（电力系统及其自动化专业论文）基于apros的单元机组电气仿真.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e e p e rd e v e l o p m e n to fp o w e rm a r k e tm e c h a n is m ，s e p a r a t i o no fp o w e rp l a n t f r o m e l e c t r i cn e t w o r k ，c o n n e c t i o nt ot h en a t i o n a ln e t w o r kb yp r i c ec o m p e t i t i o nh a sb e c o m et h e n e c e s s a r yd e v e l o p i n gt r e n dt op o w e ri n d u s t r y i th a sb e e nt h ef u n d a m e n t a lm o t i v i t yt h a tu n i t s s h o u l da d a p tt h em a r k e tc o m p e t i t i o nt oa s s u r et h eo p e r a t i o ns a f e t y t h es i m u l a t i o ns y s t e m s c a nt r a i og o o do p e r a t o r sa n di m p r o v et h ec a p a b i l i t yo fd e a l i n gw i t he m e r g e n ti n c i d e n t i tis c o s t l ya n dt i m ew a s t e dt od e v e l o ps i m u l a t i o ns y s t e mf o ro n es p e c i a lp l a n tt h r o u g hc o n v e n t i o n a l m o d e l i n g ，a n di ti sm u c ht o od i f f i c u l tt ot e s ta n dm a i n t a i n a i ) 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 ea u 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 i ti sas i m u l a t i o ns o f t w a r e p r o d u c tf o rf 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 a p r o si sa n e x c e l l e n ts u p p o r t i n ge n v i r o n m e n ta n da d v a n c e dt o o lo f m o d e li n g t u r b i n e u n i t ，b o i l e r - u n i t ，g e n e r a t o r - u n i ta n dc o n t r o ls y s t e m sa r ei m p o r t a n tp a r t si np o w e r p l a n t m a t h e m a t i c a lm o d e l sa r et h eb a s eo fe l e c t r i c a l s i m u l a t i o ns y s t e m a p r o sw h i c hp r o v i d e s b a s i cp r o c e s sc o m p o n e n tm o d e l sf o rg r a p h i cc o n f i g u r a t i o nb a s e do nm o d u l a rm o d e l i n gi su s e d i nt h i sp a p e rt od e v e l o pt h em o d e l so fe l e c t r i c a ls y s t e mf o ry a n g z h o u6 0 0 m wu n i t t o g e t h e r w i t ht h es i m u l a t i o nm o d e l so ft h et u r b i n e u n i ta n db o i l e r - u n i ta l s od e v e l o p e di na p r o s ，t h e s i m u l a t i o nm o d e l so ft h ee l e c t r i c a ls y s t e mi n t r o d u c e di nt h isp a p e rc