难以承受。 ( 2 ) 采用激励方式时，必须考虑硬件的备品备件问题，从而加大了仿真系 统的成本。 ( 3 ) 对激励系统软件进行修改以适应仿真系统的操作方式完全依赖于系统 的内部结构，修改的范围太广，也是很困难的。 采用部分仿真方式的仿真系统，其配置比较灵活，可以根据电厂的情况不 同和用户的要求不同合理地配置硬件和软件仿真的比例。这种仿真系统必须将 监视与控制系统的上位机部分用硬件仿真出来，即必须购置与电厂同一规格型 号的上位机部分。它是介于激励方式和仿真方式之间的一种仿真方式。这种模 式造价低于激励方式而高于仿真方式，随着硬件仿真部分的比例加大而增加。 由于其软硬件配置比较灵活，因此采用这种仿真方式的仿真系统适用范围较广， 无论水电厂还是火电厂都可以接受。它的缺点是： ( 1 ) 由于仿真系统中该监控系统的功能是仿真的，所以与实际系统之间可 能存在差异。 ( 2 ) 必须设计仿真计算机与激励系统计算机之间的接口，开发接口通讯软 件。 ( 3 ) 对于大的系统可能存在接口吞吐量受到限制问题。 仿真方式是用软件全面仿真电厂所有操纵、控制与监视的仿真方式。这种 仿真模式中，不购置任何现场操作与控制盘面，连上位机也不购置，包括现场 r 第二章富春江水电厂仿真培训系统的总体结构 的场景部分和中央控制室部分的场景都用现代虚拟场景技术来仿真模拟出来。 这种仿真方式的优点为： ， ( i ) 系统的造价最低，大多数用户都可以接受。 ( 2 ) 系统的可扩充性好，可以根据不同系统要求分不同阶段进行开发和扩 充。 ( 3 ) 硬件的通用性好。这种硬件是通用的局域网络平台，可以用市面上通 用的网络系统软件，不用再开发专用的网络平台。 ( 4 ) 可以将来为一机多模作准备，即在一套硬件系统上开发出多种不同的 仿真系统，做到硬件利用效率的最大化。 ( 5 ) 软件的通用性好。对于一种类型的装备，一次开发后，下一次在不同 的电厂，可以不用再开发同类装备的仿真软件。 ( 6 ) 比较低的硬件维护、培训和备品备件费用。 仿真方式的缺点是开发的仿真系统与实际系统存在一定差异，真实感要差 一些，而且其物理仿真度和功能逼真度显然不如激励方式。 2 1 2 富春江水电厂仿真系统模式的选择 激励方式对所仿真电厂硬件的统一性要求较高。因为激励方式要求仿真系 统与实际电厂的硬件完全一致，若一个电厂的某一类硬件有几种型号，若要做 到完全仿真，就必须同时购置几种型号的此类硬件，这样其硬件的容量和系统 的价格就会更高。为了将成本控制在可以接受的范围内，这种仿真模式适用于 硬件统一性好的电厂。就富春江水电厂来说。作为一个老厂，它各单元机组的 型号多不相同，同一类型的设备甚至有几个厂家、几种型号的产品，而且目前 它正在进行扩容改造，其控制和监测装备改造后和改造前差异非常较大，所以 采用激励方式仿真从经济角度考虑是不可能和不实际的。同时由于采用仿真方 式的仿真系统其效果已经可以满足富春江水电厂对仿真培训系统的需求了，没 有必要再投资几百万元购置硬件仿真设备。因此，富春江水电厂仿真系统采用 仿真方式是一种既经济实用、切合实际又满足需求的选择。 河海大学硕士学位论文 2 2 仿真系统的硬、软件系统 2 2 1 硬件系统 富春江水电厂仿真培训系统“”的硬件是由一台h pd 2 5 服务器、六台d e l l p i i l l 6 g h zp c 机、一台多媒体p c 机和大屏幕投影仪组成，不设硬盘台。主机 具有优良的运行稳定性和实时处理能力。其中h p 工作站作教练员兼工程师台， 四台p c 机作监控系统的仿真用，二台p c 机作现地系统仿真用。各台计算机通 过以太网连接，仿真系统硬件系统配置具体构成见图2 一l 。