（电力系统及其自动化专业论文）基于apros的发电厂电气仿真系统.pdf

查堕查堂堡圭兰竺垒兰! ! 里 a b s t r a c t p o w e rp l a n ti sa l li m p o r t a n tp a r to fe l e c t r i c a ls y s t e m s i m u l a t o rf o rp o w e rp l a n tc a r lb eu s e dt ot r a i n o p e r a t o r so f p o w e rp l a n t o p e r a t o r c a ni m p r o v et h e i rs k i l lt h r o u g ht h et r a i n i n g i nt h ep a s t ，r e s e a c h i n ga n dd e v e l o p i n gs i m u l a t i o ns y s t e mi sa l w a y sp r o g r a m m e db yh a n d f o rt h e r ea r e m a n yd i f f e r e n c e si ne a c hp o w e rp l a n t ，i ti sc o s t l ya n dt i m ew a s t i n gt od e v e l o ps i m u l a t i o ns y s t e mf o ro n e s p e c i a lp l a n t s ot h ea d v a n c e dm o d e l i n gt o o l i s i m m i n e n t l yn e e d e d a p r o s ( a d v a n c e dp r o c e s ss i m u l a t i o n s o f t w a r e ) m a d ei nf i n l a n di so n e a u t o m a t i c g r a p h i c sm o d e l i n gs y s t e m i t i sas i m u l a t i o ns o f t w a r ep r o d u c tf u r f u l l s c a l em o d e l i n ga n dd y n a m i cs i m u l a t i o no fi n d u s t r i a lp r o c e s s t h em o d e l i n ge f f i c i e n c ya n dv e r a c i t yc a n b ei m p r o v e db y a p r o s t h e # lg e n e r a t o r se l e c t r i c a ls y s t e ma n dn e t w o r kc o n t r o ls y s t e mo fp i n w e ip o w e r p l a n ta r em o d e l e db y a p m s ，a p r o s i st h ef i r s tt i m eu s e dt om o d e l p o w e rp l a n ti n l a n d a p r o si st h ee f f i c i e n t t o o lt h a tt h et e c h n i c i a n c a l ld e d i c a t et o c o n f i g u r i n gl o o p ，o p t i m i z i n gp a r a m e t e r a n d d e b u g g i n g s i m u l a t i o n s y s t e m w i t h o u t p r o g r a m m i n g s i m u l a t o ri s c o m p o s e do f h o s tc o m p u t e rs y s t e m ，i 0i n t e r f a c es y s t e m ，c o n t r o la n do p e r a t i o np a n e l so f s i m u l a t o r , l o c a lo p e r a t i o ns t a t i o n ，i n s t r u c t i o ns t a t i o na n de n g i n es t a t i o n b o i l e r , s t e a m e r , c o n t r o la n de l e c t r i c a l s y s t e mc a nb es i m u l a t e db ys i m u l a t o r s i m u l a t o ri sap o w e r f u lt o o lt h r o u g h o u tt h ec o m p l e t el i f ec y c l eo fa p o w e rp l a n t ：f r o mp r e 。