（水利水电工程专业论文）新安江水电厂仿真培训系统的开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 水电厂仿真培训系统是一个跨学科、复杂的模拟系统，目前国内对这技术的 研究仍处于起步阶段。本文从目前电力系统的仿真现状出发，概述了几个水电厂仿 真培训系统的实际情况，指出开发水电厂仿真培训系统是符合水电厂实际应用的需 求的。文章通过新安江水力发电厂仿真培训系统的开发与总体设计实例，给出了水 电厂仿真培训系统开发与设计的个模型构思。 文章叙述了仿真系统开发的流程，介绍了新按江水电厂仿真培训系统的软硬件 环境。本文的第二章、第三章、第四章、第五章分别对仿真支撑系统的原理和功能、 新安江水电厂主要设备的数学模型和仿真模型的构造、图形界面的实现、多媒体的 实现这四个方面进行了阐述，并对它们之间的关系进行了说明，力图给出一个仿真 培训系统开发研究的流程与基本方法。文章对混流式水轮发电机组采用了小波动过 程和大波动过程仿真的研究方法。对发电机、励磁系统、水轮机、引水系统、调速 器等各部分的数学模型和仿真方法进行了详细的分析。最后对全文的内容予以分析， 指出了水电厂仿真培训系统开发的特点及需注意豹问题，并对研究成果进行了分析。 关键词：水电厂仿真支撑系统数学模型图形界面多媒体 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t h y d r o p o w e r p l a n ts i m u l a t i o ns y s t e mi sa ni n t e r d i s c i p l i n a r ya n dc o m p l i c a t e da n a l o g s y s t e m t h ed o m e s t i cs t u d yo nt h i st e c h n o l o g yi s s t i l la tt h es t a r t i n gs t a g ea tp r e s e n t b a s e do nt h es i m u l a t i o no ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，t h et h e s i sm a k e sa l la t t e m p tt o s h o wt h a tt od e v e l o pt h es i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mo fc o m p u t e ri sa c c o r dw i t ht h ea c t u a l d e m a n d so fh y d r o p o w e rp l a n t sa f t e rs t u d y i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h es i m u l a t i o n t r a i n i n gs y s t e mo f s o m eh y d r o p o w e rp l a n t s b ym e k n so ft h ee x a m p l eo fd e v e l o p m e n t a n dd e s i g no ft h es i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mo fx i na nj i a n gh y d r o p o w e rp l a n t ，i t p r o v i d e s am o d e lo fd e v e l o p m e n ta n dd e s i g no ft h es i m u l a t i o n t r a i n i n gs y s t e mo f c o m p u t e ro f h y d r o p o w e rp l a n t t h et h e s i sd e s c r i b e st h ep r o c e s so fd e v e l o p m e n to ft h es i m u l a t i o ns y s t e ma n d r e c o m m e n d st h es o f t w a r ee n v i r o n m e n ta n dh a r d w a r ee n v i r o n m e n to ft h es i m u l a t i o n t r a i n i n gs y s t e mo f x i na n j i a n gh y d r o p o w e rp l a n t t h es e c o n dc h a p t e r , t h e t l l i r dc h a p t e r , t h ef o u r t hc h a p t e r , a n dt h ef i f t hc h a p t e re x p o u n dt h ef o u rr e s p e c t s ，n a m e