主要硬件设备说明见 表2 - 1 图2 - 1 富春江水电厂仿真培训系统硬件系统配置 表2 - 1 仿真系统硬件设备说明表 系统名设备名称性能要求 数量 教练员站 h p s e r v e rh p 9 0 0 0u n s e r v e rg 3 01 d e l l ，c p u ：p 31 6 g h z ，主 监控操作站p c 机内存：2 5 6 m b ，硬盘：4 0 g ， 4 显示器：1 9 ”l g 液晶 1 0 第二章富春江水电厂仿真培训系统的总体结构 d e l l ，c p u ：p 31 6 g h z ，主 就地仿真站p c 机 内存：2 5 6 m b ，硬盘：4 0 g ， 2 显示器：1 9 ”s o n y 彩显 d e l l ，c p u ：p 31 6 g h z ，主 多媒体站p c 机内存：2 5 6 m b ，硬盘：4 0 g ， 1 显示器：1 7 ”s o n y 彩显 投影系统投影仪 b a r c o6 4 0 0 i d i 腿d e s l o l 0 6 r 集线器 l ( 1 0 m ，1 0 0 m ，1 6 口) 其它设备3 c o m 网卡 8 2 2 2 软件系统 富春江水电厂仿真培训系统的软件主要有计算机厂商提供的u n i x 操作系统 软件、m o t i f 图形界面开发软件包、f o r t r a n 及c 语言编译器，另外系统中还有 全套的仿真专用软件，包括仿真支撑软件( s i m u p l u s ) 、绘图工具软件、教练 员台功能软件等等。 2 2 2 1 仿真支撑软件 ( 1 ) s i m u p l u s 仿真支撑系统简介“6 3 目前仿真机的开发及运行都是在一个仿真支撑软件上进行的，因为仿真支 撑软件能大大缩短仿真机的研制周期，减轻工程技术人员的劳动强度，使仿真 机的研制更趋于系统化、合理化、规范化和工程化，提高仿真机的仿真精度、 可靠性和培训水平。 富春江水电厂仿真培训系统的支撑软件是一套基于u n i x 系统集成的仿真支 撑软件，即s i m u p l u s 。该软件包经过完善和发展，已经基本成熟。 $ i m u p l u s 仿真支撑系统是个能完整支持实时仿真软件开发、调试、运行 并具有开放性的支撑环境，是各种仿真机开发、研制的强有力的工具。它是以 开放式多用户实时计算环境为目标而设计的，是建立在计算机操作系统之上的 1 1 河海大学硕士学位论文 软件开发平台，可实现大型实时多用户数据管理、共享内存管理、实时任务调 度、源代码扫描分析和动态实时调试等功能，同时提供了一套通用的访问 s i m u p l u s 实时数据库的接口函数，以方便其他仿真软件的开发( 如：教练员台、 就地系统、集控系统仿真软件等) 。s i m u p l u s 仿真支撑系统由数据管理系统、 模型连接系统、模型编译系统、变量入库系统、实时调试系统、动态图形生成 系统和运行控制系统等组成。 ( 2 ) s i m u p l u s 仿真支撑系统的特点 s i m u p l u s 仿真支撑系统可在基于i n t e l 芯片的个人计算机和服务器上运行， 也可在h p 小型机、c o m p a q 小型机、s g i 小型机的u n i x 操作系统下运行。它的 特点如下： 1 ) s i m u p l u s 仿真支撑系统全部采用标准c 语言编写，因此可以很方便地移 植到各种不同型号的计算机上。 2 ) s i m u p l u s 仿真支撑系统提供了强大的动态调试功能，可通过曲线显示观 察仿真系统的运行趋势，也可实时修改数据库变量的值，以观察其对仿真系统 的影响，使用户很方便地对模型进行调试。 3 ) s i m u p i u s 仿真支撑系统提供了动态界面的生成工具( 组态工具) ，它支 持中文显示，具有丰富的图元库，可方便地进行动态定义并具有缩放功能。 4 ) s i m u p l u s 仿真支撑系统可以客户机服务器方式和终端登录方式运行仿 真系统。 5 ) s i m u p l u s 仿真支撑系统可在个人计算机上运行，因此可大大降低仿真系 统开发成本。 6 ) s i m u p l u s 仿真支撑系统在一台计算机可以同时进行多个仿真系统的开 发，可以同时运行多个仿真系统，实现一机多模。 