d e s i g nt om a i n t e n a n c e w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h l o n o g y , n o wd i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e ma n dn e r w o r kc o n t r o ls y s t e ma r ec o m m o n l yu s e db y g r e a tp o w e rp l a n t s ，s os o r w a r ei sa l w a y s u s e dt os i m u l a t ep o w e r p l a n t d u r i n gt h ed e v e l o p i n gp e r i o dw i t ha p r o s ，m a n yp r e d e f i n e dm o d u l e so fe l e c t r i c a ls y s t e ma n da u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e ma r ef r e q u e n c yu s e d f i r s t l y , s u b m o d e l sa r ec o n s t r u c t e db yt h e s em o d u l e s ，s u c ha sb r e a k e r , f u s e ，m e a s u r e m e n ta n ds oo n ；s e c o n d l y ，s u b s y s t e m so fe c l t r i c a ls y s t e ma r ec o n s t r u c t e da c c o r d i n gt ot h e i r m a t h e m a t i cm o d e l s t h em a i ns u b s y s t e m sa r eb u ss y s t e m sa r r a n g e m e n t , e x c i t a t i o ns y s t e m s y n c h r o n i z i n g s y s t e m ，t r a n s f o r m e ra n d f a i l u r es i m u l a t i o n t h ee l e c t r i c a lm o d u l e s o f a p r o s c a r lb ea m e l i o r a t e d a c c o r d i n g t ot h ee x p e r i e n c e k e y w o r d s ：s i m u l a t o rf o rp o w e r u n i t ；a p r o s ；a t o m a t i cg r a p h i c sm o d e l i n gs y s t e m ；d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 1 i 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著表示了 谢意。 研究生签名： 查l 墨! 日期： 竺b 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：墨) 兰：兰导师签名：王墼兰日期：训，j 。 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 发电厂仿真技术的重要性和必然性 1 发电厂仿真培训的重要性 电力生产的运行过程首先应该确保生产的安全性，因此，运行操作人员必须经过严格的谢练才能允 许上岗操作。2 0 世纪5 0 年代之前，电厂的热力系统和电气系统相对比较简单。技术发展和更新比较缓 慢，多数工程技术人员经过一段时间的实际运行操作，取得经验后，可以适应电厂运行技术的耍求，故 对加强人员的培训的要求并不强烈。由于当时的计算机技术水平也不能满足仿真技术要求，所以电厂人 员的技术培训工作采用师傅带徒弟的方法进行。到2 0 世纪6 0 年代，先进国家的生产和生活对电力的需 求量迅速增大，需要更大量、更安全的电力供应和高效的发电设备，促进电力系统和发电设备向高参数、 大容量发展。随着单机容量越来越大，就需要更多的考虑发电的经济性，使工艺系统设计得非常复杂， 相应的控制室操作盘台规模越来越大，监视和操作参数多达数千个，设备的启停过程和事故处理过程越 加困难。操作人员若不预先经过有效的培训，将更加难以掌握运行操作技术。同时，由于电子技术的发 展，促使电厂宜动化程度越来越高。到2 0 世纪8 0 年代进而发展为计算机集散控制，大量采用计算机屏 幕进行电厂的操作，控制操作盘台由大规模的仪表和操作设备缩小为小规模盘台，甚至完全精简到没有 操作盘台。