l y , t h et e n e t sa n d f u n c t i o no fs i m u l a t i o ns u p p o r ts y s t e m ，b u i l d i n gam a t h e m a t i cm o d e la n das i m u l a t i o n m o d e lo ft h em a j o rf a c i l i t i e so fx i na n j i a n gh y d r o - p o w e rp l a n t ，r e a l i z a t i o no fg r a p h i c s i n t e r f a c ea n dr e a l i z a t i o no fm u l t i m e d i aw i t hs e p a r a t e l y , f u r t h e r m o r e ，e x p l a i nar e l a t i o n a b o u tt h e ma n dt r yt op u tf o r w a r dab a s i cm e t h o da n dat e c h n o l o g i c a lp r o c e s so ft h e d e v e l o p m e n t o ft h es i m u l a t i o n s y s t e m t h i sp a p e ra d o p t s t h es i m u l a t i o nr e s e a r c h a p p r o a c hs m a l ld i s t u r b a n c e a n d l a r g ed i s t u r b a n c ei nm i x e d - f l o wh y d r a u l i cg e n e r a t o ru n i t ， e s t a b l i s h e sm a t h e m a t i cm o d e la n ds i m u l a t i o nm e t h o do fg e n e r a t o r , e x c i t a t i o ns y s t e m ， h y d r a u l i ct u r b i n e ，d i v e r s i o ns y s t e ma n dr e g u l a t o r t h ef m a ip a r to f t h et h e s i ss h o w st h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h e d e v e l o p m e n t o f t h es i m u l a t i o ns y s t e ma n dt h ep r o b l e m sn e e dt ot a k e c a r e i ta l s om a k e sa n a n a l y s i so n t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t s k e yw o r d s ：h y d r o p o w e rp l a n t ，s i m u l a t i o n , s u p p o r ts y s t e m ，m a t h e m a t i cm o d e l ，g r a p h i c i n t e r f a c e ，m u l t i m e d i a 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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：务屠薪 日期：2 卯乒年，月舻日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：馁j 宅 日期：) 一侔r 月，牛日中习 建 舟刖 名年签争 师 教0导期指曰 华中科技大学硕士学位论文 1 1 计算机仿真概述 1 1 1 计算机仿真概念 1 绪论 仿真是利用一个模型来模仿实际系统所发生的运动过程并进行试验的技术。 模型是实际系统或过程在某些方面特性的种表现形式，它能反映出该系统和过程 的行为特燃”。计算机仿真是指以计算机为主要工具，运行真实系统或预研系统的 仿真模型，通过对计算机输出信息的分析与研究，实现对实际系统运行状态和演化 规律的综合评估与预测【2 】。根据这个定义，计算机仿真是在计算机上建立仿真模型， 模仿实际系统的运行状态及其随时间的变化的过程。 利用计算机进行数学仿真一般需要经过下列几个过程口】： ( 1 ) 确定对系统进行仿真的目的和基本要求，即弄清楚仿真要解决的问题，并给 出明确的说明。 ( 2 ) 建立系统的数学模型，将被仿真的系统表示成微分方程组、差分方程组、传 递函数、结构图、信号流程图或其它数学表示式。 ( 3 ) 将原始的数学模型通过一定方式变换成能在计算机上实现和运行的数学模 型，即仿真模型。 ( 4 ) 编制仿真模型程序并进行调试。 ( 5 ) 仿真模型的校验和确认。