从火电机组仿真的需求变化介绍仿真环境.doc

从火电机组仿真的需求变化介绍DCOSE仿真环境刘树清 眭 喆 刘敬伟 （北京同方电子科技有限公司， 北京，100085）摘 要 DCOSE仿真支撑环境采用Microsoft .Net架构设计，大量使用了DCOM，Office插件等技术，全方位满足仿真培训、控制系统研究等需求，提供了完整的图形化建模工具，流体网络拓扑结构的自动识别与求解方法，以及以虚拟DPU技术为核心的控制系统仿真解决方案。使仿真机具备了对控制系统分析、验证与研究能力，缩短了仿真机的研发周期。关键词 仿真机 支撑环境 图形建模 虚拟DPU中图分类号：TP391.9 文献表示码：BIntroduction of DCOSE Simulation EnvironmentTo Meet the Requirement of Fossil-fired Unit SimulationLiu Shuqing Sui Zhe Liu Jingwei （Beijing Tongfang Electronic Science & Technology Co.,LTD， Beijing，100085）Abstract: DCOSE simulation environment adopted the frame design of Microsoft .Net, and use the technology of DCOM, Office plug-ins to meet the requirement of simulation training and DCS research. Base on DCOSE, developed the graphic modeling tools software, the automatic identifies and solution method of fluid net, and the equation of DCS simulation with virtual DPU. The function of DCS analysis, validations and studies were provided by this type of simulator. Using DCOSE will shorten the period of simulator development.Key words: simulator; simulation environment; graphic modeling; virtual DPU1、火电机组仿真机需求变化 收稿日期：2006-03 修回日期：2006-06-10作者简介：刘树清（1965-）男，安徽人，汉族，工学硕士，高级工程师，研究方向为电站热力系统建模与仿真火电机组仿真培训系统作为一个有效的培训手段，在我国经历了二十多年的发展，取得了长足的进步，几百套仿真装置分布于学校、电力培训中心、电厂等单位，我国已经成为火电机组仿真机市场最大、最活跃的国家。近年来，随着电力体制改革的不断深化，发电侧竞争机制的引入，进一步要求提高机组操作人员的素质与操作水平，以降低生产运行成本；另一方面，仿真培训装置的建设成本大幅下降与研发周期的缩短。仿真机的建设逐步从以电力培训机构为中心向发电厂直接用户迁移，因此直接导致了仿真机需求的变化，主要表现在以下若干方面： 由于DCS（Distributed Control System）在机组控制过程的广泛应用，DCS系统已经成为运行人员操作机组的主要手段和界面，因此DCS的仿真程度以及在仿真机中对DCS的研究和试验功能成为用户关注的最大热点。 针对新建机组，为了达到在机组投产前可以对操作人员进行有针对性的培训，以及在机组DCS调试之前，利用仿真DCS对实际控制逻辑的完整性进行检验和控制参数的整定试验，要求仿真机研发和实际机组的建设同步进行，甚至要提前投运，仿真机的开发周期被大大缩短与严格限定。 由于电厂用户很少配备专职人员对仿真机进行维护管理，仿真机的维护人员和教练员从原来的专业人员向电厂技术管理人员转化，从而要求仿真机的开发、使用和维护更加简单直接。 反事故演练已延伸到在仿真机上对实际机组事故的分析和重演，要求仿真机可以通过电厂SIS（Supervise Information System）系统或MIS（Management Information System）系统采集机组的实时数据或历史数据，在仿真机上进行重演、显示，仿真机和实际机组DCS的数据连接和分析功能成为用户非常关注的问题。