o m p o s eo ft h ea l l - r a n g e h i g h - f i d e l i t ys i m u l a t i o nm o d e l sa n dt h em u l t i - f u n c t i o n a ls i m u l a t i o ns y s t e mo fy a n g z h o u6 0 0 m w u n i t t h ee l e c t r i c a l8 i m u l a t i o n s y s t e mo fu n i tp l a n t b a s e do na p r o si sd e v e l o p e dt h i s p a p e r ，i n c l u d i n gg e n e r a t o r - t r a n s f o r m e rs y s t e m s ，e x c i t a t i o ns y s t e m s ，c o n t r o lp a n e lo ft h em a i n e l e c t r i c a ls c h e m es y s t e m s ，e x c i t a t i o nc o n t r o li n s t a l l a t i o n s ，1 0 k v ，3 k v ，4 0 0 vp o w e rs u p p l y s y s t e m s ，m i d d l e - v o l t a g ef a s t c u tb a c ks y s t e m s ，s a f e t ye l e c t r i c a ls o u r c es y s t e m s ，a n d s y n c h r o n o u so p e r a t i o n t h em o d e lw a st e s t e do na p r o s s u p p o r t i n ge n v i r o n m e n t ，a n dt h er e s u l t i n d i c a t e st h em o d e l sa r ec o r r e c t ，p e r f o r m a n c eo fo p e r a t i o ni sw e l l t h e r e f o r e ，a p r o si st h e e f f i c i e n tt o o l t h a tt h em o d e l i n ge f f i c i e n c y ，v e r a c i t ya n ds t a n d a r d i z a t i o nc a nb ei m p r o v e d b ya p r o s k e y w o r d s ：u n i to fp o w e rp l a n ts i m u l a t i o n ，a p r o s ，m o d u l a rm o d e l i n g ，g r a p h i ca s s e m b l e d 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：望塑日期：迹阀 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：忍蛰导师签名：熟日期：汐断垌 第一章绪论 1 1 仿真技术概述2 第一章绪论 科学技术发展n - - - 十一世纪，系统仿真学科已经形成较为完善的体系。仿真技术由于其有效性、可 重复操作性、经济性和安全性的特点，日益彰显出重要性和广泛的应用性。 “仿真”一词来源于英文的s i m u l a t i o n ，曾经一段时间内被译为“模拟”，现在被大家公认的仿真 定义是“仿真是一个模型或一套模型的形成和运行”。通过这个简练的定义可以说明仿真与建模是密不 可分的整体，没有模型就不能进行有效的仿真。所谓模型，可以是物理模型，也可以是数学模型，还可 以是数学物理的混合模型，物理模型往往是仿真对象在相似理论指导下建立的模拟实体。数学模型， 特别是连续过程的数学模型则可以用一组非线性偏微分方程和代数方程组成的数学方程来表达。由于数 字式计算机技术的飞速发展，使得采用数学模型比采用物理模型更具有普遍性和灵活性。数学模型在计 算机硬件和特别设计的软件仿真环境下，构成仿真系统，能复现出与实际过程时空完全一致的、真实性 的虚拟真相。 系统仿真是通过对系统模型的试验，研究一个存在或者试验的系统。当前仿真技术是以控制论、系 统论、相似理论和信息技术为基础，以计算机和专用的物理效应设备( 模拟再现真实世界环境) 为工具， 借助于系统模型对实际或设想的系统进行动态试验研究的- - i 、 综合性技术。 仿真与建模可以应用在几乎任何其它需要进行繁重的实际试验或者是直接试验也许不能实现或者 根本不可能的情况，因此，仿真技术已经成为人类认识和处理复杂问题中不可缺少的一种具有普遍意义 的科学研究工具和工程实践方法。 