仿真模型的校验是指仿真模型与数学或物理模型的 一致性校验，仿真模型的确认是指仿真模型与实际系统致性的校验。 ( 6 ) 进行仿真试验。 计算机仿真过程图见图1 1 ： l 垂j 看磊亨垂j f ) _ _ 卧萋董霉：竺i 1 1 2 计算机仿真分类 计算机仿真分成主要分为两类回【3 】：1 ) 用于科学研究和工程设计的计算机仿真、 2 ) 用于操作人员培训的计算机仿真。 用于科学研究和工程设计的计算机仿真对仿真模型的要求极高，仿真模型应能 准确的模拟出实际对象的内在原理，并能正确反映出因某些参数变化而导致的结果， 为科学研究和工程设计提供可靠的依据。如计算机仿真系统上进行飞机的风洞试验、 核爆炸试验等。 用于操作人员培训的计算机仿真要求能逼真的模拟实际的操作环境，并能正确 地反映操作结果。这类计算机仿真系统目前广泛地用于电力、化工、运输、钢铁等 行业的操作人员的职业培训中，称为仿真培训系统。 1 1 3 水电厂仿真培训系统开发目的和意义 随着计算机技术的商速发展，水电站运行的自动化程度也越来越高，自动化程 度成了水电站现代化水平高低的重要决定因素。而自动化程度越高，电站人员专业 培训也就越难。以前的电站人员培训多半采取“帮、教、传”的方式，费时费力， 效果也不显著，而且很不利于电站人员的自学。在重要而复杂的技术上往往很长时 间内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站，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站经济效益的操 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站现代 化管理的一个必要内容。 2 华中科技大学硕士学位论文 电站仿真培训系统要完成以下主要任务：电站运行设备的可视化、各设备之间 的与实际相符合的关联运行、系统的培训任务设置( 故障、异常设置) 等。 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。我国电站仿真技术的研 究和应用始于7 0 年代，近三十年来，电站仿真培训系统的研究和开发取得了一系列 的研究成果。电站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，对提高电站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 2 国内外水电厂仿真系统概况 水电厂仿真培训系统实际上是对水电厂某单元发电机组系统的工作过程和操作 流程的仿真。 国外水电厂仿真研究从七十年代开始，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。 九十年代以来国外水电厂实时仿真应用已经非常普遍了( 4 】。 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， 华中科技大学硕士学位论文 变配电仿真系统百套左右。但相对而言，水电仿真的技术发展和推广应用显得相对 滞后，迄今国内投入使用的水电厂仿真机不到十套。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，现已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 水电厂也都开发出了自己的仿真系统。但在水力资源丰富的华东地区，水电仿真还 是一个空白。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。 国内水电厂仿真情况简介： ( 1 ) 丰满水电厂仿真系统 该系统是我国第一套水电厂仿真系统，由清华大学电机系厂站仿真室研制。1 9 8 9 年开始研制，1 9 9 3 年通过验收和鉴定，获东北电管局科技成果一等奖。仿真对象为 丰满水电厂十台机组中的两台及该厂的主要公用系统，包括引水系统、水轮机组及 其配电系统等。系统总投资超过4 0 0 万元。 此系统安装于吉林市丰满水电技术学校，用于水电厂运行人员的培训。 ( 2 ) 龙羊峡水电厂仿真系统 该系统由清华大学电机系厂站仿真室1 9 9 4 年7 月开始研制，1 9 9 6 年1 2 月完成。 仿真对象为龙羊峡水电厂四台机组中的两台( 2 2 3 0 m w ) 及水电厂的各公用系统。该 系统的硬软件水平都比第一套有了明显的提高，并初步尝试引进了多媒体功能。 该系统安装于青海省西宁电力学校。系统投运后，西北地区众多水电厂纷纷派 人去培v i i 。其中，龙羊峡、青铜峡、李家峡等水电厂更是规定，每个运行人员每年 必须到该仿真系统上培训1 0 1 5 天。由此可见，该系统对生产现场大有裨益，产生 了良好的社会效益和经济效益。 ( 3 ) 广州小水电仿真机 该工程为世界银行贷款项目，也由清华大学研制，安装于广州市。项目历时两 4 华中科技大学硕士学位论文 年，于1 9 9 9 年底完成。该系统仿真了两台典型的1 2 m w 混流式水轮发电机组。其 服务对象为我国南方和东南亚国家的众多小水电厂。 ( 4 ) 隔河岩水电厂多媒体培训系统 隔河岩水电厂多媒体培训系统由华北电力大学研制，于1 9 9 8 年5 月提交现场试 运行，包括运行操作仿真培训系统、主要设备结构原理培训、基础知识培训等n 个子系统。