这种技术的快速进步，势必造成运行人员对发电设备和生产过程的干预机会减少，运行人员 的技术水平也难以提高。所以运行中一旦发生设备故障或自动控制失灵，运行安全性更难保证。 我国2 0 世纪7 0 年代开始了电力工业的第二次迅猛发展，且持续长期发展，仅以第八个和第九个五 年计划为例，每年以1 5 0 0 1 8 0 0 万k w 装机容量建设新的发电厂，其中火力发电厂燃煤机组占装机容量 的7 5 和发电量的近8 0 。新机组的大部分运行人员没有实际运行经验，只是经过短期跟班培训实习， 并未完全掌握运行技术就进入运行岗位。 2 电厂仿真培训的必然性 电力工业的培访1 由2 0 世纪7 0 年代之前采用师傅带徒弟的方式发展到采用高科技的计算机仿真技 术，是有其必然性的，而且在发展过程中受到三个关键因素的影响。 第一是发电设备的事故已经构成对人们的危害，包括对人身、设备和社会的危害。例如，核电站 由科研阶段发展到在电力工业中普遍得到应用，它的安全性不仅关系到社会对电力供应的需求，更关系 到核事故对社会造成的危害a 因此对运行人员的技术水平、操作技能、应变能力、心理素质、工作态度 提出了严格的要求。而且要求运行人员必须在上岗前加以严格的培训，以尽可能在上岗后不致因操作失 误而造成严重的后果。 第二是发电设备及其相关技术的发展。2 0 世纪6 0 年代之后由于社会生产力的快速发展，刺激了电 力供求增长，火电机组普遍出现单机容量为6 0 0 8 0 0 m w ，甚至出现1 3 0 0 m w 的超大容量机组。仅一台3 0 0 m w 火电机组的输入输出模拟参数和开关量参数就多达3 0 0 0 个，其中监视参数1 0 0 0 多个，操作量2 0 0 0 多个，计算机屏幕上的操作画面达3 0 0 多幅。这样的复杂系统和工艺过程只依赖2 3 名运行人员操作 和监视，难以长时间做到得心应手、头脑清醒的操作它。因此相应的促进了自动化技术、先进过程控制 技术和设备代替人员的操作，运行人员直接参与操作的机会甚少。一旦发生故障和事故时，需要运行人 员进行事故处理，就显得运行知识不足，实际操作经验缺乏，最终导致事故扩大，轻则被迫停产，重则 设备损坏、人员伤亡。 第三是2 0 世纪6 0 年代末和7 0 年代初，随着数字式计算机技术地迅猛发展，为电厂仿真培训提供 了进一步发展的条件。使用计算机可以方便的组成仿真系统和为仿真模型的算法提供灵活的技术环境 查堕查兰堡主兰垡笙苎! i ! l 1 2 仿真技术的发展和趋势 1 2 1 发电厂仿真机的发展史 我国电力仿真机的发展过程，太体可以分为三个阶段。 1 第一阶段一7 0 年代 随着数字式计算机的发展，世界上工业发达的国家，经过一个十多年的研究过程，几乎同时英国、 美国、日本出现了实用性的火电仿真培训系统。例如；1 9 7 1 年美国加利福尼亚州匹兹堡火电厂安装了 一台7 5 0 m w 全机组仿真机，利用了当时出现不久而且价格比较昂贵的数字式计算机：同年日本仙台火 电厂安装了3 5 0 m w 机组的培训仿真机，也是采用了全数字式计算机。仍然在同一年英国中央发电局在 利兹市白宫路培训站建立一台6 6 0 m w 全范围仿真机，采用的是模拟一数字混合式计算机。 我国发电厂仿真机的研制始于1 9 7 6 年，原水电部部委委托清华大学热能工程系开发研制我国的一 台2 0 0 m w 原理型火电仿真机。该机模拟辽宁朝阳发电厂1 号机组，仿真计算机采用国产d j s 1 4 0 小型 机，盘台为模拟方式，支撑软件和建模方法由清华大学开发研制。 2 第二阶段- - 8 0 年代 经数年的努力，清华大学于1 9 8 2 年完成了我国的第一台大型火电仿真系统，成为我国电力培训的 里程碑。 1 9 8 3 年，南京工学院( 现东南大学) 与华东电力仿真所( 现华东电力培训中心) 开始联合研制1 2 5 m w 火力发电机组仿真机。 1 9 8 8 年，西安热工所计算机室和自动化室也分别与山西省电力局和华中电管局联合研制了5 0 0 m w 和3 0 0 m w 火电仿真机，成为继清华大学之后，我国早期研制开发仿真机的骨干力量。 1 9 8 3 年，为了适应我国电力高速发展的需要，国家计委批准原水电部从美国引进一台模拟山东石 横电厂3 0 0 m w 大型火力发电机组的模拟培训装置；同一时期，华北电力学院承担了联合国教科文组织 资助，从美国g e 公司引进了5 5 0 m w 部分仿真型仿真机。8 0 年代中期，清华大学也从美国引进了一台 核电仿真机，后经升级改造，建立了我国第一个核电培训中心。8 0 年代末，我国还从日本三菱公司引 进两套3 5 0 m w 仿真机。 8 0 年代t 我国白行开发的2 0 0 m w 及1 2 5 m w 火电仿真机相继投入使用，从国外引进的仿真机也相 继用于培训。科研实践使我国涌现出一大批电力仿真技术人员，相继有6 台仿真机在8 0 年代投入运行， 全国有1 3 台各种类型的仿真机签约制造，仿真机制造公司和研制单位发展到8 家。 3 第三阶段- - 9 0 年代开始 进入9 0 年代，西方发达国家能源发展处于十分缓慢状态，新电厂建设减少，因此它们不少电厂仿 真机公司相应的也因为没有足够的市场而关闭。 