仿真与建模首先应用在航天和军事领域，在科学家们为了战争需要开发先进技术时，仿真与建模技 术的发展成为研究气候变化和武器生产试验的关键。仿真与建模的昂大应用领域也当属于航天和军事领 域，包括小规模的战术性战争到全球性战争的作战行动仿真、综合系统性能仿真和仿真训练，而且已经 成为部队完成战术训练和协同作战等军事演习的重要手段，也是提高部队整体作战能力关键环节。仿真 与建模的另一个迅速发展和应用的领域是对天气的预报，对本地区天气体系的研究和对气候的预测。2 0 世纪7 0 年代以后，民用工业中连续过程仿真得到迅速发展，建筑机械、钻探机械、港口起重机等等都 采用了仿真技术，建立了仿真机，其中应用最快、应用最广的首属电力工业，包括核电和火电两大类。 在计算机尚未出现或不够普及之前，只能是实物仿真。因此仿真学科是附属在其他相关的学科之中。 当计算机得到广泛的应用之后，数字仿真得到了大发展，其中提出了大量共同性技术问题。例如运行速 度、并行处理技术、建模方法和仿真算法、网络通信、仿真图像生成、仿真支持软件等。计算机仿真包 括三个要素；系统、模型和计算机。联系三个要素的有三个基本活动：对象数学模型的建立、仿真模型 建立和仿真试验。他们的相互关系见图1 1 。 图1 1 仿真活动的相互关系 首先根据被研究或被试验系统( 对象) 的物理原则建立系统的对象数学模型，它的主体大多是一组 1 东南大学硕士学位论文 微分方程和代数方程组。再将数学模型按一种或多种能为计算机所接收的算法，例如差分方程，人工地 或自动地编制成计算机程序，这就是所谓的仿真模型，仿真模型的建立本质上是各种算法的研究、比较 和选定，其可以适应于不同对象的数学模型，然后将仿真模型在计算机上运行，取得试验所需的各种参 数、图表、图形、曲线等。系统、模型和仿真三者之间具有十分密切的关系。系统是研究对象，模型是 系统特性的描述，一般来讲模型不仅用来代替系统，而且应该是系统的简化。仿真则包括建立模型和对 模型进行试验验证两个过程。 随着计算机技术日趋完善并且高度智能化，仿真技术作为当今时代最有效的综合集成方法，已经成 为推动科学技术进步的战略技术，随着仿真技术的进一步发展，如一体化仿真的出现和专用仿真软件的 出现，专家系统在仿真中的应用，仿真技术的应用范围和前景将更为宽广。 1 2 仿真技术的内涵口 仿真技术是一门应用范围极其广泛、内涵非常丰富的学科，其所包括的技术术语主要有建模技术、 支持环境软件、并行仿真技术与分布式仿真技术和分布式仿真虚拟环境等。 ( 1 ) 建模技术 从计算机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。 ( 2 ) 支持环境软件 仿真技术发展到高级阶段的时候，出现了集仿真建模、模型调试、运行管理和仿真结果分析等功能 于一体的仿真软件平台，即所谓的一体化仿真支撑环境。 ( 3 ) 并行仿真技术与分布式仿真技术 并行仿真技术 并行仿真技术是为了解决开发大规模、复杂的仿真系统的困难，并建立在并行计算机和并行算法基 础上而出现的。通过将复杂的计算任务合理地分配在不同的处理器上计算，从而可以加速整个仿真过程。 分布式仿真技术 它是用多计算机协同完成一项复杂或规模宏大的任务而采用的分布式仿真技术。把仿真系统中所有 的计算机通过网络传输相应的仿真数据，形成一个功能强大的、具有开发性的计算机仿真系统。 ( 4 ) 分布式仿真虚拟环境 利用计算机网络将地理分布的计算机连接在一起，共同构成一个用户共享的、计算机生成的虚拟世 界，多个用户在其中进行交互和资源共享。 1 3 仿真机的分类。 根据仿真对象中被仿真的规模不同，把电力系统的训练用仿真机可以分为全范围高逼真度实时培训 仿真机、有限范围高逼真度实时培训仿真机和通用型培训实时仿真机。 ( 1 ) 全范围高逼真度实时培训仿真机 这类仿真机几乎是仿真对象的复制品，可以仿真控制室内所有能操作和控制的设备及系统。这种仿 真机比较适合装有这种仿真对象的运行操作人员使用，尤其适合于正在安装该类型设备的运行操作人员 投产前培训。 ( 2 ) 有限范围高逼真度实时培训仿真机 该类仿真机是指为将仿真机制造价格控制在一定的范围内，而技术要求和培训效果又能达到与全范 围高逼真度仿真机基本一样水平的仿真机。这类仿真机压缩了部分不十分重要的表盘和系统，它虽与实 际仿真对象有所差别，但还是包括了仿真对象所有的控制和逻辑模型，所有的重要数据、参数和报警信 号都能被适当的仿真。 2 第一章绪论 ( 3 ) 通用型培训实时仿真机 一般可认为下列几种仿真都为通用型仿真机： 操作员的操作界面布置没有被设计成与仿真对象完全一致，或仅接近于某一实际对象的操作盘 台，因而是一种典型的盘台布置； 经过非压缩目的而进行了表盘二次设计，或从原理出发把不同对象盘台的特点集中体现在仿真机 上； 采用通用的电站数学模型，并不考虑仿真对象运行的特殊性。 1 4 仿真机的发展历程h o 我国发电厂仿真机的发展始于1 9 7 6 年，清华大学热能工程系以国产2 0 0 m w 燃煤发电机组为对象， 开发研制了我国第一台正式用于培训的实用型仿真系统。该系统于1 9 8 3 年完成并正式投入使用。