7 ) s i m u p l u s 仿真支撑系统支持f o r t r a n 和c 语言编写的仿真模型，适用面 广。 8 ) s i m u p l u s 仿真支撑系统针对变量数据库的特点，提供了一个数据库管理 方法，可对共享内存中的碎片进行搜集，避免对内存不必要的浪费。 1 2 第二章富春江水电厂仿真培训系统的总体结构 ( 3 ) s i m u p l u s 仿真支撑系统的工作原理 工程文件( 木p r j ) 是s i m u p l u s 仿真支撑系统以及在s i m u p l u s 仿真支撑系 统上进行仿真系统开发和运行的最基本文件。因此，在开发一个仿真系统过程 中，首先要建立一个仿真系统的工程文件。工程文件的建立可通过s i m u p l u s 的 p m 命令实现，其界面如图2 2 ： 图2 - 2 工程管理器界面图 工程文件包含了一个仿真系统的基本信息，如数据库文件所在路径、数据 库变量的命名规则、最多可容纳的数据库变量的个数、共享内存的大小、仿真 模型库名等，用如下结构描述： t y p e d e fs t r u c t c h a rn o d en a m e 3 2 ； a 用于模型库名 c h a rl o g _ n a m e 1 6 ； 胁系统登录名木 c h a rg l o bn a m e 3 2 ；a 模型的全局变量表名水 c h a rd i r e t o r y 1 2 8 ； 术数据库文件所在路径十 u n s i g n e di n tp r e a l l o cm e m ：a 预分配的共享内存大小( 单位为字 1 1 河海大学硕士学位论文 节) u n s i g n e di n tp r e a l l o c r e c ：半预分配的数据库变量个数$ c h a rv a r p a t t e r n 1 2 8 ； 序数据库变量的命名规则 c h a rp r j a r c h 1 2 8 ；a 必要的说明 s t r up r o j e c t ： 工程文件的引用可通过设置环境变量p r o j e c t 实现( 环境变量p r o j e c t 的 内容为工程文件的路径名) ，也可通过在使用s i m u p l u s 仿真支撑系统的命令时 添加参数“一f 工程文件径名”来引用。 工程文件一经建立，s i m u p l u s 仿真支撑系统的实时数据库也就同时建立了。 s i m u p l u s 仿真支撑系统的实时数据库是用来存放数据库变量及其数据的，每个 数据库变量都被认为是一个数组。数据库变量及其数据的信息存放在v d b 和d f v 两个数据库文件中。其中，文件v d b 存放数据库变量的变量名、类型、 宽度、数组长度、性质、单位等数据，用如下结构描述： t y p e d e fs t r u c t c h a rl a b e l 3 2 ： a 变量名十 l o n go f f s e t ： a 变量在实时数据库中的偏移量 丰变量的长度 a 变量的类型十 a 变量的宽度术 c h a ru n i t 1 2 ；肛变量的单位 c h a rp r o t o t y a 变量的性质，0 ：u n d e f ；1 ：i n p u t ：2 ：o u t p u t 3 ：c o f e ：9 9 ：d e l e t e d 丰 ) s h a r e v a r r e c ： 文件d f v 存放数据库变量的缺省值。v d b 和d f v 两个数据库文件在建立 1 4 第二章富春江水电厂仿真培训系统的总体结构 工程文件时自动生成。 s i m u p l u s 用d x s ( d a t ae x c h a n g es e r v e r ) 命令对实时数据库进行管理， d x s 根据工程( p r o j e c t ) 文件，创建共享内存，将数据库文件v d b 和d f v 装 入共享内存，对实时数据库的变量进行初始化，并对数据库和共享内存进行动 态管理。