这个阶段电厂仿真机发展的突出特点是在中国：国内电厂仿真机开发公司的大量涌现也是世界历 史上所未有过的，到1 9 9 3 年底竟然有2 0 多家电厂仿真机开发公司或中心出现。但是该时期运行的国产 仿真机数目只有 1 5 台。其中清华大学生产8 台，华北电力学院3 台，亚洲仿真公司2 台，东南大学1 台，西安热工研究所1 台。 据不完全统计，到1 9 9 7 年，我国电力部门拥有的火电机组培训仿真机已经达到6 8 台，核电仿真 机3 台，水电厂仿真机2 台，电网调度仿真机5 台，成为世界上仅次于美国的第二个电力工业仿真机拥 有大国，其中火电仿真机的数量占世界第一位。 1 2 2 发电厂仿真建模技术的发展和趋势 从尊苎篓仿真技术被采用以来，仿真建模技术大致经历了手工建模、模块化建模、专用仿真语言、 面向对象建模和图形化自动建模等阶段。 1 手工建模 是在仿真科学发展的初级阶段的原始的也是基本的建模方法。把描述仿真对象的数学模型，即方程 - 2 - 薹矍蓑薹篇黧盏嚣嚣器蒙鬣募未淼嚣荔撒嘉震需鞴嚣 逐条编写，形成一个规模较大的可执行程序。因此开发人员需要很强酮仍真对冢知仪利便用纠异“瞄面 的编程能力。 把仿真对象常用设备的数学模型、计算方法、工质物性、调节器动作规律等分别编程成为程序块， 当需要完成一项新的建模任务时，只需要补充模块库中所没有的少量程序段，并重新编制主程序。模块 化建模的主要内容包括：合理的将建模对象按模块对象进行分解，建立相关模块的数学模型，定义不同 模块间的连接规范，归类和整理各种设备或部件的数学模型并组建模型库，在模型库的基础上建立仿真 3 专用仿真语言 为了克服手工编程中需要开发者具有深厚的编程专业知识和丰富的软件调试经验的缺点，曾出现过 专用的仿真语言。这种语言是按照自然语言的结构和工程技术专业术语调用模块的控制仿真软件。例如 在电厂仿真中，美国的电力研究所开发的m m s 建模软件于2 0 世纪8 0 年代出现的、至今仍在继续使用 的a c s l 仿真语言。 4 面向对象建模 仿真系统中独立实体被定义为对象，通过对象间的调用和连接来表示实际设备之间的相互联系，从 而完成系统仿真任务。它的实现是建立在模块化建模基i ：| 上的。 5 图形化自动建模 它是近几年在模块化建模的基础上发展起来的一种更先进的建模技术。系统的底层同样使用模块 化建模和面向对象建模技术开发出来的模型库，而主程序则是采用交互方式，通过选取代表实际对象的 相关图标，并用连线方式将图标连接，以建立起实际对象之间数据流和信息流的关系来自动完成建模工 进入2 0 世纪9 0 年代以来，随着计算机硬软件及圈形学的发展，图形化计算机辅助建模成为发电 厂仿真技术的热点课题。国内外在这方面所进行的研究开发工作相当活跃，推出的自动建模系统也各具 特色，但基本的目标是一致的，就是提供一个发电厂系统仿真模型的自动建棋支持平台，使建模人员集 1 3 课题的提出 过去单元机组仿真机主要是对单元机组的d c s 中电气系统的仿真，而本次对安徽平圩发电责任有限 公司# i 机组进行仿真开发不但包括对d c s 的电气仿真，还包括对n c s 的仿真。我们过去开发仿真系 统多采用的是手工编程的方式，由于各个发电厂的机组和系统都有一些差异，在开发发电厂仿真系统的 时候，如果根据不同的实际系统进行开发，成本高，专用性强，周期长，而且对n c s 的仿真较复杂，迫 切需要采用先进的方法建模。我校首次引进芬兰的a p r o s ( a d v a n c e d p r o c e s ss i m u l a t i o ns o t t w a r e ) 是一 种图形自动化建模系统，该系统是以模块化建模为基础，以图形连接信息表达模块连接信息，具有完善 的图形编辑功能和友好的用户界面，发电厂仿真系统建模可以实现高度的自动化。采用此软件建模，可 以大大提高仿真模型的建模效率，准确性和规范性。使用图形化自动建模系统，主要需要对图形化建模 系统和仿真对象的理解。虽然a p r o s 可以实现通过图形的自动化建模，但是其建模方式和以往自己编程 建摸的方式有明显盼区别，需要透彻的理解其中每一个模块的属性，才能建立一个完整的仿真系统。我 们首次采用a p r o s 对安徽平圩发电责任有限公司# 1 机组进行仿真开发，学习使用此建模系统开发发电 厂仿真系统，可以提高开发人员的建模水平。 发电厂的电气主接线是根据发电厂和电力系统的具体条件确定的，它以电源和出线为主体。发电厂 可以采用多种主接线方式，现在大型机组的热力系统和电气系统都采用单元制式，即一台锅炉、一台汽 轮机和一台发电机组成一个单元系统，电气主接线采用单元接线方式。即发电机与变压器直接连接成一 个单元组成发电机一变压器组。它具有接线简单，开关设备少，操作简便，以及因为不设发电机电压 母线，发电机和主变压器低压侧短路电流有所减小等特点。现在对发电厂的仿真多是对单元机组的仿真， 查堕奎兰堡主堂垡堡塞 堕笙 所以本论文主要是对安徽平圩发电责任有限公司# l 单元机组d c s 中电气系统的仿真和n c s 的仿真。 