1 9 8 3 年东南大学开发了第一台国产1 2 5 m w 火电仿真培训系统，于1 9 8 8 年通过能源部组织的鉴定，这是我 国第一个通过部级鉴定的仿真培训系统。此后，我国发电厂仿真机得到了迅猛的发展。 除组织国内科研力量开发发电厂仿真系统外，我国还从国外进1 2 1 了若干台仿真机。如1 9 8 6 年，北 京电力专科学校从美国“1 1 k 公司进v i 了一套3 0 0 m w 火电机组培训用仿真系统，于1 9 8 8 年投入使用； 1 9 8 6 年，国家核安全局购进一套美国7 0 年代末生产的9 0 0 m w 的压水堆核电站仿真器，安装在清华大 学，1 9 8 8 年，大连华能电厂从日本三菱公司引进一套3 5 0 m w 火电仿真机。 目前，我国所投运的仿真机大都是以培训电厂运行操作人员为目的。为适应发电技术的发展以及提 高电力生产安全性和可靠性的需要，电力部门要求发电厂仿真机能够不断地扩展其功能，除了培训功能 外，还应具有生产运行和故障诊断等科学研究功能。 1 5 仿真机的发展前景畸 一项技术的进一步发展需要两个方面的支撑；一是发展的基础，二是发展的需求。仿真技术也是如 此。计算机技术的日益发展，火电机组所涉及的各相关学科，如材料、燃烧、传热、两相流、电子、电 气、自动控制等领域的研究不断深入，机组及其辅机设备在设计、制造、运行过程中新技术的应用( 如： 超一超临界机组的投运等) ，以及人们对仿真技术在提高机组安全性、经济性方面的重要作用的进一步 认识，这些因素都促进了火电机组仿真技术的进一步发展。从目前看，它的进一步发展主要在以下几个 方面。 ( 1 ) 对仿真对象数学模型的深入研究 自从火电机组仿真技术产生以来，数学模型一直是其研究和发展的主题之一。其原因有两个：一是 它在仿真机中所处的重要地位，只有数学模型能够正确反映仿真对象的内部机理和外部特征，仿真系统 才能体现出它的价值。二是它存在着较大的发展空间，这是因为： 由于计算机性能的限制，在建模时为了节省计算时间而对数学模型做了一些假设、简化，这对 模型的品质必然会有一定的影响。例如：对具有分布参数特征的动态过程用集中参数模型表示时，若把 它用于控制系统整定( 尤其是带微分信号的控制系统) ，就会与实际系统存在一定的偏差；又如：用静态 动量方程近似代替动态( 考虑加速度的) 动量方程也会存在动态偏差。 由于计算方法的不断发展，目前采用的对数学模型的求解方法，可能从计算速度、精度、稳定 性来讲并不是最优的。 由于建立数学模型的基础一火电机组所涉及的各个相关学科的研究在不断深入，数学模型应该 及时采用更新、更好的研究成果代替模型中以前的某些不确定的、经验性的、有局限性的部分，从而提 高模型的机理性和适用范围，而且还能减少模型调试和维护的工作量。 3 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 计算机软、硬件新技术的应用 积极采用计算机软件和硬件技术的最新成果，主要包括以下几点： 采用性能价格比高，维护、升级方便的计算机硬件设备( 包括i o 接口、网络通信、多媒体等) 。 采用与计算机硬件无关的操作系统，如u n i x ，w m d o w sn t 等，作为仿真机各类软件的开发平 台，以利于软件的维护、升级、移植。 采用面向对象的程序设计方法及其相应的计算机语言( 如c + + 等) 来开发仿真软件，改进软件结 构，提高软件品质。 进一步增强仿真系统支撑软件的功能，尤其是图形交互式的自动建模和调试环境的进一步完善， 从而保证模型软件的质量，缩短仿真机的开发周期。 运用多媒体技术提高仿真机的培训效果。多媒体技术除了用于火焰、水位、设备启停等环境仿 真外，还可以用于其他方面，如结合专家系统的语言辅助训练等。 ( 3 ) 专家系统在仿真技术中的应用 在仿真机的设计和开发过程中，当原始资料不足时，可根据相关知识进行推理，提供合理的假 设数据。在模块连接、软件生成和调试时，对一些错误、遗漏之处给出提示和指导。 在用仿真机进行工程分析和控制系统分析以及机组改造仿真试验时，专家系统可用于系统分 析、优化、控制系统参数自整定等过程。 在用于人员培训时，专家系统向教练员提供教案指导和学员成绩评价，以及向学员提供自学习 指导( 如：可供选择的学习计划、操作分析、指导和评分等) 。 f 4 1 多功能仿真机的应用 在上述内容的基础上，向用户提供适合于火电机组从设计、调试到运行和改造各个阶段的多功能 仿真机，最大限度地发挥仿真机的作用。 1 6 课题的提出m 1 随着电力市场的不断开放，电力工业实行了“厂网分开，竟价上网”的机制，加之国民经济的迅猛 发展，对电力的需求量急剧增加，同时用电的结构发生了巨大的变化，电网峰谷差日益增大，直接导致 了发电厂的负荷需要经常地、较大幅度地进行调整，这样就对发电厂和电厂运行人员提出了更高的要求。 在这样一种用电趋势和电力大发展的大环境下，现代发电厂呈现如下特点：人员越来越少，机组容量越 来越大，结构越来越复杂，参数越来越多，自动化程度越来越高。这样就对运行人员提出了更高的要求。 为了保证机组能够正常的安全运行，我国电力部门规定：3 0 0 m w 以上的机组人员上岗前必须先在发电 厂仿真器上接受培训，经考核合格方能上岗。