整个系统基于w i n s c h o o l 多媒体教学平台的网络系统，通过模块化结构 软件实现各部分内容的培训1 5 j 。 1 3 仿真软件开发过程概述 依据国际标准的开发流程，同时结合计算机软件工程国家标准，对仿真系统的 开发制定并实施了严密的标准化开发流程。 仿真系统的标准软件开发过程包括下列阶段； 需求分析( u s e r r e q u i r e m e n t a n a l y s i s ，u r a ) 要求定义( u s e r r e q u i r e m e n td e f i n e ，u r d ) 系统设计( s y s t e m f u n c t i o n d e s i g n ，f d ) 详细设计( d e t a i ld e s i g n ，d d ) 程序设计( p r o g r a md e s i g n ，p d ) 程序制作( p r o g r a mm a k i n g ，p m ) 单元测试( u n i tt e s t ，u t ) 集成测试( i n t e g r a t i o nt e s t i t ) 系统测试( s y s t e mt e s t ，s t ) 功能测试( f u n c t i o n a lt e s t ，f t ) 文档开发( i n f o r m a t i o n d e v e l o p m e n t ，i d ) 可用性测试( u s a b i l i t yt e s t ，u s t ) 客户验收测试( u s e r a c c e p t a n c et e s t ，u a t ) 对各个阶段都定义了进入准则和结束准则并设置了审核检查点。只有在达到本 阶段的结束准则，并达到下一阶段的进入准则时方可进入下一阶段。下面介绍个个 华中科技大学硕士学位论文 开发阶段的主要工作内容。 需求分析( u r a ) 需求分析阶段的任务是根据用户业务需要，进一步分析和确定客户对于未来系 统的全面需求，并编写“需求分析报告书”。需求分析阶段需要客户的积极参与， 并以客户对需求分析报告书的确认为完成标志。需求分析报告书一经确认，将成为 整个项目开发工作的基础和最初依据。 要求定义( u r d ) 要求定义阶段的任务是根据需求分析报告书，设计和编写“要求定义书”。要 求定义书是对用户需求分析报告书所列示的功能需求用计算机的硬件和软件来给于 精确的定义。要求定义书在整个开发过程中是功能需求和性能标准的决定性文件。 要求定义书需对所有软硬件界面及详细功能均需加以详细说明。 系统设计( f d ) 系统设计又称为功能设计。系统设计是对软件系统的全面设计考虑，包括软件 系统的基本处理流程、软件系统的组织结构、模块划分、功能分配、接口设计、运 行设计、数据结构设计和出错处理设计等。系统设计是详细设计的基础。 详细设计( d d ) 详细设计是在系统设计的基础上对每个功能部件直至逻辑模块进行更加详细设 计，设计每个模块按其功能要求所执行的特定任务。 程序设计( p d ) 程序设计是在详细设计的基础上对每个功能部件直至逻辑模块进行更加详细设 计。程序设计是为编程服务的，在程序设计阶段编写的文档是“程序设计书”。 程序制作( p m ) 程序开发人员按照详细说明书或程序设计书，并遵循事先制定的编程规范进行 编码。 单元测试( u t ) 单元测试是模块中新的代码的最初测试阶段。它检验程序或模块的内部逻辑的 正确性和安全性，同时检验程序说明。单元测试必须根据单元测试计划设计书进行， 6 华中科技大学硕士学位论文 单元测试原则上由编程人员自行负责，在必要时，可以由测试协助。 集成测试( i t ) 集成测试是把各个经过单元测试完的功能模块结合起来的测试。它检验系统程 序或模块间的整合性和完全性，同时检验系统运转过程。集成测试必须根据集成测 试计划设计书进行。集成测试的成果是向开发组提交集成测试结果报告书。 系统测试( s t ) 系统测试是在所有功能部件测试成功结束后，对整个系统的综合评估。使用“要 求定义书”作为标准，严格测试系统的功能和性能以确保满足客户所有的要求。由 独立的测试组准备测试计划和测试案例，并须经过评审。用与功能测试相同的过程， 报告和处理测试过程中遇到的错误。 功能狈4 试( f t ) 功能测试用以评估组成每个功能部件的模块的整合功能，并且验证每个功能部 件是否符合设计要求。在功能测试正式进行前，先要由独立的测试组准备测试计划 和测试案例。当达到预期的结束准则时，功能测试将告结束。最后测试组将编制“功 能测试报告”，并提交给客户。 文档开发( i d ) 文档指用户操作说明书、用户指南以及技术参考资料等技术资料。文档开发以 “要求定义书”为依据，并与软件系统一起在可用性测试中进行评估。 可用性测试( u s t ) 可用性测试是从客户角度进行的系统评估，重点是测试系统的性能和方便性， 以及相关手册文档的准确性和清晰性。测试结束后，应提交“可用性测试结果报告”。 客户验收测试( u a t ) 客户验收测试是在软件产品正式交货和安装实用前的最终测试，在模拟( 或真 实) 的用户环境中进行，用以验证系统的所有功能和性能是否满足客户要求。