随着计算机软件、硬件以及网络技术的快速发展，计算机的计算能力和容量在飞速提升，现有的一台PC机和过去的昂贵工作站计算机的性能相当，使得仿真机的硬件成本大幅度下降；网络传输能力大幅提高，复杂的结构化数据的可靠传输已不是问题，组件技术已解决了部分软件复用和互联问题。本文将结合北京同方电子科技有限公司在仿真技术方面的研发现状，从仿真支撑环境、图形化建模技术、虚拟DPU技术以及控制系统仿真的解决方案来介绍快速变化的火电仿真技术。2、新一代仿真支撑环境 仿真支撑环境软件是仿真机研发和运行维护必不可少的大型软件，世界上各大仿真公司都有各自的支持环境软件，如美国S3T公司的S3、ABB公司的CETRAN、CAE公司的ROSE等。随着计算机软件水平的不断进步，这些支撑软件也在不断地进行版本的升级，或开发新一代支撑软件。仿真支撑环境功能的优劣，直接反映了仿真技术的水平，为了适应仿真需求的变化，各个仿真机制造厂商都在不遗余力地开发新型的仿真支撑环境，不断扩充其功能。就目前的需求变化来看，仿真支撑平台应具备以下基本能力： 从仿真机的最终用户的角度来看，要求仿真机操作简单、易于维护，减少维护人员的培训时间，降低对使用者的知识要求，达到不需要配备专职教练员的目的。 从仿真机的研发的角度来看，要求具备高质量的最优过程设计，减少过度设计和冗余工序，一次性设计的成果贯彻到调试、运行、维护、升级等整个仿真机生命周期。 从仿真机的建设周期来看，要求有效地缩短建设周期，能够提供各类自动化工具以便减少重复工作，同时提供稳定高效的算法来提升过程模型的逼真度和稳定性。具备实时并行设计和协同工作，开发人员可以互不干扰地进行工作。 仿真支撑环境具备和实际DCS的交互能力，即提供虚拟DPU（Virtual Distributed Process Unit）仿真技术，以便达到在仿真机上实现控制系统的研究与分析功能。 具备分布式的计算能力，充分利用仿真系统内的各种资源，突破原有仿真主机+图形终端的模式，实现完整意义上的一机多模技术，实现仿真客户端的自由组合与编排。 具备和第三方软件无缝拼接的能力，由此扩展仿真成果的二次利用和开发。3、DCOSE仿真支撑系统介绍北京同方电子科技有限公司开发的新一代支撑环境软件DCOSE（Distributed Component Oriented Simulation Environment），在充分继承原支撑系统软件（ISSE2.0）的精华的基础上，采用Microsoft . Net架构设计，大量使用了DCOM，Office插件等技术，全方位实现了满足仿真培训、控制系统研究等需求，仿真环境建立方便快捷，运行维护成本低。由于采取高度开放的技术路线，可以和第三方软件进行无缝拼接，如MS Excel, Visio等应用软件。DCOSE系统包括实时数据库服务（DCOSE SDBSrv）、实时计算引擎（DCOSE RTEngine）、计算机辅助建模系统CAM(Computer Assistant Modeling)、操作员终端OSI(Operator Station Interface)的建立及运行四大部分。其中CAM系统又包含五大解决方案,热力系统建模、控制回路组态、电气网络建模、梯形图建模和一般方式的图形组态工具。 DCOSE提供了各类虚拟DPU软件包以及和实际DPU通讯的能力，已经实现的完整的DPU仿真包有西屋的 WDPF/OVATION、日立公司的H5000M/H7000、Siemens的Teleprem-ME/XP,TXP，ABB公司的Infi90/Symphoney（Conduct NT，Composer PGP等版本）METSO的MaxDNA，Honeywell公司的TPS、FOXBORO I/A以及新华的XDPS系列。除了虚拟DPU方式以外， DCOSE可以和XDPS系列、MaxDNA等DCS以Stimulation方式连接以实现更高的逼真度。图1. DCOSE组成示意图由于DCOSE采用了 .Net架构设计，因此，和传统的仿真支撑系统相比，更容易和DCS以及其他电厂实时控制系统相链接，并利用仿真机提供的仿真数据对电厂的控制系统进行分析和研究。从技术特点上来看，DCOSE系统具备以下优点。 基于物理原则的全工况的过程模型，建模过程非常直观清晰，调试方便，模型精度高，稳态工况下关键参数的误差不超过1%，主要参数的误差不超过2%。 DCOSE内置了数据库管理和基于商业数据库的实时计算引擎，实时检索快捷方便。 DCOSE实现了和第三方软件的拼接，有利于优化整合电厂信息化建设的相关资源。 提供了功能强大的人机界面MMI（Man Machine Interface）制作工具DVPlus和图形显示软件MOSS，可以迅速建立满足各种MMI界面的定制要求，图形显示元素丰富直观。 