因此，随着电厂总的机组容量的加大，研制功能完备的仿 真机就成为更加迫切的要求；另一方面，由于单元机组容量的增大。参数的提高，运行中出现了许多新 的控制方式和管理模式，迫切需要提供进行分析指导和工程研究的有效工具和手段。这就要求大型火电 机组仿真机不仅要为电厂运行人员的操作培训提供良好的手段，也要为各种工况下运行技术的分析和故 障诊断、性能预测、控制方式的研究创造实时和在线的环境。总之，集培训运行人员和工程分析研究于 一身的多功能仿真机的设计开发已经成为仿真机发展的一个主要方向。 但是，传统的建模方法效率很低，对建模人员的专业知识和编程知识要求较高，模型调试起来比较 费力，建立仿真模型的周期也较长。而且，模型建立起来后更改的难度很大，这种落后的建模方法大大 地阻碍了仿真机技术的推广和应用，不能满足仿真机发展的需要。因此，如何把所有与仿真活动有关的 软件系统及其分析工具集中在一起，用一个总体的管理程序有机地协调和支配这些软件及工具的使用， 加快建模和仿真步伐( 即为仿真一体化) 是仿真建模技术发展的一个方向。 目前世界仿真学科和仿真机水平都得到了快速的发展，在世界仿真学科的大舞台上我国的发电厂仿 真数学模型一直处于领先地位，但是缺少一个支撑系统将建模、调试、运行以及模型维护、修改、移植、 重用等过程有机的统一起来，特别是国内开发的支撑系统还无法做到模型在线实时修改和调试，成为多 4 第一章绪论 功能仿真机开发的障碍，因此，本文采用先进的图形仿真软件( a p r o s 高级过程仿真支撑系统) 来开发 多功能仿真机。 我校引进芬兰的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 ns o f 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。本文对扬州第二发电有限责任公司# 2 机组中电气 系统进行了仿真开发。该电气仿真模型与同样在a p r o s 仿真系统支撑下的汽轮机仿真模型、锅炉系统模 型和控制系统模型一起构成发电厂实时仿真计算模型，实现对扬州第二发电厂# 2 机组全范围的模拟仿 真。 1 7 论文的主要工作 本论文以a p r o s 5 0 4 仿真支撑系统作为开发仿真机的平台，根据扬州第二发电厂# 2 机组电气系统 的结构、功能和工作原理及仿真要求进行了设计和开发。内容包括： ( 1 ) 对扬州第二热电厂# 2 机单元机组的电气系统的工作原理和逻辑操作进行学习研究并进行了 实地考察。在此基础上，依据仿真要求进行了# 2 机组电气系统的仿真设计； ( 2 ) 学习、分析a p r o s 仿真平台的建模方法和掌握a p r o s 仿真平台的应用； ( 3 ) 在对发变组系统、励磁系统等建模的基础上，应用a p r o s 重点进行了如下子系统的仿真模型 构建：电气主接线控制屏系统、励磁控制系统、1 0 k v 、3 k v 、4 0 0 v 厂用电系统、中压厂用电 快切装置、保安电源系统及同期操作，并对以上模型进行了测试。 东南大学硕士学位论文 第二章发电厂仿真机 火电厂所投运的仿真机可以为发电厂培训运行操作人员，增强运行人员的日常工作及处理紧急情况 的能力，从而提高电力系统运行的安全性、稳定性和可靠性。而且发电厂仿真机还具有进行规程验证、 性能分析和故障诊断等功能。 2 1 发电厂仿真机的仿真范围1 仿真装置按生产流程进行仿真，它包括了炉、机、电、控四个主要部分。与变压器连接的电网被 视为无穷大电网，电网参数作为外部参数来设置。 ( 1 ) 锅炉：锅炉本体、燃烧与风烟系统、汽水系统、燃料制各系统和辅机系统等。 ( 2 ) 汽轮机：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、 辅助蒸汽机系统及油系统等。 ( 3 ) 电气：发电机本体、主变压器、励磁系统、厂用电系统和冷却系统等。 ( 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、联锁逻辑安全保护 系统、单回路调节系统等。 2 。2 发电厂仿真机的工作原理b 1 火力发电厂的生产过程主要有锅炉、汽轮机、发电机，以及它们相应的辅助设备组成的热力系统、 电气系统和控制系统等构成。其中与锅炉有关的系统包括燃料制各和燃料供应系统、锅炉燃烧系统、锅 炉蒸汽系统、再热蒸汽系统、尾部受热面系统、吹灰与除尘系统等。与汽轮机有关的系统包括汽轮机本 体、凝气器系统、抽气系统、回热系统、给水系统、循环水系统、工业水系统、汽轮机调速系统、润滑 油系统等。发电机电气系统有关的发电机本体、励磁系统、厂用电系统、继电保护系统、氢冷或水冷系 统等。 图2 - i 所示的仿真机原理图中有三个部分，它们是仿真计算机、i o 接口系统和控制操作盘台。 模拉 图2 一l 仿真机的基本原理示意圈 6 第二章发电厂仿真机 运行技术人员通过操作盘台上的模拟操作器、逻辑操作器或按钮、开关把手等进行运行所需要的有关操 作，例如可能是增加或降低某些设备的负荷，也可能是启动或停止某些设备。