验收 测试一般以客户为主完成，开发公司提供各种必要的支持，并负责解决验收测试中 发现的问题。 仿真系统软件开发流程如图2 3 所示。根据具体实施的项目类型、项目规模、开 7 华中科技大学硕士学位论文 发周期，以及客户的需求，可以对开发过程的各个阶段做适当的合并，裁剪和调整 以达到一个最完善的项目开发结果。 8 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本文的任务 图2 - 3 仿真系统软件开发流程图 本文讨论以新安江水电厂为仿真对象的一套仿真培训系统，它是实时动态建模 理论和计算机可视化技术相结合，对水电厂进行动态模拟的新成果。新安江水电厂 仿真系统是一套以新安江水电厂为仿真对象，采用多媒体技术、用p c 机实现的全 工况、全范围的实时系统，它仿真了该厂的整个生产流程，仿真范围包括单元接线 ( 一台主变带3 台机组) 的水轮发电机组系统、网控升压站系统、厂用电系统、计 算机监控系统( h 9 0 0 0 ) 、油水风辅助系统及二次系统等，可仿真水电厂的各种正常 操作和多达2 0 0 余种的故障和异常。该系统可以用于现场运行人员的正常操作和事 故处理的培训和教学( 4 1 。 新安江水电厂仿真培训系统总体目标是先进、实用，要求仿真范围全面、功能 齐全、针对性强，要能满足深层次的培训需要，可进行水电站运行人员的全过程技 术培训，包括正常操作培训和各种事故、异常的培训【6 1 。 新安江水电厂机组台数较多( 共九台) ，装机容量较大( 9 0 m w ) 、出线电压等 级较高( 2 2 0 k v ) 、网络接线复杂的特点，具有国内水电厂的一般性和典型性，考虑 到经济效益和社会效益，在仿真系统的设计规模上，除满足新安江水电厂的培训任 华中科技大学硕士学位论文 务外，还应适度同类型的水电厂的培训需要。 新安江水电厂仿真培训系统为包括水、机、电系统的动态全过程仿真。动态全 过程仿真的优点在于： ( 1 ) 模拟真实电力系统实际过程： ( 2 ) 实际系统中，暂态过程对中长期过程有影响，中长期过程对后续新的暂态 过程有影响，因此，在全过程仿真中，要求仿真模型逼真度高、实时性强且具有鲁 棒性。 新安江水电厂仿真系统是以新安江水电厂舟7 、捍8 、撑9 号三台经增容改造后的水 轮发电机组组成的单元为对象，按1 ：1 的比例对水轮发电机组进行全过程、全范围 仿真。被仿对象为整个电厂各种系统和设备，其边界条件为上游水库、厂区的下游 河床以及电厂的对侧电网，仿真范围包括单元接线( 一台主变带3 台机组) 的水轮 发电机组系统、网控升压站系统、厂用电系统、计算机监控系统、油水风辅助系统 及二次系统等。 新安江水电厂仿真系统主要由如下子系统组成： ( 1 ) 水轮发电机组子系统。包括机组从引水到水机直至尾水的仿真，相应的调 速系统、发电机和励磁系统仿真及相应的控制保护仿真。 ( 2 ) 监控子系统的仿真。仿真新安江h 9 0 0 0 监控系统的界面和各种控制过程。 包含各种操作功能的仿真和光字牌报警功能的仿真。 ( 3 ) 配电子系统。仿真该厂升压站部分，包括输电线路( 2 2 0 k v ) 、母线( 2 2 0 k v ) 、 主变压器、开关、站用直流、保护装置、站用交流等。 ( 4 ) 辅机子系统。仿真水、风、油辅助设备及相应的控制。 本文着重讨论整个系统的开发过程，及系统各主要部分( 如：仿真支撑系统、 用户图形操作界面、水机电的主要仿真数学模型、多媒体等) 的工作原理。 1 5 预期效益 水电厂仿真培训系统的研制目前在国内仍处于初步阶段，从目前的情况看，国 内绝大多数水电厂都没有配置仿真培训系统，而火电厂在这方面的要求要高一些， 华中科技大学硕士学位论文 现在一些新建火电厂都要求在建厂的同时必须建立仿真培训系统。大型水电厂如葛 洲坝电厂等都还没有仿真培训系统，对于研究部门来说，这是一块有持开发的市场， 而且随着水电厂管理运用水平的提高，这种要求会显得更加突出，因而可以说是市 场的需要促使了这项技术的发展。另一方面，国内仿真技术研究推广机构现在仍未 推出完善的水电厂计算机仿真培训系统产品，这也是目前应用厂家迟迟观望的一个 原因。目前在水电厂仿真培训系统产品方面，哪个科研机构推出的产品越完善、越 实用、越能为用户带来实际的效益，将来其所占的市场份额将会越大，可以说，技 术的不完善和产品的不定型，使这项技术仍处于研究开发阶段。将来要想吸引用户、 占领更大份额的市场，需注意市场应用前景、用户利益体现、实用性、可移植性等 问题。 由于目前大多数水电厂都没有配备仿真培训系统，因此只要该系统能切合水电 厂实际的需要，就能被大多数水电厂所接受，因而开发这一产品具有较好的经济效 益。一方面开发单位能够以自己的技术能力和产品特点吸引用户，使更多的用户愿 意购买自己的产品，从而为自己创造较好的经济效益；另一方面，用户运用该产品 能够达到培育职工、提高企业职工的整体素质，尤其是业务管理水平的目的，从而 为电厂的安全发供电创造更好的条件，同时，还可提高企业的经营管理水平，并为 企业带来更大的经济效益。 可以说，开发商在产品的销售后取得的是固定的收益，而且随着其产品的不断 充实和完善，会给用户提供更充分、更满意的产品，以满足水电厂管理运用水平的 不断提高；而水电厂运用该产品后取得的是长期应用的效益，尤其对那些运行管理 人员变化较大或不断变化的水电厂来说，配备仿真培训系统便成了一件必须的事情。 