成熟的多媒体应用组件可插入虚拟盘台或操作端，以满足视频和音频等多媒体仿真的要求。例如火焰、水位、声音仿真等。 教练员站功能齐全，提供多种仿真机的监控手段和教学管理手段，支持教案的预编辑，支持评分系统的各种自定义规则和报表方式。 具有分散式智能化的下位机结构方式，采用PC总线工业控制机的I/O接口系统。4、面向对象的图形化建模技术高性能的图形化建模技术代表了仿真建模的方向，同方电子在DCOSE环境下，自主开发了一套图形化建模工具CAM。本系统软件采用以实际存在的物理对象为独立模块的设计方法，建立其数学模型，通过分析各模块的连接关系，系统自动识别出隐含在系统流程中的网络拓扑结构，运用本公司开发的流体网络算法，自动完成大型流体网络的求解任务。本系统可以广泛地应用在火电、联合循环、核电、水电仿真等方面，本系统的核心技术包括模块算法库、资源库、模具库以及管理工具12。DCOSE图形建模技术具备以下特点： 高度的开放性；CAM图形建模系统的模块库、资源库以及算法模块接口都是完全开放的，用户可以任意增减模块、资源文件以及修改模块的算法。 完全的面向对象模式；CAM已内置了大量仿真计算的经验和知识，建模工程师只需具备相应的专业知识即可建立仿真模型，而不需要关心底层模块的计算问题，如流体网络的稳定性和实时性，及流体网络的拓扑结构。 方便的预处理功能；在建模过程中，需要对所使用的模块需要进行实例化处理，DCOSE在模块的开发阶段定义了预处理算法，预处理的结果自动进入实时数据库。 强大而便捷的调试功能；在仿真模型的调试过程中，需要对实时数据进行整定和检测，DCOSE提供了数据表格和实时曲线的功能，在线编辑和修改任意模块的任何字段的参数，也可以通过使用Visual Fortran对特定的模块进行源码级调试。 自动文档生成与查询功能；DCOSE建模环境可以自动生成维护文档，其格式为HTML，可以方便的查询、打印和发布到网页上，文档内容包括系统说明，简化假设，故障模拟情况，具体设备的说明，以及模块、盘台的接口等。5、先进的虚拟DPU技术所谓虚拟DPU，是指将实际DCS的组态数据直接输入至仿真机，使其能直接模拟实际DPU的计算行为，虚拟DPU的实现依赖于3个子系统，即实际DCS的控制算法模块、实际DCS组态数据的识别和编译、实际DCS操作员端软件的通讯和翻译。虚拟DPU与实际DPU完全一样，在完全不需要DCS硬件的基础上，采用与实际DCS相同的逻辑组态和画面组态程序，在PC机环境下，虚拟DPU可装载和运行控制逻辑，在实现控制系统仿真的同时，可将DCS操作员站、工程师站与仿真机连接，构成和现场DCS非常相似的仿真系统，大大提高了操作人员的培训效果。基于虚拟DPU的仿真机由热力系统模型、电气模型、虚拟DPU等软件组成，所有模块运行在DCOSE上，按照DCOM、API、TCP/IP等通讯协议进行通信3。其总体系统架构如图所示。图2 基于虚拟DPU的仿真机总体架构虽然不同DCS厂商的DPU之间有很大区别，但其工作方式的本质是类似的。一般工程师站的组态结果以组态文件形式加载到DPU中，而这些文件又以基本的算法模块为基础而组成的。因此，根据所仿真电厂的DCS系统，编制算法模块代码，然后编译组态文件，生成可执行的RTE文件，并且可以在教练员台加载运行。该方式有利于热工人员的培训，可进行控制系统的参数整定、优化和控制策略研究，有利于复原、演示实际现场已发生的各种事件，可以进行事故分析、反事故策略和经济运行研究，可以实现仿真机与现场的DCS跟踪，可以实现仿真DCS研究和组态反馈到实际DCS系统。6、控制系统仿真实现方案综述DCS在仿真机中的实现方式普遍受到用户关注，为了达到设计调试、人员培训、检测诊断等系统应用目标，需要将真实DCS在非DCS的计算机系统中逼真再现。同时随着计算机软件和硬件技术的发展，仿真技术也在不断进步。北京同方电子在多年仿真机开发经验的基础上，实现了多种DCS仿真方式，以下就各典型DCS的仿真方案作简要介绍： 激励式（Stimulation）对于提供虚拟DPU的DCS系统，在仿真机中采用DCS厂商提供的虚拟DPU软件包，通过数据交换和协调来实现DCS与炉、机、电过程模型相互的连接。为此，DCOSE提供了丰富的数据通讯接口。当然，不同厂家的DCS，其激励式仿真功能的实现与技术途径是不同的。传统的控制系统，基于网络传输协议以数据通讯方式或共享内存方式实现实时数据交换，是一种松耦合的实现方式。新型的控制系统，如MaxDNA, 提供了丰富的实时数据和数据库访问接口（DCOM接口），这种方式对仿真功能的实现将更加彻底。 虚拟DCS(Virtual