这些操作信号经过i 0 接 口的输入通道进入仿真计算机，仿真计算机按照输入值的变化，根据所编制的程序进行数学模型运算或 逻辑判断，把运算和判断结果通过i o 接口通道送到控制操作盘台上的显示设备，显示出整个发电机各 个参数的动态变化规律，例如各参数点的压力、温度、流量、汽包水位、汽轮机转数、发电功率等，以 及各个主、副设备的运转状态，如某设备正在运行中或处于停止状态等。 例如：仿真计算机内存储着一组描述发电厂生产过程的完整数学模型，它是一组非线性偏微分方 程，设为 x ( o = ，( f ) ，u ( f ) v ( r ) = g ( f ) ，u ( f ) 】 式中x 一系统的状态变量 u 一为系统的输入变量 r 一系统的输出变量 厂，g 一各种非线性函数 当值班操作人员用“发电机负荷增减模拟量操作器”对发电机进行增加或减少负荷操作时，该模 拟操作量u 作为系统的一个输入变量将发生变化并输入计算机，通过计算机内数学模型的运算，一系 列状态变量z ( f ) 和输出变y ( r ) 将发生变化，并以新值输出。如发电机功率、汽轮机调节汽门开度、 锅炉的汽包压力、主蒸汽流量等等都相应地按参考电厂的实际规律发生变化。 2 3 发电厂仿真机的组成。1 2 3 1 仿真机硬件系统 仿真机硬件系统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。 1 主计算机系统 计算机集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，即d c s ) 在发电厂的广泛应用，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i 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。现在大都采用的是多台计算机组成的局域网硬件系统，此系统不仅可以用于原理型仿真机，也可用 于全范围的仿真机。 2 i o 接口 i o 接口是主计算机与控制操作盘台之间的信息传输接口，它将盘台和其它物理设备上的操作信 号，经i o 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 o 接口的输出部件输出到 盘台的仪表、灯光以及其它物理设备上，实现参数记录、显示和信号报警等功能。 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k 取消故障、 7 东南大学硕士学位论文 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。 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 阻、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，可以将 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进行操作和监视，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 m w 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。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进行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设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 k i 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郎属此类型。 ( 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备。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实现 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。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。 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 支撑系统，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 能力的终端或微机，通过网络系统直接和仿真计算机连。 6 网络系统 近几年发电厂仿真采用了网络通信技术。几台仿真机可以组成一个独立的局域网，比较多的是采用 u n i x 操作系统支持下的以太睡。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 3 2 仿真机软件系统 ( 1 ) 操作系统软件一般是使用计算机厂家提供的操作系统软件。这种操作系统应该是实时、多任 务、多用户系统。 ( 2 ) 机组仿真机软件是高级语言编写，并设计成统一的、艮好的文件格式。在程序设计中采用模 块化的结构方式，这样在增加或删除某个模块的时候不会破坏总的程序结构。 机组仿真软件应使仿真装置的响应特性与参考机差别不大。数学模型是决定仿真过程逼真度的关键 技术之一，是仿真机的灵魂。数学模型的建立必须以物理过程为基础，并符合质量、能量和动量守恒定 律。机组仿真软件应以参考机组的结构设计和热力计算为依据，建立稳态和暂态全过程的全仿真模型， 直接或间接地受操作员监视和控制的设备或现象均应被仿真。 ( 3 ) 教练员软件是实现教练员站培训控制功能所需要的全部软件。 ( 4 ) 仿真支撑软件是具有可以支撑仿真应用软件的开发、维护、修改、调试和实时运行功能和仿 8 第二章投电厂仿真机 真数据管理功能的软件。 ( 5 ) 诊断和测试软件是包括在线或离线诊断仿真装置硬件故障的诊断软件，可以提供帮助检查或 维护系统和设备的诊断程序，如图形格式转换工具软件、通信测试工具软件。 2 4 仿真机系统的功能 仿真机系统的主要任务是培训发电厂机组运行操作人员、管理人员、技术干部，使他们熟练掌握机 组的全部操作，包括正常工况、异常工况和事故状态的操作与处理、以及自动控制系统投入运行和切除 条件下的操作，仿真机在各种操作过程中具有的动态响应能力均应和参考电厂运行特性一致。仿真机应 该具有以下的功能。 ( 1 1d c s 操作员站功能 完成实际机组集控室d c s 操作员站的功能仿真，在每台操作员站中包括d c s 的所有显示画面和操 作界面。所有显示画面和操作界面均根据实际机组d c s 操作员站的画面进行的设计，包括机、炉、电 系统大画面、小操作显示画面及实时报警信息显示窗口，为电厂运行人员提供一个逼真的操作环境，达 到与实际机组操作员站的仿真操作效果。 ( 2 ) d e h m e h 操作员站功能 仿真系统的d e h m e h 操作员站完成实际机组集控室d e f u m e h 操作员站的功能仿真。显示画面 和操作界面均根据实际机组的d e l l m e h 画面进行的设计，包括系统画面和小操作画面。d e h 专用键 盘可快速调出流程画面、实时报警信息显示窗口及进行模拟量定值数据输入，实现d e h 硬手动操作的 功能。 ( 3 ) 教练员站功能 教练员站控制整套仿真机的运行状态，指导和监视学生的培训情况，包括工况设置和故障设置等； 其性能和功能的丰富性也是仿真水平高低的重要标志。该教练员站实现的监控功能主要有： 1 1 模型程序的启动、停止； 2 ) 工况的存储和读取； 3 ) 任意工况的自动存储及回退( 记录仿真系统连续运行数据的时间与所选记录频率有关) ； 4 ) 机、炉、电常见故障的设置和取消； 5 ) 仿真模型实时、快速、慢速运行功能； 6 ) 外部环境参数的修改； 7 ) 运行人员操作自动考核评分功能。 2 5 本章小结 本章阐述了发电厂仿真机的组成、仿真范围和工作原理以及仿真机所用的软件、硬件系统结构。 仿真机硬件系统主要由仿真计算机系统及外部设各、操作员台、教练员台、i o 接口系统、网络通讯系 统等构成。可以实现发电厂单元机组运行的全范围仿真。同时仿真机也能应用于机组设计、调试、运行、 改造的全过程。 9 东南大学硕士学位论文 第三章单元机组电气系统数学模型 数学模型是决定仿真过程逼真度的关键技术之一，是仿真机的灵魂。数学模型的建立必须以物理过 程为基础，并符合质量、能量和动量守恒定律。计算机仿真是将一个能近似描述实际系统的数学模型， 进行二次模型化，变成一个仿真模型，然后在计算机上进行运算的过程。数学模型，特别是连续过程的 数学模型常常可以用一组非线性偏微分方程和代数方程组成的数学方程来表达。采用数学模型对真实系 统进行数学仿真，是近年来由于数字式计算机技术的迅速发展被科学界广泛采用的一种仿真技术。数学 仿真主要在计算机上进行，用计算机对数学模型进行运算、分析和参数结果输出。 发变组的数学模型是发电厂仿真机的重要组成部分。全工况数学模型模拟的内容应包括所有控制盘 台上及要求模拟的有关就地设备中的显示参数，应能适应机组设备自冷态和热态启动的全过程。可做正 常运行及机组停机等运行，并能模拟各辅机设备的启停运行、各种不正常运行状态、事故发生及处理情 况。 在发电厂仿真系统中，电气系统数学模型主要是发电机、励磁系统、变压器数学模型等。 3 1 发电机数学模型口1 发电机是发电厂的核心部分，它主要包括定子和转子两大部分。同步发电机定子部分嵌有三相绕组， 即电枢，电枢和三相交流电网相连。其转子部分与汽机同轴，通过它在稳定磁场中的旋转将旋转形式的 机械功率转换成三相交流电功率。 扬州第二发电厂的# 2 发电机为同步发电机。发电机的数学模型应能够反映发电机的全部物理过程， 它包括发电机的转子运动方程和电流电压平衡计算、电磁暂态数值计算等发电机的基本方程式。其中转 子运动方程描述了转子运动的机械暂态过程，而发电机的基本方程则体现了同步发电机电势与机端电 压、电流之间的关系，以及各电势在不同的情况下的变化规律。