1 4 论文的主要工作 本论文是用a p r o s 5 0 4 作为仿真系统的开发平台，结合安徽平圩发电厂# 1 机组电气系统和网控系 统进行设计和开发。内容包括： 1 ) 对安徽平圩热电厂# 1 机组电气系统和网控系统进行仿真系统的设计。 2 ) 对a p r o s 开发平台的总体结构及a p r o s 电气系统和自动控制系统的基本模块进行分析和开发。 3 ) 应用a p r o s 预先定义的模块建立电气仿真的基本模型。 4 ) 将基本模型集成为电气仿真各子系统的仿真模型。 4 查宣查堂堡兰兰垡丝塞苎皇 皇墨墨苎堕塞塑芏 第二章发电厂电气系统仿真设计 2 i 发电厂仿真机的硬件系统 仿真机主要由仿真计算机系统及外部设备、操作员台、教练员台、i o 接口系统、网络通讯系统等 构成。 2 1 1 主计算机系统 8 0 年代及9 0 年代初发电厂仿真机的主要机型是超小型计算机，1 9 9 2 年开始，u n i x 工作站服务器 开始兴起，目前已取代小型计算机成为仿真计算机的主导机型。 由于现在d c s 在电厂的广泛采用，发电机组的控制室由大规模的操作盘台简化为部分备用操作盘 台，以至取消盘台，实现全屏幕操作。这种机组的仿真机器模拟盘台和z o 接口相应的大幅度减少或取 消，而多屏幕操作员站的系统组态成为仿真的重点之一。现在国内外多采用多台微机组成的局域网硬件 系统。这种计算机系统可以用于各种类型仿真机的仿真。 2 i 2i o 接口 i 0 接口是主计算机与控制操作盘台之间的信息传输接口，它将盘台和其他物理设备上的操作信 号，经i 0 接口的输入部件输入计算机。计算机内数学模型运算结果又通过i 0 接口的输出部件输出到 盘台的仪表、灯光以及其他物理设各上，实现参数记录、显示、信号报警等功能。 2 i 3 教练员站 教练员站是教练员与仿真机之间最主要的操作与控制界面，它为教练员提供一组软件工具，以控制 与监视培训过程。教练员台允许教练员通过选择初始工况启动训练过程，允许教练员插i x 取消故障、 设置环境参数、控制盘台上所有的输入输出设备、改变仿真机运行速度( 慢实时或超实时) 。同时还 可以通过趋势曲线- 过程图显示及参数监视等功能监视学员的操作状态，据此对学员的操作过程予以指 导和纠正，并结合学员成绩评定功能考察学员的能力。 2 1 4 操作员台 操作员台是指受训学员在培训过程中所控制的全部操作界面。包括常规控制盘台，过程计算机的 d c s 、d e h 、b m s 、f s s s 、等操作员台和就地操作台等。根据发电厂仿真机运行监控手段的不同将操作员 台简单分为常规型和虚拟型。 1 常规控制盘台 常规型操作员台是指操作员主要通过常规控制盘台对仿真机实施操作和监视，工程计算机操作员台 只具有监视功能和少量的控制功能。我国的2 0 0 1 t o 以下的发电厂仿真机和早期的3 0 0 m w 机组仿真机的操 作员台即属此种类型a 常规控制盘台通常由控制台、仪表盘和辅助控制盘组成。 2 过程计算机操作员台 主要通过过程计算机操作员台实施仿真机控制与监视的为虚拟型操作员台，控制室内无常规控制盘 台或只有少量的常规监控没备作为辅助操作手段过程计算机操作员台通常是指d c s 操作员台。目前具有 先进控制手段的3 0 0 m w 以上的全范围仿真机和基于c r t 的通用型教学仿真机即属此类型。 3 就地操作台 发电厂仿真机主要用于培训发电厂集控室运行人员，因而操作员台主要是复制集控室监控设各。而 电力生产过程非常复杂，除集控室的监控手段外，还要借助大量的就地控制室和现场控制设备才能买士兕 电厂的安全经济运行。在仿真时，通常是将在启停操作过程中经常用到并对机组运行有较大影响的就地 操作设备放在就地操作台上集中控制。现在发电厂仿真机就地操作台多采用c r t 方式a 其硬件设备由一 台微机或工作站、c r t 、标准键盘及鼠标构成。微机工作站通过网络与仿真计算机相连，实现微机工 作站与仿真模型数据库之间的数据传递。 2 i 5 工程师站 仿真机的工程师站是软件工程师用于开发、调试、维护和修改仿真软件的专用设备。不同的仿真支 持系统，可以有不同类型的工程站设备。采用图形化模块建模方法的支持环境，可以采用多台有图形能 力的x 终端或微机，通过网络系统直接和仿真计算机连。 2 1 6 网络系统 近几年发电厂仿真采用了网络通信技术。一台仿真机组成了一个独立的局域网，比较多的是采用 u n i x 操作系统支持下的以太网。仿真计算机和各下位机分别配备一个网卡，再各自连接到细型同轴电 缆。根据它们之间的通信协议，进行数据通信，传递信息。 2 2 发电厂仿真机的仿真对象 2 2 1 发电厂仿真机的仿真对象 仿真装置按生产流程进行仿真，从燃料制各到发电机、变压器，包括炉、机、电、控制4 大部分。 1 ) 炉：锅炉本体、燃烧与风烟系统、汽水系统、燃料制备系统和辅机系统等。 2 ) 轮机：汽轮机本体、凝汽器与循环水系统、回热与疏水系统、除氧与给水系统、旁路系统、辅 助蒸汽系统及油系统等。 3 ) 电气：发变组、励磁系统、厂用电系统等。 4 ) 控制和保护：协调控制系统、电液调节系统、旁路控制系统、监控系统、连锁逻辑安全保护系 统、单回路调节系统等。 