d x s 还创建一个特殊的共享段，用于存放仿真运行的某些标识与数据。 它是一个守护进程，以后台方式运行。共享内存的地址可通过工程文件( p r j ) 中指定的路径经过处理后由系统函数s h m g e t 0 得到。s i m u p l u s 仿真支撑系统是 基于共享内存+ 数据库管理的内核来工作的仿真支撑系统，其工作过程如图2 - 3 所示： 图2 - 3 仿真支撑系统工作过程图 ( 4 ) s i m u p l u s 仿真支撑系统主要命令 s i m u p l u s 仿真支撑系统包括以下几个主要命令。 1 ) p m ，即工程管理器( p r o j e c tm a n a g e r ) 。它用来建立仿真系统的工程 ( p r o j e c t ) 文件，当需要定义的域定义完成后，使用f i l e 菜单中的s a v ea s 命令或s a v e 命令保存该文件，并将该文件及路径加到每个使用者的$ p r o j e c t 环 境变量中。其界面见图2 2 所示。 2 ) d x s ，即数据交换服务器( d a t a e x c h a n g es e r v e r ) 。它根据工程( p r o j e c t ) 文件，创建共享内存，将数据库文件v d b 和d f v 装入共享内存，对实时数据 库的变量进行初始化，并对数据库和共享内存进行动态管理。d x s 还创建一个特 殊的共享段，用于存放仿真运行的某些标识与数据。它是一个守护进程，以后 河海大学硕士学位论文 台方式运行。 3 ) v m ，即变量管理器( v a r i a b l em a n a g e r ) 。它是数据库和共享内存的管 理工具。可对各个数据库变量的各种信息浏览，也可对数据库变量进行添加、 删除操作，并可对数据库变量的类型、长度、宽度、单位、性质、偏移量及缺 省值等进行修改。其界面如图2 - 4 所示。 4 ) a d d v a r ，即添加变量( a d dv a r i a b l e ) 。它可批量地向数据库和共享内 存添加变量。 d i c t 是一个文本文件，它存放需添加到数据库和共享内存的变 量列表，列表中每个变量都作了如下描述： 变量名类型及宽度维数地址单位性质缺省值 l 5 ) d e l v a r ，即删除变量( d e l e t ev a r i a b l e ) 。它可批量地从数据库和共 享内存删除变量。 6 ) m d v ，即修改缺省值( m o d i f yd e f a u l tv a l u e ) 。它可批量地修改数据 库和共享内存中变量的缺省值。术d e f a 是一个文本文件，它的格式如下： 变量名 起始下标 ：结束下标 ，缺省值 ； 7 ) r t a ，即实时分析器( r e a lt i m ea n a l y s i s ) 。它是提供给模型人员在 线修改模型数据，观察模型变量值的集成的模型动态调试工具。r t a 有三种类型 的窗口：主控窗口、曲线窗口、表格窗口，主控窗口用于控制整个模型的运行， 曲线窗口和表格窗口用于显示和修改实时数据。其界面见图2 5 ，图2 - 6 。 8 ) f s c a n ，即f o r t r a n 模型扫描器( f o r t r a ns c a n n e r ) 。该命令行若没有 参数“一a ”，则对f o r t r a n 语言编写的仿真模型中符合数据库变量命名规则的 变量进行扫描，若扫描到的符合数据库变量命名规则的变量不在数据库中，则 将该变量的相关信息写入 d i c t 文件，用户在对术d i c t 文件中变量的信息修改 后( 若需要) ，可用a d d v a r 命令将半d i c t 文件中描述的变量加入数据库，之后 可再用f s c a n 命令扫描一次；若扫描到的符合数据库变量命名规则的变量已经 入库，则将该变量加入到模型的全局变量表中( 全局变量表的名称由工程文件 第二章富春江水电厂仿真培训系统的总体结构 图2 _ 4 变量管理器界面图 幽2 - 5 实时分析器主控窗口 中的g l o b a l n a m e 域确定) 。