这些方程应能够实时反映出发电机的空 载特性、短路特性、调整特性和各种负载下不同功率因数时的负载特性等，能够正确地模拟发电机从开 机、并网、加减负荷、满负荷运行、解列等整个过程，同时对异常情况下如灭磁开关误跳后引起的异步 运行也能正确的加以模拟。 ( 1 ) 同步发电机组转子运动方程式 在仿真中可考虑阻尼绕组产生的电磁阻尼转矩以及转动损耗造成的机械阻尼转矩的影响，用阻尼系 数d 来实现。这样可以大大改善正常运行仃的稳定性。此时实时仿真所用的转子运动数学模型为： 一d ( 刃一1 ) ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) 其中乃= 茎考竽是机组的惯性时间常数，单位取秒，。、。分别为汽轮机输出功率和发电机的电 磁功率，萨旦。 0 9 o ( 2 ) 同步发电机的基本方程式 l o 些万 棚 k 一 洄 ( 一 0 上乃 可 l l | | 衍一出 掰一出 第三章单元杌组电气系统数学模型 暂态过程中同步发电机的转速变化主要取决于转轴上不平衡转矩的大小，而同步电机电磁转矩的变 化又是产生不平衡转矩的主要原因。因此，在电力系统稳定计算中，求解转子运动方程必须求出同步发 电机的电磁转矩。通常电磁转矩可根据定子的电流和电压直接算出。但由于同步发电机接入网络后其定 子电流、电压不仅与发电机本身的电势和电抗有关，而且还与外部网络的结构和参数有关，因此，要得 到定子的电流和电压，必须把描述同步发电机电势和定子电流、电压之间关系的方程式与网络方程式联 立求解。 忽略阻尼绕组的作用和定子电阻，不考虑转速变化对旋转电势的影响，认为三相对称运行，则方程 式为： y d 审f “g u f p v d p v 9 p v f x d 0 x 口d 0x d 0 x h0x 0 0 0 0 0 0 0 0 一k 一f 目 0 x d 0x d 0x q 0 x m0x f b 一z g i + p 、 ，d p 虬 p v f p i a 一只。 帅书氚v ”a = - 爿x a i d + 蝎x , , a a d l d 乏p r2 嘣+ r 0 稍”等吩氓一争 e ；= 鲁吩 x a = x a x 墨二f 一 则p 。= e ：一：屯 为简化计算，令p y d = p g = p 吩= 0 则从式( 3 - 4 ) 经过整理简化可得： u d = 一= x q i g “。= 致= e ：一工：屯 “，= r f i ， y g 一 0 ( 3 - 3 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 8 ) 东南大学硕士学位论文 另外，由式( 3 - 4 ) 可得 锻? 盲5 叶一o o 两边同乘鲁则得 塑d t ：可x a d x 叶一铷x p 1 t r 所以鲁= 等叶一等咖然后两边同乘等 令t 。：生， r ， 则得 = 争吩 珐等= 吆畸。f ，詈2 吆畸一号 根据式( 3 - 3 ) 得 。= 詈x + 鲁x j ， 4 等式两边同乘j d ，得 誓= 半 将( 3 - 1 0 ) 带入( 3 - 9 ) ，可得 。等= 一五：氓一m 3 2 励磁系统数学模型。 ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 1 1 ) 励磁系统向发电机提供励磁功率，起着调节电压、保持发电机端电压或枢纽点电压恒定的作用，并 可以控制并列运行发电机的无功功率分配。它对发电机盼动态行为有很大影响，可以帮助提高电力系统 的稳定极限。特别是现代电力技术的发展，使快速响应、高放大倍数的励磁系统得以实现。这极大地改 善了电力系统的暂态稳定性。 励磁系统可以按励磁功率源的不同进行分类，主要有三大类：( 1 ) 直流励擞系统，它通过直流励磁 机供给发电机励磁功率；( 2 ) 交流励磁系统，它通过交流励磁机及半导体可控或不可控整流供给发电机 励磁功率 ( 3 ) 静止励磁系统，它从机端或电网经变压器取得功率，经可控整流供给发电机励磁功率， 其形式通常为自并励( 激) 的或自复励( 激) 的。 1 2 第三章单元机组电气系统数学模型 要实现对励磁系统的仿真，首先要建立励磁系统的数学模型。励磁系统的数学模型是对同步发电机 励磁系统物理过程的数学描述。建立励磁控制系统的数学模型，就是要写出控制系统的各个单元的传递 函数。 1 直流励磁机的传递函数 直流励磁机有他励和自励两种方式，描述它们的动态特性方程是不同的，现以他励直流励磁机为例。 他励直流励磁机表示为典型的传递函数型式为： 式中 g ( s ) 5 瓦i 蔽i 面焉2 1l z 5 + k e + s e t e = n 。k ，为假定的励磁机励磁绕组磁通链的匝数 毋一励磁机励磁绕组的电阻； 萨一励磁机励磁绕组的气隙特性的斜率是l g ： 品励磁机的饱和函数； 强i 亍r eg s e = 尼蕊， 他励直流励磁机的传递函数框图如图3 - 1 所示。 e ( 3 1 2 ) 图3 1 他励直流励磁机的传递函数框图 2 交流励磁机的传递函数 交流励磁机通常是一台频率为1 0 0 1 5 0 h z 同步发电机，其输出经三相桥式整流后供给发电机励磁 绕组。交流励磁机的等效电路图如图3 2 所示。 交流励磁的传递函数为： 啦f 阮(