2 2 2 电气仿真系统构成 1 集散控制系统 近年来，我国大容量机组的发电厂热工控制系统已普遍采用集散控制系统( d i s t r i b u t ec o n 廿0 is v s t e m d c s ) ，电气系统也逐渐进入了d c s ，以软手操作方式代替了盘台上一对一的硬手操作方式，实现了机、 炉、电统一的单元集中控制。 发电厂电气部分进入d c s 的主要系统有： 1 ) 发变组系统。 2 ) 发电机励磁系统。 3 ) 高压厂用电源，包括单元变压器和起，各变压器。 4 ) 低压厂用电源，包括单元低压变压器电源进线及分段开关。 5 ) 柴油发电机组和保安电源( 仅监视) 。 6 ) u p s 电源( 仅监视) 。 7 ) 2 2 0 v 及1 1 0 v 直流系统( 仅监视) 。 发电厂电气仿真系统应能很好的仿真d c s 的功能。 皇气主要保护安全自动装置因要求d c s 实现其功能目前尚有一定的难度，并且要增加相当大的费 用，原则上不要求通过d c s 实现其功能，仍保留其装置，但它们与d c s 之间要有接口，常规方式采用 查堕查堂堡主堂壁堕苎 茎皇 皇墨墨堕笪兰塑生 硬接口。保留的保护自动专用装置主要有； 1 ) 发变组保护装置。 2 ) 自动准同期装置。 3 ) 自动电压调整装置。 4 ) 厂用电快切装置和备用电源自投装置。 5 ) 故障录波装置。 为了实现对发电厂电气部分的完全仿真，不但需要仿真进入d c s 的电气部分的功能，而且也要仿 真保留的保护自动专用裟置的功能。 2 网控系统 发电厂电气主系统经联络线与电力系统相连，成为电力系统的组成部分。传统的单元机组电气部分 仿真采用单机对无穷大系统的模型是不能满足仿真真实性要求的。网控系统反映了电力系统网络的概 念，它是一个动态系统，系统中的电压、频率将随发电机的出力和负荷的变化而变化。作为单元机组， 它是这个网络的一个组成部分，因此机组和网络之间是相互影响和相互作用的。网控系统也是发电厂电 气仿真的重要组成部分。 3 就地操作部分 虽然现在发电厂采用了d c s 和n c s ，但是发电厂中还有很多操作是需要到现场去完成的，如保险 丝的投退、低压刀闸的分合等。由于发电厂的一次系统和二次系统是紧密联系的，就地的某些操作可能 对d c s 、n c s 和保护系统产生影响。为了全面仿真发电厂的电气系统，就需要根据厂家的实际情况， 加入就地操作部分。 2 2 3 电气系统仿真对象 根据以上所述，发电厂电气部分的仿真包括d c s 、n c s 、保护装置和就地操作四个大的部分。这 四个部分在仿真系统中是根据实际设备的关系而相互联系，甚至是交叉在一起的。在开发发电厂的仿真 系统时，是按照现场的实际设备的关系搭建整个仿真系统的，因此仿真对象要根据发电厂的实际组成划 分a 不同的单元机组的发电厂有许多差异，但发电厂电气部分的仿真对象都主要是由以下各部分组成如 图2 - 1 所示。各个子系统相对独立又相互联系，构成整个电气系统。 倒2 - 1 仿真对象及关系 本文的仿真系统蚍安徽平圩热电厂# 1 机单元机组为基础的，平圩发电厂主接线图见附录a 。 l 网控系统 网控系统为5 0 0 k v ，采用3 g 交叉接线有两串共四单元，即# l 机组与平肥5 3 0 2 线和# 2 机组与洛 平5 3 0 3 线分别构成两个完整串。 2 2 0 k v 为洛平2 7 7 1 线和平芦2 7 3 1 线环入为两回备用电源进线，两台启备用1 2 a 、1 2 b 为两回负 载出线构成穿越性降压变电所，系统为四角形环形接线，两台启备用1 2 a 、1 2 b 降压为1 0 5 k v 和3 1 5 k v 两个电压等级，作为# l 、# 2 机组启动和正常运行的备用电源。 2 发变组系统 发变组系统中# l 机采用单元制接线，发电机经主变压器( 三单相变压器组) 升压接线直接送到5 0 0 k v 查堕查兰堡主兰竺笙奎墨堕 皇皇墨堕堕墨! ! 生 升压站。 3 厂用电系统 中压厂用电系统采用1 0 5 k v 、3 1 5 k v 两个电压等级，1 0 5 k v 、3 1 5 k v 分别按a 、b 系列分布分为 两段母线，1 0 5 k v 、3 i s k v 配用中压开关柜为封闭型母线，其开关柜配用真空断路器a 接于发电机出 口封闭母线的厂总变a 、b 为中压厂用电1 0 5 k v 、3 1 5 k v 母线的a 、b 段正常运行供电电源，接于2 2 0 k v 系统的启备变1 2 a 、1 2 b 为中压厂用电1 0 5 k v 、3 1 5 k v 母线a 、b 段备用供电电源，厂总变和启备变i 0 5 k v 、 31 5 k v 侧采用金属箱式电缆母线与中压厂用电1 0 5 k v 、3 1 5 k v 母线a 、b 段通过断路器进行连接，两 电源断路器之闯切换采用同期自动投入和手动同期两种方式。 4 u p s 、直流系统 1 ) 2 2 0 vd c 系统 2 2 0 vd c 系统为单母线，正常充电器电源取自4 0 0 v m c c l 2 a 4 3 母线、备用充电器电源取之4 0 0 v m c c l b 4 3 母线和蓄电池供电。2 2 0 vd c 主要供直流动力电源和集控室事故照明。 