若该命令带有参数“一a ”，则在对f o r t r a n 语言 编写的仿真模型中符合数据库变量命名规则的变量进行扫描，并加入到模型的 全局变量表中，且生成相应的木d i c t 文件后，还要对仿真模型进行编译并加入 模型库。 9 ) c s c a n ，即c 模型扫描器( cs c a n n e r ) 。该命令行若没有参数“一a ”，则 对c 语言编写的仿真模型中符合数据库变量命名规则的变量进行扫描并生成相 应的 d i c t 文件，若扫描到的符合数据库变量命名规则的变量不在数据库中， 河海大学硕士学位论文 则将该变量的相关信息写入木d i c t 文件，用户在对 d i c t 文件中变量的信息修 改后( 若需要) ，可用a d d v a r 命令将 d i c t 文件中描述的变量加入数据库，之 后可再用c s c a n 命令扫描一次；若扫描到的符合数据库变量命名规则的变量已 经入库，则将该变量加入到模型的全局变量表中( 全局变量表的名称由工程文 件中的g l o b a l n a m e 域确定) 。若该命令带有参数一a ”，则在对c 语言编写 的仿真模型中的数据库变量进行扫描，并加入到模型的全局变量表中，且生成 相应的术d i c t 文件后，还要对仿真模型进行编译并加入模型库。 图2 - 6 实时分析器曲线及表格窗口 1 0 ) m r t ，即建立实时模型( m a k er e a lt i m e ) 。该命令是对模型的全局变 量表中的数据库变量进行定位，即得到数据库变量的绝对地址，根据m a p 文件 生成仿真模型的可执行文件。该可执行文件运行时将每秒分成2 0 0 个时问片， 每个时间片为5 毫秒。仿真模型库中的仿真模块可在m a p 文件指定的时间片中 被调用。 1 1 ) d r a w ，即动态图形生成工具( 组态工具) 。它是为满足用户建立可操 作的动态图形而设计的功能强大的可视化组态工具，它支持中文显示，具有丰 富的矢量图元库，可方便地进行画图和动态定义，使动态元件和实时数据库建 立关联，真正实现所见即所得，并具有缩放、移动功能。具体如图2 - 7 所示。 第二章富春江水电厂仿真培训系统的总体结构 图2 7 动态图形生成工具界面图 2 2 2 2 仿真数学模型软件 仿真机数学模型软件是在u n i x 操作系统下用f o r l r a n 开发的。仿真机数学 模型软件是描述电厂设备及运行过程的应用软件，是仿真机中最重要，最关键 的软件之一。在s i m u p l u s 仿真平台系统的支撑下，根据模块不同的分工形成了 以下几部分： ( 1 ) 动态计算 本模块完成初始数据的读入，初始潮流的计算，潮流与动态计算之间的接口 最终完成动态计算。从而得到各节点的电压、电流和系统的频率。 ( 2 ) 故障计算 本模块完成故障计算初始化，教练员台中的故障设置与故障计算之间的接 口，故障随网络拓扑变化的隔离判断，补偿法快速故障计算等程序。 ( 3 ) 网络拓扑 本模块完成读入网络拓扑数据，根据操作修改网络的拓扑导纳矩阵，计算 电流电压的各相分量及有名值。 ( 4 ) p t 、c t 、表计、同期 本模块完成p t 、c t 的电压计算，各类表计显示量的计算，开关合闸同期检 河海大学硕士学位论文 测，变压器分接头调节计算，变压器运行温度计算等等。 ( 5 ) 保护系统 本模块完成所有机械及电气保护的仿真功能。 ( 6 ) 厂用电系统 本模块完成厂用交流系统和厂用直流系统的仿真功能。 ( 7 ) 主机系统的仿真 本模块完成水机部分、发电机部分、调速器、励磁器的仿真。 (