从当今这种人员流动较大的现状来看，配备这种系统是保证水电厂安全稳定运行和 优质高效发供电的保证措施之一，它可以为水电厂带来长期稳定的经济利益。 华中科技大学硕士学位论文 2 新安江水电厂仿真培训系统综述 2 1 新安江水电厂仿真培训系统模式的选择 2 1 1 仿真系统模式 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( s t i m u l a t i o n ) 方式、仿真( s i m u l a t i o n ) 方式以 及部分仿真( p a r t i a l s i m u l a t i o n ) 方式。 激励方式是指仿真系统在复制实际电站中以计算机为基础的监视和控制系统 时，直接接入与实际电站中相应的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站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。 山东石横电厂3 0 0 m w 全范围仿真机的数据采集系统就采用激励仿真方式。石 横电厂发电机组的监控系统与其仿真机的监控系统都是由美国f o x b o r o 公司制造， 两个系统硬件是同时出厂的同型号计算机系统，即f o x 1 a ，两个系统软件是出厂 前同时拷贝的软件系统，一套用在石横电厂，一套用在石横电厂的仿真机上，可见 两个系统是一模一样的。 仿真方式与激励方式相反，仿真系统在复制电站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i8 整个电厂的操作、控制与监视系统。 隔河岩水电厂多媒体培训系统就采用的是仿真方式。整个系统基于w i n s c h o o i 多媒体教学平台的网络系统，通过模块化结构软件实现各部分内容的培训。 部分仿真方式在复制实际电站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 华中科技大学硕士学位论文 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。 深圳深能公司制造的深圳妈湾电厂3 0 0 m w 全范围仿真机就采用部分仿真方 式，其i n f i 一9 0 系统的硬件和人机界面软件是从b a i l e y 公司引进的与妈湾电厂完全 相同的硬件和软件，而1 n f i 一9 0 系统的功能及通讯软件则是由深能公司开发的。 2 1 2 各种仿真模式特点 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于检测 盘均采用于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站的发展水平保持一致。 ( 3 ) 由于电站系统越来越复杂，仿真机成本会越来越高，所以激励方式存在着 潜在的降低成本的可能。 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 牛仿真的比例。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规格型号的上位机部 华中科技大学硕士学位论文 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： ( 1 ) 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 1 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 3 新安江水电厂仿真系统模式的确定 激励方式对所仿真电厂的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 1 4 华中科技大学硕士学位论文 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。由于火电厂的仿真系统一般只仿真单元机组，而不仿真整个电厂及其它附属 系统，再加上火电机组的统一性、系列化情况较好，因此这种仿真模式在火电厂尤 其是新建火电厂较多。而水电厂受自然条件的限制，其硬件装备的个性化较强。因 此采用激励方式的可能性较小。具体就新安江水电厂来说，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新安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，新安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。 2 2 新安江水电厂仿真系统的构成 2 2 1 硬件系统 新安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 1 。