2 ) 1 i o vd c 系统 1 l o vd c 正常运行时分两段运行，各有独立的充电器和蓄电池，配置一台备用充电器，其负荷主要 是控制回路的设备和继电保护安全自动装置用电。 3 ) u p s 接线及运行 u p s 接线图见附录a 图a 一4 示。正常运行由4 0 0 v1 , f c c 保安段供电，经整流装置将三相交流电变为 直流电源，再经逆变器变为2 2 0 v 交流电源供仪控设备使用，备用电源由4 0 0 vm c c 另一段保安段供电， 其回路有一台3 8 0 v 2 2 0 v 备用变压器，再经调压变压器供给u p s 。 当正常电源4 0 0 vm c c 保安段失电时，备用电源经隔离变压器、调压变压器和切换开关短时切换， 投入备用电源，而2 2 0 vd c 电源一般作紧急备用。 5 事故保安系统 每一机组对应有二段低压保安电源段，每一低压保安电源段有二路进线电源，其正常使用电源来自 本机组常用厂用母线另一路电源来自4 0 0 v 事故保安母线，保安电源切换应遵循正确的联锁方式。 4 0 0 v 事故保安母线每一机组设一段，其电源由两路构成，一路是由取自附近为电网供电的变电所 l o k v 电源，经保安降压为4 0 0 v 向每台机组保安电源母线供电，为正常向两台机组4 0 0 v 事故保安母线 供电，称为第一备用；另一路是每机组均由一台1 2 0 0 k - 柴油发电机组( 4 0 0 v 、3 0 、5 0 h z ) 向本机组 4 0 0 v 事故保安母线供电，称为第二各用。 6 照明系统 i ) 正常照明系统 正常照明电源为交流2 2 0 v 母线接地系统，从电动机控制中心段( m c c ) 经照明变压器供电。 2 ) 正常兼事故照明系统 电源从电动机控制中心母线经3 8 0 v 母线照明变压器供电。正常运行时由i 0 5 k v 厂用母线供电。当 发生全厂事故停电时，由柴油机母线供电；集控室由2 2 0 v d c 系统供电。 7 发变组保护系统 发变组保护系统主要包括差动保护、过流保护、逆功率保护、瓦斯保护等，主要实现对# 1 机的发 电机、# 1 主变压器、两台启各变和两台厂总变的保护。 8 励磁系统 # l 机的励磁系统是交流励磁机旋转整流励磁系统，其原理接线图如图2 - 2 所示。它的苗励磁机是 永磁发电机，其磁极是旋转的，电枢是静止的，而交流励磁机正好相反。交流励磁机电枢、硅整流元件、 发电机的励磁绕组都在同一根轴上旋转，所以它们之间不需要任何滑环与电刷等接触元件，实现了无刷 励磁。无刷励磁转子电流不受接触部件技术条件的限制，适合大容量机组。 8 查堕查兰堡主兰垡丝壅兰塑堑i 兰望坠型塑! 兰! 生 图2 - 2 励磁系统原理接线图 2 3 电气仿真系统的功能 发电厂仿真系统要仿真实现d c s 、n c s 、保护装置和就地操作的功能。 i 网控系统仿真功能： 根据实际系统的接线方式( 可任意) ，进行网络拓扑分析构成计算网络模型。 进行动态潮流计算，显示潮流，电压和频率参数。 进行正常运行的倒闸操作和变更运行方式。 进行系统的并列和解列操作。 进行系统的故障仿真，正确反映保护动作情况和现象。 真实反映系统电压和发电机无功的影响和关系。 真实反映系统频率和发电机有功的影响和关系。 发变组系统仿真功能： 发电机正常运行参数显示。 发电机异常运行( 过负荷、非全相、振荡) 。 发电机故障( 内部故障) 。 主变正常运行参数显示。 主变异常( 过负荷、超温) 。 主变电气与非电气故障。 发电机并网操作。 励磁系统仿真功能： 励磁系统正常运行参数显示。 正常电压调节和无功调节。 异常欠磁、过磁、失磁。 故障时强励。 励磁系统操作。 发变组保护系统仿真功能： 保护压板的投退。 各种故障保护的动作响应( 开关跳闸、信号等) 。 厂用电系统仿真功能： 厂用电正常运行参数显示。 厂用电快切装置及各自投装置仿真。 厂用电倒闸操作。 厂用电保护与故障仿真。 u p s 、直流系统仿真功能： - 9 d幻们曲”互d”d”乱”d乱d”土”文 东南大学硕士学位论文 发电厂电气系统仿真设计 1 ) u p s 、直流系统正常运行参数显示。 2 ) u p s 、直流系统操作。 3 ) u p s 故障时的各种响应。 4 ) 直流系统故障时的各种响应。 7 事故保安系统仿真功能： 1 ) 事故保安系统的启动。 2 ) 事故保安系统的运行及参数显示。 3 ) 事故保安系统的操作。 8 照明系统仿真功能： 1 ) 照明系统的操作。 2 ) 照明系统的运行及参数显示。 3 ) 照明系统的故障异常。 2 4 故障仿真 2 4 1 故障仿真概述“o 仿真机用于培训运行操作人员，主要培训机组在正常运行工况及非正常运行工况下的操作。正常运 行工况指机组安全运行所允许的各种炉、机、电及辅助设备的组合运行工况。选择不同的初始条件则选 择了不同的运行工况。非正常工况是指故障工况，这种工况可以由操作引发( 即事故触发) 或由教练员 加入( 即人为设定设各故障) 。 因运行人员控制不当或误操作所自然引发的故障成为自然故障。这种故障随仿真机运行产生，无需 教练员设定。机组设备的运行状况如何( 正常、故障) 属概率性事件，有不确定和突发的特点，为此一 般由教练员加入，这些故障称为加入故障或设备故障。 1 故障仿真的重要性 发电厂仿真系统主要是用于运行人员在模拟的发电厂系统中对发电厂进行正常运行操作和事故处 理。现场的运行人员，对正常运行操作很熟悉，但对系统故障，尤其是复杂故障现象非常生疏，缺乏事 故处理经验，而且很难从实际的事故处理中积累经验来提过自己的运行技能。可以通过发电厂仿真系统 模拟现场可能出现的各种故障形式，强化运行人员事故处理方法，提高其在异常情况下的分析、判断、 处理紧急故障能力，将会大大减少实际系统事故出现时由于人为因素造成的误操作，减小事故停电面积， 提高系统的安全经济运行水平。 2 故障仿真的特点 发电厂仿真系统具有发电厂常见故障的设置和模拟功能。当某一故障被触发后，仿真机的动态反应 与实际机组故障后的动态反应一样并能生动的显示事故发生后的各种现象，如光字牌信号、断路器指 示灯闪光、保护信号继电器信号、表记指示的变化等，仿真效果逼真，操作人员通过相应的操作使发电 厂恢复正常运行或减缓故障的影响，若处理不当，将造成故障扩大，可达到良好的培训效果。仿真系统 需设置多种机、炉、电和控制设备方面的故障案例，这些事故障案例能满足运行人员技术培训、热工保 护及调节系统和故障分析的学习要求。 2 4 2 发电厂电气故障仿真 1 故障仿真原理 在发电厂的电气系统中，继电保护系统对整个电气系统的安全运行起到重要的保护作用，电气的继 电保护多由专用的保护安全自动装置实现其功能，自动装置与d c s 和n c s 之间有接口。故障发生时， ! 检测到的数据超过某保护动作所设定的限值时就触发该保护动作，保护出口去触使断路器跳闸或自动 合闸、光字牌亮、铃声等。因此故障仿真的数学模型主要是对继电保护系统的仿真。根据发电厂电气系 1 0 查壹盔堂堡主兰垡堡苎 垄皇 皇皇墨望笪墨! i 立 统的具体保护配置，可以先做出保护的逻辑图。 在设计故障时，先根据发电厂的具体接线方式及保护配置做出故障逻辑模型，然后在a p r o s 中绘制 出故障逻辑图，逻辑图的输出端口去触发故障发生后所引起的各种设备动作，设备动作信息然后输送到 d c s 、n c s 、就地部分，以显示各种故障现象，如光字牌信号、断路器的跳闸和自动合闸、断路器指示 灯闪光、保护信号继电器信号、表记指示的变化等。设计故障逻辑模型主要是要知道某故障发生时所触 发的具体保护。另外，在故障过程中，a p r o s 会根据网络的变化自动进行计算，保证在故障过程中数据 的正确显示，并且数据的变化会自动触发一些保护动作，弥补设计的故障仿真数学模型中的不足。 很多过程元件模型有预先定义的一系列故障值，在仿真时可以简单的修改相应的属性值就可以触发 故障过程。 发电厂的锅炉、汽机、电气和控制系统是紧密联系的，当某个系统出现故障时，可能会引起其他系 统出现故障现象。比如电气系统的某条厂用电母线失电，会引起该母线上的辅机失电，这些辅机可能属 于汽机和锅炉系统，在汽机和锅炉系统中会有相应的保护动作。所以，设计故障仿真模型时要注意发电 厂各子系统的相互影响。在a p r o s 仿真系统中，由于各个系统的参数是紧密联系的，故障发生时可自动 的产生其他系统的部分故障现象。 2 电气故障仿真列表 根据平圩发电厂的具体情况，在仿真系统中实现的自然故障及设备故障类型主要有： 1 ) 发电机定子冷却水中断( 与汽机合作) 。 2 ) 发电机励磁调节故障( 通道卡故障。 3 ) 发电机励磁系统故障( 发电机、励磁机磁场接地) 。 4 ) 发电机励磁系统电压回路异常( p t 断线) 。 5 ) 发电机内部故障跳闸( 相间故障、接地故障) 。 6 ) 发电机电流或电压测量回路异常( 单相熔丝熔断、两相熔丝熔断) 。 7 ) 主变或厂总变内部故障跳闸( 相间故障、单相接地故障) 。 8 ) 发变组外部故障( 相间故障、单相接地故障) 。 9 ) 主变或厂总变冷却系统故障。 1 0 ) 机组运行中厂用电中压母线p t “电压回路断线”故障( 测量回路) 。 1 1 ) 机组运行中1 1 5 v 直流电源系统异常或故障( 反映电源切换、报警) 。 1 2 ) 机组运行中u p s 电源系统异常或故障( 反映装置切换、报警) 。 1 3 ) 5 0 0 k v 单机单线运行中，线路跳闸。 1 4 ) 机组运行中1 0 k v l a l ( 或1 8 1 ) 母线故障失电。 1 5 ) 机组运行中3 k v l a 2 ( 或1 8 2 ) 母线故障失电。 1 6 ) 机组运行中4 0 0 v p c 或4 0 0 v m c c 任一母线故障失电。 1 7 ) 机组运行中跳闸1 0 k v l a l ( 或1 8 1 ) 母线自投不成功。 1 8 ) 机组运行中跳闸3 k v l a 2 ( 或i b 2 ) 母线自投不成功。 1 9 ) 机组运行中跳闸4 0 0 v 保安段母线失电。 2 0 ) 发电机逆功率。 - 1 1 查查查兰堡主堂堡堕苎 垄皇 皇皇墨竺堕塞塑 2 5 发电厂仿真机的应用 目前火电机组仿真机的应用范围包括了机组设计、调试、运行、改造的全过程。 1 用于机组设备和系统的工程设计 在仿真机具有机理性、精确性高的仿真对象数