主要硬件设备说明见表2 - 1 华中科技大学硕士学位论文 监控操作站 图2 1 新安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 i 鬟麓骥囊蕤纛l 鬻黼鬻l 瓣麟震剿瓣黼糕黧雾鬻攀 h p 教练员站 h p 9 0 0 0u n s e r v e rg 3 01 s e r v e r d e l l ，c p u ：p 41 6 g h z ，主内 监控操作站p c 机存：2 5 6 m b ，硬盘：4 0 g ，显示器： 4 1 9 ”l g 液晶 d e l l ，c p u ：p 41 6 g h z ，主内 就地仿真站p c 机 存：2 5 6 m b ，硬盘：4 0 g ，显示器：1 9 ” 2 s o n y 彩显 d e l l ，c p u ：p 41 6 g h z ，主内 多媒体站p c 机 存：2 5 6 m b ，硬盘：4 0 g ，显示器：l7 ” 1 s o n y 彩显 投影系统投影仪 b a r c o6 4 0 01 d - l kd e s l 0 1 0 6 r ( 1 0 m 1 0 0 m ，1 6 集线器 1 口) 其它设备3 c o m 网卡8 1 6 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 软件系统 新安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 的仿真专用软件和相应的仿真模型软件。仿真专用软件包括仿真支撑系统软件 ( s i m u p l u s ) 、绘图工具软件、教练员台功能软件等，仿真模型软件包括水电厂本体 系统、辅助系统及电气部分的仿真模型。其中，仿真支撑系统是整套仿真系统的开 发环境【9 】 1 0 1 ，并支持整套仿真系统的运行。 2 2 2 1 仿真支撑系统 1 s i m u p l u s 仿真支撑系统简介 目前仿真机的开发及运行都是在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。 新安江水电厂仿真培训系统的支撑软件是一套基于u n i x 系统的集成的仿真支 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。 s i m u p l u s 仿真支撑系统是一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。它是一个能 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。 华中科技大学硕士学位论文 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，它通过信号灯机制实现对多用户的管理，从而防止了并发任务对数据库可能 造成的破坏，保证了数据库的安全、可靠。同时，它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。其工作过程如图2 2 所示： 圈2 2s i m u p l u s 仿真支撑系统工作过程图 s i m u p l u s 仿真支撑系统的实时数据库是由一个数据文件( 存放变量缺省值) 和 一个索引文件( 存放变量信息) 组成的，它支持逻辑型( 1 、2 、4 字节) 、整型( 1 、 2 、4 字节) 、浮点型、双精度型、字符型等数据类型。 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。 2 。s i m u p l u s 仿真支撑系统基本原理 工程文件( 十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。它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 f s t r u c t 华中科技大学硕士学位论文 c h a rn o d en a m e 3 2 】； c h a rl o g _ n a m e 1 6 ； c h a rg l o b _ n a m e 3 2 ； c h a rd i r e t o r y 1 2 8 】 u n s i g n e di n tp r e a l l o c _ m e m ； u n s i g n e di n tp r e a l l o c r e c ； c h a rv a r _ j o a t t e m 1 2 8 ； c h a rp r j _ a r c h 1 2 8 】； p 用于模型库名+ 严系统登录名+ p 模型的全局变量表名+ p 数据库文件所在路径+ 产预分配的共享内存大小( 单位为字节) + ， 严预分配的数据库变量个数t p 数据库变量的命名规则 p 必要的说明 ) s t r up r o j e c t ； 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 3 图2 3 工程管理器界面 华中科技大学硕士学位论文 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“_ 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